ES2621124T3

ES2621124T3 - Materiales compuestos incluyendo fibras de poliolefina de alto módulo y método para su elaboración

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Publication number: ES2621124T3
Application number: ES06800805.1T
Authority: ES
Inventors: Brian G. Morin
Original assignee: Innegrity LLC
Current assignee: Innegrity LLC
Priority date: 2005-08-17
Filing date: 2006-08-03
Publication date: 2017-07-03
Anticipated expiration: 2026-08-03
Also published as: AU2006280176A1; EA016944B1; JP2009504455A; EP1915476A1; BRPI0615205B1; WO2007021611A1; CA2619172A1; BRPI0615205A2; EP1915476A4; EA200800603A1; AU2006280176B2; EP1915476B1; CA2619172C; JP5153632B2

Abstract

Una estructura compuesta de múltiples capas que comprende: (i) una primera capa de tejido que comprende - una pluralidad de fibras de poliolefina semicristalinas extrudidas en estado fundido (a) que tienen un módulo elástico, medido de acuerdo con la norma ASTM D2256-02, de más de 8 GPa y una dimensión de la sección transversal máxima de menos de 100 μm, y al menos una de las siguientes características: cristalinidad superior al 80% de acuerdo con las técnicas de medición WAXS, y una relación de intensidad ecuatorial a intensidad meridional superior a 1,0 medida por técnicas SAXS; - grupos funcionales de superficie o estructuras de superficie capaces de unirse con un agente aglutinante polimérico, en donde los grupos funcionales de superficie incluyen uno o más de los siguientes tratamientos: i) al menos un grupo reactivo con resina termoestable, ii) tamaño, o iii) fibrilaciones, (ii) una segunda capa; y (iii) una capa de fijación del agente aglutinante polimérico (i) a la capa (ii) en la que dichos tratamientos de superficie de dicha primera capa imparten una mayor resistencia de unión con dicho agente aglutinante polimérico.

Description

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bajo calor y presión suficientes para fundir el constituyente de fusión inferior y pueden actuar como el material de unión polimérico antes mencionado que proporciona una matriz polimérica reforzada por el hilo de polipropileno de alto módulo como una capa en la estructura compuesta. Para el componente de baja temperatura de fusión, son posibles polímeros múltiples o mezclas de polímeros que tienen una temperatura de fusión apropiadamente baja y son bien conocidos por los expertos en la técnica y, por lo tanto, no necesitan ser descritos en detalle en la presente memoria.

En otra realización, una o más capas de la estructura compuesta pueden ser una tela compuesta que puede incluir una mezcla de fibras o tipos de hilos en la tela. Por ejemplo, se puede formar una tela tejida que incluya hilos de polipropileno de alto módulo o materiales compuestos de los mismos en combinación con hilos o fibras de diferentes materiales, tales como, por ejemplo, materiales tales como aquellos discutidos anteriormente en referencia con la formación de hilos compuestos. Por ejemplo, puede formarse un tejido que incluye una pluralidad de hilos de polipropileno de alto módulo en combinación con fibras de vidrio, fibras de carbono, fibras de aramida, fibras compuestas o similares que pueden incluirse intermitentemente a lo largo del tejido.

De acuerdo con esta realización particular, el tamaño, el número total, la dirección y localización de las fibras secundarias en el tejido pueden controlarse para ayudar a definir las características específicas de la capa de tejido. Por ejemplo, la estructura compuesta puede incluir una o más capas individuales de tela tejida que son anisotrópicas con respecto a las características de flexión y/o de resistencia a la tracción que pueden controlarse mediante la adición de fibras secundarias en posiciones predeterminadas en la urdimbre y/o trama del tejido.

