ES2240253T3 - Revestimientos sobre materiales compuestos reforzados con fibras. - Google Patents

Abstract

Un material compuesto reforzado con fibras que comprende: un sustrato de polímero reforzado con fibras; una primera capa polímera que reviste el sustrato de polímero reforzado con fibras para unir dos diferentes materiales polímeros compuestos, estando la primera capa polímera exenta de fibras y material en partículas; una segunda capa polímera que reviste la primera capa polímera, segunda capa polímera que comprende una matriz polímera y un material en partículas dentro de la matriz polímera; y al menos un material proyectado térmicamente que reviste la segunda capa polímera para formar un revestimiento multicapas adherente unido al sustrato de polímero reforzado con fibras, caracterizado porque el material en partículas de la segunda capa polímera es un material metálico.

Description

Revestimientos sobre materiales compuestos reforzados con fibras.

Campo de la invención

La invención se refiere a materiales polímeros compuestos reforzados con fibras, revestidos por proyección térmica. Esta invención también se refiere a un procedimiento para producir los componentes de materiales polímeros compuestos reforzados con fibras con los revestimientos.

Antecedentes de la invención

Se pueden diseñar y construir materiales compuestos reforzados con fibras con matrices polímeras (FRP), incluidos polímeros reforzados con fibras de carbón (CFRP) que tienen propiedades mecánicas y físicas sobresalientes tales como una baja densidad, alta resistencia a tracción y torsión y alto módulo de elasticidad o rigidez. Se pueden usar una variedad de materiales de fibras de alta resistencia, incluidas fibras de carbón, fibras de carburo de silicio, fibras de muchos otros óxidos, carburos y otros materiales. Análogamente, se pueden usar una amplia variedad de materiales polímeros, incluidas resinas termoendurecibles tales como resinas fenólicas, epoxídicas y muchas otras. Las fibras pueden ser muy largas y dispuestas en configuraciones específicas o relativamente cortas y dispersadas al azar. Cuando las fibras largas se ordenan en configuraciones específicas, se pueden alinear en una sola dirección o colocarse en ordenamientos diseñados para que resulte una resistencia bidimensional o tridimensional del FRP. Así, las propiedades mecánicas de la estructura de FRP pueden acomodarse a los requerimientos específicos de un componente.

Desafortunadamente, las superficies de una matriz de FRP tienen una baja resistencia al desgaste, incluidas la resistencia al desgaste adherente, abrasivo y erosivo. También pueden ser susceptibles a la oxidación u otras formas de corrosión, pueden necesitar protección frente al calor, no tienen las características ópticas o eléctricas deseadas, etc. Como resultado de ello, su utilización ha estado muy limitada en muchas aplicaciones o ha requerido el uso de insertos metálicos o cerámicos o manguitos en zonas de contacto o exposición al desgaste, calor, etc. Por ejemplo, en sistemas de transmisión, se debe unir a un eje de FRP un manguito masivo y caro resistente al desgaste para evitar el desgaste por adherencia o abrasivo, y los componentes de FRP de un ala o la cola de avión deben tener una protección metálica unida a los bordes de avance para evitar la erosión.

El documento 3P-A-11 165 930 describe un material compuesto y un procedimiento de acuerdo con el preámbulo de las reivindicaciones 1 y 3, respectivamente. En él, los rodillos usados en las industrias impresoras se hacen de RPF. Son mucho más ligeros y rígidos y, por ello, de manejo más fácil y seguro, requieren menos energía y tiempo para acelerar y desacelerar (debido a una inercia menor) y producen mejores productos debido a su rigidez.

Una solución a muchos de los problemas asociados con la utilización de FRP es un revestimiento adherente con la resistencia al desgaste requerida u otras propiedades. Usando el depósito por proyección térmica, se pueden producir una amplia variedad de revestimientos metálicos, cerámicos, de cermets y algunos revestimientos polímeros. Muchos de estos materiales son útiles para proporcionar resistencia al desgaste y otras propiedades a componentes de FRP si se pueden depositar sobre ellos.

La familia de procedimientos de proyección térmica incluye el depósito con Super D-Gun^{MC}, depósito con cañón de detonación, depósito con oxi-combustible a alta velocidad y sus variantes, tales como con aire-combustible a alta velocidad, proyección con plasma, proyección a la llama y proyección por arco eléctrico con alambre. En la mayoría de los procedimientos de revestimiento térmico, un material metálico, cerámico, un cermet o algún material polímero en forma de polvo, alambre o varilla se calienta a cerca, o algo por encima, de su punto de fusión y se aceleran gotitas del material en una corriente de gas. Las gotitas se dirigen contra la superficie del sustrato (parte o componente) a revestir, donde se adhieren y fluyen en partículas laminares delgadas denominadas láminas adherentes. El revestimiento está constituido por múltiples láminas que se solapan y entrelazan. Estos procedimientos y los revestimientos que producen han sido descritos detalladamente en Advanced Thermal Spray Deposition Techniques, R.C. Tucker, Jr., en Handbook of Deposition Technologies for Films and Coatings, R.F. Bunshah, ed., 2ª edición, Noyes Publications, Park Ridge, New Jersey, 1994, págs. 591 a 642; Thermal Spray Coatings, R.C. Tucker, Jr., en Handbook of Thin Films Process Technology, Institute of Physics Publishing, Ltd., Londres 1995; y Thermal Spray Coatings, R.C. Tucker, Jr., en Surface Engineering, ASM Handbook, vol. 5, ASM International, Materials Park, Ohio, 1994, págs. 497-509.

