ES2635375T3

ES2635375T3 - Precursores de preformas estabilizables y preformas estabilizadas para materiales compuestos y procesos para estabilizar y compactar preformas

Info

Publication number: ES2635375T3
Application number: ES04815923.0T
Authority: ES
Inventors: Carmelo Lo Faro; Matt Aldridge
Original assignee: Cytec Technology Corp
Current assignee: Cytec Technology Corp
Priority date: 2004-01-26
Filing date: 2004-12-28
Publication date: 2017-10-03
Anticipated expiration: 2024-12-28
Also published as: CN1906233B; AU2004315218A1; US20150047780A1; GB0401645D0; AU2004315218B2; GB2410718A; US20050164578A1; EP1709109A1; CA2554496C; CA2554496A1; GB0501293D0; WO2005075543A1; GB2410718B; TW200538496A; EP1709109B1; CN1906233A; JP2007518608A; MY142425A

Abstract

Un proceso para compactar un precursor de preforma, cuyo precursor de preforma comprende fibras de refuerzo, para la fabricación de material compuesto, comprendiendo dicho proceso las etapas de: proporcionar más de una capa de un tejido estructural compuesto de fibras de refuerzo, integrando en al menos una capa del tejido estructural al menos una fibra soluble al menos una capa soluble que se disuelve en una resina a una temperatura igual o inferior a una temperatura de endurecimiento de la resina, siendo la resina adecuada para infundirse en dicho tejido estructural para fabricar el material compuesto, apilar dichas capas de tejido estructural que tiene al menos una fibra soluble integrada allí a una pila que tiene un espesor "a", aplicar calor a dichas capas apiladas de tejido estructura, con o sin presión aplicada, que tiene integrada allí al menos una fibra soluble de ablandamiento durante un periodo desde aproximadamente 1 minuto hasta aproximadamente 200 minutos para provocar el ablandamiento de la fibra soluble y para reducir el espesor de la pila a menos que "a"; en el que más de una capa de tejido estructural tiene integrado allí una o más fibra(s) soluble(s).

Description

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DESCRIPCION

Precursores de preformas estabilizables y preformas estabilizadas para materiales compuestos y procesos para estabilizar y compactar preformas

Campo de la invencion

La presente invencion se refiere a preformas y procesos para preparar preformas para la fabricacion de material compuesto y, mas particularmente, para estabilizar precursores de preformas, a preformas estabilizadas y a procesos para estabilizar y compactar preformas.

Antecedentes de la invencion

Los materiales compuestos se fabrican tradicionalmente utilizando prepregs fabricados de refuerzos de fibras o tejidos estructurales impregnados con una resina de matriz. Las laminas de prepreg se pueden cortar a medida para extenderlas y moldearlas y laminarlas en la construccion de un artfculo compuesto dado. Las propiedades de los prepregs y la calidad de la parte resultante se pueden controlar para manipular propiedades de la parte resultante tales como tenacidad, resistencia y flexibilidad.

Mas recientemente, se fabrican compuestos utilizando varios procesos de moldeo lfquido que implican tecnologfas de infusion de resina, cuyos ejemplos incluyen Moldeo por Transferencia de Resina (RTm), Infusion de Resina Lfquida (LRI), Moldeo por Transferencia de Resina Asistida por Vacfo (VARTM), Infusion de Resina con Utillaje Flexible (RIFT), Infusion de Resina Asistida con Vacfo (VARI), Infusion de Pelfcula de Resina (RFI), Infusion de Resina a Presion Atmosferica Controlada (CAPRI), VAP (Proceso Asistido con Vacfo) e Inyeccion de Lmea Individual (SLI), en los que se disponen fibras secas en un molde como una preforma y entonces se inyectan o infunden directamente in-situ con resinas de matriz. Cuando la preforma, que consta de una o mas capas o pliegues de material de fibras orientadas secas, que estan montadas en una pila, se coloca en el molde, las capas o pliegues son retenidos tfpicamente en posicion "estabilizados" y compactados ("debulked") por costura, grapado o adhesion utilizando aglutinantes para mantener la alineacion y estabilizar el tejido para prevenir el deshilachado y la separacion del material de fibras orientadas secas durante el almacenamiento, transporte y manipulacion y cuando esta colocado en el molde. La pila se corta fuera de la costura o grapado hasta una forma deseada y la preforma se coloca entonces en un molde y se inyecta resina para impregnar el tejido y se endurece entonces por procedimientos ordinarios y aceptados para proporcionar el artfculo compuesto acabado.

Los metodos de costura y grapado para estabilizacion de preformas, sin embargo, estan limitados tfpicamente, ya que la preforma no puede ser configurada para conformarse a un contorno de parte compleja sin perturbar la costura o grapado. Las puntadas son tfpicamente de polfmeros que permanecen in situ hasta temperaturas que se pueden elevar hasta 230°C y no son solubles en la resina, de manera que la costura permanece intacta incluso despues del endurecimiento. Estos metodos son tambien bastante laboriosos, incrementando el coste para producir la parte formada. Ademas, las costuras o grapas tienden a formar bolsas o poros dentro de la parte, que previenen la infiltracion de resina, reducen las propiedades de las partes, particularmente la resistencia. Ademas, la costura normalmente requiere perforar la fibra con una aguja, que tiene el resultado de reducir las propiedades de la parte, particularmente la resistencia en plano. Las propiedades de temperatura elevada de la parte se pueden reducir cuando la puntada de fibra absorbe humedad. La diferencia en CTE entre la hebra de la costura y la resina y la humedad escasa de la hebra insoluble pueden causar tambien micro grietas.