Además, una o más capas que incorporan una pluralidad de fibras de polipropileno de alto módulo, las estructuras compuestas de la invención descrita también pueden incluir una o más capas adicionales que no necesariamente incluyen fibras de polipropileno de alto módulo. Una lista no limitativa de materiales que se pueden incluir de manera beneficiosa como una o más capas de las estructuras compuestas descritas puede incluir, por ejemplo, telas tejidas y no tejidas de fibra de vidrio; telas tejidas y no tejidas de fibra de carbono; tejidos poliméricos, telas no tejidas, películas, láminas y similares que pueden incluir cualquiera de una variedad de fibras poliméricas, matrices poliméricas o alguna combinación de las mismas, incluyendo, por ejemplo, matrices termoestables reforzadas con fibras formadas con polímeros halogenados (por ejemplo PTFE, PVC, PVA, etc.), poliaramidas (por ejemplo, Kevlar®), UHMWPE, y similares; películas y láminas metálicas; y/o materiales de cristal lıquido.

Estas capas adicionales pueden añadir características físicas deseables a la estructura compuesta tal como resistencia a la tracción, resistencia a la flexión o fuerza de penetración en dirección transversal. Por ejemplo, la estructura compuesta puede incluir uno o más materiales que pueden aumentar la resistencia de la estructura en capas a la perforación o infiltración por una sustancia extraña (por ejemplo, proyectiles, permeación de líquidos, y similares) en dirección transversal.

En una realización, una o más capas del material compuesto pueden mejorar características eléctricas particulares de la estructura. Por ejemplo, la estructura compuesta puede incluir una capa de un material dieléctrico eléctricamente aislante sobre el cual se puede aplicar un metal, por ejemplo, en la formación de un patrón de circuito en un dispositivo eléctrico.

Cualquier capa de las estructuras compuestas descritas puede opcionalmente ser continua o discontinua a través de toda la estructura. Por ejemplo, en el ejemplo particular de una estructura compuesta para uso en un dispositivo eléctrico, una o más capas de la estructura compuesta pueden incluir materiales conductores dispuestos en un patrón particular para formar un circuito eléctrico sobre la estructura. Como se define en la presente memoria, la formación modelada de materiales tales como materiales conductores, puede considerarse una sola capa de las estructuras compuestas descritas, aunque la formación puede ser discontinua a través de la superficie de una capa adyacente de la estructura. Por ejemplo, varias capas de material compuesto pueden ser modeladas cada una con materiales conductores eléctricos para formar un circuito, y luego estas capas se combinan para formar una placa de circuito eléctrico multicapa como es bien conocido en la técnica.

Antes de combinar múltiples capas individuales de las estructuras compuestas descritas, puede ser beneficioso en ciertas realizaciones tratar previamente uno o más de los materiales del material compuesto. Por ejemplo, en una realización, se puede tratar previamente una fibra o una capa formada para mejorar ciertas características de la fibra

o capa, tales como humectabilidad o adhesión, por ejemplo. Por ejemplo, una fibra puede ser fibrilada, sometida a tratamientos con plasma o en corona, o puede tratarse con un encolado superficial, todos los cuales son generalmente conocidos en la técnica, para mejorar o reforzar las características físicas. En una realización, las fibras o la capa pueden tratarse para aumentar el área superficial del material, por ejemplo, mediante un proceso de fibrilación, con el fin de aumentar el área disponible para la posterior aplicación de aglutinante y mejorar así la adhesión a capas adyacentes. Por ejemplo, las fibras, películas o tejidos pueden ser fibrilados o microfibrilados de acuerdo con los métodos descritos anteriormente o métodos similares tales como los que se conocen generalmente en la técnica para mejorar la adhesión inter capas e intra capas.

En otra realización, puede ser beneficioso volver funcional la superficie de los materiales que forman una o más capas para promover la formación de una unión más fuerte entre las capas durante el proceso de formación de

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material compuesto. En tales realizaciones, la funcionalidad puede obtenerse según cualquier método adecuado. Por ejemplo, se puede recubrir un encolado de fibras sobre las fibras individuales antes de formar una capa de tejido o, opcionalmente, sobre el propio tejido. Un encolado adecuado puede incluir cualquier encolado que sea capaz de unirse a la superficie de la fibra mientras deja grupos reactivos para unirse a una resina matriz o para unirse directamente a otra capa del material compuesto.

