ES2241590T3 - Compuesto que consta de fibras estructurales y no estructurables. - Google Patents

Abstract

Un compuesto que consta de un componente estructural y de un componente de resina, constando el componente estructural de fibras estructurales y de un aditivo reforzante que consta de fibras termoplásticas no estructurales y constando el componente de resina de un material no termoplástico, y siendo el componente estructural un preformado que consta de un conjunto formado por las fibras estructurales y por las fibras termoplásticas no estructurales, donde el conjunto consta de fibras termoplásticas no estructurales que tienen forma de fibra en el compuesto final y donde el conjunto incluye al menos una capa que consta de una mezcla de fibras estructurales y de fibras no estructurales que se extienden ambas en el plano de la capa.

Description

Compuesto que consta de fibras estructurales y no estructurales.

La presente invención trata de un compuesto y de un procedimiento de fabricación de compuestos.

Los materiales compuestos constan generalmente de un conjunto de fibras de refuerzo en una matriz de resina. Las industrias mundiales actuales que usan estructuras compuestas, por ejemplo, en la industria aerospacial, usan principalmente preimpregnaciones basadas en tejidos unidireccionales convencionales. Estas preimpregnaciones se obtienen normalmente disponiendo filas continuas de fibras de refuerzo, o tejidos, a través de un baño de resina fundida o de resina disuelta en disolventes. La preimpregnación se conforma posteriormente con la forma deseada, se carga dentro de un molde que se cierra y se calienta para curar la resina.

Durante los últimos cinco a siete años, ha emergido una tecnología alternativa para la fabricación de partes compuestas que se denomina generalmente moldeo de compuestos líquidos. En el moldeo de compuestos líquidos, un refuerzo fibroso seco se carga dentro de un molde o herramienta y la resina se inyecta o se difunde dentro de las fibras y se cura.

El refuerzo se denomina "preformado", término que es bien conocido por los expertos en la materia de compuestos y que designa un conjunto de fibras secas que constituye el componente de refuerzo de un compuesto con una forma adecuada para su uso en un procedimiento de moldeo de compuestos líquidos. Un preformado es normalmente un conjunto de varias formas textiles tales como tejidos, cordoncillos o rejillas, adaptados o conformados del modo necesario, y se ensambla en una operación específica antes de ser colocado dentro de o sobre la herramienta de molde.

Las tecnologías de moldeo de compuestos líquidos, tales como el RTM (moldeo de transferencia de resina) o los procedimientos de difusión en vacío son percibidos por muchas personas como la solución al problema de la fabricación de partes compuestas en muchas situaciones difíciles de tratar, como en grandes estructuras principales aerospaciales y en componentes de automoción de elevado volumen estructural. Los beneficios que se percibe que ofrecen las tecnologías de moldeo de compuestos líquidos respecto a las preimpregnaciones convencionales son residuos de fabricación y tiempo de parada reducido, no dependencia de la caída y propiedades mejoradas de vida propia.

Sin embargo, el moldeo de compuestos líquidos presenta sus propios problemas, particularmente, cuando lasaplicaciones de uso final requieren elevada dureza y cuando el control del tiempo del ciclo de curación es crítico.

Las partes estructurales requieren un elevado grado de dureza para la mayoría de aplicaciones y esto es especialmente cierto en los componentes principales aerospaciales. La solución a la introducción de dureza elevada en compuestos de grado aerospacial ha consistido tradicionalmente en endurecer la matriz, usualmente mediante la introducción de un aditivo de segunda fase tal como un polímero termoplástico a la matriz base de resina epoxi.

Se han empleado varias aproximaciones para la adición de un material termoplástico dentro de la resina. El termoplástico puede mezclarse con la resina termoestable sin reaccionar a temperaturas elevadas para producir un fundido sin reaccionar, de una única fase. Una limitación de esta aproximación es el nivel de termoplástico que puede añadirse para mejorara la dureza. Cuando el termoplástico de alto peso molecular se disuelve dentro de la resina, la viscosidad de la mezcla se eleva de forma brusca. Sin embargo la verdadera naturaleza del procedimiento de introducción de la resina dentro de las fibras de refuerzo requiere que las propiedades reológicas de las resinas, la viscosidad y la elasticidad sean tales que permitan la infiltración de la resina en todo el preformado de tejido. Esto es esencial si la estructura compuesta resultante va a estar libre de huecos y si se van a evitar elevados tiempos de inyección y elevadas temperaturas de inyección. Las epoxias convencionales endurecidas son sistemas extremadamente viscosos lo que significa que se requieren presiones elevadas y herramientas pesadas con la necesidad de calentar las resinas y las dificultades para hacer corresponder el tiempo de curado y los ciclos de llenado por inyección.

El termoplástico también puede añadirse en forma de una película sólida continua que se coloca entre dos capas de fibra. En estos procedimientos la capa de termoplástico se conoce generalmente como la capa de entrehoja. Un procedimiento de este tipo se describe en la Solicitud de Patente Europea Nº 0327142 que describe un compuesto que consta de una capa continua sólida de un material termoplástico situada entre dos capas de fibra impregnadas con resina termoestable. Con el calentamiento, las capas termoestables y las capas de entrehoja permanecen como capas discretas.

Un problema con la aproximación de entrehoja es que la película de termoplástico sólido no se disuelve dentro de la resina durante la etapa de procesamiento con calor. Como consecuencia, aunque el compuesto final puede mostrar el incremento deseado de la dureza, la interfaz entre resina y termoplástico es débil. La interfaz débil entre la capa intermedia y la matriz puede provocar una resistencia pobre a la fractura entre pliegues especialmente cuando se expone a un entorno húmedo.