En virtualmente la totalidad de los procedimientos de proyección térmica, dos de los parámetros muy importantes que controlan la estructura y las propiedades del revestimiento son la temperatura y la velocidad de las partículas individuales cuando impactan sobre la superficie a revestir. De éstos, la temperatura de las partículas es la de mayor importancia en relación a las FRPs de revestimiento. La temperatura que alcanzan las partículas durante el proceso de depósito es función de varios parámetros, incluidas la temperatura y la entalpía de los gases del proceso, los mecanismos específicos de transferencia de calor a las partículas, la composición y las propiedades térmicas de las partículas, la distribución del tamaño y la forma de las partículas, el caudal de la masa de las partículas en relación al caudal del gas y el tiempo de paso de las partículas. También la velocidad que alcanzan las partículas es función de varios parámetros, y algunos de éstos son los mismos que afectan a la temperatura de las partículas, incluida la composición, la velocidad y el caudal de los gases, la distribución del tamaño y forma de las partículas, la velocidad de inyección de la masa y la densidad de las partículas.

En un proceso típico de depósito con cañón de detonación, se inyecta una mezcla de oxígeno y acetileno junto con una cantidad del material de revestimiento en un tambor de aproximadamente 25 mm de diámetro y más de 1 m de largo. Se hace detonar la mezcla de gas y la onda de detonación que se mueve hacia abajo en el tambor calienta el polvo a cerca, o un poco por encima, de su punto de fusión y lo acelera a la velocidad de aproximadamente 750 m/s. El polvo se calienta rápidamente a gotas fundidas o casi fundidas de material que chocan contra la superficie del sustrato a revestir y fluyen como láminas fuertemente unidas. Después de cada detonación se purga el tambor con un gas inerte tal como nitrógeno y el proceso se repite muchas veces durante 1 s. Típicamente, los revestimientos obtenidos con el cañón de detonación tienen una porosidad de como mínimo 2% en volumen con una resistencia cohesiva muy alta, así como una resistencia de unión al sustrato muy alta. En el proceso de revestimiento con Super D-Gun^{MC}, la mezcla de gas incluye otros gases combustibles además de acetileno. Como resultado de ello, hay un aumento del volumen de los productos de la detonación de los gases, lo que aumenta la presión y, por tanto, aumenta mucho la velocidad de los gases. Esto, a su vez, aumenta la velocidad de las partículas del material de revestimiento, que puede ser superior a 1000 m/s. La elevada velocidad de las partículas da por resultado un aumento de la resistencia de unión del revestimiento, la densidad y un aumento de la tensión residual a compresión del revestimiento. En ambos procedimientos, en el de revestimiento con cañón de detonación y con Super D-Gun, a la mezcla del gas de detonación se puede añadir nitrógeno u otro gas inerte para controlar la temperatura de la mezcla del gas que ha detonado y, por tanto, la temperatura del polvo. El proceso total es complejo y se pueden usar varios parámetros para controlar la temperatura y la velocidad de las partículas, entre ellos la composición y el caudal de los gases en el cañón.

En procedimientos de oxi-combustible a alta velocidad y en procesos de revestimiento afines, se usa oxígeno, aire u otra fuente de oxígeno para quemar un combustible tal como hidrógeno, propano, propileno, acetileno o queroseno en una cámara de combustión y se deja que los productos de combustión gaseosos se expandan a través de una boquilla. La velocidad del gas puede ser supersónica. El material de revestimiento en polvo se inyecta en la boquilla y se calienta a cerca o por encima de su punto de fusión y se acelera a una velocidad relativamente alta, hasta de 600 m/s para algunos sistemas de revestimiento. La temperatura y la velocidad de la corriente de gas a través de la boquilla y, finalmente, de las partículas de polvo, se pueden controlar variando la composición y el caudal de los gases o líquidos en el cañón. Las partículas fundidas inciden sobre la superficie a revestir y fluyen como láminas densamente empaquetadas que se unen bien entre sí y al sustrato.

En el procedimiento de revestimiento por proyección con plasma, se ioniza parcialmente un gas por un arco eléctrico a medida que fluye en torno a un cátodo de wolframio y a través de una boquilla relativamente corta, primero convergente y luego divergente. El gas parcialmente ionizado, o plasma de gas, usualmente está basado en argón, pero puede contener, por ejemplo, hidrógeno, nitrógeno o helio. La temperatura del plasma en su núcleo puede exceder de 30.000 K y la velocidad del gas puede ser supersónica. El material de revestimiento, usualmente en forma de polvo, se inyecta en el plasma de gas y se calienta a cerca o por encima de su punto de fusión y se acelera a una velocidad que alcanza aproximadamente 600 m/s. La velocidad de transferencia de calor al material de revestimiento y la temperatura última del material de revestimiento son función del caudal y la composición del plasma de gas así como el diseño de pistola y la técnica de inyección del polvo. Las partículas fundidas se proyectan contra la superficie a revestir formando láminas adherentes.