En una realización particular, los materiales orgánicos que se incluyen en la estructura compuesta y, en particular, las fibras de polipropileno de alto módulo o capa formada de las mismas se pueden oxidar antes de combinar capas individuales entre sí, para promover una mejor unión de capas. Por ejemplo, las fibras de polipropileno de alto módulo se pueden oxidar antes o después de un proceso de formación de tejido de acuerdo con cualquier método de oxidación adecuado que incluye, pero sin limitarse a, descarga en corona, oxidación química, tratamiento con llama, tratamiento con plasma de oxígeno o radiación UV. En un ejemplo particular, se puede formar un plasma de presión atmosférica tal como el creado con una unidad Enercon Plasma3 que utiliza una atmósfera de 80% de helio y 20% de oxígeno a un nivel de potencia moderado y se puede tratar un tejido o fibra con el plasma para crear grupos reactivos que pueden mejorar la humectación y unión de las fibras a resinas termoestables tales como sistemas de resina de poliéster epoxi o insaturada.

Las capas de los materiales compuestos descritos pueden combinarse de acuerdo con cualquiera entre una variedad de procedimientos adecuados que utilizan un agente aglutinante polimérico. Para los propósitos de la presente descripción, los procesos de formación de material compuesto han sido ampliamente clasificados como procesos de formación de moldeo por compresión o procesos de moldeo por resina termoestable. Opcionalmente, se puede utilizar una combinación de ambos tipos de procesos para combinar las capas. Por ejemplo, dos o más de las capas a incorporar en el producto final pueden combinarse primero mediante un proceso de moldeo por compresión para formar un laminado intermedio, y después de este proceso inicial pueden combinarse uno o más laminados intermedios entre sí o con otras capas a través de un proceso de moldeo de resina termoestable para producir la estructura compuesta acabada.

En una realización, puede utilizarse un proceso de moldeo por compresión en el que las capas pueden ser moldeadas por compresión entre sí con la inclusión de un agente aglutinante termoplástico de bajo punto de fusión como material de matriz dentro y/o entre las capas del material compuesto. Por ejemplo, en una realización, se puede incluir una capa de una película termoplástica de baja fusión entre las otras capas del material compuesto. De acuerdo con esta realización, la película termoplástica puede tener una temperatura de fusión menor que la de los materiales de las capas adyacentes, y en particular, menor que la de la fibra de polipropileno de alto módulo. Tras la adición de calor y presión durante un proceso de moldeo por compresión, la película termoplástica puede fundirse al menos parcialmente y actuar como agente aglutinante.

En otra realización, un agente aglutinante de la resina termoplástica puede recubrirse sobre hilos, fibras o capas individuales antes del ensamblaje de la estructura compuesta. Por ejemplo, hilados individuales o fibras y/o capas acabadas del material compuesto pueden recubrirse por extrusión con una resina termoplástica que tiene un punto de fusión inferior al de las fibras de polipropileno de alto módulo. Tras la aplicación de calor y presión durante un proceso de moldeo por compresión, el material termoplástico puede fundirse al menos parcialmente y fijar firmemente las capas entre sí.

Las posibles resinas termoplásticas y películas para uso como agente aglutinante en procesos de moldeo por compresión pueden incluir, por ejemplo, polietilenos de bajo punto de fusión, copolímeros de polipropileno de bajo punto de fusión o fluoropolímeros de bajo punto de fusión, como se conocen generalmente en la técnica. Las capas adyacentes que pueden ser aseguradas mediante procesos de moldeo por compresión pueden ser iguales o diferentes entre sí. Por ejemplo, mientras que dos o más tejidos de polipropileno adyacentes y esencialmente idénticos se pueden asegurar utilizando procesos de moldeo por compresión, tales procedimientos también pueden ser utilizados para asegurar capas que no son idénticas.