El material termoplástico también puede introducirse en forma pulverizada. Un ejemplo de esta técnica se describe en la Solicitud de Patente Europea Nº 0274899 donde el material termoplástico se añade a la resina antes de preparar la preimpregnación o se pulveriza sobre la superficie de la preimpregnación.

El uso de polvos presenta un problema ya que es difícil asegurar que se proporcione a la resina una distribución uniforme de los polvos. Por lo tanto existe una carga desigual del material termoplástico con el resultado de que el compuesto tendrá zonas de diferente dureza. Por otra parte, la incorporación de material termoplástico pulverizado en la resina no es adecuada para técnicas de moldeo de compuestos líquidos ya que la viscosidad de la resina se incrementa cuando las partículas se añaden a ésta de acuerdo con la teoría Newtoniana estándar con todas las desventajas consecuentes tal como se ha descrito anteriormente.

Si las partículas pulverizadas son de un tamaño similar a los espacios entre las fibras, entonces el procedimiento de infiltración de la resina dentro de las fibras también puede provocar que los polvos termoplásticos se filtren produciendo una aglomeración de polvo en el lugar en que la resina entra en el molde y resina sin polvo en el grueso del compuesto final.

Si el termoplástico pulverizado se añade a la resina o a la preimpregnación, la cantidad que puede incorporarse se limita. De este modo, también se produce el efecto de endurecimiento y, en general, para conseguir una mejora razonable en el endurecimiento tienen que emplearse termoplásticos estructurales caros.

Se ha propuesto, en la Solicitud de Patente Japonesa 6-33329, incluir termoplástico con la forma de fibras. La Solicitud describe una mezcla de fibras de refuerzo que consta de entre un 99% y un 80% en peso de fibras de carbono o de fibras de grafito y de entre un 1% y un 20% en peso de resina termoplástica. El compuesto incluye sólo fibras unidireccionales y la aproximación se describe como útil únicamente en una técnica clásica de preimpregna-
ción.

Un buen compuesto es uno que tenga una combinación de propiedades físicas particularmente adaptado para una aplicación específica. Las propiedades físicas del producto compuesto se determinan, entre otras cosas, mediante las propiedades físicas del material de matriz de resina solidificado y del material estructural, y mediante la uniformidad de distribución del material matriz y del material estructural en el compuesto. Se consiguen mejores resultados cuando el material matriz está íntimamente en contacto con todo el material estructural.

Por lo tanto es deseable que el material matriz de resina tenga una consistencia tal (viscosidad) que cubra (humedezca) todo el material estructural y, si es necesario, llene los intersticios formados en el material estructural. Un humedecimiento uniforme es particularmente difícil de conseguir cuando el material estructural tiene una estructura compleja, por ejemplo cuando existe un preformado, o cuando la relación entre el material matriz y el soporte es particularmente baja.

La viscosidad del material matriz se ve afectada por el número y tipos de aditivos. Por lo tanto se produce el problema de que, aunque un material de matriz líquido o gel que consta de uno o más aditivos pueda poseer propiedades físicas adecuadas cuando se solidifica, la viscosidad del material de matriz líquida o gel puede ser demasiado alta como para facilitar su distribución uniforme alrededor del material de soporte, en particular cuando el soporte es complejo. Esto produce un producto compuesto que carece de las características físicas esperadas.

Normalmente para conseguir una buena combinación de propiedades, un material compuesto constará de un número de constituyentes. Normalmente para una preimpregnación de grado aerospacial existirá un refuerzo de fibra de alto rendimiento combinado con una mezcla compleja de matriz de resina polimérica. Esta mezcla de matriz consta normalmente de una resina termoestable mezclada con varios aditivos. Estos últimos aditivos mejoran la dureza de la resina básica. Los citados sistemas tienen características complejas de flujo y, aunque pueden combinarse fácilmente con fibras en una forma de preimpregnación, su uso en otras técnicas de fabricación está limitado. Por ejemplo, un intento de usar una resina compleja de este tipo en un procedimiento de inyección o de transferencia de resina en un preformado complejo de fibra puede provocar el filtrado de aditivos y un producto no uniforme.

Por lo tanto existe la necesidad de un procedimiento de fabricación de compuestos que resuelva los problemas mencionados anteriormente especialmente para grandes estructuras complejas.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención se proporciona un compuesto que consta de un componente estructural y de un componente de resina, constando el componente estructural de fibras estructurales y de un aditivo de endurecimiento que consta de fibras termoplásticas no estructurales y constando el componente de resina de un material no termoplástico, y siendo el componente estructural un preformado formado a partir de las fibras estructurales y de las fibras termoplásticas.

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención, se proporciona un refuerzo estructural para su uso en un compuesto que consta de un preformado formado a partir de fibras estructurales y de fibras termoplásticas no estructurales, donde todas o una parte de las fibras estructurales se combinan con las fibras termoplásticas no estructurales en el preformado, y donde la fracción de volumen global de las fibras estructurales en el preformado es al menos del 65%.

El término "fibra estructural" tal como se usa en la presente memoria descriptiva hace referencia a fibras que contribuyen a la resistencia del compuesto final tales como fibras de vidrio o de carbono y que tendrán, por lo tanto, un módulo de elasticidad superior a 50 Gpa.