Otro metodo de estabilizar preformas implica aplicar un adhesivo fundido en caliente sobre las capas para retenerlas juntas, como se muestra, por ejemplo en la patente U.S. N° 5.217.766 a Flanco et al. Normalmente, en este tipo de proceso, el tejido seco se reviste en areas limitadas con una capa fina de polfmero termoplastico licuado o alternativamente, se coloca un polfmero termoplastico fibroso entre las capas y se aplica calor alto para fundir el adhesivo, puesto que no se disolvera. La preforma es perfilada entonces para conformarse a la forma compleja por fusion o congelacion del polfmero por la aplicacion selectiva y retirada de un hierro caliente. Este es, naturalmente, un proceso muy intensivo de mano de obra y, por lo tanto, bastante costoso. Ademas, el polfmero termoplastico utilizado como el adhesivo no humedece suficientemente las fibras para retener las capas adyacentes juntas para mantener una forma despues de la formacion. Por lo tanto, si la preforma es manipulada, tal como durante la carga en el molde, es posible que las capas se desvfen. Ademas, como con las costuras y grapas, puesto que el adhesivo no es compatible con sistemas de resina utilizados tfpicamente para producir partes a traves de procesos de infusion de resina, el adhesivo termoplastico forma bolsas dentro de la parte que previenen la infiltracion de resina, reduciendo propiedades de calidad de la parte.

Se conoce tambien que las resinas aglutinantes termoestables o termoplasticas son efectivas como ayuda en la produccion de la preforma. El aglutinante retiene las fibras en posicion durante la inyeccion o infusion de la resina de matriz, que pueden tener viscosidad relativamente alta que requiere inyeccion presurizada, que puede resultar en desplazamiento local o en una preforma no estabilizada.

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Los sistemas aglutinantes disponibles en el comercio incluyen o bien sistemas basados en epoxido termoestable solos o en combinacion con un componente de resina termoplastica de poliester. Sistemas disponibles mas recientemente en el mercado se basan en un epoxido termoestable con un componente de resina termoplastica de polietersulfona, o una bismaleimida termoestable con un componente de resina termoplastica de polieterimida.

Los aglutinantes disponibles en el comercio se aplica por tecnica pulverizacion, como una pelfcula o como un sistema aglutinante en polvo. Se aplican o bien a fibra so a laminas de tejido antes o durante el montaje de la forma de fibras, o se aplican a la forma de fibras. El aglutinante es el sistema de matriz de resina correspondiente que incluye un agente o catalizador de endurecimiento que ha sido avanzado (es decir, parcialmente endurecido) para formar un polvo solido y que se puede impregnar y penetrar parcialmente las hileras de fibras. Los sistemas que incluyen una cantidad de catalizador de endurecimiento o una resina altamente reactiva sufren de un numero de problemas intrmsecos. El sistema aglutinante avanzado introduce un numero de problemas de almacenamiento, por lo que la composicion parcialmente endurecida no es ya flexible, y esta sujeta a desarrollo de tensiones durante el almacenamiento que pueden resultar en despegue de la preforma. Por lo tanto, estos productos solo se pueden usar tipicamente durante un periodo muy corto despues de la produccion. Los sistemas disponibles en el comercio requieren, ademas, el calentamiento de la preforma para fundir el polvo de resina aglutinante y obtener propiedades de adhesion que sirven para producir la preforma.

Las patentes U.S. N° 4.992.228 y 5.080.857 describen sistemas alternativos basados, respectivamente, en resina termoplastica en ausencia de reticulante y en resina termoestable en ausencia de catalizador. En cada caso, se utiliza calor para adherir y producir la preforma de fibras, para evitar la formacion de bolsas de aglutinante que inhiben la permeacion de la resina de la matriz y reducen la resistencia, la temperatura de transicion vftrea y otras propiedades del artfculo acabado. A pesar de todo, estos sistemas adolecen en propiedades de flujo pobre y deformacion, control de flujo pobre y resistencia a la deformacion, compatibilidad pobre con resina de la matriz, tenacidad baja y similares.

Existen tambien varios ejemplos de tejidos conocidos que mejoran el flujo, en los que no se utilizan fibras estructurales, por ejemplo nylon o poliester. Sin embargo, todas estas tecnologfas se basan en fibras insolubles que permanecen en el material compuesto despues del endurecimiento, teniendo, 'por lo tanto, un efecto perjudicial sobre las propiedades mecanicas y termicas del material compuesto.

Ademas, los sistemas aglutinantes comerciales actualmente en el mercado para estabilizar preformas solo ofrecen el potencial de actuar como una ayuda de procesamiento. Es decir, que lo peor es que afectan negativamente, y lo mejor es que no afectan a las propiedades del compuesto acabado. Se ven efectos negativos tfpicamente en que estos aglutinantes conocidos incluyen porosidad y puntos secos en la preforma que conduce a una reduccion de las propiedades ffsicas, particularmente propiedades humedas calientes e inestabilidad termica de la preforma a temperaturas de procesamiento. La patente U.S. 5.432.010 a Ko, et al. describe tal sistema aglutinante que se dice, sin embargo, que evita la reduccion de las propiedades mecanicas utilizando resina aglutinante en polvo, que se supone que es compatible con el sistema de resina de la matriz de la preforma. No obstante, puesto que esta resina aglutinante es un polvo, tiene el inconveniente de ser extremadamente diffcil de manipular y de asegurar la distribucion uniforme de la resina aglutinante sobre o entre capas de tejido.

Por lo tanto, existe una necesidad de precursores de preformas estabilizables, preformas estabilizadas y metodos para estabilizar y compactar preformas que mejoran las propiedades de procesamiento, tales como permeabilidad de prepreg a la resina, estabilidad, resistencia al deshilachado, desenredado, etc. y las propiedades del compuesto resultante, tales como tenacidad y Humo de Fuego y Toxicidad (FST), incrementando de esta manera la resistencia a la compresion despues de valores de impacto (CSAl).

Las necesidades mencionadas anteriormente han sido satisfechas hasta ahora por tecnicas separadas, que no han sido combinadas en una tecnologfa o producto integral.

Sumario de la invencion

La presente invencion soluciona los problemas mencionados anteriormente y otros proporcionando precursores de preformas estabilizables y preformas estabilizadas que comprenden estabilizar fibras, tales como fibras termoplasticas que se pueden integrar, por ejemplo tejidas, en un refuerzo de sustrato fibroso junto con las fibras estructurales, estabilizando de esta manera cualquier preforma resultante e incrementando adicionalmente la permeabilidad del refuerzo de la resina de infusion. Puesto que las fibras de estabilizacion de la presente invencion estan adaptadas para disolverse completamente en la matriz de resina lfquida, se evita la reduccion de propiedades mecanicas y en su lugar se mejoran particularmente propiedades mecanica tales como tenacidad, Humo de Fuego y Toxicidad y resistencia al impacto.

