ES2348913T3

ES2348913T3 - Material compuesto por fibra de seda.

Info

Publication number: ES2348913T3
Application number: ES07734107T
Authority: ES
Inventors: Ignace Verpoest; Nedda El Asmar; Aart Willem Van Vuure; Jan Vanderbeke
Original assignee: Katholieke Universiteit Leuven; Hermes Sellier SAS
Current assignee: Katholieke Universiteit Leuven; Hermes Sellier SAS
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2010-12-16
Anticipated expiration: 2027-03-26
Also published as: ATE474013T1; WO2007110758A2; KR101139649B1; EP2004733B1; JP5340911B2; CN101443390A; US20100040816A1; EP2004733A2; GB0605929D0; DK2004733T3; CN101443390B; JP2009530469A; WO2007110758A3; DE602007007744D1; KR20090006834A

Abstract

Un material compuesto fibroso que comprende un polímero termoplástico como fase matriz y fibras de seda como fase de refuerzo, en donde las fibras de seda se organizan en dicho compuesto en al menos dos direcciones, caracterizado por que a) la resistencia de tracción de dicho material compuesto varía menos que 15% entre las direcciones de fibra de las fibras de seda comprendidas en el compuesto, b) la torsión de las fibras, si se incorporan en hilos, es menor que 2000 vueltas/metro, c) dicha matriz de polímero tiene un módulo de tracción de menos que 1000 MPa y una deformación de tracción de rotura mayor que 300%, y d) las fibras de seda equivalen a al menos 25% del volumen del compuesto.

Description

Material compuesto de fibra de seda.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a un material compuesto fibroso que comprende un polímero termoplástico como fase matriz y fibras de seda como fase de refuerzo en donde las fibras de seda se organizan en dicho compuesto en al menos dos direcciones. Más particularmente, el material compuesto fibroso de seda de la presente invención tiene una alta resistencia a la penetración. La invención se refiere además a paneles o carcasas que comprenden material compuesto fibroso según la invención además de objetos que comprenden dichos paneles o carcasas.

Fundamento de la invención

Los compuestos de fibra natural han atraído recientemente una considerable cantidad de atención en la comunidad de búsqueda de materiales compuestos además de en la industria. Esto se debe a una gama de ventajas potenciales de las fibras naturales, especialmente respecto a su comportamiento medioambiental. Las fibras naturales son fuentes renovables e incluso cuando su compuesto de deshecho se incinera, no provocan emisión neta de dióxido de carbono al medioambiente (es decir, estos materiales son neutros en CO_{2}). Se emite alguna cantidad efectiva de CO_{2} durante su procesado (debido al consumo de energía), pero esta cantidad es mucho menor que la cantidad efectiva emitida durante la fabricación de fibras sintéticas como fibra de vidrio y de carbono. Las fibras naturales son biodegradables de forma inherente, lo que puede ser beneficioso. Debido a su densidad relativamente baja, se obtienen propiedades mecánicas específicas altas comparables a las de las fibras de vidrio para algunas fibras como lino, cáñamo y kenaf. Otras ventajas son el bajo coste potencial y la inversión relativamente baja necesaria cuando se cultivan fibras naturales. Además, estas fibras son típicamente menos abrasivas que el vidrio o el carbono, por ejemplo, llevando al menor desgaste en el procesado textil y a riesgos para la salud ocupacional potencialmente menores debido al polvo de la fibra. Además, el público general aprecia típicamente el uso de materiales naturales.

La presente invención se refiere a compuestos de fibra de seda. Las fibras de seda comparten muchas de las ventajas que se enumeran anteriormente para las fibras naturales. Las fibras de seda tienen una deformación a la rotura excepcionalmente alta y la presente invención muestra como esta propiedad puede traducirse en materiales compuestos muy resistentes.

El documento JP3653635 describe un material compuesto reforzado que comprende un polímero termoplástico, más particularmente poli(succinato de butileno), polipropileno o polilactato, como fase matriz y tejidos de seda como fase de refuerzo. Dichos tejidos de seda fueron de ligamentos o bien sarga o tafetán, en donde la densidad de fibra en las direcciones de la trama y la urdimbre difiere más del 12%, es decir, tejidos desequilibrados en peso, y por tanto, en resistencia. El uso de dichos tejidos desequilibrados típicamente da por resultado compuestos que tienen una diferente resistencia en las respectivas direcciones de la fibra del compuesto. La presente invención muestra que la resistencia al impacto (como se mide por el método esbozado en el ejemplo 2 y la figura 2) de dichos compuestos es relativamente baja y que se obtiene una resistencia al impacto marcadamente superior en compuestos reforzados con fibra de seda con una matriz de polímero termoplástico en donde las fibras de seda están dispuestas en al menos dos direcciones de fibra de manera que la resistencia del compuesto en cada una de las direcciones de la fibra es similar, es decir, un compuesto equilibrado en resistencia en las direcciones de la fibra. Además, la resistencia al impacto puede mejorarse adicionalmente usando una torsión baja de los hilos de fibra de seda (la torsión reduce la resistencia de la fibra). Por tanto, los materiales compuestos reforzados con fibra de seda de la presente invención tienen la ventaja de que son relativamente ligeros, mientras que tienen una alta resistencia al impacto. Además, la presente invención proporciona compuestos reforzados de seda que comprenden polímeros termoplásticos seleccionados con una alta deformación a la rotura como fase matriz, que tienen una alta resistencia al impacto independiente de la organización de la fibra. Debido a sus características, estos materiales compuestos de la presente invención son particularmente útiles para la fabricación de paneles o carcasas para integrar en objetos, que en el curso de su ciclo de vida están sujetos a choques o al riesgo de penetración. Ejemplos de dichos objetos son recipientes o envases, que se transportan de forma frecuente o que se usan en la proximidad de artículos puntiagudos, tal como cajas, maletas, maletines, bolsos, botes, accesorios de baño o cocina o cajas de reloj.