En el procedimiento de revestimiento por proyección a la llama, se queman en una pistola oxígeno y un combustible tal como acetileno. El polvo, alambre o la varilla se inyectan en la llama, en la que funde y se acelera. La velocidad de las partículas puede alcanzar aproximadamente 300 m/s. La temperatura máxima del gas y últimamente la del material de revestimiento son función del caudal y la composición de los gases usados y el diseño de la pistola. También aquí, las partículas fundidas se proyectan contra la superficie a revestir formando láminas adherentes.

Se han hecho muchos intentos para revestir directamente las superficies de FRP con revestimientos obtenidos por proyección térmica. Los revestimientos por proyección térmica de composiciones metálicas, de cermets o cerámicos usualmente no se adhieren bien o se desconchan cuando sólo se ha depositado una pequeña cantidad de revestimiento. En la mayoría de aplicaciones de revestimientos obtenidos por proyección térmica, se debe hacer rugosa la superficie a cubrir para obtener una unión adecuada. Usualmente, esto se hace chorreando con granalla la superficie. El chorreado con granalla u otras formas de dar rugosidad a las superficie de FRP conduce a una erosión inaceptable de la matriz polímera y al deshilachado de las fibras. En especial, esto último conduce a un revestimiento por proyección térmica rugoso y poroso. Por ejemplo, al tratar de aplicar el procedimiento de Hycner, patente U.S. nº. 5.857.950, se encontraron estos y otros problemas. Hycner propugna chorrear con granalla la superficie de un rodillo de CFRP de alimentación de fluido (un rodillo anilox usado en imprenta) y luego proyectar térmicamente una capa de zinc, níquel-20 cromo, o una mezcla de bronce de aluminio más 20 de poliéster en un ángulo de barrido negativo de 11,5 a 13,5 grados. Luego se aplica un revestimiento cerámico sobre la primera capa. Seguidamente el revestimiento cerámico se somete a acabado y se graba. Se ha encontrado que este procedimiento es inaceptable a causa de la mala resistencia de unión con los revestimiento especificados de la primera capa y otros problemas de producción, y también por la presencia de imperfecciones sustanciales en el revestimiento. También han fallado muchos otros intentos para usar revestimientos metálicos de base obtenidos por proyección térmica. Incluso los intentos para depositar por proyección térmica un revestimiento de base de material polímero sólo tuvieron un éxito marginal en experimentos de laboratorio, y fue difícil obtener resultados reproductibles de forma fiable en la producción.

Habenicht ha propuesto en el documento EP 0 514 640 B1 un método alternativo. Primeramente, Habenicht crea sobre la superficie de una CFRP una capa constituida por una mezcla de resina sintética que se une a la CFRP y un material en partículas. Después de curar esta capa, se elimina parcialmente la superficie para exponer el material en partículas. El material en partículas debe ser capaz de unirse químicamente al material del revestimiento exterior que se ha depositado térmicamente sobre la primera capa. Los materiales en partículas y el material de revestimiento exterior proyectado térmicamente se seleccionan entre varios metales y materiales cerámicos. Si bien este método ha tenido un éxito limitado, la mezcla de resina sintética y material en partículas puede no unirse bien a la CFRP y tender a que se formen bolas de material sobre la superficie, siendo por ello inadecuado para la producción comercial.

E. Lugscheider, R. Mathesius, G. Spur y A. Kranz, en Proceedings of the 1993 National Thermal Spray Conference, Anaheim, California, 7 a 11 de junio de 1993, han descrito otras varias técnicas para preparar la superficie de una CFRP para revestimiento por proyección térmica. Parece que un método es similar al de Habenicht, pero el método de más éxito parece que es uno en el que se laminó una malla tridimensional de alambre en el material polímero compuesto. Luego se chorreó con granalla la superficie para exponer el alambre y se aplica un revestimiento por proyección térmica. Esta técnica sería muy cara para aplicarla industrialmente y tendría tendencia a producir por proyección térmica una superficie del revestimiento muy rugosa.

Es un objetivo de la presente invención proporcionar materiales polímeros compuestos reforzados con fibras revestidos, cuyo revestimiento está bien unido y tiene una capa exterior con una alta resistencia al desgaste, a la corrosión u otras propiedades singulares que no tienen los materiales compuestos reforzados con fibras.

Es otro objetivo de la presente invención proporcionar un procedimiento para aplicar por proyección térmica revestimientos bien unidos a materiales polímeros compuestos reforzados con fibras.

Sumario de la invención

La invención es un material compuesto reforzado con fibras de acuerdo con la reivindicación 1.

El procedimiento de la invención aplica un revestimiento sobre un material compuesto reforzado con fibras de acuerdo con la reivindicación 9.

Descripción de las realizaciones preferentes

Se ha encontrado que, aplicando una primera capa que comprende sólo materiales polímeros y luego una segunda capa que comprende una mezcla de materiales polímeros y metálicos en partículas, se pueden aplicar una o más capas de materiales adicionales para proyección térmica. Es necesario escoger juiciosamente los materiales polímeros en las dos capas iniciales para conseguir una alta resistencia de unión entre la primera capa y la FRP y entre la primera y la segunda capa. Seleccionando apropiadamente los materiales, se pueden depositar revestimientos muy bien unidos sin imperfecciones significativas.