Las fibras difieren de partfculas, ya que no se eliminan por lavado por la resina infundida.

La presente invencion proporciona tambien preformas y precursores de preformas que se pueden formar en una

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forma deseada antes del endurecimiento, ofreciendo al mismo tiempo mejoras en la calidad del borde de la preforma caractensticas de manipulacion y mantenimiento de la alineacion y orientacion del refuerzo de fibras.

Adicionalmente, utilizando la presente invencion durante las etapas de compresion y calentamiento de fabricacion de la parte compuesta, se comprimen sustancialmente las capas para consolidar parcialmente las capas. Compactacion significa que las capas estan suficientemente comprimidas para consolidar las capas hasta el espesor requerido para facilitar la carta en el molde. Por ejemplo cuando se apilan un numero de capas de fibras, pueden ocupar un volumen de aproximadamente 150-200 por ciento del espesor final de la parte endurecida. Por lo tanto, es diffcil colocar tal preforma "voluminosa" en un molde de forma neta y cerrar el molde sin perturbar la orientacion de las fibras. Despues de la compactacion, se consiguen valores entre 100 y 150 por ciento del espesor final de la parte endurecida. La utilizacion del presente proceso de compresion y rigidez de las preformas antes del moldeo actua para compactar la preforma.

Como otra ventaja de la presente invencion, las fibras estructurales o de refuerzo de los precursores de preformas estabilizables y preformas estabilizadas de la presente invencion representan permeabilidad mejorada a la resina de la matriz, ya que las fibras de estabilizacion actuan como canales para la resina.

Breve descripcion de los dibujos

La figura 1 es un dibujo esquematico de una tela tejida de matriz de refuerzo de fibra de carbono que tiene co-tejidos de fibras disolubles en las direcciones de urdimbre y de trama.

La figura 2 es una fotograffa de una estructura de tejido que tiene una fibras estabilizable en ella de acuerdo con la presente invencion.

Las figuras 3a-d son fotograffas que muestran la resistencia a la traccion de un tejido ensayado en una Maquina de Ensayo de Traccion Zwick.

Las figuras 4a y 4b muestran una preforma en forma de "L" fabricada utilizando el metodo de la presente invencion. La figura 5 es un dibujo de "libro" aplanado de precursores de preformas estabilizables.

La figura 6 muestra 3 "libros" cortados de una pila de precursor de preforma estabilizable de acuerdo con la presente invencion.

Las figuras 7a y b muestran las preformas que resultan cuando los libros en la figura 6 estan construidos utilizando una herramienta de formacion.

Descripcion detallada de la invencion

En una forma de realizacion, la presente invencion se refiere a un precursor de preforma estabilizable para la fabricacion de materiales compuestos. El precursor de preforma de acuerdo con la presente invencion comprende al menos una capa o pliegue de un tejido estructural compuesto de fibras de refuerzo, en el que al menos una de las capas o pliegues de tejido estructural tiene allf una o mas fibra(s) de estabilizacion. La fibra de estabilizacion se disuelve a una temperatura de disolucion en una resina para infusion dentro del tejido estructural para fabricar el compuesto. La fibra de estabilizacion estabiliza el precursor de preforma estabilizable cuando el precursor de preforma estabilizable es sometido a una temperatura elevada. El precursor de preforma estabilizable puede comprender mas de una capa o pliegue de tejido estructural y puede tener una o mas fibra(s) de estabilizacion integradas allf.

Para fines de la presente invencion, el termino estabilizado se utiliza para significar 1) la estabilizacion de una hoja, lamina o pliegue individual, u hojas, capas o pliegues multiples de tejido estructural o de refuerzo, para que se pueda mover, cortar, transportar, infundir con resina, o manipular de una manera tfpica sin deshilachado, unitejido, separacion, flexion, formacion de arrugas o distorsion de otra manera de la integridad del tejido estructural o de refuerzo, 2) la estabilizacion y union conjunta de capas multiples de tejidos de refuerzo o estructurales para cortar, moldear o configurar, mediante colocacion en un molde o de otra manera, de tal forma que la preforma resultante no se distorsionara al moverla, transportarla o manipularla de cualquier manera y de modo que las fibras que forman los tejidos de refuerzo o estructurales permanecen intactos durante la infusion de resina, y 3) fijacion de una preforma en una forma deseada.

Para la finalidad de esta invencion, los terminos de inyectar e infundir asf como inyeccion e infusion se utilizaran de forma intercambiable aqrn y estan destinados para tener el mismo significado - por cuyo metodo se introduce resina en un sustrato de fibras o tejido estructuras de fibras para la fabricacion de la parte compuesta.

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En una forma de realizacion preferida, el precursor de preforma estabilizable tiene al menos cada otra capa de tejido estructural que tiene integradas allf una o mas fibra(s) de estabilizacion. Con preferencia, dentro de cada una de las capas de tejido estructural, la relacion entre las fibras de estabilizacion y las fibras de refuerzo es desde aproximadamente 1:99 hasta aproximadamente 70:30, y mas preferido desde aproximadamente 10:90 hasta aproximadamente 30:70.