La importancia de la resistencia al impacto y de otras propiedades de los materiales usados en productos que portan cargas tales como maletas, maletines, bolsos y similares, se trata en detalle en el documento GB2238753.

Un material compuesto reforzado que comprende un polímero termoplástico y tejidos de seda, en donde el material compuesto consiste en un cuerpo laminado en que una capa de resina termoplástica y una capa de tejido de seda se laminan de forma alternativa, se describe en el documento JP 2004 142261. Dichos tejidos de seda son ligamentos de sarga o tafetán en donde la densidad de fibra en las direcciones de trama y urdimbre difiere más que 16%, es decir, tejidos desequilibrados en peso.

Resumen de la invención

La presente invención está basada en el descubrimiento de que los materiales compuestos reforzados con fibra de seda seleccionados que comprenden una matriz de polímero termoplástico son relativamente ligeros, mientras que tienen una alta resistencia al impacto. Los materiales compuestos reforzados con fibra de seda de la presente invención permiten una óptima disipación de la energía de impacto de manera que tienen una resistencia a la penetración como se mide según el método de ensayo descrito en el ejemplo 2, que es mayor que 20 J por mm de espesor de placa, más preferiblemente más que 30 J por mm, lo más preferiblemente más que 40 J por mm. Debido a la alta resistencia al impacto del material compuesto fibroso según la presente invención, los paneles o carcasas que comprenden dichos compuestos son particularmente útiles para la fabricación de objetos, que en el curso de su ciclo vital están sujetos a golpes o al riesgo de penetración.

Descripción detallada de la invención Leyendas de las figuras

Figura 1: Moldeo por compresión de compuestos de fibra de seda

Figura 2: Montaje del ensayo de impacto de peso en caída

Figura 3: Resistencia al impacto de peso en caída de compuestos de fibra de seda como una función de la deformación a la rotura del polímero termoplástico matriz.

Descripción

La presente invención se basa en el descubrimiento de que los materiales compuestos reforzados con fibra de seda seleccionados que comprenden una matriz de polímero termoplástico son relativamente ligeros, mientras que tienen una alta resistencia al impacto. Los materiales compuestos reforzados con fibra de seda de la presente invención permiten una óptima disipación de la energía de impacto de manera que tienen una resistencia a la penetración mayor que 20 J por mm de espesor de placa, más preferiblemente más que 30 J por mm, lo más preferiblemente más que 40 J por mm, como se mide según el método de ensayo esbozado en el ejemplo 2 y la figura 2. Dicha alta resistencia al impacto puede obtenerse o bien o tanto por una organización apropiada de las fibras de seda en el compuesto como una selección apropiada de un polímero matriz termoplástico.

La presente invención demuestra que la organización de las fibras de seda pueden contribuir de forma significativa a la resistencia al impacto asegurando o bien o tanto una resistencia suficiente del compuesto como una buena capacidad de deformación del compuesto. Se ha encontrado que se obtiene una resistencia apropiada organizando las fibras de seda en al menos dos direcciones dentro del compuesto a través de las cuales la resistencia de tracción del compuesto en cada una de las direcciones de la fibra está en el mismo intervalo. Por lo tanto, en un primer objeto la presente invención proporciona un material compuesto fibroso que comprende un polímero termoplástico como fase matriz y fibras de seda como fase de refuerzo, en donde las fibras de seda se organizan en dicho compuesto en al menos dos direcciones, y en donde

a): la resistencia a la tracción de dicho material compuesto varía menos del 15% entre las direcciones de la fibra de las fibras de seda comprendidas en el compuesto,

b): la torsión de las fibras, si se incorporan en hilos, es menor que 2000 vueltas/metro,

c): dicha matriz de polímero tiene un módulo de tracción de menos que 1000 MPa y una deformación de tracción a la rotura mayor que 300%, y

d): las fibras de seda equivalen al menos al 25% del volumen del compuesto.

Preferiblemente, la distribución de dichas fibras de seda sobre dichas direcciones de fibra se elige de manera que la resistencia a la tracción del material compuesto varía menos que 15%, más preferiblemente menos que 10%, lo más preferiblemente menos que 7,5%, por ejemplo 3% entre las direcciones de fibra de las fibras de seda comprendidas en el compuesto. En una realización preferida, la orientación y el número de direcciones de fibra en el compuesto se eligen de manera que el compuesto comprende una dirección adicional no de fibra, en donde dicho compuesto tiene una deformación a la rotura mayor que 25%, más preferiblemente mayor que 30%, lo más preferiblemente mayor que 35%, por ejemplo más que 40%. Dicha alta capacidad de deformación en la dirección dada junto con la resistencia equilibrada proporcionada en las direcciones de fibra de seda, permite una disipación eficaz de energía en el impacto. Preferiblemente las fibras de seda se organizan en una pluralidad de tejidos o esteras, que se apilan en dicho compuesto. Los tejidos o esteras que contienen fibras de seda apiladas pueden a su vez ser tejidos, telas no tejidas, trenzadas o tejidos no rizados. Un compuesto según el primer objeto de la presente invención puede comprender o bien una pluralidad de esteras o tejidos del mismo tipo o una combinación de diferentes tipos. Preferiblemente, las fibras de seda usadas en los compuestos tienen una longitud que excede los 20 mm, más preferiblemente que excede los 60 mm, o son fibras continuas de seda. En realizaciones particulares, las fibras de seda están tejidas en hilos. Se espera que los compuestos basados en fibras discontinuas permitirán una formación más fácil en formas complejas.