El término "fibra no estructural" tal como se usa en la presente memoria descriptiva hace referencia a fibras que no se proporcionan para incrementar la resistencia del compuesto final ya que tienen un módulo de elasticidad inferior a 20 Gpa. Por lo tanto, las fibras de refuerzo conocidas formadas a partir de materiales como Kevlar son fibras no estructurales dentro de los términos de la presente Solicitud.

La forma del refuerzo estructural permite la eliminación de todos los aditivos de endurecimiento a partir de las resinas permitiendo de este modo el uso de sistemas epoxi de baja viscosidad y haciendo, de este modo, que la impregnación de partes grandes sea factible con presiones sensibles, herramientas de peso ligero y de bajo coste y tiempos de ciclo gestionables. Por otra parte, una cantidad significativamente mayor de aditivo de endurecimiento puede incluirse sin comprometer ninguno de los aspectos de procesabilidad de las técnicas de moldeo de compuestos líquidos.

Según esto, de acuerdo con un tercer aspecto de la presente invención se proporciona un procedimiento de fabricación de un compuesto que consiste en la formación de un preformado a partir de fibras estructurales con fibras termoplásticas no estructurales para proporcionar un componente estructural, inyectando una resina líquida dentro del componente estructural, y curando el componente de resina líquida.

Mediante la incorporación del aditivo de endurecimiento dentro del componente estructural antes de la adición de la resina, puede usarse una resina de viscosidad inferior, es decir, una resina sustancialmente libre del aditivo de endurecimiento.

Por endurecimiento se entiende la posibilidad de incrementar la energía requerida para originar la fractura final, que puede manifestarse por sí misma en la posibilidad de absorber energía durante el impacto. Esta posibilidad puede medirse por medio de procedimientos adecuados de prueba de impacto que serán conocidos por los expertos. Es sabido que los polímeros termoplásticos incrementan la posibilidad de absorber energía de impacto en compuestos estructurales. Mediante la formación adecuada del preformado éstos pueden dispersarse en todo el compuesto final para proporcionar una resistencia homogénea a los impactos o pueden introducirse en ubicaciones específicas para proporcionar un mecanismo de endurecimiento localizado tal como se requiere en algunas partes del compues-
to.

Preferiblemente, el aditivo de endurecimiento es un material termoplástico cuyo calor latente de fusión puede absorber una proporción de energía de curado exotérmico pero que, después de la finalización del curado, vuelve a su forma sólida sin pérdida de la capacidad de endurecimiento. Preferiblemente, el agente de curado, la resina y el aditivo termoplástico se seleccionan para proporcionar una etapa de curado que se lleve a cabo al menos parcialmente por debajo del punto de fusión del citado aditivo termoplástico para permitir de este modo la absorción de parte de la energía de curado en la fusión o podría tener lugar un cambio de fase del aditivo excesivamente exotérmico. Preferiblemente, la etapa de curado se inicia por debajo de la temperatura del punto de fusión del aditivo y puede llegar a superar la temperatura del punto de fusión durante el ciclo de curado.

La inyección de resinas de baja viscosidad (calentadas o de algún otro modo) puede reducir la parte de llenado por inyección del ciclo de procesamiento. Sin embargo, también es necesario reducir el tiempo del ciclo de curado. Esto podría conseguirse por medio de resinas muy activas, temperatura superior, etc., pero el riesgo es siempre la generación de una exotermia excesiva, particularmente en partes gruesas, lo que podría producir un parte final dañada o degradada.

Preferiblemente, el aditivo de endurecimiento consta de fibras termoplásticas semicristalinas.

Un curado muy rápido puede llevarse a cabo sin el riesgo de excesivas exotermias si las fibras termoplásticas semicristalinas se usan como el aditivo de endurecimiento. El calor generado mediante el curado a una temperatura apropiada puede usarse para generar una fusión cristalina dentro de las fibras. El calor latente de la fusión cristalina moderará entonces el aumento de temperatura en la resina termoestable. La selección de fibras de endurecimiento con temperatura de fusión cristalina apropiada permite que el ciclo de curado se lleve a cabo hasta su máximo potencial sin riesgo de dañar el compuesto. Las fibras semicristalinas propiamente dichas simplemente volverán por sí mismas a su estado original después de la refrigeración y el procedimiento no afectará a la dureza final de las partes.

Aditivos de endurecimiento preferidos incluyen: polietileno, polipropileno, poliamidas, tereftalato de polietileno, poliéter-éter-cetona.

Preferiblemente, el aditivo de endurecimiento es suficiente para mejorar la energía de impacto de absorción del compuesto no endurecido en un 30% al menos, más preferiblemente, en un 50% al menos.

Preferiblemente, el porcentaje en volumen del aditivo de endurecimiento en el compuesto final es superior al 2%, más preferiblemente, superior al 5%, más preferiblemente, más del 10%.

Preferiblemente, el porcentaje en volumen del aditivo de endurecimiento en el compuesto final no es superior al 30%, más preferiblemente, no es superior al 25%, más preferiblemente, no es superior al 20%. Particularmente es preferible que el porcentaje del aditivo de endurecimiento en volumen en el compuesto final no sea superior al 15%.

El porcentaje en volumen de fibras estructurales en el preformado es preferiblemente al menos del 65%. El valor mínimo del 65% asegura que existan suficientes fibras estructurales para proporcionar la resistencia requerida. Por otra parte, la cantidad de fibras termoplásticas no estructurales en el preformado es insuficiente para permitir la conversión directa del material dentro de un compuesto termoplástico totalmente consolidado por medio de una ruta de procesamiento térmica. Sin embargo, la proporción de fibras de endurecimiento, es decir, de fibras termoplásticas es alta en comparación con procedimientos conocidos en los que se añade termoplástico en forma particulada y, por lo tanto, el efecto de endurecimiento es conmensuradamente mucho mayor que el conseguido con estos procedimientos conocidos.

