ES2250101T3 - Procedimiento de revestimiento con polimeros de cristales liquidos. - Google Patents
Procedimiento de revestimiento con polimeros de cristales liquidos.Info
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Abstract
Proceso para aplicar un recubrimiento protector sobre una superficie de un sustrato que está sujeto a la erosión/corrosión durante su uso, que comprende proporcionar una composición en partículas que comprende un polímero cristalino líquido termotrópico que tiene un punto de fusión por encima de aproximadamente 300ºC, siendo dicho polímero impermeable a la humedad y el oxígeno, la inyección de dicha composición en partículas en una llama de plasma de gas que tiene una temperatura por encima de 14000ºK para hacer que las partículas de polímero cristalino líquido se fundan, la proyección de dichas partículas fundidas sobre la superficie del sustrato para formar un recubrimiento regular e uniforme encima que tiene el grosor deseado, y el postcalentamiento para controlar la velocidad de enfriado del recubrimiento para formar una capa superficial protectora sobre dicho sustrato.
Description
Procedimiento de revestimiento con polímeros de
cristales líquidos.
La presente invención se refiere de manera
general a nuevos procesos de recubrimiento para recubrir sustratos,
como por ejemplo estructuras compuestas avanzadas, aluminio,
titanio, acero, etc., para prevenir o retardar los daños causados
por la oxidación, humedad, erosión, incrustaciones biológicas,
aspersión salina, desgaste, radiación ultravioleta, impacto,
extremos de temperatura y sustancias químicas. Las superficies de
dichos sustratos, en particular en estructuras de barcos, aviones
militares y comerciales, experimentan daños significativos y
degradación como consecuencia de estas causas y, por consiguiente
deben protegerse para evitar fallos y la reparación o repuesto
frecuentes.
Se conoce una gran variedad de recubrimientos
protectores para su aplicación sobre dichas superficies para
prevenir o reducir la degradación como consecuencia de una o más de
las causas que se han mencionado. Algunos de dichos recubrimientos
se pueden unir solamente a superficies metálicas y/o proporcionan
protección tan sólo contra los daños causados por algunos de los
factores de los que se han mencionado. Asimismo, muchos de dichos
recubrimientos se aplican por medio de disolventes o vehículos
orgánicos volátiles que son físicamente peligrosos o para el
medioambiente y/o contienen metales pesados como cromo, cadmio,
plomo, etc., que son igualmente peligrosos y negativos. La mayoría
de estos recubrimientos no se pueden reparar y/o requieren
temperaturas de aplicación que excluyen el uso sobre instalaciones
como aviones de combustible, carcasas para equipos electrónicos,
etc.
Se hace referencia a la patente EE.UU. 5.530.050
en cuanto a su descripción de una composición de recubrimiento en
polvo para aspersión térmica para la formación de recubrimientos
abrasibles sobre aros de refuerzo de turbina, carcasas de compresor
y sellos. Las composiciones en polvo contienen de 80 a 99% en peso
de circonia y de 1 a 20% en peso de partículas de núcleo de plástico
revestidas con cerámica. El núcleo de plástico puede comprender
cualquiera de una amplia variedad de tipos diferentes de plásticos
termo-resistentes, incluyendo polímeros cristalinos
líquidos. Las composiciones se pulverizan sobre la superficie
objetivo utilizando una o más pistolas de aspersión térmica para
producir recubrimientos abrasibles de los que se describe únicamente
que tienen propiedades de alta temperatura superiores.
Se hace referencia también a las patentes EE.UU.
5.216.092 y 5.296.542 en las que se describe la extrusión y moldeo
de composiciones de resina que comprenden mezclas de polímeros
cristalinos líquidos que comprenden poliésteres aromáticos.
Finalmente, se hace referencia a la patente
EE.UU. 5.019.686 por su descripción de dispositivos y técnicas de
aspersión térmica conocidos, incluyendo procesos de aspersión de
plasma en los que se utiliza un plasma gaseoso a alta velocidad para
aplicar por aspersión composiciones de recubrimiento en polvo o
partículas sobre un sustrato para formar un recubrimiento de alta
densidad.
