ES2704578T3 - Miembro de refuerzo de fibra pretensado y método para su fabricación - Google Patents
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Abstract
Un artículo estructural compuesto (100, 200) que comprende: un cuerpo polimérico (35) que tiene una primera superficie principal (24) y una segunda superficie principal opuesta (22); un elemento de nervio (30) que se extiende alejándose de la primera superficie principal (24) y que se extiende a lo largo de la primera superficie principal en un valor de longitud, teniendo el elemento de nervio una porción unida (32) fijada a la primera superficie principal y una porción de extremo libre opuesta (14); caracterizado por que el artículo estructural compuesto comprende, además: un miembro de refuerzo (10) incorporado dentro de la porción de extremo libre opuesta (14); comprendiendo el miembro de refuerzo: una varilla de polímero alargada (12) con una longitud de varilla; y una pluralidad de fibras continuas (20) que se extienden conjuntamente, incorporadas y distribuidas dentro de la varilla de polímero alargada, y fibras (20) que tienen una configuración helicoidal o retorcida a lo largo de la longitud de la varilla.
Description
DESCRIPCIÓN
Miembro de refuerzo de fibra pretensado y método para su fabricación
Antecedentes
Las propiedades físicas de los polímeros termoplásticos pueden mejorarse mediante la incorporación de materiales de relleno como las fibras de vidrio. La incorporación de material de refuerzo, como la fibra de vidrio, en productos poliméricos afecta beneficiosamente las propiedades de la resina, como la resistencia a la tracción, la rigidez, la estabilidad dimensional y la resistencia por fluencia lenta y la expansión térmica. Los métodos tradicionales para producir tales artículos han sido el moldeo por inyección o el moldeo por compresión de un polímero reforzado con fibra de vidrio pre-compuesto. Al tiempo que satisfacen ciertos objetivos al optimizar la calidad del producto terminado, los productos rellenos convencionales han demostrado ser comercialmente costosos y en otras formas no han alcanzado sus objetivos en términos de peso, rendimiento de impacto y resistencia. Se desean mejoras para producir artículos reforzados con fibra. Por el documento WO 2004/101909A1 se conoce un perfil compuesto pultruido que tiene una sección transversal en forma de U, en el que las patas del perfil en forma de U están reforzadas por medio de una tira de plástico con cordones de acero en el interior, mientras que el resto del perfil está reforzado de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 1. Además, el documento WO 01/51730A1 describe barras de refuerzo para estructuras de hormigón hechas de resina termoplástica y refuerzo longitudinal de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 10.
Sumario
La presente descripción se refiere a un miembro de refuerzo de fibra pretensado y a métodos para fabricar el mismo. El miembro de refuerzo de fibra pretensado puede mejorar las propiedades de la estructura al tiempo que reduce el peso y/o el costo del artículo estructural compuesto. El miembro de refuerzo de fibra pretensado puede incluir una pluralidad de fibra continua colocada en o bajo tensión dentro del miembro de refuerzo.
En un aspecto, un miembro de refuerzo incluye una varilla de polímero alargada que se extiende entre un (primer) extremo proximal y un (segundo) extremo distal. Una pluralidad de fibras continuas que se extienden conjuntamente están incorporadas y distribuidas dentro de la varilla de polímero alargada. La pluralidad de fibras continuas que se extienden conjuntamente forman una hélice o una configuración retorcida del extremo proximal al extremo distal. El miembro de refuerzo puede incluir una capa de revestimiento de resina o un polímero que no tiene sustancialmente fibras continuas que se extienden conjuntamente y una concentración de fibras continuas que se extienden conjuntamente aumenta hacia un eje longitudinal de la varilla de polímero alargada.
En otro aspecto, un método incluye los pasos de recubrir una pluralidad de fibras continuas que se extienden conjuntamente con un polímero termoplástico para formar fibras continuas recubiertas y formar las fibras continuas recubiertas en una varilla de polímero alargada. Luego, el método incluye enrollar en espiral o torcer las fibras continuas que se extienden conjuntamente para formar un miembro de refuerzo de fibra pretensado que tiene una hélice de fibra dentro de la varilla de polímero alargada.