Las capas adyacentes de los materiales compuestos descritos también pueden fijarse entre sí a través de un proceso de moldeo de resina termoestable utilizando un agente aglutinante termoestable. Como generalmente se conoce en la técnica, tal procedimiento puede incluir la aplicación de una resina de matriz termoestable a una o más capas individuales u, opcionalmente, a las fibras que forman una capa individual, poniendo las capas individuales próximas entre sí, conformando la estructura de múltiples capas, tal como en un molde, y curando la resina termoestable para asegurar las capas entre sí, curando opcionalmente mientras la estructura se mantiene bajo presión. Opcionalmente, la resina termoestable se puede aplicar a la estructura de múltiples capas después de que las capas individuales han sido reunidas y conformadas, por ejemplo, mediante inyección de un agente aglutinante termoestable líquido en el molde, pero, en cualquier caso, después del curado de la resina termoestable, la resina puede formar una matriz alrededor y entre otros constituyentes de los materiales compuestos y asegurar la estructura.

Las resinas termoestables adecuadas para uso de acuerdo con esta realización pueden incluir generalmente cualquier resina de matriz termoestable estándar. Opcionalmente, y dependiendo del uso x del producto de múltiples capas, las resinas termoestables pueden elegirse basándose en características físicas o eléctricas específicas del

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material. Por ejemplo, cuando se considera la formación de una estructura compuesta para uso en una aplicación eléctrica, puede ser beneficioso utilizar una resina termoestable de baja pérdida, tal como se conoce generalmente en la técnica.

Los ejemplos de resinas termoestables adecuadas para uso en la formación de las estructuras compuestas de la presente invención pueden incluir, pero sin limitarse a, polímeros fenólicos, polímeros de melamina, epoxis, siliconas, poliésteres insaturados, poliuretanos, poliamidas, polibutadienos, amidas en bloque de poliéter polieterimidas, poliimidas, poliureas, ésteres vinílicos, fluoropolímeros, ésteres de cianato, poliisoprenos, copolímeros de bloque de dieno, tereftalato de polietileno (PET) y similares.

Las capas individuales de las estructuras descritas y/o los agentes aglutinantes poliméricos usados en las estructuras compuestas pueden incluir rellenos y/o materiales de refuerzo, como se conocen generalmente en la técnica. Por ejemplo, una o más capas pueden ser una tela reforzada fibrosa, por ejemplo, una tela reforzada con fibra de vidrio, o similar. Además, las capas individuales y/o los agentes aglutinantes de los materiales compuestos descritos pueden incluir rellenos como se conocen generalmente en la técnica. Por ejemplo, se pueden incluir rellenos cerámicos tales como sílice o rellenos tales como negro de humo en una o más capas, u opcionalmente en los agentes aglutinantes poliméricos u otros materiales de la matriz de las estructuras compuestas descritas. Se pueden incluir rellenos en una realización para proporcionar características eléctricas o mecánicas particulares a la estructura.