En una realización del primer objeto de la presente invención, el compuesto comprende una pluralidad de tejidos que comprenden fibras de seda, más preferiblemente 50% o más de las fibras comprendidas en los tejidos son fibras de seda, lo más preferiblemente las fibras de seda son las únicas fibras comprendidas en dichos tejidos. En una realización más preferida, los tejidos comprenden las mismas fibras en las direcciones de la trama y la urdimbre y la densidad de fibra en la trama y la urdimbre de dichos tejidos difiere no más que 12%, más preferiblemente menos que 6%, lo más preferiblemente los tejidos son tejidos equilibrados (equilibrados en peso), en donde las densidades de fibra en la trama y la urdimbre son idénticas. El experto en la técnica entenderá que para obtener un material compuesto en donde la resistencia a la tracción en cada una de las direcciones de la fibra está en el mismo intervalo, se prefiere apilar dichos tejidos virtualmente equilibrados, en donde las densidades de fibra entre la trama y la urdimbre difieren menos que 12% o tejidos equilibrados con la urdimbre de los respectivos tejidos apilados en la misma dirección o en un ángulo de 90º. En otra realización más preferida, el compuesto según la presente invención comprende una pluralidad de tejidos desequilibrados, en donde las densidades de fibra en la trama y la urdimbre son significativamente diferentes. En una realización particular, dichos tejidos desequilibrados comprenden las mismas fibras en la trama y la urdimbre y las densidades de fibra en la trama y la urdimbre de dichos tejidos difieren más que 12%. Cuando se usan dichos tejidos desequilibrados es importante que los respectivos tejidos se apilen de manera que las densidades totales de fibra en las direcciones de fibra del compuesto varíen menos que 12%, preferiblemente menos que 6%, por ejemplo menos que 3%. Lo más preferiblemente, los respectivos tejidos desequilibrados se apilan de manera que las densidades totales de fibra en las direcciones de la fibra del compuesto son idénticas. En una realización particular, el material compuesto según la presente invención comprende una pluralidad de los mismos tejidos desequilibrados en donde aproximadamente la mitad de los tejidos se apilan de manera que su dirección de trama está en un ángulo de 90º con la dirección de trama de la otra mitad de dichos tejidos comprendidos en el compuesto. En otra realización particular, los tejidos desequilibrados comprenden diferentes fibras en la trama y la urdimbre, por ejemplo una fibra de seda en la trama y una fibra de algodón en la urdimbre. Cuando se usan dichos tejidos desequilibrados es importante que los respectivos tejidos se apilen de manera que las densidades totales de la fibra de seda en las direcciones de la fibra del compuesto varíen menos que 12%, preferiblemente menos que 6%, por ejemplo menos que 3%. Lo más preferiblemente, los respectivos tejidos desequilibrados se apilan de manera que las densidades totales de fibra de seda en las direcciones de la fibra del compuesto son idénticas.

Se prefiere que los tejidos equilibrados o desequilibrados en los compuestos según la presente invención se apilen de manera que el compuesto comprende 2 direcciones de fibra en un ángulo de 90º, que corresponde a la trama y la urdimbre en los tejidos. Dichos compuestos tiene la ventaja particular de que tienen una alta capacidad de deformación en las direcciones, que están en un ángulo de 45º respecto a cada una de las direcciones de la fibra. Preferiblemente, esta capacidad de deformación medida como la deformación a la rotura en las direcciones de 45º es mayor que el 25%, más preferiblemente mayor que 30%, lo más preferiblemente mayor que 35%, por ejemplo mayor que 40%.

Además, se observó que la resistencia al impacto de materiales compuestos que comprenden tejidos con un alto grado de torsión de los hilos de seda era relativamente menor (la torsión reduce la resistencia del hilo). Por consiguiente, se prefiere que la torsión de las fibras, si se incorpora en hilos, sea menor que 2000 vueltas/metro, preferiblemente menor que 1000 vueltas/metro, más preferiblemente menor que 500 vueltas/metro y lo más preferiblemente menor que 200 vueltas/metro.

Se observó además que la resistencia al impacto de materiales compuestos de fibra de seda (virtualmente) equilibrados aumenta con la deformación a la rotura del material de matriz de polímero (termoplástico).

Se observó que los compuestos fibrosos con una resistencia al impacto mayor que 20 J por mm de espesor de placa, más preferiblemente más que 30 J por mm, por ejemplo más que 40 J por mm, se obtuvieron cuando se usaba un polímero termoplástico como fase matriz y un tejido que contenía fibra de seda como fase de refuerzo. Esta alta resistencia al impacto (medida según el método de ensayo esbozado en el ejemplo 2 y figura 2) se relacionó con la alta capacidad de deformación de los tejidos. Por lo tanto, en un segundo objeto la presente invención proporciona un material compuesto fibroso que comprende un polímero termoplástico como fase matriz y fibras de seda como fase de refuerzo, en donde las fibras de seda se organizan en una pluralidad de tejidos apilados. En una realización preferida, el tejido no comprende otras fibras que fibras de seda. Las fibras de seda comprendidas en los tejidos puede o bien estar tejidos en un hilo o ser fibras continuas. En una realización más preferida los tejidos aislados comprendidos en el compuesto tienen una deformación de tracción de rotura promedio cuando se promedia sobre todas las direcciones del tejido de al menos 80% o en donde el tejido tiene una deformación de rotura de al menos 60% en cualquier dirección del tejido.