Preferiblemente, la temperatura de fusión del aditivo de endurecimiento no es la misma que la temperatura de curado del componente de resina. Esta puede encontrarse entre 80-350ºC, más preferiblemente entre 100-250ºC, pero su selección final dependerá de los parámetros del material matriz de base. Adecuadamente, ésta puede estar 20ºC por encima de la temperatura de curado aunque se ha encontrado que, con algunos materiales, al menos, realmente es preferible que las fibras termoplásticas se fundan.

La posibilidad de que el compuesto se produzca usando una resina de baja viscosidad implicará el incremento de la velocidad a la que puede llenarse un molde. Sin embargo, el problema de controlar el tiempo de curado de la resina sigue presente. Un factor clave siempre en la inyección de resina es asegurar que la resina llene el molde y humedezca el refuerzo totalmente antes de curarse. Sin embargo el tiempo de llenado y el tiempo de curado están relacionados y la resina empieza a curarse tan pronto como ésta se mezcla antes de la inyección, y este procedimiento continúa en todo el ciclo de inyección.

En una realización preferida, las etapas de inyección y de curado del procedimiento se separan eliminando los agentes de curado de la fórmula de la resina. Un agente de curado de resina se añade en su lugar al componente estructural antes de la inyección del componente de resina. Preferiblemente, el agente de curado se activa con la temperatura. El agente de curado puede añadirse al componente estructural mediante la dispersión en las fibras termoplásticas.

Ahora es posible obtener comercialmente agentes de curado que están disponibles en forma de polvos sólidos y que sólo empiezan a ser activos a una temperatura específica. Esta capacidad surge particularmente cuando el agente de curado está recubierto por un sólido termoplástico con una temperatura de fusión muy específica. Los agentes de curado micronizados pueden dispersarse en el refuerzo estructural y la resina puede inyectarse en caliente sin ningún riesgo de reacción prematura. El curado de la resina puede activarse cuando se desee simplemente elevando la temperatura hasta la temperatura crítica para activar los agentes de curado dispersados.

Esta realización permite que se evite el curado de la resina antes de su adición al componente estructural. Esto evita problemas de temporización cuando la viscosidad de la resina se eleva debido a la curación antes de su adición al componente estructural o durante el procedimiento de adición. Esto proporciona un grado muy superior de control durante el procesamiento y también proporciona más flexibilidad en términos de estructuras compuestas debido a que las resinas de baja viscosidad proporcionan menos problemas de procesamiento. Por ejemplo, los compuestos con estructuras laminadas gruesas pueden ser beneficiosas ya que las dificultades de los procedimientos de la técnica anterior se experimentaban al proporcionar suficiente resina en las capas medias y en las áreas de las capas más alejadas de los bordes.

Los agentes de curado activados mediante la temperatura proporcionan un control todavía superior proporcionando la posibilidad de completar la adición de resina antes de la curación y elevando posteriormente la temperatura para activar la curación una vez que se haya llevado a cabo una mezcla satisfactoria de los componentes estructurales y de la resina. Esta operación de curación puede ser muy rápida ya que pueden usarse resinas de elevada reactividad y las fibras termoplásticas proporcionan la posibilidad de moderar una elevación exotérmica de la temperatura. Además, permite la posibilidad de asegurar una calidad mejorada permitiendo que se compruebe el llenado del molde y que se rectifique si ya está teniendo lugar un error fuera del ámbito de esa curación.

Temperaturas adecuadas de curado de la resina, agentes adecuados de curado para resinas y temperaturas y puntos de fusión de polímeros termoplásticos en particular son bien conocidos por los expertos en la materia.

Una característica adicional preferida es el uso de un velo textil como parte del preformado que se interpone entre capas del componente estructural.

El velo, preferiblemente tiene una velocidad de absorbencia superior a la de la(s) capa(s) estructural(es) ya sea debido a su delgadez o a la absorbencia inherente o a la estructura del material del velo o a una combinación de estas características. Según esto, en algunas realizaciones, es preferible que se proporcione una capa de velo intercalada entre las capas estructurales y que se proporcione un medio para incrementar la velocidad de infiltración de la resina dentro de la estructura. De forma ventajosa, de este modo, la resina puede orientarse preferentemente hacia el centro de estructuras más gruesas que las que hasta ahora han sido posibles.

Un velo es una capa muy fina de material fibroso no tejido que se produce normalmente por medio de una ruta de elaboración de papel. El velo actuará contribuyendo a la infiltración de la resina dentro del núcleo del preformado gracias a una mayor velocidad de absorbencia de la resina que en el resto del preformado. Intercalando velos entre capas de tejidos, la resina puede orientarse de este modo hacia el centro de preformados gruesos más rápidamente de lo que ha sido posible hasta ahora. El velo también actuará para proporcionar un endurecimiento selectivo siendo situado en la interfaz entre capas de tejidos que es una ubicación principal para la deslaminación en una parte de un compuesto.

Preferiblemente, el velo es una capa delgada de fibras que se produce por medio de una ruta de elaboración de papel. Preferiblemente, el velo es inferior a 100 g/m^{2}, más preferiblemente inferior a 50 g/m^{3}, más preferiblemente inferior a 30 g/m^{3}. El velo proporcionará una combinación de conexión de fibras con desviación del límite elástico y de la fractura. El velo puede proporcionar también endurecimiento ya que consta de una mezcla de fibras termoplásticas no estructurales y de fibras estructurales.