En el precursor de preforma estabilizable de acuerdo con la presente invencion, el tejido estructural puede ser de cualquier tipo de tejido o estructura textil conocidos en la tecnica para la fabricacion de materiales compuestos fabricados para reforzar tejidos estructurales y resinas lfquidas infundidas. Ejemplos de tipos de tejidos o configuraciones adecuados incluyen, pero no estan limitados a todas las telas tejidas, cuyos ejemplos incluyen, pero no estan limitados a tejidos polares, tejidos espirales y unitejidos; todos los tejidos multiaxiales, cuyos ejemplos incluyen, pero no estan limitados a tejidos tricotados multiurdimbre, tejidos no rizados (NCF) y tejidos multidireccionales; tejidos tricotados, tejidos trenzados; tejidos de emplazamiento selectivo de las fibras, tales como por ejemplo solo emplazamiento de fibras y tejidos bordados, todas las telas no tejidas, cuyos ejemplos incluyen, pero no estan limitados a teja de estera, fieltros, velos y esteras de hebras cortadas y telas que estan compuestas de combinaciones de ellos. Las fibras que forman el tejido estructural de refuerzo pueden ser de cualquier tipo de fibra conocida en la tecnica de compuestos, cuyos ejemplos incluyen, pero no estan limitados hebras hiladas, hebras extrmdas, hebras fundidas, fibras continuas, fibras aleatorias, fibras discontinuas, fibras cortadas, patillas, filamentos, lazos, cintas, velos, vellones, fibras huecas y combinaciones de ellas. Materiales adecuados, a partir de los cuales se pueden fabricar las fibra incluyen, pero no estan limitados a los seleccionados del grupo que consta de carbono, aramida, cuarzo, boro, vidrio, polietileno, polibenzazol, pol(p-fenileno-2,6-benzobisoxazol), polibenzotiazol alumina, zirconia, carburo de silicio, y combinaciones de ellos.

En el precursor de preforma estabilizable de acuerdo con la presente invencion, la fibra de estabilizacion, lo mismo que las fibras de refuerzo, pueden ser de cualquier tipo de material fibroso, cuyos ejemplos incluyen, pero no estan limitados a hilos o monofilamentos de hebras hiladas, hebras extruidas, hebras fundidas, fibras continuas, fibras aleatorias, fibras discontinuas, fibras cortadas, patillas, filamentos, lazos, cintas, fibras huecas, velos, vellones y combinaciones de ellos. Para los fines de la presente invencion, una fibra de estabilizacion se refiere a ambos hilos formados de monofilamentos multiples, y monofilamentos individuales o multiples. Preferentemente, la fibra de estabilizacion (o hilo) comprende fibras, cada una de las cuales tiene un diametro inferior o igual a aproximadamente 100 micras. La fibra de estabilizacion se puede integrar o insertar en el tejido estructural por cualquier tecnica conocida, cuyos ejemplos preferidos incluyen, pero no estan limitados a tecnicas seleccionadas del grupo de consta de costura, trenzado, tricotado de urdimbre, rizado, trenzado, punzonado, unitejido, entorchado, desenrollado, entretejido, entremezclado, alineado, torsion, devanado, anudamiento, roscado, formacion de estera, co-tejido, hilado por adhesion, pulverizacion, laminacion, adhesion termica de velo, costura de velo, y combinaciones de ellos. En particular, con preferencia, las fibras se co-tejen en urdimbre y trama al lado de las fibras de carbono, como se muestra en la figura 1.

La fibra de estabilizacion pude comprender cualquier polfmero que tiene la capacidad de disolverse al menos parcial y con preferencia totalmente (en oposicion a fundirse) en una resina para infusion en la preforma para fabricar el compuesto. Tal disolucion debena ocurrir a una temperatura de disolucion por debajo de la temperatura de endurecimiento para la resina. Con preferencia, la fibra de estabilizacion en la presente invencion se selecciona de grupo que consta de caucho, polfmeros elastomericos, polfmeros termoplasticos y combinaciones de ellos. Con preferencia, el polfmero es un polfmero termoplastico y mas preferido es un polfmero termoplastico amorfo o un polfmero cristalino que tiene un punto de fusion relativamente bajo.

Mas preferentemente, la fibra de estabilizacion comprende un polfmero termoplastico que tiene con preferencia un peso molecular numerico desde aproximadamente 1000 hasta aproximadamente 60.000, mas preferentemente (Mn) en el rango desde aproximadamente 2.000 hasta aproximadamente 20.000. Ejemplos de polfmeros termoplasticos adecuados incluyen, pero no estan limitados a miembros del grupo que consta de derivados de celulosa, poliester, poliamida, poliimida, policarbonato, poliuretano, poli(metil metacrilato), poliestireno, poliaromaticos; poliesteramida, poliamidaimida, polieterimida, poliaramida, poliarilato, poliacrilato, poli(ester) carbonato, poli(metil metacrilato / butil acrilato), polietersulfona, polieteretersulfona, polietersulfona-etercetona, y copolfmeros y combinaciones de ellos.

Un poliaromatico particularmente preferido para uso como la fibra de estabilizacion en la preforma de la presente invencion es una sulfona poliaromatica compuesta de unidades de repeticion enlazadas con eter o unidades de repeticion enlazadas con tioeter, siendo seleccionadas las unidades del grupo que consta de:

-(PhAPh)n-

y

-(Ph)a-

donde A=CO o S02, Ph es fenileno, n = 1 a 2 y puede ser fraccional, a = 1 a 4 y puede ser fraccional, con la salvedad de que cuando a excede de 1, los fenilenos estan enlazados linealmente a traves de un enlace qmmico

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individual o un grupo divalente distinto de -CO- o -SO2- o se fusionan juntos directamente o a traves de una amida dclica, imida, o una fraccion dclica seleccionada del grupo que consta de un grupo de acido alquilo, un (hetero) aromatico, una cetona dclica, una amida dclica, una imida, una imida dclica o combinaciones de ellos. Con preferencia, la sulfona poliaromatica comprende polietersulfona (PES) y mas preferentemente, una combinacion de unidades de repeticion enlazadas con polietersulfona-etercetona y polieteretersulfona (PES:PEES), en la que el grupo fenileno es meta- o para-, donde los fenilenos estan enlazados linealmente a traves de un enlace qmmico individual o un grupo divalente distinto de sulfona, o se funden juntos. Las proporciones relativas preferidas de las unidades de repeticion de la poliarilsulfona en las PEES:PES se pueden expresar en terminos de contenido de SO2 porcentual en peso definido como 100 veces (peso de SO2) / (peso de la unidad media de repeticion). El contenido preferido de SO2 es al menos aproximadamente 35, mas preferido al menos aproximadamente 30 y mas preferido al menos aproximadamente 22 %. Cuando a = 1, esto corresponde a una relacion PES/PEES de al menos 20:80, con preferencia en el rango de 25:75 a 75:25 y mas preferido de 35:65 a 65:35.