El polímero termoplástico usado como matriz en los compuestos según el primer y segundo objeto de la presente invención se caracteriza preferiblemente por un módulo de tracción de menos que 100 MPa, más preferiblemente menos que 750 MPa, por ejemplo menos que 450 MPa, y una deformación de tracción de rotura mayor que 300%, preferiblemente más que 400%. Una lista no exhaustiva de ejemplos de dichos polímeros termoplásticos son poliolefinas, que incluyen polipropileno, copolímeros de polipropileno, polietileno y copolímeros de polietileno. Otros polímeros termoplásticos adecuados son poliésteres alifáticos que incluyen poli(succinato de butileno) (marca registrada, por ejemplo, Bionolle 1000 series) o una copoliamida (marca registrada, por ejemplo, Epurex). Pero en principio, podría elegirse cualquier polímero termoplástico, incluyendo por ejemplo, náilones, acrilonitrilo butadieno estireno (ABS), policarbonato (PC) y ácido poliláctico (PLA), mientras se tome suficiente acción para evitar la oxidación de la seda. Más preferiblemente, dicho polímero es un elastómero termoplástico, un copolímero de etileno y acetato de vinilo (marca registrada, por ejemplo, Escorene Ultra), un copolímero de etileno y octeno (marca registrada, por ejemplo, Exact), un poli(succinato co-adipato de butileno) (marca registrada, por ejemplo, Bionolle 3000 series), policaprolactona (marca registrada, CAPA) o poliésteres aromáticos que incluyen poli (adipato tereftalato de tetrametileno) (marca registrada, Ecoflex). Más preferiblemente, dicho polímero matriz es un elastómero termoplástico. Estos elastómeros cubren un intervalo de químicas y composiciones. Una lista no exhaustiva de ejemplos incluye mezclas físicas de fase de caucho en matriz termoplástico, por ejemplo mezclas de caucho EPDM y polipropileno (marca registrada, por ejemplo, Santoprene), mezclas de poli(vinilacetato de etileno) (EVA), polietileno (PE) o polipropileno (PP) y EPDM (marca registrada, por ejemplo, Vistaflex), mezclas de PE o PP y caucho de butilo (marca registrada, por ejemplo, Trefsin). Otros elastómeros termoplásticos adecuados incluyen mezclas de caucho SEBS y PP y poliuretanos termoplásticos. Los poliuretanos termoplásticos incluyen ésteres y éteres de poliuretano (marca registrada, por ejemplo, Walopur) o un copoliéster de policaprolactona (marca registrada, por ejemplo, Pearlthane).

El material compuesto fibroso con alta resistencia al impacto (como se determina por el método de ensayo esbozado en el ejemplo 2 y la figura 2), podría obtenerse además combinando fibras de seda como fase de refuerzo y un polímero termoplástico como fase matriz en done dicho polímero tiene un módulo de tracción o rigidez de menos que 450 MPa y una deformación de tracción de rotura mayor que 400%. Estos polímeros proporcionan una excepcionalmente alta resistencia al impacto en un compuesto de seda y además proporcionan un tacto más suave. Por lo tanto, en un tercer objeto, la presente invención proporciona material compuesto fibroso que comprende un polímero termoplástico como fase matriz y fibras de seda como fase de refuerzo, en donde dicho polímero termoplástico tiene un módulo de tracción de menos que 450 MPa y una deformación de tracción de rotura mayor que 400%. Preferiblemente, dicho polímero es un elastómero termoplástico, un copolímero de etileno y acetato de vinilo (marca registrada, por ejemplo, Escorene Ultra), un copolímero de etileno y octeno (marca registrada, por ejemplo, Exact), un poliéster alifático (biodegradable) que incluye poli(succinato co-adipato de butileno) (marca registrada, por ejemplo, Bionolle 3000 series), policaprolactona (marca registrada, CAPA) o un poliéster aromático que incluye poli(adipato tereftalato de tetrametileno) (marca registrada Ecoflex). Más preferiblemente, dicho polímero matriz es un elastómero termoplástico. Estos elastómeros cubren un intervalo de químicas y composiciones. Una lista no exhaustiva de ejemplos incluye mezclas físicas de fase de caucho en matriz termoplástica, por ejemplo, mezclas de caucho EPDM y polipropileno (marca registrada, por ejemplo, Santoprene), mezclas de poli(vinilacetato de etileno) (EVA), polietileno (PE) o polipropileno (PP) y EPDM (marca registrada, por ejemplo, Vistaflex), mezclas de PE o PP y caucho de butilo (marca registrada, por ejemplo Trefsin). Otros elastómeros termoplásticos adecuados incluyen mezclas de caucho SEBS y PP y poliuretanos termoplásticos. Los poliuretanos termoplásticos incluyen ésteres y éteres de poliuretano (marca registrada, por ejemplo, Walopur), o un copoliéster de policaprolactona (marca registrada, por ejemplo, Pearlthane).

En los materiales compuestos fibrosos según el primero, segundo y tercer objeto de la presente invención, las fibras de seda equivalen a entre 25 y 70% del volumen del compuesto, más preferiblemente entre 35 y 60%, lo más preferiblemente entre 45 y 55%. Debido a la alta resistencia al impacto del material compuesto fibroso según la presente invención, los paneles o carcasas que comprenden dichos compuestos son particularmente útiles para la fabricación de objetos que en el curso de su ciclo vital están sujetos a golpes o al riesgo de penetración. En una realización particular, dicho panel o carcasa tiene una configuración en bocadillo, en donde el panel o carcasa comprende superficies del material compuesto fibroso y un núcleo de material de polímero no reforzado. Ejemplos de dichos objetos son recipientes o envases, que se transportan frecuentemente o que se usan en la proximidad de artículos con punta, tal como cajas, maletas, maletines, bolsos, botes, accesorios de baño o cocina o cajas de reloj. Otros objetos, que pueden beneficiarse del uso de paneles resistentes al impacto son muebles tal como mesas, vitrinas, mesas de oficina y armarios entre otros. Los paneles y carcasas de la presente invención son también de interés en la producción de monturas, tal como monturas de joyas o partes de sistemas cerrados de cajas, maletas, maletines, bolsos, cajas de reloj, estuches de joyas, botes o accesorios de baño o cocina. Los paneles y carcasas de la presente invención pueden usarse además en la preparación de piezas de trabajo para incorporarse en maquinaria industrial o vehículos. Los paneles según la presente invención tienen la ventaja adicional de que pueden darse forma usando procedimientos de termoformado o formación al vacío, haciéndolos particularmente apropiados para usarse en la producción de los objetos mencionados anteriormente.

