ES2320217T3 - Manguera elastomera estratificada, con una capa de refuerzo de material polimerico que contiene azufre. - Google Patents
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Abstract
Manguera elastómera estratificada, provista de una capa interior (1), una capa exterior (2) y una capa de refuerzo (3), caracterizada porque la capa de refuerzo (3) contiene poliarilensulfuro, de modo que para un incremento de la presión interna respecto a la presión externa comprendido en el intervalo de 0 a 20 bar la manguera elastómera presenta un aumento de volumen esencialmente lineal.
Description
Manguera elastómera estratificada, con una capa
de refuerzo de material polimérico que contiene azufre.
La presente invención se refiere a una manguera
elastómera estratificada, según la definición general de la primera
reivindicación.
Una manguera elastómera de este tipo para el
transporte de líquidos es conocida, por ejemplo, a través de la
patente EP 0 818 477 A1.
Este tipo de mangueras elastómeras se emplea
preferentemente en el sector automovilístico para transportar
líquidos, como por ejemplo carburantes o fluidos hidráulicos, y en
esos usos está sometido, entre otras cosas, a condiciones
climáticas y térmicas extremas. Para resistir las diversas cargas
mecánicas, como por ejemplo la presión interior, la tracción, la
flexión, el doblado y la torsión, y garantizar a la vez una buena
resistencia al impacto, las mangueras elastómeras llevan distintas
clases de refuerzo. Para resistir presiones elevadas y superiores,
este tipo de mangueras elastómeras se refuerza con alambre de acero
o con hilos. Con este fin se conoce el uso de algodón, torzal de
alto módulo, rayón, poli-éster, m-aramida y
p-aramida. Los materiales constitutivos del hilo
pueden diferir en cuanto a propiedades mecánicas, térmicas y
químicas e influir decisivamente en la calidad de la manguera
elastómera reforzada con ellos.
La patente US 2001/018933 A1 presenta una
manguera con una capa interior fluorocarbonada, una capa de refuerzo
hecha preferiblemente con mallas de fibra de vidrio y opcionalmente
una capa exterior que lleva un material metálico.
El inventor se ha impuesto la tarea de aumentar
aún más la capacidad de resistencia de las mangueras elastómeras
corrientes, sin menoscabo de su típica estructura flexible.
Esta tarea se resuelve mediante una manguera
elastómera de varias capas, según la reivindicación 1.
En la presente invención se incluye un
poliarilensulfuro como material polimérico en la capa de refuerzo.
En el sentido más amplio los poliarilensulfuros son polímeros
lineales, ramificados o reticulados que contienen unidades de
sulfuro de arileno. Los poliarilensulfuros y su fabricación se
describen, por ejemplo, en la "Enciclopedia Ullmann de química
industrial", volumen A 21, B. Elvers, S. Hawkins y G. Schulz
(editores), VCH, Weinheim-Nueva York 1992, p.
463-472, que se toma como referencia. Los
poliarilensulfuros preferidos son poliarilentioéteres con unidades
repetitivas de la fórmula:
(1)-[(Ar^{1})_{n}-X]_{m}-[(Ar^{2})_{i}-Y]_{j}-[(Ar^{3})_{k}-Z]_{l}-[(Ar^{4})_{o}-W]_{p}-
donde Ar^{1}, Ar^{2}, Ar^{3},
Ar^{4} y W, X, Y y Z, independientemente uno de otro, son iguales
o distintos; los índices n, m, i, j, k, l, o y p,
independientemente entre sí, son cero o los números enteros 1, 2, 3
o 4 y su suma es como mínimo igual a 2; Ar^{1}, Ar^{2},
Ar^{3} y Ar^{4} son unidades arileno de 6 hasta 18 átomos de C
y W, X, Y y Z grupos de unión divalentes seleccionados entre
-SO_{2}-, -S-, -SO-, -CO, -O-, -COO- o bien grupos alquileno o
alquilideno de 1 hasta 6 átomos de C, de modo que al menos uno de
los grupos de unión W, X, Y o Z es -S-. Las unidades arileno
Ar^{1}, Ar^{2}, Ar^{3} y Ar^{4} pueden estar opcionalmente
sustituidas o
no.
Los sistemas de arileno preferidos son fenileno,
bifenileno, naftileno, antraceno y fenantreno. El poliarilensulfuro
contiene ventajosamente, al menos, un 30% molar, con preferencia al
menos un 50% molar y, sobre todo, al menos un 70% molar de unidades
de sulfuro de arileno. El poliarilensulfuro preferido es el
polifenilensulfuro (PPS), que en general contiene, al menos, un 50%
molar y, sobre todo, al menos un 70% molar de unidades de sulfuro
de fenileno y se conoce con las marcas Fortron® y Ryton®.