Alternativamente, cuando el polfmero termoplastico para uso como la fibra de estabilizacion es poliuretano, es mas preferido un poliuretano termoplastico y cuando la fibra de estabilizacion es poliacrilato, el poliacrilato es al menos 85 % en peso acrilonitrilo. Cuando el polfmero termoplastico es una poliamida, es preferido un material de nylon o mas preferido un nylon amorfo.

En el presente precursor de preforma estabilizable, la resina para infusion en la proforma resultante para fabricar la parte compuesta puede ser cualquier resina adecuada conocida para uso en la tecnica que es con preferencia un ifquido o una pasta a temperatura ambiente y se selecciona con preferencia en combinacion con la seleccion de material para uso como fibra de estabilizacion, para disolver completamente la fibra de estabilizacion cuando se eleva hasta una temperatura que es inferior o igual a la temperatura de endurecimiento para la resina. Las resinas termoestables son particularmente preferidas. Ejemplos de resinas termoestables adecuadas para la invencion incluyen, pero no estan limitadas a miembros de grupo que consta de resina epoxido, resina de polimerizacion por adicion, resina de bis-maleimida, resina de condensado de formaldehido, resina de formaldehido-fenol, resina de cianato, resina de isocianato, resina fenolica y combinaciones de ellas.

Con preferencia, la resina es una resina epoxido y se puede seleccionar de cualquier resina epoxido conocida adecuada para ser infundida en tejido estructural de refuerzo para fabricacion de materiales compuestos. Metodos y procedimientos para fabricar tales resinas son bien conocidos en la tecnica. Resinas epoxido adecuadas incluyen, pero no estan limitadas a resinas seleccionadas del grupo que consta de N,N,N'N'-tetraglicidilo diamino difenilmetano, N,N,N',N-tetraglicidilo-bis(4-aminofenl)-1,4-diiso-propilbenceno, N,N,N',N'-tetraglicidilo-bis(4-amino- 3,5-dimetilfenil)- 1,4-diisopropilbenceno, triglicidil eteres de p-aminofenol, 2,2-bis(4,4'-dihidroxi fenil) propano, resinas Novolak, resinas glicidil eteres de fenol Novolak, diglicidil 1,2-ftalato, diglicidil derivado de dihidroxi difenil metano, diglicidil eter de bisfenol A y diglicidil eter de bisfenol F y combinaciones de ellos.

El precursor de preforma estabilizable de acuerdo con la presente invencion en una forma de realizacion preferida comprende una fibra de estabilizacion que es un termoplastico poliaromatico y una resina que es una resina epoxido.

En otra forma de realizacion, la presente invencion comprende una preforma estabilizada. La preforma estabilizada de acuerdo con la presente invencion comprende un precursor de preforma estabilizable de acuerdo con la presente invencion, que comprende todos los rasgos y caractensticas, que ha sido sometido a una temperatura de estabilizacion que es con preferencia adecuada para ablandar la fibra de estabilizacion es mas preferida desde aproximadamente 100°C hasta aproximadamente 250°C durante un periodo de aproximadamente 5 minutos a aproximadamente 100 minutos.

La preforma estabilizada de acuerdo con la presente invencion puede comprender tfpicamente mas de una capa de tejido estructural. Las capas o pliegues de tejido estructuran han sido apiladas, cortadas y configuradas antes de ser sometidas a una temperatura de estabilizacion desde aproximadamente 100°C hasta aproximadamente 250°C durante un periodo de tiempo desde aproximadamente 5 minutos hasta aproximadamente 100 minutos.

La presente invencion comprende, ademas, un proceso para estabilizar un precursor de preforma compuesto de fibras de refuerzo para la fabricacion de material compuesto. El proceso en su aspecto mas amplio comprende las etapas de proporcionar al menos una capa de un tejido estructural compuesto de fibras de refuerzo, integrando en al menos una capa de tejido estructural al menos una fibra de estabilizacion que se disuelve en una resina para infusion en el tejido estructural para fabricar el compuesto, y aplicar calor al tejido estructural que tiene integrada allf la fibra de estabilizacion durante un periodo desde aproximadamente 5 minuto hasta aproximadamente 100 minutos.

En el presente proceso, el calor se puede aplicar de cualquier manera y desde cualquier fuente, incluyendo ejemplos preferidos, pero no estando limitados a fuentes de calor seleccionadas de infrarrojos, microondas, conveccion, induccion, ultrasonido, radiante y combinaciones de ellos. El calor debena aplicarse preferentemente en una cantidad que es suficiente para ablandar la fibra de estabilizacion preferentemente a una temperatura de estabilizacion desde aproximadamente 80°C hasta aproximadamente 250. Mas preferido el calor de aplica a una

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temperature desde aproximadamente 100°C hasta aproximadamente 210°C durante un tiempo desde aproximadamente 5 minutos hasta aproximadamente 200 minutos y mas preferido a una temperature desde aproximadamente 125° hasta aproximadamente 185°C durante un tiempo desde aproximadamente 10 minutos hasta aproximadamente 100 minutos. La etapa de aplicar calor se puede realizar en un vado desde aproximadamente 500 mbares hasta aproximadamente 999 aproximadamente o bajo presion utilizando una prensa, rodillos de intersticio y similares.

Opcionalmente, en el presente proceso para estabilizar una preforma, se pueden prever mas de una capa de tejido estructural. El proceso puede comprender entonces, ademas, las etapas de apilar y cortar capas o pliegues del tejido estructural despues de la etapa de integrar la fibra de estabilizacion en el tejido estructural y antes de la etapa de aplicar calor. El presente proceso puede comprender, ademas, la etapa de configurar las capas de tejido estructural despues de que las capas han sido apiladas y cortadas y antes de la etapa de aplicar calor.