Preferiblemente el velo consta de no más del 70% de fibras termoplásticas no estructurales, más preferiblemente no más del 60%. El velo puede contener un mínimo del 20% de fibras termoplásticas no estructurales. La cantidad de fibras termoplásticas no estructurales se determina, sin embargo, mediante la necesidad de mantener un contenido global apropiado de fibras estructurales dentro del preformado.

El velo también puede contener agentes de curado. Si los velos se distribuyen por todo el preformado o se fijan a todos los tejidos usados en el componente, entonces sería posible eliminar los agentes de curado tanto de la resina como de otros materiales usados para formar el preformado.

Una característica preferida de un velo de este tipo es la presencia de un material de unión distribuido sobre, o dentro de, el velo que se activa preferiblemente por medio de la resina, preferiblemente, por medio de la temperatura de la resina. Un material de unión adecuado es un termoplástico con un punto de fusión inferior al de la resina entrante. Alternativamente, la temperatura de la resina puede elevarse posteriormente a su introducción dentro del velo para activar de este modo el material de unión. También es posible cubrir el material de unión directamente sobre la estructura de la superficie que se sitúa posteriormente entre las capas del componente estructural que se va a activar posteriormente mediante la temperatura pero esto no es tan adecuado como su incorporación dentro del velo.

En una característica preferida, la temperatura de la resina entrante disuelve el material de unión pero no es suficiente para iniciar la curación que tiene lugar entonces en una etapa de calentamiento posterior. De este modo, los tejidos gruesos de fibras intercaladas y los textiles pueden unirse entre sí de forma segura para formar el preformado antes de la etapa de curación.

Preferiblemente, la resina es una resina termoestable, más preferiblemente, una resina epoxi.

El preformado puede incluir un textil que puede ser un material tejido o no tejido. El material puede constar de una hebra híbrida, es decir, de fibras estructurales y de fibras de endurecimiento mezcladas en una hebra híbrida o el material puede constar de una hebra estructural y de una hebra de endurecimiento mezcladas en un único tejido. Preferiblemente las fibras de endurecimiento están mezcladas con las fibras estructurales para formar la hebra híbrida. Las hebras híbridas con diferentes relaciones de fibras termoplásticas no estructurales y de fibras estructurales pueden usarse en el mismo material o tejido. De forma similar, las hebras híbridas que contienen mezclas de diferentes fibras termoplásticas no estructurales y de fibras estructurales pueden usarse en el mismo material, tejido o preforma-
do.

El concepto básico del uso de hebras híbridas puede modificarse considerablemente. Es posible sustituir todas las hebras en un preformado por una hebra híbrida, o alternativamente sustituir sólo una parte. Por otro lado, un preformado grande puede constar de zonas de materiales convencionales o endurecidos de acuerdo con las necesidades del componente. Esto ofrece una ventaja de procesamiento ya que puede usarse un sistema sencillo de resina para un componente grande pero las propiedades del compuesto pueden diferir en términos de endurecimiento, y la capacidad de la temperatura de una ubicación a otra - haciendo de este modo que sea más factible un moldeo en una sola vez de estructuras complejas.

Las propiedades del compuesto pueden modificarse ampliamente elaborando el preformado con diferentes formas. Por ejemplo, con un material tejido el patrón con el cual se proporcionan las fibras estructurales y las fibras termoplásticas tendrá un efecto sobre el comportamiento global del compuesto. El uso de un refuerzo estructural en forma de un tejido permite por lo tanto una gran versatilidad.

Se describirán ahora adicionalmente realizaciones de la presente invención haciendo referencia a los dibujos y ejemplos adjuntos, en los que:

La Figura 1a muestra un compuesto laminar esquemático de acuerdo con la presente invención;

La Figura 1b muestra la capa superior del compuesto laminar de la Figura 1a con una zona esquemática de impacto;

La Figura 1c muestra la construcción esquemática de la capa superior del compuesto laminar de la Figura 1a;

La Figura 1d muestra una vista esquemática despiezada de la zona 2 de deformación que se muestra en la Figura 1b;

La Figura 2a muestra un velo híbrido interpuesto entre dos capas estructurales en un laminado;

La Figura 2b muestra una construcción posible para el velo híbrido de la Figura 2a;

La Figura 2c muestra una construcción alternativa del velo híbrido de la Figura 2a;

La Figura 3 muestra la energía absorbida en función de la fracción en volumen por el espesor para varios ejemplos, y

Las Figuras 4 a 6 muestran gráficos de resistencia al impacto en función del espesor por la fracción en volumen de fibras para un compuesto formado sólo a partir de fibras de vidrio, Figura 4, fibras de vidrio y fibras de polipropileno, Figura 5, y fibras de vidrio y fibras de poliamida, Figura 6.

La Figura 1a muestra un compuesto con una estructura laminar de tres capas rectangulares planas idénticas superpuestas; la capa superior 3a; la capa media b y la capa inferior c. La estructura interna se muestra más claramente por medio de la Figura 1c que es un despiece del encarte 4. El despiece muestra que cada capa está formada a partir de un material híbrido que consta de hebras de fibra estructural, por ejemplo, fibra de carbón intercalada con hebras de un conjunto de fibras termoplásticas en una matriz de resina termoestable.

La Figura 1b y la Figura 1d muestran esquemáticamente el efecto de un impacto sobre la superficie de la capa superior 3a. En particular, la Figura 1b muestra una serie de zonas de deformación lineal en diagonal desde el impacto teórico y la Figura 1d muestra un despiece de una zona 2 de deformación lineal y revela que la zona de deformación se corresponde con una hebra termoplástica que se extiende en la capa del compuesto.