El PPS se caracteriza por su gran estabilidad
térmica, con temperaturas de empleo hasta 240ºC, y por su muy buena
resistencia química. Este material es concretamente muy dilatable.
Así, la manguera elastómera de la presente invención experimenta un
incremento de volumen casi lineal al elevar la presión ambiental.
Por tanto los impulsos ocasionados por un medio transportado en la
manguera de la presente invención se absorben mejor que en las
mangueras elastómeras corrientes reforzadas con materiales usuales.
El incremento de volumen de la manguera de la presente invención
reduce los impulsos y disminuye la carga sobre los equipos
anexos.
En una forma de ejecución particularmente
ventajosa la capa de refuerzo lleva al menos una fibra o hilo
reforzante con PPS. Las fibras o hilos reforzantes son fáciles de
fabricar, se trabajan bien y tienen una excelente dilatabilidad en
la dirección de la fibra. Escogiendo adecuadamente los demás
componentes de la fibra y su grosor se puede adaptar la capa de
refuerzo a los requisitos de cada manguera elastómera y se puede
aumentar la flexibilidad de la manguera.
Además resulta ventajoso que las fibras o los
hilos de refuerzo estén entretejidos, al menos parcialmente. De
esta manera se puede incorporar una malla flexible en la capa de
refuerzo. Estas mallas de fibra tienen suficiente fuerza para
resistir las cargas más frecuentes. Las fibras o los hilos de
refuerzo también se pueden tejer rápida y económicamente. Asimismo
las estructuras de malla fibrosa son dilatables y se pueden adaptar
a todas las formas necesarias. Además, con la elección del modelo
de malla se consigue un mayor espectro de aplicación, porque así
las propiedades del refuerzo de malla se pueden adaptar
individualmente a los requisitos de la manguera elastómera multicapa
que debe elaborarse. Entre los parámetros de mayor influencia hay
que mencionar la densidad de las mallas y el grosor de las
fibras.
En otra forma de ejecución ventajosa la capa
interior de la manguera elastómera estratificada está rodeada, al
menos por secciones, por fibra o-hilo de refuerzo en
espiral. Con una ligera torsión de la fibra o hilo de refuerzo, al
rodear el tubo interior, se incrementa la dilatabilidad de la fibra
o hilo de refuerzo.
Igualmente da buen resultado envolver el tubo
interior con varias capas de hilo en espiral. Una envoltura del
tubo interior con hilo en espiral es especialmente apropiada para
el empleo como mangueras elastómeras de elevada estabilidad
dimensional y grandes radios de flexión.
Es ventajoso que el diámetro de la fibra o del
hilo de refuerzo sea, con preferencia, inferior a 30 \mum,
comprendido preferiblemente entre 12 y 15 \mum. El uso de muchas
fibras o hilos de refuerzo relativamente delgados mejora las
propiedades de dilatación, en comparación con el uso de menor número
de fibras o hilos de refuerzo más gruesos (siendo igual la sección
total de todas las fibras o hilos de refuerzo).
La estructura de una manguera elastómera
estratificada según la presente invención, con una capa de refuerzo
que lleva un PPS, se describe seguidamente haciendo referencia a
las figuras adjuntas.
Fig. 1 muestra una vista global de la manguera
elastómera estratificada según la presente invención, con capa
interior, capa exterior y capa de refuerzo intercalada con fibra
reforzante de PPS.
Fig. 2 muestra otra vista global de la manguera
elastómera estratificada según la presente invención, con capa
interior, capa exterior y capa de refuerzo intercalada que contiene
una malla tejida de fibras reforzantes.
Fig. 3 muestra el incremento de volumen de una
manguera elastómera estratificada, según la presente invención,
provista de un hilo de PPS como fibra reforzante, para un aumento de
la presión interna respecto a la presión externa comprendido en un
intervalo de 0 a 20 bar.
Fig. 4 muestra el incremento de volumen de una
manguera elastómera estándar, provista de un hilo de aramida como
fibra reforzante, para un aumento de la presión interna respecto a
la presión externa comprendido en un intervalo de 0 a 20 bar.
La fig. 1 muestra un corte libre de una manguera
elastómera estratificada, según la presente invención, que consta
de una capa interior 1, una capa exterior 2 y una capa de refuerzo
intercalada 3 que lleva un PPS 4. La capa interior 1 y la capa
exterior 2 son de cualquier material elastómero apropiado para
transportar el medio correspondiente. La capa de refuerzo 3 con el
material polimérico de PPS 4 contiene otros componentes, ligantes
aparte de otros, para unir entre sí la capa interior 1 y la capa
exterior 2, y fijar el material de refuerzo. En este punto no se
detallan los materiales preferidos de las capas interior y exterior
1, 2, ni los demás componentes de la capa de refuerzo 3, pues el
especialista competente no tendrá ninguna dificultad en especificar
una serie de materiales idóneos y combinarlos de modo adecuado.