En el presente proceso, la etapa de integrar la fibra de estabilizacion en el tejido estructuras se puede realizar utilizando cualquier metodo conocido para integrar e incorporar una fibra en un tejido estructural, cuyos ejemplos preferidos incluyen un metodo seleccionado de costura, tricotado, rizado, trenzado, punzonado, unitejido, entorchado, desenrollado, entretejido, entremezclado, alineado, torsion, devanado, anudamiento, roscado, formacion de estera, co-tejido, hilado por adhesion, pulverizacion, laminacion, adhesion termica de velo, costura de velo, y combinaciones de ellos.

La presente invencion comprende tambien un proceso para compactar un precursor de preforma compuesto de fibras de refuerzo para la fabricacion de material compuesto. El proceso comprende las etapas de proporcionar mas de una capa de un tejido estructural compuesto de fibras de refuerzo, integrar al menos una fibra soluble que se disuelve en una resina para infusion en el tejido estructural, apilar las capas de tejido estructura que tienen al menos una fibra soluble integrada allf en una pila que tiene un espesor a, aplicar calor a las capas apiladas de tejido estructural durante un periodo desde aproximadamente 1 minuto hasta aproximadamente 100 minutos para reducir el espesor de la pila hasta un valor menor que a. El calor se aplica utilizando cualquier fuente de calor conocida y se selecciona con preferencia de infrarrojos, microondas, conveccion, induccion, ultrasonido, radiante y combinaciones de ellos. El calor se aplica con preferencia a una temperatura desde aproximadamente 60°C hasta aproximadamente 250°C, mas preferido a una temperatura desde aproximadamente 100°C hasta aproximadamente 250°C durante un tiempo desde aproximadamente 1 minuto hasta aproximadamente 200 minutos y mas preferido a una temperatura desde aproximadamente 120°C hasta aproximadamente 180°C durante un periodo desde aproximadamente 10 minutos hasta aproximadamente 100 minutos. La etapa de aplicar calor se realiza con preferencia bajo un vado desde aproximadamente 50 mbares hasta aproximadamente 999 mbares o bajo presion aplicada utilizando una prensa, rodillos de intersticio y similares.

El proceso de compactacion de acuerdo con la presente invencion puede comprender, ademas, la etapa de cortar la pila de tejido estructural que tiene la fibra soluble integrada allf, antes de realizar la etapa de aplicar calor. El proceso puede comprender, ademas, la etapa de configurar la pila de tejido estructural despues de la etapa de cortar y antes de la etapa de aplicar calor. La etapa de integrar o insertar la fibra soluble en el tejido estructural se puede realizar por cualquier metodo conocido, cuyos metodos preferidos incluyen, pero no estan limitados a los seleccionados de costura, tricotado, trenzado, rizado, punzonado, unitejido, entorchado, desenrollado, entretejido, entremezclado, alineado, torsion, devanado, anudamiento, roscado, formacion de estera, co-tejido, hilado por adhesion, pulverizacion, laminacion, adhesion termica de velo y costura de velo.

Los siguientes ejemplos no limitativos son ilustrativos de la presente invencion y no deben interpretarse para limitar el alcance de la misma de ninguna manera.

EJEMPLO 1

Se fabrico un tejido hfbrido HTA 6K/ST54 5HS 370 gsm, basado en fibras de carbono HTA 6K (Tenax Corp. Mishima, Japon) y fibras termoplasticas ST54 (Cytec Engineered Materials, Tempe, AZ), estilo de tejeduna 5HS, 370 gsm de peso por area y 1270 mm de anchura en Cytec Engineered Materials, Greenville, Texas utilizando un telar de pinzas Dornier. El tejido contiene fibras HTA 6k (400 tex) en las direcciones de la urdimbre y la trama, y fibras termoplasticas ST54 (54 tex) en las direcciones de la urdimbre y la trama. Para cada extremo de carbono, se inserta un extremo de termoplastico en una cantidad que es 15 % en peso de fibras de carbono para producir un tejido hfbrido como se muestra en la figura 2.

EJEMPLO 2

Dos cuadrados de tamano 400 x 400 se cortan del tejido hfbrido fabricado en el Ejemplo 1 y de un tejido de carbono estandar HTA 6k 5HS 370 gsm basado en fibras de carbono HTA 6K (Tenax Corp. Mishima, Japon), estilo de tejeduna 5HS, 370 gsm peso por area 1270 mm de anchura.

Tejido: Descripcion de la muestra Detalles

1: HTA 6k 5HS 370 gms Tejido de carbono estandar

2: HTA 6K/ST54 5HS 370 gsm Tejido Idbrido con 1:1 54 tex hilo termoplastico: 400 tex distribucion de carbono en urdimbre y trama

Las muestras se colocaron en un horno y se sometieron a las siguientes condiciones: 5

Muestra: Tejido Vado Temperatura (°C) Tiempo a temperatura (min)

A: 1 No 180 10

B: 1 Sf 180 10

C: 2 No 180 10

D: 2 Sf 180 10

El vado es alrededor de 980 mbares.

Siguiendo este procedimiento, la resistencia del tejido en direcciones +/- 45 se mide utilizando una maquina de 10 Ensayo a la Traccion Zwick, como se muestra en las figuras 3a-3d y los resultados se presentan en la Tabla siguiente.

Muestra: Carga (N)

A: <0,1

B: <0,1

C: 1,8

D: 2,5

EJEMPLO 3

15

Se produjeron dos paneles preformados utilizando una muestra de 400 x 400 mm cortada de un tejido HTA 6K/ST54 5HS 370 gsm obtenido en el Ejemplo 1. Un panel se caliente a 160°C durante 10 minutos, el otro se calienta a 180°C durante 10 minutos, ambos bajo una bolsa de vado, donde el vado es 900 mbares.

20 Se utiliza un ensayo de adhesion establecido para realizar un ensayo de pelado del tipo Modo I en 5 cupones de preformas de 4 pliegues tomados de ambos paneles de preformas, de 25 mm de anchura. Los resultados se presentan en la tabla siguiente.