Las estructuras compuestas pueden incluir materiales previamente diseñados específicamente para formar un material compuesto para uso en una aplicación particular. Por ejemplo, debido a las constantes dieléctricas bajas de las poliolefinas utilizadas en los materiales compuestos, las estructuras compuestas pueden utilizarse beneficiosamente en muchas aplicaciones eléctricas de baja pérdida. En una realización particular, una o más capas del material compuesto pueden comprender una pluralidad de fibras de polipropileno de alto módulo, y la estructura compuesta puede ser esencialmente transparente a la radiación electromagnética. De acuerdo con esta realización particular, una construcción de la invención puede utilizarse de manera beneficiosa como una placa de circuito o como un recinto protector para un dispositivo de envío y/o recepción electromagnética, tal como una cubierta protectora. Los dispositivos eléctricos de la presente invención pueden presentar características mejoradas en comparación con dispositivos conocidos anteriormente que no incluyen fibras de poliolefina de alto módulo. Por ejemplo, la constante dieléctrica y/o pérdida dieléctrica puede ser menor que la de los laminados conocidos anteriormente utilizados en aplicaciones similares. Por ejemplo, los materiales compuestos de la presente invención pueden presentar una constante dieléctrica inferior a aproximadamente 3,5 en una realización. En otra realización, la constante dieléctrica puede ser inferior, por ejemplo, inferior a aproximadamente 3,0, o incluso inferior en otras realizaciones, por ejemplo, inferior a aproximadamente 2,7.

En una realización particular, una o ambas superficies exteriores de un dispositivo de la invención particularmente adecuado para aplicaciones eléctricas pueden incluir una fibra de refuerzo que tiene una alta estabilidad térmica, tal como vidrio, por ejemplo. Esto puede permitir que el dispositivo se utilice en procesos de alta temperatura tales como los que implican procesos de soldadura estándar, entre otros.

En una realización, se puede proporcionar un sustrato compuesto de baja pérdida como se describe en la presente invención a un costo menor que muchos sustratos de baja pérdida previamente conocidos debido a los costos relativamente bajos asociados con materiales de poliolefina, así como los métodos de formación de bajo costo que pueden ser utilizados en la formación de los materiales compuestos.

En una realización, se puede usar una estructura compuesta de la invención para formar una estructura protectora que puede ser esencialmente impermeable a la intemperie, suciedad y/u otros elementos que podrían dañar dispositivos que se pueden colocar dentro de la estructura protectora. En una realización particular, dicha estructura protectora y, en particular, la parte de la estructura protectora formada de un material compuesto de la presente invención puede ser transparente a ondas electromagnéticas de varias frecuencias. Como tal, podría proporcionarse una onda electromagnética, tal como la transmitida o recibida por una antena de comunicaciones, torre de microondas, un transmisor/receptor de radar, o cualquier otro dispositivo de transmisión. La estructura de protección podría así proteger los dispositivos eléctricos mantenidos dentro de la estructura de protección, pero no impediría el funcionamiento de los dispositivos, ya que las ondas electromagnéticas que pasan hacia y/o desde los dispositivos eléctricos mantenidos dentro de la estructura protectora pueden pasar a través de los compuestos laminados de La estructura protectora. Tal material laminado protector puede incluir varias estructuras compuestas como se describe aquí. Por ejemplo, en una realización, un material laminado electromagnéticamente transparente puede incluir una o ambas capas externas compuestas de vidrio, Kevlar o polietileno de peso molecular ultra alto, además de una o más capas internas que comprenden las fibras de polipropileno de alto módulo.

Un ejemplo particular de una estructura protectora electromagnéticamente transparente es una cubierta protectora dentro del cual se puede generar y transmitir una onda electromagnética desde una antena parabólica. La onda puede entonces pasar a través de la cubierta protectora, y en particular a través de esa porción de la cubierta protectora que comprende una estructura compuesta como se describe en la presente memoria. Después de la reflexión de la onda desde un objeto tal como una nube o un avión, la onda puede volver a pasar a través de la

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Tabla 1

Número de muestra: Número de capas Composición de las capas Resina Densida d (g/cm3) Constante dieléctrica Resisten cia a la flexión (MPa) Módulo de flexión (GPa)