La presente invención implica la combinación
única de aspersión de plasma y composiciones poliméricas en
partículas avanzadas basadas en polímeros cristalinos líquidos
termotrópicos para conseguir una extraordinaria capacidad para
mejorar la durabilidad de las superficies de materiales compuestos y
las estructuras metálicas, mejorando el rendimiento operativo de
dichas estructuras en entornos severos al mismo tiempo que se
recortan los costes de mantenimiento, se aumentan los ciclos de vida
y se reducen los residuos peligrosos asociados con la mayoría de los
recubrimientos convencionales. La invención mejora las propiedades
de comportamiento de los estratificados compuestos hasta el punto de
que puede aumentarse el uso de dichos estratificados como sustitutos
para estructuras metálicas más pesadas para reducir el peso de
vehículos y otras carrocerías.
Las composiciones poliméricas en partículas
avanzadas utilizadas según el proceso de aspersión térmica de plasma
de la presente invención consisten en polímeros cristalinos líquidos
termoplásticos de alto punto de fusión que comprenden copoliésteres
aromáticos, copolíester-amidas, poliésteres
totalmente aromáticos de monómero múltiple y polímeros
termoplásticos cristalinos líquidos similares que tienen puntos de
fusión por encima de aproximadamente 300ºC y que son
excepcionalmente impermeables a la humedad y el oxígeno en
comparación con otros materiales poliméricos conocidos.
El proceso de aspersión de plasma de la presente
invención consiste en un proceso en el que se emplea una pistola de
aspersión de plasma de arco eléctrico de corriente directa
convencional en el que se introduce un gas de plasma inerte en la
pistola, se lo hace girar en torbellino entre un cátodo y una tobera
de ánodo de salida y se descarga como una llama de plasma rotatoria
que tiene una temperatura excepcionalmente alta, en la que se
descarga el polímero cristalino líquido en partículas para su fusión
y propulsión sobre la superficie objetivo, en la que se depositan
las partículas fundidas y se enfrían para formar una estructura con
el grosor deseado.
En el gráfico adjunto,
la figura 1 es una ilustración transversal de un
aparato de pistola de aspersión de plasma durante la operación, que
deposita una capa protectora de partículas fundidas sobre la
superficie de un sustrato compuesto con arreglo a un modo de
realización preferible de la presente invención en el que las
pistolas de aspersión térmica de precalentamiento y
postcalentamiento están asociadas a la pistola de aspersión de
plasma.
Las composiciones de polímero cristalino líquidas
físicas utilizadas con arreglo al proceso son polímeros
termoplásticos con alto punto de fusión.
Los LCP se distinguen de otros plásticos por su
microestructura de tipo bastón en la fase fundido. Existen otras
resinas que tienen moléculas orientadas al azar en la fase fundido,
pero cuando se funden los LCP, sus moléculas largas y rígidas son
capaces de alinearse en una configuración muy ordenada que produce
una serie de características únicas. Entre ellas se incluyen calor
de cristalización bajo, flujo enormemente alto y resistencia de
fundido significativas. La estructura molecular tiene tal efecto
sobre las propiedades y las características de procesamiento, que es
mejor tratar a los LCP como una categoría de polímeros por
separado.
Existen dos tipos de polímeros cristalinos
líquidos disponibles: aramidas liotrópicas y copolíésteres
aromáticos termotrópicos. Las aramidas liotrópicas se procesan a
partir de una solución, como por ejemplo Kevlar. Los copoliésteres
termotrópicos se procesan a partir del estado fundido y son
preferibles para tratamientos de aspersión térmica.
Los polímeros de poliéster aromáticos LCP vectra
son termotrópicos y fluyen fácilmente en el estado fundido. Estas
propiedades únicas junto con otras hacen que los LPC Vectra sean
ideales para la aspersión de plasma térmica.