Fuerza adhesiva media (N) 25

Condiciones de preformacion

: 10 mins @ 160°C 10 mins. @ 180°C

Ensayo 1: 1,45 3,38

Ensayo 2: 1,39 3,85

Ensayo 3: 1,58 3,64

Ensayo 4: 1,42 3,22

Ensayo 5: 1,56 3,25

EJEMPLO 4

30 El tejido hforido HTA 6K/ST54 5HS 370 gsm del Ejemplo 1 se corta en 12 capas rectangulares de tamano 210 x 150 mm. Las capas se apilan juntas en un tendido casi-isotropico [-45,0, 45,90]3.

Para formar una preforma, se tiende la pila de 12 pliegues sobre una herramienta en forma de L, embolsada a vado, calentada a 180°C y dejada a esa temperatura durante 20 minutos.

35

Despues del desembolsado, los pliegues se mantienen en forma de L y no se observa ninguna recuperacion elastica significativa.

Las figuras 4a y 4b muestran la preforma L fabricada utilizando el metodo descrito.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

EJEMPLO 5

Se produce una preforma compleja partiendo de los dibujos de "libro" aplanado como se muestra en la figura 5.

Los 3 "libros" compuestos de 4 pliegues con un tendido casi-isotropico [-45,0, 45,90] se cortan de una pila plana de tejido HTA 6K/ST54 5HS 370 gsm como se muestra en la figura 6

Los libros se construyen utilizando una herramienta de formacion. La herramienta se caliente a 180°C y se deja a esa temperatura durante 20 minutos. Se observa que la preforma resultante, como se muestra en las figuras 7a y 7b, tiene rigidez y estabilidad excelentes y virtualmente no tiene ningun efecto de recuperacion elastica.

EJEMPLO 6

Se fabrican dos preformas utilizando un tejido estandar y un tejido que contiene fibras de estabilizacion solo en la direccion de la urdimbre. Las preformas se realizan de 6 capas y se mide la fraccion de volumen de fibras de carbono conseguida para que sea aproximadamente 59 %. La permeabilidad del refuerzo se mide utilizando un permeametro, que consta de un bote de presion y un molde, en el que estan incrustados sensores.

La mitad superior del molde, con sensores, se sujeta sobre la mitad inferior del molde con una presion de sujecion de 6 bares. La presion de inyeccion se eleva hasta 0,4 MPa y se mantiene constante durante el ensayo. Los valores de permeabilidad se muestra en la Tabla siguiente:

Sistema: K1*10-12 K2*10-12 K2/K1*10-12

: (m2) (m2) (m2)

HTA 6k 5H 370: 7,3 4,8 0,61

HTA 6K/ST54 5HS 370: 16,2 10,4 0,65

Los resultados muestran que la permeabilidad del tejido que contiene fibras de estabilizacion es mas alta que la permeabilidad del tejido estandar.

EJEMPLO 7

Se fabrica una preforma calentando 6 pliegues de HTA 6K/ST54 5HS 370 obtenidos en el Ejemplol a 170°C durante 10 minutos en vado. Se realiza un ensayo de inyeccion utilizando equipo de inyeccion Plastech TT con herramienta de partir superior de vidrio de alta temperatura Plastech. Los parametros de inyeccion son como se establece para tejido hfbrido no-preformado para permitir la comparacion directa. La facilidad de procesamiento es similar a la del tejido hfbrido no pre-formado en terminos de tasa de relleno. Todos los parametros de inyeccion se muestran en la figura 8.

La microscopia optima del laminado muestra una matriz homogenea sin evidencia de porosidad interna o cavitacion de la superficie. Los datos mecanicos se generan como se detalle en la tabla que sigue inmediatamente a continuacion, y no muestra ninguna perdida en el rendimiento comparado con lo visto utilizando laminados no preformados.

Propiedad (unidad): Metodo de ensayo Orientacion Condicion No-preformado Preformado

ILSS (MPa): EN 2563 Urdimbre Seco/RT 65,2 64,5

ILSS (MPa): EN 2563 Urdimbre Hervido/12 0C 37,6 40,3

Comp st (MPa): EN 2850 B Urdimbre Seco/RT 680 759

Comp st (MPa): EN 2850 B Urdimbre Hervido/12 0C 507 471

Tg (C): DMA Trama Seco 199 213

Tg (C): DMA Trama Hervido 146 167

Absorcion de agua (%): Interno n/a Hervido 48 horas 0,8 0,8

Nota: Resistencia a la compresion normalizada a la fraccion de volumen de fibra de 0,55.

Los datos muestran que el metodo de estabilizacion no causa ninguna reduccion significativa en el rendimiento

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

mecanico.

EJEMPLO 8

Se producen paneles CSAI utilizando HTA 6K/ST54 5HS 370 obtenido del Ejemplo 1. La resistencia a la compresion se mide despues de un impacto 25 J. Los datos se comparan con el sistema de resina RTM6 (Hexcel Composites, Duxford UK) utilizando tejido comparable.

Sistema: Epec Impacto (J) Condicion CAI (MPa)

Fibra soluble: AITM 1.0010 25 Seca 273

RTM6: AITM 1.0010 25 Seca 219

Los datos muestran resistencia a la compresion mejorada despues del impacto para el sistema estabilizado. EJEMPLO 9

Se fabrica una tela tejida hnbrida no rizada G40-800 24k/ST54 550 gsm, basada en fibras de carbono G40-800 24K (Tenax Corp. Mishima, Japon) y fibras termoplasticas ST54 (Cytec Engineered Materials, Tempe, AZ), orientacion biaxial (0/90), 275 gsm peso se area por capa axial, 550 gsm peso de area total y 1270 mm de anchura para Cytec Engineered Materials, Tempe, AZ. El tejido contiene fibras G40-800 24k (820 tex) en direcciones de urdimbre y de trama, y fibras termoplasticas ST54 (54 tex) en direcciones de urdimbre y de trama. Para cada extremo de carbono, se insertan dos extremos de fibra termoplastica en una cantidad que es 15 % en peso de fibras de carbono para producir un tejido hnbrido.