Los materiales polímeros que se pueden usar en la primera capa polímera o como material polímero en la segunda capa que comprende una mezcla de materiales polímeros y en partículas incluyen resinas epoxídicas y termoendurecibles. Los materiales polímeros preferidos son los epoxídicos y el material polímero más preferido es la resina epoxídica de bisfenol F/epiclorhidrina (Shell Epon Resin 862), peso equivalente medio de hidrógeno de agente de curado/peso equivalente de epóxido de resina = 20,7/170 = 0,1218 o 12,18 por ciento en peso del agente de curado dietilentriamina (Epi-Cure 3223), un epóxido de dos partes que cura a temperatura ambiente. La primera capa polímera queda libre de fibras y partículas para asegurar una unión fuerte a la FRP.

La superficie de la FRP se debe limpiar antes de aplicar la primera capa. Se pueden usar disolventes apropiados para eliminar aceite u otros contaminantes. Se prefiere hacer rugosa la superficie después de haberla limpiado, preferiblemente a una rugosidad de no menos de 3,048 micras Ra. Para ello se puede recurrir al chorreado con granalla. Los residuos de viruta y otros contaminantes se pueden eliminar arrastrándolos con un disolvente apropiado tal como metanol o acetona.

Se pueden usar varios métodos para aplicar la primera capa de materiales polímeros. La elección del método depende, en parte, de la geometría de la superficie a revestir y la composición y características físicas de los materiales polímeros. Entre los métodos están incluidos esparcir el material polímero sobre la superficie si es suficientemente viscoso, proyectar gotitas atomizadas de los materiales usando dispositivos típicos para proyectar líquidos o cualquier otro método para aplicar un líquido a una superficie. Un material viscoso se puede dispersar sobre la superficie manualmente o con un sistema automático o semiautomático. Para controlar el espesor de la capa se puede usar una espátula. El material polímero se puede aplicar por proyección si la viscosidad es suficientemente baja o si se añade un diluyente para reducir su viscosidad suficientemente y proyectarlo. El método preferido es el de esparcir el material polímero sobre la superficie como material algo viscoso, muy preferiblemente usando un método automático o semiautomático. Si la superficie a revestir es cilíndrica, se puede girar el cilindro y aplicar el material polímero a la superficie aportándolo sobre una cuchilla que se mantiene paralela a la superficie del cilindro y a una distancia adecuada para controlar el espesor de la capa. Luego se deja que el material escurra de la superficie de la cuchilla a la superficie del cilindro como una hoja lisa de espesor uniforme. Así se controla el espesor y no se libera a la atmósfera material en exceso, como es el caso cuando la aplicación se hace por proyección. Preferiblemente, a la superficie de la FRP sólo se aplica una delgada capa de material polímero, justo el suficiente para mojar la superficie. El espesor preferido de la capa que comprende una capa polímera está en el intervalo de aproximadamente 0,002 a aproximadamente 0,127 mm, siendo el intervalo más preferido de aproximadamente 0,005 a 0,076 mm.

La segunda capa del sistema de revestimiento que comprende una mezcla de materiales polímeros y metálicos en partículas, usualmente se aplica sobre la primera capa que comprende un material polímero antes de curar la primera capa; esto es, cuando la primera capa está todavía pegajosa. Alternativamente, la primera capa que comprende un material polímero se cura después de haber sido aplicada. Si es necesario y se aplica una capa de un espesor suficiente, la primera capa curada se puede mecanizar por pulido u otros métodos para alisar la capa y ajustar su espesor.

En la segunda capa, es muy ventajoso que al menos uno de los materiales en partículas se seleccione entre el grupo constituido por: Grupo I, aluminio, níquel, hierro, cromo y cobalto; Grupo II, aleaciones de base aluminio, de base níquel, de base hierro, de base cromo y de base cobalto; Grupo III, óxidos de aluminio, cromo, zirconio; Grupo IV, compuestos de aluminio, cromo, zirconio; Grupo V, carburos de cromo, wolframio; y Grupo VI, nitruros de cromo. El tamaño del material en partículas depende de la composición específica del material en partículas, pero puede ser de esencialmente 0 aproximadamente 500 \mum (menos de aproximadamente malla 50). El tamaño preferido para más de 90% del material para aluminio es tamaño de tamiz -127/ +78 \mum (malla -200/+325), para níquel es tamaño de tamiz -149/+78 \mum (malla -170/+325) y, para hierro, tamaño de tamiz -318/+78 \mum (malla -80/+325). Para otros materiales en partículas, el tamaño preferido de tamiz es de -318/+64 \mum (malla -80/400). La cantidad de material en partículas en la segunda capa es función de la composición del material en partículas, la geometría del componente que se está revistiendo y el método de aplicación, puesto que pequeños cambios de la composición pueden cambiar significativamente la viscosidad de la mezcla. En porcentaje ponderal, la cantidad preferida de material en partículas está en el intervalo de aproximadamente 20 a 85 y, la cantidad más preferida está en el intervalo de aproximadamente 60 a 80.