Los polímeros de poliéster aromáticos cristalinos
líquidos adecuados para su uso con arreglo al proceso de la presente
invención incluyen los descritos en la patente EE.UU. 5.216.092 y
5.296.542, cuyas descripciones se incorporan en el presente
documento como referencia. Dichos polímeros se utilizan en la forma
de una corriente de alimentación en partículas que tiene un tamaño
de partícula medio dentro del intervalo de 30 a 70 micrómetros.
Todos los polímeros LCP tienen un punto de fusión por encima de
300ºC, y son altamente impermeables al oxígeno y el vapor de agua,
es decir, tienen un valor de permeación de oxígeno por debajo de
aproximadamente 39 (cm^{3} mm-\mum/(100
cm^{3}.día.atm) (0,1
cm^{3}-mil/100''^{2}-día-atm),
cuando se mide a 23ºC y 80% de humedad relativa con arreglo a ASTM
D1434 y una transmisión de vapor de agua por debajo de 39,4
(g.\mum)/(cm^{2}.día) (0,1
g-mil/100''^{2}-día) @ 100 humedad
relativa, con arreglo a ASTM E96.
De acuerdo con el proceso de la presente
invención, se aplica por aspersión de plasma el LCP en partículas
sobre la superficie del material compuesto o sustrato metálico para
protegerlo, como por ejemplo una estructura de un barco o de un
avión militar o comercial, que está sujeta a daños sustanciales y
degradación como consecuencia de la oxidación, la humedad, la
erosión, las incrustaciones biológicas, la aspersión salina, el
desgaste, la radiación ultravioleta, el impacto, ciclos térmicos,
corrosión y/o otras fuerzas.
La pistola de aspersión de plasma convencional
controla todos los parámetros críticos, incluyendo la velocidad de
aspersión, la temperatura de la llama y el sustrato, el ángulo de la
pistola a presión, la posición y la velocidad de avance transversal
y la forma de las partículas de LCP de 30-35
micrómetros de tamaño. El material de sustrato, la textura y la
temperatura son variables que influyen en los detalles del proceso
ya que la velocidad de transferencia de calor del sustrato puede
evitar o retardar el enfriado controlado del recubrimiento según se
aplica. Por lo tanto, de acuerdo con un modo de realización
preferible de la invención, se monta una pistola de aspersión
térmica de precalentamiento delante del camino de la pistola de
aspersión de plasma para precalentar el sustrato a una temperatura
comprendida entre aproximadamente 149ºC y 316ºC (300ºF y 600ºF) con
un gas inerte caliente inmediatamente antes de la aplicación del
recubrimiento de LCP, y se monta una pistola de aspersión térmica de
postcalentamiento corriente abajo del camino de la pistola de
aspersión de plasma para postcalentar el recubrimiento de LCP
aplicado con un gas inerte inmediatamente después de su aplicación
con el fin de controlar la velocidad de enfriamiento del
recubrimiento. Las temperaturas de precalentamiento y
postcalentamiento se pueden regular dependiendo de la naturaleza del
sustrato, con el fin de proporcionar una velocidad de enfriado
uniforme para el recubrimiento de LCP aplicado, independientemente
de la naturaleza del sustrato. La pistola de aspersión térmica de
precalentamiento y/o postcalentamiento pueden ser no necesarias,
dependiendo de las propiedades del material de LCP seleccionado y
del material de sustrato.
En conexión con la figura 1, el aparato 10
comprende una alineación de una pistola de aspersión térmica de
precalentamiento 11, una pistola de aspersión de plasma 12 y una
pistola de aspersión térmica de poscalentamiento 13, que están
montadas a una distancia separadora determinada previamente "d"
en relación con la superficie objetivo 15 de un sustrato 14 que se
va a recubrir. El sustrato 14 y el aparato 10 están soportados para
movimiento relativo, en la dirección indicada por la flecha de la
figura 1, de manera que cada pistola se descarga contra la
superficie de sustrato 15 a lo largo de un camino común para
precalentar la porción corriente arriba del camino, aplicar por
aspersión de plasma en la superficie precalentada un recubrimiento
16, y postcalentar el recubrimiento 16 para reducir la velocidad y
regular su ritmo de enfriamiento.