La presente invención se ilustra adicionalmente por medio de los ejemplos no limitantes dados posteriormente.

Ejemplos

Ejemplo 1

Producción de los compuestos de fibra de seda

Los compuestos de fibra de seda con diferentes matrices se prepararon por moldeo por compresión (en una prensa con una etapa caliente y fría (Pinette)). Diferentes capas de película de polímero y tejidos o tricotados de seda se apilaron de forma alternativa y se calentaron a presión durante aproximadamente 10 min. La presión se eligió para ser una presión efectiva de 20 bar y la temperatura se eligió, dependiente del material matriz de polímero, aproximadamente 20ºC por encima del punto de fusión de la matriz de polímero. La Tabla 1 da una lista de diferentes temperaturas de procesado usadas para los diferentes compuestos de fibra de seda.

Después de 10 minutos la placa de compuesto de fibra de seda se transfirió a la etapa fría donde la placa se enfrió rápidamente a la misma presión de 20 bar hasta que la temperatura alcanzó la temperatura de desmoldamiento, típicamente 20ºC. De forma alternativa, el compuesto de fibra de seda impregnado se enfrió a la misma presión a una velocidad lenta de enfriamiento (5ºC/min). Esta variación en el método de producción no tuvo influencia en las propiedades mecánicas finales de los compuestos de fibra de seda.

Opcionalmente, las placas de compuesto se formaron posteriormente en formas complejas por termoformado o termoformado al vacío.

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Ejemplo 2

Evaluación de compuestos de fibra de seda

Se calcularon fracciones de volumen de fibra de compuestos de fibra de seda como el espesor nominal del tejido de seda usado dividido por el espesor de la placa de compuesto de fibra de seda. Las placas se hicieron con fracciones de volumen de fibra de seda V_{f} de aproximadamente 50%.

Se determinaron las propiedades de impacto mediante un ensayo de impacto de carga en caída. En dicho ensayo, los ejemplares de ensayo de tipo placa se pincharon en su centro usando un percutor, de forma perpendicular a la superficie del ejemplar de ensayo y a velocidad nominalmente uniforme. El diagrama resultante de fuerza-desviación o fuerza-tiempo se graba electrónicamente. El ejemplar de ensayo se sujeta con abrazaderas en la posición durante el ensayo. El impactador cilíndrico usado (diámetro 16 mm) tenía una punta de percutor hemisférico (radio 8 mm). La altura de caída fue 1200 mm y el peso del impactador se adaptó para tener penetración en las muestras. Esto sigue la norma ISO 6603-2. Las muestras eran de 105 mm por 105 mm y se sujetaron con abrazaderas mediante un anillo de soporte de 80 mm de diámetro. Los 4 tornillos se apretaron con un momento de 20 Nm. Los espesores de las placas fueron de 1 mm. Los resultados se presentaron como la energía de impacto necesaria para la penetración, normalizada al espesor de la placa de compuesto.

Los ensayos de tracción en compuestos de fibra de seda se hicieron siguiendo la norma ASTM D3039-00.

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Ejemplo 3

Compuesto de fibra de seda equilibrado hecho de un tejido equilibrado

Ocho capas de ligamento sarga y un número de capas de película matriz de polímero se apilaron de forma alternativa y se moldearon por compresión para consolidar la placa como se describe en el ejemplo 1. Cada capa de ligamento sarga se orientó en el mismo sentido. El ligamento sarga de seda, 78 g/m^{2}, comprendía 56 hilos por centímetro en la urdimbre y 35 hilos por centímetro en la dirección de la trama. Los hilos de la urdimbre tenían densidad linear de 7,0 tex y los hilos de la trama tenían una densidad linear de 10,9 tex. Ambos hilos se retorcieron con 100 torsiones por metro. El ligamento sarga se equilibró en peso en urdimbre y trama. El número de capas de película de polímero dependía del espesor de la película recibida desde el suministrador. El número de capas se eligió para producir placas de compuesto de seda de 1 mm de espesor y una fracción de volumen de fibra de 50%. El número de capas de película de polímero para BPSa: 24, para PBS: 24, para PCL: 10, para película PTMAT Ecoflex: 8, para película Walopur 4201 AL) TPU: 12, para PE-EVA: 6, para PP: 5, para Copoliamida H2: 12 y para película Pearlthane D11F60
TPU: 12.

Las propiedades de tracción para compuestos de ligamento sarga de seda PBSa, medidas como en el ejemplo 2, se muestran en la Tabla 2. Como el ligamento sarga está equilibrado en peso, los compuestos de fibra de seda resultantes se equilibran en resistencia y rigidez en las dos direcciones de fibra principales, ya que la resistencia y la rigidez eran idénticas o casi idénticas en las direcciones de fibra dichas. La resistencia y alargamiento de rotura en la dirección de 45º es muy alta, debido a la cizalla del tejido.

Las propiedades de impacto, determinadas como se menciona en el ejemplo 2, de compuestos de ligamento sarga de seda se dan en la tabla 3. La fractura apareció en ambas direcciones de fibra. La Tabla 3 permite concluir que los compuestos de fibra de seda equilibrados hechos impregnando un ligamento sarga de seda equilibrado con diferentes matrices termoplásticas duras, tiene alta resistencia al impacto medida como energía de impacto absorbido (en la penetración).