La segunda capa del sistema de revestimiento que comprende una mezcla de un material polímero y un material en partículas se puede aplicar por cualquiera de los métodos descritos antes para la primera capa que comprende un material polímero. El método usado para la primera capa puede ser diferente del usado para la primera capa, dependiendo, sin embargo, de las características físicas de la mezcla. Por ejemplo, la primera capa se puede proyectar y la segunda se puede esparcir. Sin embargo, el método preferido para aplicar la segunda placa es el de esparcir manualmente o de manera semiautomática o automática. Si la superficie a revestir tiene forma cilíndrica, el método más preferido es aportar la mezcla a una cuchilla que se mantiene paralela a un elemento del cilindro y a una distancia adecuada para controlar el espesor de la capa. Luego se deja que la mezcla fluya desde la cuchilla a la superficie del cilindro como una hoja lisa de espesor uniforme. El espesor preferido de la capa que comprende una mezcla de materiales polímeros y en partículas está en el intervalo de aproximadamente 0,05 a 3,2 mm, siendo el intervalo más preferido de aproximadamente 0,5 a 1,27 mm.

La segunda capa que comprende una mezcla de materiales polímeros y en partículas se cura después de haber sido aplicada. Si es necesario, la segunda capa curada se puede mecanizar por pulido o cualquier otro método para alisar la superficie de la capa y ajustar su espesor. Se puede optimizar luego la rugosidad de la superficie de la segunda capa para aumentar la resistencia de unión del revestimiento aplicado posteriormente por proyección térmica sobre ella. El método preferido para obtener una superficie rugosa es el chorreado con granalla. Preferiblemente, los parámetros del chorreado con granalla se escogen para obtener la rugosidad máxima sin eliminar de la superficie una capa de material de un espesor de no más de aproximadamente 0,025 mm.

Sobre la capa adecuadamente preparada que comprende una mezcla de material polímero y material en partículas se aplican por cualquier método de proyección térmica una o más capas de revestimiento. Aunque se puede usar cualquier método de proyección térmica, el método preferido es el de depósito con plasma. Por proyección térmica se pueden depositar materiales metálicos, cerámicos, cermets y algunos polímeros. Como se ha indicado antes, el material específico para revestimiento por proyección térmica se selecciona sobre la base de los requerimientos del medio de servicio. Se pueden alcanzar unas propiedades mecánicas intensificadas usando 2 o más capas de revestimiento de diferentes composiciones aplicadas por proyección térmica. Por ejemplo, la primera capa o capa interior de proyección térmica puede ser de un metal o una aleación metálica tal como níquel o una aleación de níquel-cromo, y la segunda capa, o capa exterior, puede ser de un óxido tal como óxido de cromo. Este sistema de revestimiento con dos capas por proyección térmica puede tener una resistencia de unión más alta y una resistencia mayor a daños por impacto que una sola capa de óxido de cromo. El espesor de la capa o las capas de revestimiento obtenidas por proyección térmica depende de los requerimientos del ambiente en que trabaja el material, incluidas la vida frente al desgaste y las propiedades mecánicas esperadas. El intervalo de espesor preferido del revestimiento obtenido por proyección térmica es de aproximadamente 0,05 a 0,5 mm. El intervalo de espesor preferido es de aproximadamente 0,05 a 0,25 mm para el revestimiento metálico inicial aplicado por proyección térmica cuando se usan dos o más capas re revestimiento por proyección térmica.

Esta invención es aplicable al revestimiento de muchos artículos manufacturados usando materiales compuestos reforzados con fibras para mejorar el desgaste, la corrosión y otras propiedades de sus superficies. Usando los métodos de esta invención, se puede revestir virtualmente cualquier geometría de un componente usando tecnología de proyección térmica (un procedimiento de depósito en línea a la vista). Algunas de las superficie de los componentes que se pueden revestir más fácilmente son las de forma plana o cilíndrica. Usualmente, los cilindros se revisten haciéndolos girar en torno a su eje y aplicando simultáneamente el revestimiento con un movimiento a lo largo del cilindro. Tanto la velocidad de rotación como la velocidad del desplazamiento transversal según la longitud del cilindro se seleccionan para aplicar uniformemente los revestimientos a la velocidad de depósito prescrita en una o más pasadas.

Los cilindros de FRP de importancia particular son rodillos usados para impresión y en la industria del papel, como se ha indicado aquí antes en la sección de antecedentes. En la industria impresora, se usan rodillos de anilox para transportar cantidades medidas con mucha precisión de tinta desde un depósito al rodillo de impresión. Corrientemente, los rodillos más avanzados de este tipo se hacen de metal con una superficie de óxido de cromo depositada por proyección con plasma. Primeramente, el óxido de cromo se pule para obtener una superficie lisa y luego se graba usando un láser con orificios muy pequeños. A medida que el rodillo gira a través del depósito, se adsorbe tinta sobre la superficie. El exceso de tinta se quita de la superficie con una espátula y luego se pasa al rodillo de impresión el resto de tinta que queda en los orificios. La superficie del rodillo debe ser resistente a la corrosión por la tinta y resistente al desgaste producido por la espátula. Un material ideal para esta aplicación es el óxido de cromo. Por las razones apuntadas en la sección de antecedentes, sería altamente ventajoso cambiar de un cuerpo de cilindro metálico a un cuerpo de rodillo de material polímero compuesto reforzado con fibras de carbón. Después de varios intentos fracasados usando los varios métodos conocidos en la técnica, se encontró que los métodos de esta invención dieron un sistema de revestimiento singularmente reproductible y valioso desde el punto de vista de la producción para esta aplicación.