Para emplear en la capa de refuerzo entran en
consideración los poliarilensulfuros. Tal como se mencionado arriba
los poliarilensulfuros son en el sentido más amplio polímeros
lineales, ramificados o reticulados que contienen al menos un 30
por ciento molar de unidades de sulfuro de arileno. Los sistemas de
arileno preferidos son el fenileno, bifenileno, naftileno,
antraceno y fenantreno. El poliarilensulfuro preferido es el
polifenilensulfuro (PPS), que en general lleva, al menos, un 50%
molar y, sobre todo, al menos un 70% molar de unidades de sulfuro
de fenileno.
En el ejemplo práctico representado en la fig. 1
hay un hilo de PPS como hilo reforzante incorporado a la capa de
refuerzo 3, que envuelve la capa interior 1 en forma espiral o
helicoidal. El PPS se suministra habitualmente en forma de polvo o
de granulado. El granulado sin reforzar es adecuado para fabricar el
filamento o la fibra, especialmente para su elaboración mediante
extrusión y moldeo por inyección. Con la adición de fibras de vidrio
y de mezclas de fibras de vidrio y minerales se puede incrementar
claramente la rigidez y la estabilidad dimensional del material no
reforzado. Un material fibroso puede tener hasta un 40 por ciento en
peso de materiales reforzantes y una densidad de aproximadamente 1,3
hasta 2,2 g/cm^{3}. A una temperatura de 23ºC y una humedad
relativa del 50%, un granulado reforzado tiene una resistencia a la
tracción de aprox. 150 a 200 MPa, un alargamiento a la rotura de
aprox. 100 al 200% y un módulo de elasticidad de aprox.
10\cdot10^{3} MPa a 20\cdot10^{3} MPa (método de ensayo: ISO
527, partes 1 y 2). La resistencia a la tracción y el alargamiento a
la rotura se miden a una velocidad de ensayo de 5 mm/min. La
temperatura máxima de estabilidad dimensional al calor a 1,8 MPa
(HDT/A) alcanza aprox. +270ºC y a 8,0 MPa (HDT/C) aprox. +220ºC (ISO
75, partes 1 y 2). El coeficiente de dilatación lineal (longitudinal
y transversal) es de aprox. 20 hasta 30\cdot10^{-6} ºC^{-1} en
un margen de temperatura de -50ºC hasta +90ºC y de aprox. 35 hasta
50\cdot10^{-6} ºC^{-1} en un margen de temperatura de +90ºC
hasta +250ºC (método de ensayo: ISO 11359-2).
El grosor de las fibras de refuerzo 4 se puede
elegir a voluntad, teóricamente, para conferir propiedades
específicas a la manguera estratificada. El diámetro de las fibras
de refuerzo es preferiblemente menor de 30 \mum, comprendido
preferiblemente entre 12 y 15 \mum. El paso de espiral de las
fibras de refuerzo también puede elegirse libremente. Las fibras de
refuerzo 4 pueden enrollarse muy juntas alrededor de la capa
interior 1 de la manguera estratificada, de manera que sus vueltas
sean adyacentes y se toquen entre sí. Las fibras de refuerzo 4
también se pueden enrollar en varias capas superpuestas. Para
ilustrar mejor la idea de la presente invención en la fig. 1 se
representa una fibra de refuerzo 4 exageradamente grande, con un
paso de espiral y una distancia igualmente exageradas.
La fig. 2 muestra un segundo ejemplo práctico de
la manguera elastómera estratificada de la presente invención, con
una capa interior 1, una capa exterior 2 y una capa intermedia con
fibras de refuerzo 4. Las relaciones de tamaño también están
representadas de manera exagerada para una mejor ilustración. Al
igual que en el primer ejemplo práctico, la fibra de refuerzo
también es un hilo de polifenilensulfuro (PPS). Dos hilos de
refuerzo distintos envuelven helicoidalmente la capa interior 1 con
paso de espiral contrapuesto, lo cual puede mejorar aún más las
propiedades reforzantes de la capa de refuerzo 3.
En un ejemplo práctico mayormente preferido las
fibras de refuerzo 4 están entretejidas, formando, por así decirlo,
un "tubo de malla" dentro de la capa de refuerzo 3, que rodea
la capa interior 1. Eligiendo determinadas configuraciones de malla
se pueden conseguir las propiedades de resistencia y flexibilidad
deseadas, ajustándose a los requerimientos de la correspondiente
manguera elastómera multicapa.