Se muestra en la Figura 3 que la resistencia al impacto de los compuestos de fibra de seda equilibrados es una función clara de la deformación de rotura del material de matriz de polímero termoplástico.

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Ejemplo 4

Compuestos de fibra de seda desequilibrados hechos de un ligamento sarga (5/3) de seda no equilibrada

Diez capas de tejido de seda y 24 capas de película matriz de polímero PBSa, con un espesor de 25 \mum, se apilaron alternativamente y se moldearon por compresión para consolidar la placa como se describe en el ejemplo 1. El número de capas se eligió para producir placas de compuesto de seda de 1 mm de espesor y una fracción de volumen de fibra de 50%. Cada capa de tejido de seda se orientó en la misma dirección. El tejido de seda era un ligamento sarga 5/3 con una densidad de área de 70 g/m^{2} que comprendía 100 hilos por centímetro en la dirección de la urdimbre con densidad linear de 3,9 tex y 100 torsiones por metro, y 66 hilos por centímetro en la dirección de la trama con una densidad linear de 4,1 tex y 2800 torsiones por metro. El ligamento sarga no se equilibró en peso ya que la relación en peso urdimbre/trama es 59/41.

Las propiedades de tracción para compuestos de ligamento sarga (5/3) desequilibrados de seda PBSa, medidas como se describe en el ejemplo 2, se muestran en la Tabla 4.

Como el ligamento sarga (5/3) está desequilibrado en peso, este compuesto de fibra de seda está desequilibrado en resistencia y rigidez. Las propiedades de impacto, determinadas como se mencionan en el ejemplo 2, del compuesto de ligamento sarga (5/3) de seda se dan en la tabla 5. La fractura apareció solo en la dirección de la trama más débil. Está claro que el compuesto de fibra de seda desequilibrado producido por impregnación de un ligamento sarga (5/3) de seda desequilibrado con una matriz termoplástica tenía menor resistencia al impacto, en comparación con el correspondiente compuesto de fibra de seda equilibrado del ejemplo 3.

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Ejemplo 5

Compuesto de fibra de seda equilibrado hecho de un ligamento sarga (5/3) de seda deseguilibrado

Diez capas de tejido de seda y 24 capas de película matriz de polímero PBSa, con un espesor de 25 \mum, se apilaron alternativamente y se moldearon por compresión para consolidar la placa como se describe en el ejemplo 1. El número de capas se eligió para producir placas de compuesto de seda de 1 mm de espesor y una fracción de volumen de fibra de 50%. El tejido de seda fue el mismo ligamento sarga (5/3) que en el ejemplo 4. Las capas de tejido de seda se apilaron alternativamente para que la dirección de la urdimbre de una capa del tejido de seda estuviera orientada en 90 grados con respecto a la siguiente capa de tejido de seda para crear una placa de compuesto de fibra de seda equilibrado por un tejido de seda desequilibrado.

Las propiedades de tracción del compuesto de fibra de seda equilibrado, medido como en el ejemplo 2, se muestran en la tabla 6 e ilustran que el compuesto de seda estaba equilibrado en resistencia y rigidez.

Las propiedades de impacto, determinadas como en el ejemplo 2, del compuesto de ligamento sarga de seda equilibrado se dan en la tabla 7. La fractura apareció en las direcciones tanto de trama como de urdimbre.

El presente ejemplo demuestra que un compuesto de tejido de seda equilibrado en resistencia, que se prepara por apilamiento apropiado de tejidos de seda desequilibrados, absorbe significativamente más energía de impacto que el compuesto PBSa correspondiente del ejemplo 4. El hecho de que la resistencia al impacto sea de alguna forma menor que el comparado con el material compuesto de PBSa del ejemplo 3 es más probable debido a la presencia de la torsión significativa en el ligamento sarga (5/3) de seda, que debilita la estructura de la fibra.

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Ejemplo 6

Compuestos de fibra de seda deseguilibrados hechos de un ligamento sarga (5/1/1/1) de seda desequilibrado

Ocho capas de tejido de seda y 24 capas de película matriz de polímero PBSa, con un espesor de 25 \mum, se apilaron alternativamente y se moldearon por compresión para consolidar la placa como se describe en el ejemplo 1. El número de capas se eligió para producir placas de compuesto de seda de 1 mm de espesor y una fracción de volumen de fibra de 50%. Cada capa de tejido de seda se orientó en la misma dirección. El tejido de seda era un ligamento sarga 5/1/1/1 modificado con una densidad de área de 79 g/m^{2} que comprendía 8800 hilos por metro en la dirección de la urdimbre con densidad linear de 5,9 tex y 100 torsiones por metro, y 4600 hilos por metro en la dirección de la trama con una densidad linear de 6,4 tex y 2600 torsiones por metro. El ligamento sarga modificado está desequilibrado en peso ya que la relación de peso urdimbre/trama es 64/36.

Las propiedades de tracción para compuestos de ligamento sarga modificados (5/1/1/1) de seda PBSa, medidas como en el ejemplo 2, se muestran en la Tabla 8. Como el ligamento sarga (5/1/1/1) modificado está desequilibrado en peso, este compuesto de fibra de seda está desequilibrado en resistencia y rigidez. Las propiedades de impacto, determinadas como se menciona en el ejemplo 2, de compuestos de ligamento sarga (5/1/1/1) modificados de seda se dan en la tabla 9. La fractura apareció solo en la dirección de trama más débil. Como en el ejemplo 4, la resistencia al impacto es menor que para el correspondiente compuesto PBSa en el ejemplo 3.