El sistema de revestimiento preferido para rodillos de anilox consiste en una primera capa que comprende un revestimiento polímero basado en epóxido de un espesor de aproximadamente 0,005 a 0,076 mm, una segunda capa que comprende una mezcla de un revestimiento polímero basado en epóxido y un material metálico en partículas de un espesor de aproximadamente 0,5 a 1,27 mm, una capa de revestimiento obtenido por proyección de un metal o una aleación metálica de aproximadamente 0,05 a aproximadamente 0,25 mm de espesor y un revestimiento de óxido de cromo obtenido por proyección térmica de un espesor de aproximadamente 0,01 a 0,5 mm. El material polímero basado en epóxido más preferido para la primera capa y la segunda capa es la resina epoxídica de bisfenol F/epiclorhidrina + 12,8% en peso de dietilentriamina. El material en partículas más preferido en la mezcla de la segunda capa se selecciona entre el grupo consistente en aluminio, aleaciones de aluminio, níquel, aleaciones de níquel o aleaciones de hierro. La cantidad preferida de material en partículas en la mezcla de materiales polímeros y en partículas de la segunda capa es de aproximadamente 20 a 85% en peso. La cantidad más preferida de material en partículas de la mezcla de la segunda capa es de aproximadamente 58 a 64% en peso para aluminio y de 71 a 77% en peso para níquel. El metal preferido de la primera capa obtenida por proyección térmica se selecciona entre el grupo consistente en níquel, cromo, hierro, zinc y sus aleaciones. El metal más preferido de la primera capa obtenida por proyección térmica se selecciona entre el grupo consistente en níquel y aleaciones de níquel. El método preferido para aplicar la capa polímera y la capa que comprende una mezcla de materiales polímeros y en partículas es el de esparcimiento. El método de proyección térmica preferido para las capas metálica y de óxido de cromo es el de depósito por proyección con plasma.

Los rodillos de FRP para uso en la industria papelera pueden revestirse de manera similar a la usada para anillos de anilox, descrita antes, pero con una capa exterior de revestimiento basada en alúmina en vez de óxido de cromo. Para estas aplicaciones, usualmente la alúmina está menos grabada con láser.

Los ejemplos siguientes se proporcionan para ilustrar la invención, pero su finalidad no es demostrar el ámbito total de la invención o limitar de alguna forma su aplicabilidad. Los Ejemplos 1 a 6 representan ejemplos fuera del ámbito de la invención.

Ejemplo 1

Se hicieron muchos intentos para revestir varios tipos de materiales compuestos reforzados con fibras de carbón y fibra de vidrio directamente con revestimientos de óxido de cromo proyectados con plasma y con revestimientos de níquel proyectados con plasma. A las superficies se dieron diversos grados de rugosidad por chorreado con granalla y se variaron los parámetros de depósito, pero sin éxito alguno. Virtualmente no se consiguió depositar óxido de cromo y la cobertura lograda con níquel fue incompleta, y las fibras de carbón estaban más deshilachadas que después del chorreado con granalla. Unas pocas muestras se revistieron con una primera capa de un espesor de níquel de aproximadamente 0,25 mm de espesor y seguidamente con una segunda capa de óxido de cromo. La resistencia de unión de algunos de estos revestimientos de níquel/óxido de cromo a CFRP es midió usando un ensayo de unión a tracción modificado de la American Society for Testing Materiales, diseñado para revestimientos obtenidos por proyección térmica. La resistencia de unión máxima obtenida fue de 7,6 MPa cuando la capa de óxido de cromo tenía un espesor de 0,175 mm, que disminuyó a casi 0 cuando la capa de óxido de cromo tenía un espesor de 0,300 mm. Estos valores son inaceptables para uso en servicio.

Ejemplo 2

Se hizo un intento para revestir un material compuesto reforzado con fibras de carbón con un material diluido basado en epóxido antes de intentar depositar óxido de cromo o níquel por proyección con plasma. Virtualmente no se depositó óxido de cromo al proyectar con plasma, ni cuando la capa basada en epóxido era todavía pegajosa ni cuando se había curado completamente.

Ejemplo 3

A muestras de materiales compuestos reforzados con fibras de carbón se aplicaron por electrodepósito revestimientos de níquel de un espesor mayor que 0,5 mm y luego se rebajaron por pulido a un espesor de aproximadamente 0,175 a 0,200 mm. También se produjeron revestimientos de níquel de un espesor de aproximadamente 0,125 mm. Ambos se revistieron satisfactoriamente con óxido de cromo proyectado con plasma. Se ensayó un revestimiento de níquel electrodepositado de un espesor de aproximadamente 0,125 mm; pero se desconchó cuando se aplicó sobre él óxido de cromo proyectado con plasma. Si bien pareció que este enfoque para revestir CFRP tenía algún éxito, su reproducibilidad era muy cuestionada. Además, este procedimiento requiere una instalación de electrodepósito y sería muy caro para aplicarlo a componentes de gran tamaño.

Ejemplo 4

Muestras de material compuesto reforzado con fibras de carbón se revistieron con microesferas huecas unidas con resina, que luego se esmerilaron para abrir las esferas huecas y tener cavidades para unir un segundo revestimiento. Algunas de las muestras se revistieron además con acero inoxidable proyectado con plasma. Se intentó luego revestir estas muestras con óxido de cromo proyectado con plasma. En todos los casos, se desconchó el revestimiento subyacente de microesferas unidas con resina.