El especialista preparado tiene siempre la
capacidad de elaborar, sin más instrucciones, una o más fibras de
refuerzo e incorporarlas a una manguera elastómera estratificada -ya
sea individualmente o formando una malla- según la presente
invención. Por lo tanto en este punto no se detallan métodos
especiales de fabricación y elaboración.
El uso de una manguera elastómera estratificada
de este tipo y sus ventajas se describen seguidamente con la ayuda
de los gráficos 3 y 4.
La fig. 3 muestra el aumento de volumen de una
manguera elastómera guarnecida con hilo de PPS como fibra
reforzante en una situación de incremento de la presión interna
respecto a la presión externa (denominado de aquí en adelante
sobrepresión interna) comprendido en el intervalo de 0 a 20 bar.
Como se puede determinar experimentalmente, el volumen de la
manguera elastómera con un hilo de PPS como fibra reforzante
aumenta de modo casi lineal para un incremento de la presión
interna comprendido entre 0 y 20 bar. A una sobrepresión interna de
14 bar el volumen de una manguera elastómera estratificada con un
hilo de PPS como fibra reforzante, según la presente invención, es
aprox. 30 hasta 35% mayor en comparación con el estado en que la
presión interna y externa son iguales. A una sobrepresión interna
de 20 bar la misma manguera presenta un volumen 70% mayor que en
dicho estado comparativo.
La fig. 4 muestra el aumento de volumen de una
manguera elastómera estratificada convencional, guarnecida con hilo
de aramida como fibra reforzante, en una situación de incremento
de la presión interna respecto a la presión externa comprendido en
el intervalo de 0 a 20 bar. En la manguera elastómera corriente el
volumen para un incremento de presión interna hasta 2 bar aumenta
de modo análogo a la manguera elastómera de la presente invención.
Al seguir incrementando la sobrepresión interna, el volumen de la
manguera elastómera convencional reforzada con aramida solo aumenta
ligeramente. A una sobrepresión interna de 10 bar, el volumen de la
manguera elastómera convencional es un 12% mayor que en el estado
de igualdad de las presiones interna y externa. A una sobrepresión
interna de 20 bar, el volumen de la manguera elastómera
convencional ha aumentado hasta un 16% respecto al estado
comparativo.
Debido a esta diferencia de aumento de volumen
frente al incremento de presión, comparando una manguera elastómera
estratificada de la presente invención con una convencional,
resulta que la manguera de la presente invención tiene la ventaja
de absorber los impulsos del incremento de presión mediante un
aumento de volumen y por tanto no sobrecarga los equipos anexos.
Esto también afecta p.ej. a la producción de ruido. Una manguera
elastómera convencional reforzada con aramida no presenta esta
línea recta característica y, por tanto, al aumentar la presión
interna ya no puede dilatarse más; entonces el impulso del
incremento de presión se transmite al aparato al que va
conectada.
Claims (9)
1. Manguera elastómera estratificada, provista
de una capa interior (1), una capa exterior (2) y una capa de
refuerzo (3), caracterizada porque la capa de refuerzo (3)
contiene poliarilensulfuro, de modo que para un incremento de la
presión interna respecto a la presión externa comprendido en el
intervalo de 0 a 20 bar la manguera elastómera presenta un aumento
de volumen esencialmente lineal.
2. Manguera elastómera estratificada según la
reivindicación 1, caracterizada porque el poliarilensulfuro
contiene preferentemente más de 50 por ciento molar, sobre todo más
de 70 por ciento molar de unidades de sulfuro de arileno.
3. Manguera elastómera estratificada según la
reivindicación 1 y/o 2, caracterizada porque como unidades de
arileno del poliarilensulfuro se eligen una o más del grupo
siguiente: fenileno, bifenileno, naftileno, antraceno o
fenantreno.
4. Manguera elastómera estratificada según al
menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque la capa de refuerzo (3) contiene polifenilensulfuro.
5. Manguera elastómera estratificada según al
menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque la capa de refuerzo (3) contiene al menos una fibra o hilo
reforzante (4) con poliarilensulfuro.
6. Manguera elastómera estratificada según al
menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque la capa de refuerzo (3) contiene al menos una fibra o hilo
reforzante (4) de poliarilensulfuro.
7. Manguera elastómera estratificada según al
menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque las fibras o hilos reforzantes (4) están entretejidos, al
menos parcialmente.
8. Manguera elastómera estratificada según al
menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque la capa de refuerzo (3) va intercalada, al menos por
secciones, entre la capa interior (1) y la capa exterior (2).
9. Manguera elastómera estratificada según al
menos una de las reivindicaciones anteriores, caracterizada
porque la fibra o hilo reforzante (4) envuelve en espiral, al menos
por secciones, la capa interior (1).
Applications Claiming Priority (2)
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