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Ejemplo 7

Compuestos de fibra de seda equilibrados hechos de un ligamento sarga (5/1/1/1) de seda desequilibrado

Diez capas de tejido de seda y 24 capas de película matriz de polímero PBSa, con un espesor de 25 \mum, se apilaron alternativamente y se moldearon por compresión para consolidar la placa como se describe en el ejemplo 1. El número de capas se eligió para producir placas de compuesto de seda de 1 mm de espesor y una fracción de volumen de fibra de 50%. El tejido de seda fue el mismo ligamento sarga (5/1/1/1) modificado que en el ejemplo 8. Las capas de tejido de seda se apilaron alternativamente de manera que la dirección de urdimbre de una capa del tejido de seda estaba orientada a 90 grados con respecto a la siguiente capa de tejido de seda para crear una placa de compuesto de fibra de seda equilibrado de un tejido de seda desequilibrado. Las propiedades de tracción del compuesto de fibra de seda equilibrado, medido como en el ejemplo 2, se muestran en la tabla 10. El compuesto de fibra de seda está equilibrado en resistencia y rigidez. Las propiedades de impacto, determinadas como se menciona en el ejemplo 2, se dan en la tabla 11. La fractura apareció en las direcciones tanto de trama como de urdimbre.

Como en el ejemplo 5, el presente ejemplo demuestra que un compuesto de tejido de seda equilibrado en resistencia, que se prepara mediante el apropiado apilamiento de tejidos de seda desequilibrados, absorbe significativamente más energía de impacto que el correspondiente compuesto PBSa del ejemplo 6. El hecho de que la resistencia al impacto es de alguna forma menor que la comparada con el material compuesto de PBSa del ejemplo 3 es más probable debido a la presencia de la significativa torsión del hilo en el ligamento sarga (5/1/1/1) de seda, que debilita la estructura de la fibra.

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Ejemplo 8

Compuestos de fibra de seda desequilibrados hechos de un tejido ligeramente desequilibrado

Cuatro capas de tejido de seda y 24 capas de película matriz de polímero PBSa, con un espesor de 25 \mum, se apilaron alternativamente y se moldearon por compresión para consolidar la placa como se describe en el ejemplo 1. El número de capas se eligió para producir placas de compuesto de seda de 1 mm de espesor y una fracción de volumen de fibra de 50%. Cada capa de tejido de seda se orientó en la misma dirección. El tejido de seda era un ligamento sarga 6/2 modificado con una densidad de área de 168 g/m^{2} que comprende dos veces 8800 hilos por metro en la dirección de la urdimbre con densidad linear de 5,9 tex y 100 torsiones por metro, y 4600 hilos por metro en la dirección de la trama con una densidad linear de 6,4 tex y 2600 torsiones por metro. El ligamento sarga modificado está ligeramente desequilibrado en peso ya que la relación de peso urdimbre/trama es 53/47. Esto equivale a una densidad de fibra que es 12,8% mayor en la dirección de la urdimbre que en la dirección de la trama.

Como el ligamento (6/2) sarga modificado está desequilibrado en peso, este compuesto de fibra de seda está desequilibrado en resistencia y rigidez. Las propiedades de impacto, determinadas como se menciona en el ejemplo 2, de los compuestos de ligamento sarga (6/2) modificados se dan en la tabla 12. Es evidente que el empleo de un tejido ligeramente desequilibrado lleva ya a la pérdida en el rendimiento de impacto en comparación con el material compuesto de PBSa del ejemplo 3.

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Ejemplo 9

Compuesto de fibra de seda hecho de un tejido de punto

Siete capas de tejido de seda de punto y 24 capas de película matriz de polímero PBSa, con un espesor de 25 \mum, se apilaron alternativamente y se moldearon por compresión para consolidar la placa como se describe en el ejemplo 1. El número de capas se eligió para producir placas de compuesto de seda de 1 mm de espesor y una fracción de volumen de fibra de 50%. Cada capa de tejido de seda se orientó en la misma dirección. El tejido de seda era un tejido de punto por trama de Jersey con una densidad de área de 105 g/m^{2} que comprende 2 hilos continuos con densidad linear de 5,3 tex. La longitud de la pasada fue 0,48 mm, la longitud de columna 0,55 mm y la altura del bucle 0,86 mm.

Las propiedades de tracción de los tejidos de punto antes de la impregnación con una matriz termoplástica se muestran en la tabla 13. Solo el alargamiento de rotura se menciona.

Como las estructuras de punto muestran alto alargamiento de rotura, absorben mucha energía de impacto, determinada como se menciona en el ejemplo 2. La tabla 14 muestra la energía de impacto absorbida por este compuesto de fibra de seda PBSa de punto Jersey.

Tablas TABLA 1 Temperaturas de procesado para compuestos de fibra de seda con diferentes materiales matriz de polímero

1

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TABLA 2 Propiedades de tracción de compuestos de ligamento sarga de seda PBSa

2

TABLA 3 Energía de impacto absorbida de compuestos de fibra de seda con ligamento sarga y diferentes matrices termoplásticas

3

TABLA 4 Propiedades de tracción de compuestos de ligamento sarga (5/3) de seda PBSa desequilibrados

4

TABLA 5 Energía de impacto absorbida de compuestos de fibra de seda desequilibrados con ligamento sarga (5/3) y PBSa como matriz termoplástica

5

TABLA 6 Propiedades de tracción de compuestos de ligamento sarga (5/3) de seda PBSa equilibrados

6

TABLA 7 Energía de impacto absorbida de compuestos de fibra de seda equilibrados con ligamento sarga (5/3) modificado y PBSa como matriz termoplástico

7

TABLA 8 Propiedades de tracción de compuestos de ligamento sarga (5/1/1/1) modificado de seda PBSa desequilibrados

8

TABLA 9 Energía de impacto absorbida de compuestos de fibra de seda desequilibrados con ligamento sarga (5/1/1/1) modificado y PBSa como matriz termoplástica