Haciendo referencia a la Figura 2, ésta muestra una construcción esquemática de un compuesto laminar similar a la de la Figura 1 pero con un velo híbrido intercalado entre dos capas de tejido. El velo intercalado introduce endurecimiento dentro del compuesto textil. Dos alternativas de la construcción del velo se muestran en las Figuras 2b y c. La Figura 2b muestra esquemáticamente la construcción de fibras estructurales y no estructurales mezcladas y de polvo termoplástico mientras que la Figura 2c muestra una construcción singular de fibras de carbono y de polvo termoplástico. En ambos casos la resistencia a la deslaminación y parte del endurecimiento se proporcionan gracias a la conexión de fibras entre las capas de tejido y el velo de fibra. Sin embargo, esto se mejora en gran medida gracias a la presencia de material termoplástico en la capa del velo.

Mediante un diseño apropiado del velo intercalado, la velocidad de flujo de la resina a través del velo puede mejorarse respecto a la velocidad de flujo a través de las capas estructurales superior e inferior y, de este modo, se puede mejorar la velocidad de impregnado de la resina inyectada dentro del compuesto.

En ambos casos, el agente de curado puede estar presente con los componentes estructurales antes de la adición de la resina de tal forma que el procedimiento de curado puede activarse a la temperatura apropiada una vez que haya tenido lugar un "humedecido" satisfactorio del componente estructural.

Ejemplo 1

Se preparó un compuesto a partir de un preformado de material que constaba de fibras de vidrio mezcladas con fibras de polipropileno en un material plegado no cuadriaxial. El material se impregnó con una resina de poliéster no saturado de baja viscosidad y el laminado se curó a temperatura ambiente y después se sometió a un curado posterior a 80ºC de acuerdo con la especificación del proveedor de la resina.

La placa tenía 3 mm de espesor y las fracciones en volumen de los tres componentes eran las siguientes:

fibras de vidrio 0,2 v/v;

fibras de polipropileno 0,2 v/v; y

resina de poliéster 0,6 v/v.

El laminado se sometió a una prueba de impacto de caída de un peso para medir su absorción de energía. La configuración específica de la prueba usada produjo unos resultados de energía absorbida para compuestos de fibra de vidrio que forman una curva maestra determinada por medio del espesor del laminado y de la fracción en volumen de las fibras. La energía absorbida por el laminado preparado a partir del preformado con fibras de polipropileno añadidas como agentes de endurecimiento era de 100 J.

Por el contrario, un laminado similar producido a partir de una resina de poliéster idéntica 0,8 v/v pero reforzada con un material que se produjo totalmente a partir de fibras de vidrio de una fracción de volumen de fibra de 0,2 v/v y un espesor de 3 mm, absorbió una media de aproximadamente 40 J. Esto demuestra que la adición de las fibras termoplásticas dentro del preformado proporciona un beneficio considerable de endurecimiento.

Ejemplo 2

Se preparó un compuesto epoxi de fibra de vidrio a partir de una resina epoxi DGEBA (éter de diglicil o bisfenol-A curado con un endurecedor de amina [Shell Epikote 826 curado con amina aromática Ciba HY932]) y un material tejido de onda plana de fibras E de vidrio. El material ocupaba aproximadamente un 50% del volumen del compuesto. Se preparó un compuesto similar con el mismo nivel de material pero el componente del material contenía un 70% (en volumen) de fibras de vidrio E y un 30% en volumen de una fibra polimérica semicristalina, con una temperatura de fusión cristalina de 210ºC.

Los compuestos se produjeron impregnando los materiales y laminando éstos hasta un espesor de 6 cm y se curaron en un horno a 190ºC. Termoacopladores integrados en el centro del laminado monitorizaron el aumento de temperatura en los materiales ya que éstos se equilibraron inicialmente a la temperatura del horno y después experimentaron incrementos adicionales de la temperatura debido al procedimiento de curado exotérmico.

El laminado que tenía solo fibras de vidrio presentó un aumento de la temperatura bastante superior a los 190ºC de temperatura del horno a la que se llegó rápidamente y alcanzó un valor máximo de 300ºC momento en el cual se observó una degradación significativa de la epoxia. El laminado con fibra termoplástico semi-cristalina también presentó un aumento de la temperatura debido al curado exotérmico pero una vez que esta temperatura alcanzó la temperatura de fusión cristalina de las fibras termoplásticas, el aumento global de la temperatura de detuvo y la resina epoxi no se degradó de forma destacable.

Ejemplo 3

Se preparó un compuesto de fibra de carbono, de 3 mm de espesor, a partir de un material tejido plano y de una resina epoxi (éter de diglicidil de bisfenol A curado con un endurecedor de amida [Shell Epikote 828 curado con amina aromática Ciba HY932]). El material contenía un 70% en volumen de fibras de carbono (Torayca T300) y un 30% en volumen de fibras de nylon 6,6. El material se impregnó con la resina epoxi líquida y se curó a temperatura ambiente durante 24 horas seguido por un curado posterior a 100ºC durante 4 horas. El laminado curado contenía aproximadamente un 50% de fibras de carbono en volumen y un 21% en volumen de fibras de nylon. El restante 29% de la composición era resina epoxi curada. Se preparó un compuesto similar mediante la impregnación de un material producido exclusivamente a partir de fibras de carbono. En este caso la fibra de carbón de dibujo plano ocupó un 50% en volumen del compuesto y la matriz de resina epoxi ocupó el restante 50%.