Ejemplo 5

Se obtuvieron muestras de material compuesto reforzado con fibras de carbono que tenían un sobrerrevestimiento de gel blanco (resina). Estas muestras pudieron revestirse con óxido de cromo proyectado con plasma, pero se encontró que el revestimiento de óxido de cromo tenía muchas picaduras de alfiler y pequeñas zonas sin el revestimiento de óxido de cromo. Además, el procedimiento con gel blanco era difícil de usar en producción a causa de la excesiva cantidad de diluyente, metil etil cetona, que se desprendía durante la proyección, lo que daba por resultado: (1) un riesgo potencial para la salud y de incendio; (2) dificultad de obtener un revestimiento uniforme, y (3) dificultad de mantener su uniformidad al curar el revestimiento.

Ejemplo 6

Se revistió una serie de muestras de CFRP y de rodillos prototipo por el procedimiento siguiente. Para cada etapa del procedimiento se optimizaron los parámetros:

(a) la CFRP se limpió y luego se produjo una superficie rugosa por chorreado con granalla de óxido de aluminio de malla 60 a 138 kPa, obteniéndose una rugosidad de 0,003048 mm Ra. La superficie se lavó luego con metanol o acetona.

(b) se preparó una mezcla de un epóxido y aluminio o níquel. El epóxido era una mezcla de bisfenol F/epiclorhidrina (Shell Epon 862) + 12,18% en peso de dietilentriamina (Shell Epi-Cure 3223). En el caso del aluminio, la mezcla era de 60 a 62% en peso de aluminio. En el caso del níquel, la mezcla era de 73 a 75% en peso de níquel. Los polvos metálicos tenían un tamaño nominal inferior a 44 micras. La viscosidad cambia significativamente dentro de los intervalos de composición dados y la relación específica usada se escogió para facilidad de aplicación en una muestra o componente específico. Se tuvo gran cuidado en evitar que se introdujera aire en la mezcla mientras que se mezclaba el epóxido con el polvo metálico. Se hicieron varios intentos para esparcir la mezcla sobre la muestra o componente usando técnicas descritas antes. Ninguno de estos intentos tuvo éxito.

Ejemplo 7

Se encontró que la adición de una delgada capa de material polímero sobre la superficie de FRP servía para mejorar la resistencia de unión y la fiabilidad de los revestimientos. Lo siguiente ilustra los materiales y procedimientos de revestimiento usados para revestir muestras de laboratorio y rodillos prototipo de anilox hechos con materiales compuestos reforzados con fibras de carbono.

(a) se limpió la CFRP y luego se chorreó su superficie con granalla de óxido de aluminio de malla 60 (tamaño de tamiz -423 \mum) a 138 kPa y una distancia de 152 mm a una rugosidad de más de 0,003048 mm Ra. Luego la superficie se frotó con metanol o acetona.

(b) se aplicó luego una delgada capa de epóxido a un espesor de 0,005 a 0,025 mm. El epóxido era una mezcla de bisfenol F/epiclorhidrina (Shell Epon 862) + 12,18% en peso de dietilentriamina (Shell Epi-Cure 3223). El epóxido se aplicó uniformemente a la muestra o la superficie del rodillo durante un tiempo corto (menos de 20 min) antes de aplicar la mezcla de epóxido más aluminio.

(c) se preparó una mezcla del mismo epóxido de la etapa (b) y aluminio o níquel. En el caso del aluminio, la mezcla contenía de 60 a 62% en peso de aluminio. En el caso del níquel, la mezcla contenía de 73 a 75% en peso de níquel. El tamaño nominal de los polvos metálicos era inferior a 44 micras. La viscosidad cambia significativamente dentro de los intervalos de composición dados y la relación específica usada se escogió para facilidad de aplicación en una muestra o componente específico. Se tuvo gran cuidado en evitar que se introdujera aire en la mezcla mientras que se mezclaba el epóxido con el polvo metálico. La mezcla se esparció sobre la muestra o el componente a un espesor de aproximadamente 0,500 mm usando técnicas descritas antes.

(d) se dejó que la mezcla de epóxido/metal curara durante al menos 3 horas y luego se mecanizó un solo punto a un espesor de aproximadamente 0,300 mm.

(e) al cabo de como mínimo 36 horas desde el momento en que se aplicó la mezcla de epóxido/metal, se pudo producir rugosidad en la superficie por chorreado con granalla usando granalla de óxido de aluminio (tamaño de tamiz 423 \mum) a 138 kPa a una distancia de 150 mm a una rugosidad de aproximadamente 0,00508-0,00635 mm Ra.

(f) opcionalmente, se aplicó luego un revestimiento de níquel por proyección con plasma a un espesor de aproximadamente 0,125 mm.

(g) se aplicó un revestimiento de óxido de cromo por plasma a un espesor de aproximadamente 0,300 mm.

(h) se pulió el revestimiento de óxido de cromo de un rodillo prototipo de anilox obteniéndose una superficie lisa que luego se grabó con láser.

Todas las muestras preparadas por este procedimiento eran muy aceptables. No se observaron imperfecciones superficiales significativas. Las resistencias de unión de los sistemas de revestimiento con y sin la capa opcional proyectada con plasma se midieron usando un procedimiento recomendado de la American Society for Testing Materials. Con la capa de níquel, se obtuvo una resistencia a tracción de la unión de 20,8 MPa y, sin la capa de níquel, de 22,1 MPa. Así, en cualquier caso la resistencia de la unión era más que adecuada para el servicio proyectado como rodillo de anilox. La estructura multicapas alcanza fácilmente la resistencia a tracción de 10 MPa requerida para la mayor parte de las aplicaciones.