Debe entenderse que el aparato de la figura 1
puede consistir únicamente en la pistola de aspersión de plasma 12,
sin las pistolas de aspersión térmica 11 y 13, ya que se pueden
aplicar recubrimientos por aspersión de plasma satisfactorios a la
mayoría de los sustratos empleando condiciones ambientales
controladas para regular las velocidades de calentamiento y enfriado
del recubrimiento de LCP sobre el sustrato.
La pistola de aspersión de plasma 12 de la figura
1 es una pistola coaxial convencional que tiene una carcasa de
barril exterior 17 provista de un manguito de agua 18 para enfriar
la carcasa 17 y su tobera anular 19 que comprende un ánodo de cobre.
El barril interior 20 de la pistola 12 tiene un diámetro interior
hueco 21 y un cátodo de tungsteno toriado anular exterior 22. El
paso anular 23 entre la superficie interior de la carcasa 17 y la
superficie exterior del barril 20 está diseñado para suministrar gas
de plasma como un vórtice en torbellino hasta la tobera 19 donde se
enciende mediante un arco eléctrico entre el ánodo y el cátodo de
potencia DC, para proyectar una llama de plasma 24. Se introducen
las partículas de LCP en el diámetro interior hueco 21, a una
velocidad de alimentación determinada previamente, para descargar en
el vórtice de la llama de plasma 24, que tiene una temperatura por
encima de aproximadamente 14000ºK para un soplete DC típico que
funciona a 40 kilowatios. La temperatura de plasma cae rápidamente
desde la salida de la tobera de ánodo 19 y por tanto se introduce el
LCP en esta parte más caliente de la llama, que fluye en torbellino
axialmente debido al momento del vórtice del gas, para fundir y
proyectar las partículas de LCP fundidas contra la superficie 15 del
sustrato 14, donde se enfrían las partículas y, a través del
depósito repetido de muchas de estas partículas se acumula un
depósito que forma el recubrimiento protector 16.
En un modo de realización preferible ilustrado
por la figura 1, el aparato 10 incluye un par de pistolas de
aspersión térmica 11 y 13 para generar un flujo de gas calentado
contra la superficie 15 del sustrato 14 para precalentar la
superficie 15 o el recubrimiento 16 hasta una temperatura
determinada previamente, como por ejemplo entre 149ºC y 316ºC (300ºF
y 600ºF) antes de cada aspersión de recubrimiento de plasma y para
postcalentar el recubrimiento 16 después de cada aplicación a una
temperatura comprendida entre aproximadamente 93ºC y 260ºC (200ºF y
500ºF) para regular o controlar el enfriado, respectivamente. Las
pistolas de aspersión térmica son sustancialmente idénticas pero
están sujetas a un control de la temperatura individual mediante la
regulación de la composición gaseosa suministrada en ellas y la
velocidad del flujo de gas.
Las pistolas de aspersión térmica 11 y 13
comprenden una carcasa exterior 25 que tiene una sección de tobera
convergente 26 y una barril coaxial interior 27 que tiene un
diámetro interior hueco 28. Se suministra un gas inerte, argón, al
diámetro interior hueco anular 29 entre la carcasa 25 y el barril 27
a una velocidad de alimentación determinada previamente, y se
suministra un gas que potencia la entalpia oxidable, como por
ejemplo hidrógeno, al diámetro interior hueco del barril 28 a una
velocidad de alimentación de 1 litro por minuto para producir una
mezcla combustible en la tobera 26 que se enciende para formar la
llama de gas térmico 30 que propulsa el gas calentado contra la
superficie de sustrato 15 y el recubrimiento 16.
El grosor del recubrimiento aplicado 16 se rige
principalmente por el número de pasos repetidos de la pistola de
aspersión de plasma 12 sobre el mismo camino o área del sustrato, y
la porosidad del recubrimiento 16 depende de la temperatura de
recubrimiento, la naturaleza de la superficie de sustrato y el
material de LCP seleccionado. Típicamente, el grosor está
comprendido entre 127-381 \mum (5 y 15 mils.).