9

TABLA 10 Propiedades de tracción de compuestos de ligamento sarga (5/1/1/1) modificado de seda PBSa equilibrados

10

TABLA 11 Energía de impacto absorbida de compuestos de fibra de seda equilibrados con ligamento sarga (5/1/1/1) modificado y PBSa como matriz termoplástica

11

TABLA 12 Energía de impacto absorbida de compuestos de fibra de seda ligeramente desequilibrados con ligamento sarga (6/2) modificado y PBSa como matriz termoplástica

12

TABLA 13 Alargamiento de tracción del tejido de punto por trama Jersey antes de la impregnación

13

TABLA 14 Energía de impacto absorbida de compuestos de fibra de seda de punto Jersey con PBSa como matriz termoplástica

14

Claims

1. Un material compuesto fibroso que comprende un polímero termoplástico como fase matriz y fibras de seda como fase de refuerzo, en donde las fibras de seda se organizan en dicho compuesto en al menos dos direcciones, caracterizado por que

a): la resistencia de tracción de dicho material compuesto varía menos que 15% entre las direcciones de fibra de las fibras de seda comprendidas en el compuesto,

c): dicha matriz de polímero tiene un módulo de tracción de menos que 1000 MPa y una deformación de tracción de rotura mayor que 300%, y

d): las fibras de seda equivalen a al menos 25% del volumen del compuesto.

2. El material compuesto fibroso según la reivindicación 1 en donde dicho compuesto tiene una deformación de rotura mayor que 25% en una dirección distinta que cualquiera de las direcciones de fibra de las fibras de seda comprendidas en el compuesto.

3. El material compuesto fibroso según las reivindicaciones 1 o 2, en donde dicho compuesto tiene una resistencia a la penetración mayor que 20 J por mm de espesor de placa.

4. El material compuesto fibroso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde las fibras de seda se organizan en una pluralidad de telas o esteras apiladas en dicho compuesto.

5. El material compuesto fibroso según la reivindicación 4, en donde las esteras o telas son tejidos.

6. El material compuesto fibroso según la reivindicación 5, en donde comprende una pluralidad de tejidos de los que la densidad de fibra en las direcciones de la trama y la urdimbre difiere como mucho en 12%.

7. El material compuesto fibroso según la reivindicación 6, en donde comprende una pluralidad de tejidos equilibrados.

8. El material compuesto fibroso según la reivindicación 5, que comprende una pluralidad de tejidos desequilibrados en donde los respectivos tejidos se apilan de manera que la densidad total de fibra en las respectivas direcciones de fibra comprendidas en el compuesto varía menos que 12% entre las direcciones de fibra.

9. El material compuesto fibroso según cualquiera de las reivindicaciones 5 a 8, que comprende dos direcciones de fibra de seda en un ángulo de 90º en donde dicho compuesto tiene una deformación de rotura mayor que 25% en las direcciones en un ángulo aproximado de 45º con respecto a cada una de las direcciones de la fibra.

10. El material compuesto fibroso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde la torsión de las fibras, si se incorporan en hilos, es menos que 1000 vueltas/metro, preferiblemente menos que 500 vueltas/metro y más preferiblemente menos que 200 vueltas/metro.

11. El material compuesto fibroso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde las fibras de seda son fibras continuas.

12. El material compuesto fibroso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde las fibras de seda están tejidas en un hilo, en donde la longitud de fibra es mayor que 20 mm, más preferiblemente mayor que 60 mm.

13. El material compuesto fibroso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde la longitud de las fibras de seda es mayor que 20 mm, más preferiblemente mayor que 60 mm.

14. El material compuesto fibroso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en donde el polímero termoplástico se selecciona del grupo que consiste en polipropileno, copolímeros de polipropileno, polietileno, copolímeros de polietileno, poli(succinato de butileno) o copoliamida.

15. El material compuesto fibroso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 13, en donde dicho polímero termoplástico es un elastómero termoplástico, un copolímero de etileno y acetato de vinilo, un copolímero de etileno y octeno, poli(succinato co-adipato de butileno), policaprolactona o poli(adipato tereftalato de tetrametileno).

16. El material compuesto fibroso según la reivindicación 15, en donde dicho elastómero termoplástico se selecciona del grupo que consiste en mezclas de caucho EPDM y polipropileno, mezclas de poli(vinilacetato de etileno) (EVA), polietileno (PE) o polipropileno (PP) y EPDM, mezclas de PE o PP y caucho de butilo, mezclas de caucho SEBS y PP y poliuretanos termoplásticos.

17. Un panel o carcasa que comprende un compuesto fibroso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16.

18. Un panel o carcasa según la reivindicación 17, que tiene una configuración en bocadillo, en donde dicho panel o carcasa comprende superficies del material compuesto fibroso según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 16 y un núcleo de material polímero reforzado.

19. Un panel o carcasa según las reivindicaciones 17 o 18, en donde dicho panel o carcasa está termoformado o formado al vacío.

20. Un recipiente o envase que comprende al menos un panel o carcasa según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19.

21. El recipiente o envase según la reivindicación 20, en donde dicho recipiente es una caja, maleta, maletín, bolso, caja de reloj, estuche de joya, bote, un accesorio de baño o cocina.

22. Un mueble que comprende un panel o carcasa según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19.

23. Una montura que comprende al menos un panel o carcasa según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19.

24. La montura según la reivindicación 23, en donde la montura es una montura de una joya, una parte del sistema de cerrado de una caja, maleta, maletín, bolso, caja de reloj, estuche de joya, bote, un accesorio de baño o cocina.

25. Un mecanismo de trabajo que comprende al menos un panel o carcasa según cualquiera de las reivindicaciones 17 a 19.