El procedimiento reviste fácilmente rodillos cilíndricos construidos con sustratos polímeros reforzados con fibras, tales como CRFPs. Aplicando primeramente las dos capas polímeras a una superficie cilíndrica exterior de un rodillo cilíndrico y proyectando térmicamente sobre esta superficie el material de revestimiento, se crea un revestimiento que cubre y protege efectivamente la superficie de trabajo del rodillo. Esto es particularmente efectivo para artículos de manufactura tales como rodillos de alimentación controlada, rodillos usados en la producción de papel y rodillos usados en el procesamiento de películas.

La estructura multicapas proporciona un revestimiento efectivo para materiales y componentes polímeros compuestos reforzados con fibras. Estos revestimientos están bien unidos y tienen una capa exterior con una alta resistencia al desgaste y la corrosión u otras propiedades singulares que no tienen per se los materiales compuestos reforzados con fibras. Además, proporciona un procedimiento mejorado para aplicar revestimientos por proyección térmica bien unidos a los materiales polímeros compuestos reforzados con fibras y, en particular, a materiales y componentes compuestos reforzados con fibras de carbón.

Se pueden hacer muchas realizaciones de esta invención sin desviarse de su ámbito, por lo que se debe entender que toda el material presentado aquí tiene carácter ilustrativo y no un sentido limitativo.

Claims (10)

1. Un material compuesto reforzado con fibras que comprende: un sustrato de polímero reforzado con fibras; una primera capa polímera que reviste el sustrato de polímero reforzado con fibras para unir dos diferentes materiales polímeros compuestos, estando la primera capa polímera exenta de fibras y material en partículas; una segunda capa polímera que reviste la primera capa polímera, segunda capa polímera que comprende una matriz polímera y un material en partículas dentro de la matriz polímera; y al menos un material proyectado térmicamente que reviste la segunda capa polímera para formar un revestimiento multicapas adherente unido al sustrato de polímero reforzado con fibras, caracterizado porque el material en partículas de la segunda capa polímera es un material metálico.

2. El material compuesto reforzado con fibras de la reivindicación 1, en el que la primera capa polímera es un material seleccionado entre el grupo consistente en resinas epoxídicas y termoendurecibles.

3. El material compuesto reforzado con fibras de la reivindicación 1, en el que la primera capa polímera es una resina epoxídica de dos componentes de bisfenol F/epiclorhidrina + dietilentriamina.

4. El material compuesto reforzado con fibras de la reivindicación 1, en el que la segunda capa polímera contiene aproximadamente de 60 a 80 por ciento en peso de material en partículas.

5. El material compuesto reforzado con fibras de la reivindicación 1, en el que la primera capa polímera es una primera capa de epóxido; la segunda capa polímera es una segunda capa de epóxido, y la matriz polímera es una matriz epoxídica; y en el que el revestimiento multicapas está unido al sustrato polímero reforzado con fibras con una resistencia a tracción de como mínimo aproximadamente 10 MPa.

6. El material compuesto reforzado con fibras de la reivindicación 5, en el que la primera capa de epóxido tiene un espesor de aproximadamente 0,005 a 0,076 mm y la segunda capa de epóxido tiene un espesor de aproximadamente 0,5 a 1,27 mm.

7. El material compuesto reforzado con fibras de la reivindicación 6, en el que el primer material de epóxido y el segundo material de epóxido son una resina de bisfenol F/epiclorhidrina + dietilentriamina, el material en partículas de la segunda capa de epóxido es aluminio o níquel, y el material proyectado térmicamente es óxido de cromo o níquel/óxido de cromo, en el que el óxido de cromo reviste el níquel.

8. El material compuesto reforzado con fibras de la reivindicación 5, en el que el sustrato de polímero reforzado con fibras es un rodillo cilíndrico que tiene una superficie exterior cilíndrica y el revestimiento multicapas cubre la superficie del diámetro exterior del rodillo cilíndrico.

9. Un procedimiento para aplicar un revestimiento sobre un material compuesto reforzado con fibras, que comprende las etapas de:

(a) aplicar una primera capa polímera a un sustrato de polímero reforzado con fibras, estando la primera capa polímera exenta de fibras y material en partículas;

(b) aplicar una segunda capa polímera que reviste la primera capa polímera para unir el sustrato de polímero reforzado con fibras a la segunda capa polímera usando la primera capa polímera como agente de unión, segunda capa polímera que comprende una matriz polímera y un material en partículas dentro de la matriz polímera; y

(c) proyectar térmicamente un material para revestir la segunda capa polímera protegiendo las capas polímeras primera y segunda el sustrato de polímero reforzado con fibras;

caracterizado porque el material en partículas mencionado de la segunda capa polímera es un material metálico.

10. El procedimiento de la reivindicación 9, en el que las capas polímeras primera y segunda son una resina de bisfenol F/epiclorhidrina + dietilentriamina, el material en partículas de la segunda capa polímera es aluminio o níquel, y el material proyectado térmicamente es una monocapa de óxido de cromo o una multicapa que consiste en una capa interior de níquel y una capa exterior de óxido de cromo.