La insercion de fibra termoplastica es controlada en urdimbre a traves de la cana de telar, mientras que la trama es controlada por la relacion de insercion de pico. El hilo termoplastico forma un estilo de tejeduna satinada de dureza 5 que mantienen juntas las capas de carbono.

EJEMPLO 10

La tela tejida hnbrida no rizada G40-800 24k/ST54 550 gsm mostrada en el Ejemplo 1 se corta en una forma rectangular de 400 mm x 300 mm y se extiende sobre una herramienta de cacho que muestra curvatura doble. La capa extendida se somete a 160°C durante 30 minutos en una bolsa de vacfo, que reacciona a presiones de 800 mbares.

Despues del desembolsado, la capa extendida estabilizada resultante muestra estabilidad geometrica y del borde, asf como carece de arrugas o de desalineacion de las fibras.

EJEMPLO 11

La tela tejida tnbrida no rizada G40-800 24k/ST54 550 gsm mostrada en el Ejemplo 1 se corta en formas rectangulares de 200 mm x 150 mm y se solapan sobre una anchura de 40 mm Las capas solapadas se someten a 160°C durante 30 minutos en una bolsa de vacfo que reacciona a presiones de 800 mbares.

Despues del desembolsado, las capas resultantes se estabilizan y el solape compactado proporciona una union entre las dos capas mostrando una resistencia optima a la manipulacion.

EJEMPLO 12

El tejido hnbrido HTA 6K/ST54 5HS 370 gsm del Ejemplo 1 se estabiliza a 160°C durante 15 minutos. El borde del tejido se corta entonces con una cuchilla oscilante y el borde resultante no se deshilacha ni las fibras pierden alineacion en la proximidad.

Un tejido estandar HTA 6k 5H se sometio al mismo proceso y la calidad del borde era muy mala.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

REIVINDICACIONES

1. - Un proceso para compactar un precursor de preforma, cuyo precursor de preforma comprende fibras de refuerzo, para la fabricacion de material compuesto, comprendiendo dicho proceso las etapas de:

proporcionar mas de una capa de un tejido estructural compuesto de fibras de refuerzo, integrando en al menos una capa del tejido estructural al menos una fibra soluble al menos una capa soluble que se disuelve en una resina a una temperatura igual o inferior a una temperatura de endurecimiento de la resina, siendo la resina adecuada para infundirse en dicho tejido estructural para fabricar el material compuesto,

apilar dichas capas de tejido estructural que tiene al menos una fibra soluble integrada allf a una pila que tiene un espesor "a",

aplicar calor a dichas capas apiladas de tejido estructura, con o sin presion aplicada, que tiene integrada allf al menos una fibra soluble de ablandamiento durante un periodo desde aproximadamente 1 minuto hasta aproximadamente 200 minutos para provocar el ablandamiento de la fibra soluble y para reducir el espesor de la pila a menos que "a";

en el que mas de una capa de tejido estructural tiene integrado allf una o mas fibra(s) soluble(s).
2. - Un proceso de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que al menos cada otra capa de tejido estructural tiene integradas allf una o mas fibras solubles.
3. - Un proceso de acuerdo con la reivindicacion 1 o 2, en el que dentro de cada capa de tejido estructural, la relacion entre fibras solubles y fibras de refuerzo es de 1:99 a 70:30, con preferencia de 10:90 a 30:70.
4. - Un proceso de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la fibra soluble se selecciona del grupo que consta de caucho, polfmeros elastomericos, polfmeros termoplasticos y combinaciones de ellos.
5. - Un proceso de acuerdo con la reivindicacion 1, en el que la fibra soluble comprende un polfmero termoplastico seleccionado del grupo que consta de derivados de celulosa, poliester, poliamida, poliimida, policarbonato, poliuretano, poli(metil metacrilato), poliestireno, poliaromaticos; poliesteramida, poliamidaimida, polieterimida, poliaramida, poliarilato, poliacrilato, poli(ester) carbonato, poli(metil metacrilato / butil acrilato), polietersulfona, polieteretersulfona, polietersulfona-etercetona, y copolfmeros y combinaciones de ellos.
6. - Un proceso de acuerdo con la reivindicacion 6, en el que el poliaromatico es sulfona poliaromatica compuesta de unidades de repeticion enlazadas con eter, siendo seleccionadas las unidades del grupo que consta de:

-(PhAPh)n-

y

-(Ph)a-

donde A=CO o S02, Ph es fenileno, n = 1 a 2 y puede ser fraccional, a = 1 a 4 y puede ser fraccional, con la salvedad de que cuando a excede de 1, los fenilenos estan enlazados linealmente a traves de un enlace qmmico individual o un grupo divalente distinto de -CO- o -SO2- o se fusionan juntos directamente o a traves de una amida dclica, imida, o una fraccion dclica seleccionada del grupo que consta de un grupo de acido alquilo, un (hetero) aromatico, una cetona dclica, una amida dclica, imida, una imida dclica o combinaciones de ellos.
7. - Un proceso de acuerdo con la reivindicacion 5, en el que la resina se selecciona del grupo que consta de resina epoxido, resina de polimerizacion por adicion, resina de bis-maleimida, resina de condensado de formaldehido, resina de formaldehido-fenol, resina de cianato, resina de isocianato, resina fenolica y combinaciones de ellas.
8. - Un proceso para estabilizar un precursor de preforma compuesto de fibras de refuerzo para la fabricacion de material compuesto, comprendiendo dicho proceso las etapas de:

proporcionar una pluralidad de capas de un tejido estructural compuesto de fibras de refuerzo, integrando en dicha mas de una capa de tejido estructural al menos una fibra de estabilizacion que se disuelve en una resina a una temperatura que es igual o inferior a una temperatura de endurecimiento de la resina, siendo la resina adecuada para infusion en dicho tejido estructural para fabricar el compuesto, al menos una etapa de aplicar calor a dicho tejido estructural que tiene integrada allf dicha al menos una fibra de estabilizacion durante un periodo de aproximadamente 1 minuto hasta 200 minutos, ablandando de esta manera la fibra soluble.
9. - Un precursor de preforma que se puede obtener por un proceso de acuerdo con cualquier reivindicacion precedente.