1: 8 HMPP PET-F 1,06 2,769 93 3,8

2: 6 GLA PET-F 1,58 3,908 199 11,8

3: 1/6/1 GLA/HMPP/GLA PET-F 1,17 2,94 132 9,2

4: 1/6/1 CAR/HMPP/CAR PET-F 1,11

5: 8 PP PET-F 1,02 2,699 64 2

6: 8 PET PET-F 1,23 3,187 68 2,8

7: 1/6/1 KEV/HMPP/KEV PET-F 1,09 2,837 135 8,1

8: 1/6/1 CAR/HMPP/CAR PET-F 1,11 3,334 133 15,1

9: 8 HMPP PET-F 1,01

10: 1/6/1 GLA/HMPP/GLA PET-F 1,18

11: 8 HMPP PET-TAP 0,98 2,4286 62,2 3,4

12: 1/6/1 GLA/HMPP/GLA PET-TAP 1,20 2,746 90,6 11,3

13: 2/4/2 GLA/HMPP/GLA PET-TAP 1,40 3,1235 163,9 17,4

14: 1/6/1 KEV/HMPP/KEV PET-TAP 1,08 2,669 76,5 10,5

15: 2/4/2 KEV/HMPP/KEV PET-TAP 1,11 2,8892 132,8 19,7

16: 1/6/1 CAR/HMPP/CAR PET-TAP 1,08 99,4 17,1

17: 2/4/2 CAR/HMPP/CAR PET-TAP 1,19 157,1 11,1

18: 4/5 alternantes HMPP/GLA PET-TAP 1,45 3,2745 123,9 19,8

19: 8 GLA PET-TAP 1,86 4,5563 197,8 18,8

20: 8 HMPP Epoxi-TAP 1,01 2,6609 81,9 5,1

21: 1/6/1 GLA/HMPP/GLA Epoxi-TAP 1,19 2,9732 130,9 12,6

22: 2/4/2 GLA/HMPP/GLA Epoxi-TAP 1,41 3,3276 186,6 16,4

23: 1/6/1 KEV/HMPP/KEV Epoxi-TAP 1,08 2,7934 124 15,8

24: 2/4/2 KEV/HMPP/KEV Epoxi-TAP 1,16 3,0519 138,3 18,3

25: 1/6/1 CAR/HMPP/CAR Epoxi-TAP 1,06 100,8 19,6

26: 2/4/2 CAR/HMPP/CAR Epoxi-TAP 1,19 208,9 27,8

27: 4/6 alternantes HMPP/GLA Epoxi-TAP 1,46 3,4273 121,2 13,8

28: 8 GLA Epoxi-TAP 1,84 4,7469 191,5 13,8

Las Figuras 5-8 ilustran las características físicas de ejemplos de estructuras compuestas de la presente invención

5 (específicamente, las muestras Nos. 20-27 de la Tabla 1, anterior) en comparación con un material compuesto formado de ocho capas de un material de fibra de vidrio en combinación con una resina epóxica (muestra número 28 de la Tabla 1, anterior). Como se puede ver con referencia a las Figuras y la Tabla, los materiales compuestos de la presente invención pueden tener una constante dieléctrica baja y características de alta resistencia a una densidad global inferior en comparación con los materiales compuestos conocidos previamente.

10 Ejemplo 2

Se colocaron ocho capas de tejido HMPP alternando con una película de polietileno y después se comprimieron a 150ºC y 8.000 psi durante 5 minutos. El material compuesto resultante tenía buena rigidez y dureza extraordinaria.

15 Además, se colocaron ocho capas de tejido HMPP alternando con una película de polipropileno de copolímero aleatorio (RCP) bajo condiciones similares. El material compuesto resultante era más fuerte y más rígido que el material compuesto que incluye la película de polietileno, y todavía extraordinariamente duro.

20 Como ejemplo comparativo, se superpusieron ocho capas de tejido HMPP junto con ningún agente aglutinante polimérico. Se comprimieron tres estructuras idénticas a 150ºC, 155ºC y 160ºC, respectivamente, y se mantuvieron a 8000 psi durante 30 minutos. En cada caso, las capas resultantes se despegaron fácilmente, y a 160º C, se encontró que las fibras se habían reducido a la mitad de su longitud original.

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