Ambos laminados se sometieron a pruebas de exceso de energía, de impacto de peso de caída. El laminado que constaba sólo de fibras de carbono y de una matriz epoxi absorbió 50 J de energía. El laminado con las fibras de carbono, fibras de nylon y matriz epoxi absorbió 85 J.

Ejemplos 4 a 7

Se han llevado a cabo pruebas con una serie de compuestos de fibras de vidrio de fracción de volumen medio que presentan dureza por impacto (energía absorbida durante el impacto de peso de caída con penetración completa) que se mejora en un factor de 2-3 veces mediante la inclusión de fibras termoplásticas en comparación con compuestos análogos no modificados. Las pruebas también han mostrado una falta notable de sensibilidad a las muescas en pruebas de tensión de orificio abierto en los mismos materiales.

Los resultados de impacto de los dos materiales frente a dos muestras de control se muestran en la Figura 3 y la Tabla 1 define los materiales probados.

TABLA 1 Comparación de laminados compuestos endurecidos y no endurecidos

Ejemplos	Producto	% Fracción en Volumen	Componentes estructurales
		Componente Estructural
Ejemplo 4	(F394)	22-23	Vidrio/polipropileno/poliéster
Ejemplo 5	(F404)	41	Vidrio/poliéster
Ejemplo 6	(F384)	22-23	Vidrio/polipropileno/poliéster
Ejemplo 7	(F389)	25	Vidrio/poliéster

Los componentes estructurales constaban cada uno de aproximadamente una relación de 50:50 en volumen, entre vidrio y aditivo de endurecimiento.

La Figura 3 muestra los resultados del impacto para los Ejemplos 4-7 como un gráfico de energía absorbida en función del espesor x volumen de fibras. La curva maestra de impacto para SMC (compuesto de moldeo laminar), GMT's (termoplásticos de rejilla de vidrio) y preimpregnación, etc. Se ha superpuesto con fines comparativos. La energía absorbida para el polipropileno y poliéster que contienen los compuestos se mejora de forma significativa en comparación con compuestos análogos que no tienen aditivo de endurecimiento.

Las Figuras 4 a 6 son gráficos que muestran resistencia al impacto, es decir, energía absorbida durante la penetración, en función del espesor x fracción en volumen de fibras. Cada gráfico tiene datos procedentes de tres matrices termoestables diferentes: dos epoxis y un poliéster. El primer gráfico de la Figura 4 muestra los resultados conseguidos cuando las fibras de vidrio por sí solas se usan cuando la fracción en volumen de fibras de vidrio en el compuesto se encuentra entre el 30 y el 50%. El segundo y el tercer diagramas de las Figuras 5 y 6 muestran los resultados cuando la parte de las fibras de vidrio se sustituye por polipropileno, Figura 5, y poliamida, Figura 6. Los gráficos demuestran que la inclusión de los polímeros termoplásticos proporciona beneficios significativos en términos de resistencia al impacto mejorada. Por otra parte, el efecto es consistente con diferentes matrices.

Las resinas usadas en el estudio que producían los gráficos de las Figuras 4 a 6 incluían una resina de poliéster isoftálico insaturado (UP), Crystic 272 (un producto de Scott Bader pic) y dos sistemas epoxi. EP1 era una resina epoxi curada en frío (éter de diglicidil de bisfenol A curado con un endurecedor de amida (Shell Epikote 828 curado con amina aromática Ciba HY932) y EP2 era una resina epoxi de baja viscosidad, de una única parte baja, suministrada por Cytec-Fiberite, Cycom 823, que se curó a 120ºC.

El procedimiento experimental en todas estas pruebas incluía el uso de una prueba de impacto de peso de caída instrumentada en la que se permite que un pulverizador equipado con una extremidad semiesférica de 20 mm de diámetro caiga sobre una muestra de una placa del compuesto de prueba. La muestra del compuesto es una placa delgada, normalmente de 3 mm de espesor, y de 60 mm x 60 mm de tamaño que está sostenida simplemente sobre un anillo de acero con un diámetro interno de 40 mm. El pulverizador se deja caer desde una altura de 1 m y tiene masa suficiente de tal forma que la energía cinética sea suficiente para que el pulverizador penetre completamente en la muestra. La prueba registra las fuerzas durante el evento de impacto y se calcula la energía absorbida a partir del registro del tiempo de la fuerza y de la velocidad medida del pulverizador cuando éste impacta con la muestra.

El uso de fibras termoplásticas incorporadas dentro de la resina proporciona una zona termoplástica en la matriz termoestable que proporciona un mecanismo para la deformación plástica y alargamiento que no es posible en la resina termoestable no modificada por sí misma. La baja viscosidad de la resina termoestable no modificada hace que sea factible moldear partes grandes en periodos de tiempo razonables y usar presión de inyección baja para el procedimiento lo que también erradicará cualquier problema relacionado con el lavado de fibras cerca de los puntos de inyección debido a las presiones aplicadas.

La invención tiene el potencial de hacer que un número de técnicas de fabricación de compuestos sean más efectivas al ser capaces de manejar un intervalo mayor de fórmulas de matrices y su eficiencia con los sistemas existentes puede incrementarse al reducirse los tiempos de flujo y de humedecimiento. Esto provocará una reducción en el tiempo que se tarda en fabricar un componente.