La aplicación de las composiciones de polímero
cristalino líquido de la presente invención por aspersión de plasma
en la superficie de los componentes estructurales compuestos, como
por ejemplo superficies de control de aviones, fabricadas a partir
de un mini-emparedado o estratificado de películas
sintácticas de resina epoxídica que contiene pieles epoxídicas de
tela de fibra de grafito y que contiene fijadores convencionales
tuvo como resultado un recubrimiento superficial uniforme del
polímero cristalino líquido sobre la superficie compuesto y
fijadores que pasaron el examen visual sin que se detectaran
indicios de agrietamiento, pelado ni ningún otro defecto. El
material compuesto revestido fue sometido a un ciclo de fatiga a
0,6% de tensión sin que se produjera agrietamiento, y se sometió
también a envejecimiento acelerado a 177ºC (350ºF) sin
degradación.
Si bien se han descrito en detalle modos de
realización de la invención preferibles, las personas especializadas
en este campo podrán entender que son posibles otras modificaciones
de los modos de realización ilustrados sin alejarse por ello del
marco y espíritu de la invención tal como se describe en la memoria
descriptiva y se define en las reivindicaciones adjuntas.
Claims (11)
1. Proceso para aplicar un recubrimiento
protector sobre una superficie de un sustrato que está sujeto a la
erosión/corrosión durante su uso, que comprende proporcionar una
composición en partículas que comprende un polímero cristalino
líquido termotrópico que tiene un punto de fusión por encima de
aproximadamente 300ºC, siendo dicho polímero impermeable a la
humedad y el oxígeno, la inyección de dicha composición en
partículas en una llama de plasma de gas que tiene una temperatura
por encima de 14000ºK para hacer que las partículas de polímero
cristalino líquido se fundan, la proyección de dichas partículas
fundidas sobre la superficie del sustrato para formar un
recubrimiento regular e uniforme encima que tiene el grosor deseado,
y el postcalentamiento para controlar la velocidad de enfriado del
recubrimiento para formar una capa superficial protectora sobre
dicho sustrato.
2. Proceso según la reivindicación 1 en el que
dicho sustrato comprende un estratificado compuesto de una tela de
fibra de grafito y una resina epoxídica.
3. Proceso según la reivindicación 1 en el que
dicho sustrato es metálico.
4. Proceso según la reivindicación 1 en el que
dicho polímero cristalino líquido comprende un polímero de poliéster
aromático.
5. Proceso según la reivindicación 1 en el que
dicha llama de plasma de gas comprende una mezcla de un gas inerte y
una cantidad menor de un gas oxidable.
6. Proceso según la reivindicación 5 en el que
dicha mezcla comprende argon e hidrógeno.
7. Proceso según la reivindicación 1 que
comprende la proyección de partículas fundidas repetidamente sobre
el mismo área de la superficie del sustrato para construir un
depósito de recubrimiento del grosor deseado.
8. Proceso según la reivindicación 1 que
comprende el precalentamiento de la superficie de sustrato a una
temperatura comprendida entre aproximadamente 149ºC y 316ºC (300ºF y
600ºF) antes del depósito de las partículas de polímero cristalino
líquido fundido encima.
9. Proceso según la reivindicación 8 que
comprende el precalentamiento de la superficie de sustrato y/o el
recubrimiento proyectando un flujo de gas caliente que comprende un
gas inerte contra la superficie de sustrato y/o contra el
recubrimiento inmediatamente antes del depósito de las partículas
fundidas encima.
10. Proceso según la reivindicación 1 que
comprende el post-calentamiento del recubrimiento a
una temperatura comprendida entre aproximadamente 93ºC y 260ºC
(200ºF y 500ºF) inmediatamente después del depósito del
recubrimiento encima para regular el enfriado del recubrimiento.
11. Proceso según la reivindicación 10 que
comprende el post-calentamiento del recubrimiento
proyectando un flujo de gas caliente que comprende un gas inerte
contra el recubrimiento inmediatamente después del depósito de las
partículas fundidas con el fin de regular el enfriado del
recubrimiento.
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