Claims (25)

1. Un compuesto que comprende un componente estructural y un componente de resina, comprendiendo el componente estructural fibras estructurales y un aditivo endurecedor que comprende fibras termoplásticas no estructurales y comprendiendo el componente de resina un material no termoplástico, y siendo el componente estructural una preforma que comprende un montaje formado por las fibras estructurales y las fibras termoplásticas no estructurales, en el que el montaje comprende fibras termoplásticas no estructurales que están en forma de fibra en el compuesto final, en el que el compuesto no comprende un material de refuerzo de fibras en forma de lámina compuesto por fibras de refuerzo y una tela no tejida laminada al menos en una de las caras del material de refuerzo de fibras, constituyendo las fibras cortas la tela no tejida que pasa a través del material de refuerzo de fibras para integrar el material de refuerzo de fibras en la tela no tejida.

2. Un compuesto según la reivindicación 1 en el que el componente de resina es una composición de resina termoendurecible.

3. Un compuesto según la reivindicación 1 o la reivindicación 2 en el que el componente de resina es una composición de resina termoendurecible de baja viscosidad.

4. Un compuesto según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que el porcentaje en volumen del aditivo endurecedor en el compuesto es más del 2% pero menos del 30%.

5. Un compuesto según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que el volumen del aditivo endurecedor es más del 5% pero menos del 25%.

6. Un compuesto según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que el volumen del aditivo endurecedor es más del 10% pero menos del 20%.

7. Un compuesto según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que el componente de refuerzo estructural se proporciona en forma de una pluralidad de capas de textiles y al menos se proporciona un velo entre un par de capas adyacentes, comprendiendo el velo una capa fina de material tejido o no tejido.

8. Un compuesto según cualquiera de las reivindicaciones precedentes en el que la fracción de volumen de las fibras estructurales en la preforma es al menos del 65%.

9. Uso de un refuerzo estructural en la fabricación de un compuesto mediante moldeo líquido, comprendiendo el refuerzo estructural una preforma que comprende un montaje seco de fibras formado por fibras estructurales y fibras termoplásticas no estructurales, en el que el compuesto no comprende un material de refuerzo de fibras en forma de lámina compuesto por fibras de refuerzo y una tela no tejida laminada al menos en una de las caras del material de refuerzo de fibras, constituyendo las fibras cortas la tela no tejida que pasa a través del material de refuerzo de fibras para integrar el material de refuerzo de fibras en la tela no tejida.

10. Un refuerzo estructural para usar en un compuesto que comprende una preforma que comprende un montaje seco de fibras formado por fibras estructurales y fibras termoplásticas no estructurales, siendo la fracción de volumen de las fibras estructurales en la preforma al menos del 65%.

11. Un refuerzo estructural según la reivindicación 10 en el que al menos algunas de las fibras termoplásticas son semicristalinas.

12. Un refuerzo estructural según la reivindicación 10 o la reivindicación 11 que comprende además un agente de curado de resinas.

13. Un refuerzo estructural según la reivindicación 12 en el que el agente de curado es activable por temperatu-
ra.

14. Un refuerzo estructural según una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13 en el que la preforma comprende capas de textiles y el componente de refuerzo incluye adicionalmente al menos un velo entre un par de capas adyacentes, estando el velo formado por una capa fina de material tejido o no tejido.

15. Un refuerzo estructural según la reivindicación 14 en el que el velo incluye fibras termoplásticas.

16. Un refuerzo estructural según la reivindicación 14 o la reivindicación 15 en el que el material aglutinante se distribuye sobre el velo o en este.

17. Un refuerzo estructural según una cualquiera de las reivindicaciones 14 a 16 en el que el velo tiene una mayor tasa de absorción para la resina que las fibras.

\newpage

18. Un refuerzo estructural según las reivindicaciones 10 a 17 en el que la preforma incluye un material textil que comprende un hilo mixto de fibras estructurales mezcladas y fibras termoplásticas o hilo de fibras estructurales e hilo de fibras termoplásticas.

19. Un procedimiento para elaborar un compuesto que comprenda la formación de una preforma combinando fibras estructurales secas con fibras termoplásticas no estructurales secas en un montaje para proporcionar un componente textil estructural, inyectando o infundiendo una resina líquida en el componente estructural textil y curando el componente de resina líquida, en el que el compuesto no comprende un material de refuerzo de fibras en forma de lámina compuesto por fibras de refuerzo y una tela no tejida laminada al menos en una de las caras del material de refuerzo de fibras, constituyendo las fibras cortas la tela no tejida que pasa a través del material de refuerzo de fibras para integrar el material de refuerzo de fibras en la tela no tejida.

20. Un procedimiento según la reivindicación 19 en el que se añade un agente de curado de resinas al componente estructural antes del componente de resina.

21. Un procedimiento según la reivindicación 20 en el que el agente de curado se encapsula en un material que se funde a una primera temperatura y en el que la etapa de curado incluye elevar la temperatura hasta la primera temperatura para activar el agente de curado.

22. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 19 a 21 en el que la etapa de curado se lleva a cabo al menos parcialmente a una temperatura por debajo del punto de fusión de las fibras termoplásticas.

23. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 19 a 22 en el que la preforma se proporciona en una pluralidad de capas de textiles y se proporciona un velo entre al menos un par de capas adyacentes antes de la adición de la resina, comprendiendo el velo una capa fina de material tejido o no tejido.

24. Un procedimiento según la reivindicación 23 que comprende la distribución del material aglutinante sobre el velo o en este.

25. Un procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 19 a 24 en el que el procedimiento de inyección de resina es moldeo por transferencia de resina o moldeo por inyección de resina en compuestos.