El método puede incluir, además, incorporar el miembro de refuerzo de fibra pretensado a un cuerpo polimérico para formar un artículo estructural compuesto. El artículo estructural compuesto puede incluir un cuerpo polimérico que tiene una primera superficie principal y una segunda superficie principal opuesta, y el miembro de refuerzo de fibra pretensado está incorporado dentro del cuerpo polimérico.
El artículo estructural compuesto puede incluir un cuerpo polimérico que tiene una primera superficie principal y una segunda superficie principal opuesta y un elemento de nervio que se extiende alejándose de la primera superficie principal y se extiende a lo largo de la primera superficie principal por un valor de longitud. El elemento de nervio tiene una porción unida fijada a la primera superficie principal y una porción de extremo libre opuesta. Un miembro de refuerzo de fibra pretensado está incorporado dentro de la porción de extremo libre opuesta del nervio. El miembro de refuerzo incluye una varilla de polímero alargada que tiene una longitud de varilla y una pluralidad de fibras continuas que se extienden conjuntamente, bajo tensión e incorporadas y distribuidas dentro de la varilla de polímero alargada. Las fibras pueden tener una configuración helicoidal o retorcida a lo largo de la longitud de la varilla.
Estas y otras características y ventajas diversas resultarán evidentes a partir de la lectura de la siguiente descripción detallada.
Breve descripción de los dibujos
La descripción puede entenderse más completamente considerando la siguiente descripción detallada de varias realizaciones de la descripción en relación con los dibujos adjuntos, en los que:
la FIG. 1 es una vista esquemática en alzado lateral de un miembro de refuerzo de fibra pretensado ilustrativo;
la FIG. 2 es una vista esquemática en alzado lateral de otro miembro de refuerzo de fibra pretensado ilustrativo que tiene una superficie texturizada;
la FIG. 3 es un diagrama esquemático de un método para formar un miembro ilustrativo de refuerzo de fibra pretensado;
la FIG. 4 es una vista esquemática en sección transversal de un artículo estructural compuesto ilustrativo que incluye el miembro de refuerzo de fibra pretensado, y
la FIG. 5 es una vista en perspectiva de un recipiente formado por artículos estructurales compuestos que incluyen un miembro de refuerzo de fibra pretensado descrito en el presente documento.
Descripción detallada
En la siguiente descripción detallada, se hace referencia a los dibujos adjuntos que forman parte del presente documento, y en los cuales se muestran, a modo de ilustración, varias realizaciones específicas. Debe entenderse que se contemplan otras realizaciones y que estas pueden realizarse sin apartarse del alcance tal como se define en las reivindicaciones adjuntas. La siguiente descripción detallada, por lo tanto, no debe tomarse en un sentido limitativo.
Todos los términos científicos y técnicos usados en el presente documento tienen significados comúnmente usados en la técnica a menos que se lo especifique de otra manera. Las definiciones proporcionadas en el presente documento son para facilitar la comprensión de ciertos términos usados frecuentemente en el presente documento y no pretenden limitar el alcance de la presente descripción.
La mención de intervalos numéricos por puntos finales incluye todos los números incluidos dentro de ese intervalo (por ejemplo, de 1 a 5 incluye 1, 1,5, 2, 2,75, 3, 3,80, 4 y 5) y cualquier intervalo dentro de ese intervalo.
Tal como se lo usa en la presente memoria descriptiva y en las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares "un", "una", "la" y "el" abarcan sus referentes en plural a menos que el contenido lo establezca con claridad de otra manera.
Como se usa en el presente documento, "tener", "que tiene", "incluir", "que incluye", "comprender", "que comprende" o similares se usan en su sentido abierto, y en general, significan "que incluye, pero no se limita a". Se entenderá que "que consiste esencialmente en", "que consiste en", y similares, se incluyen en "que comprende" y similares. Se debe tener en cuenta que "superior" y "inferior" (u otros términos como "arriba" y "abajo" o "primero" y "segundo") se usan estrictamente para las descripciones relativas y no implican ninguna orientación general del artículo en el que se encuentra el elemento descrito.
El término "pretensado" se refiere a una configuración donde una fibra está en o bajo tensión dentro de una varilla polimérica y la fibra se tuerce o se dispone en una configuración helicoidal a lo largo de la varilla polimérica.
La presente descripción se refiere a un miembro de refuerzo de fibra pretensado y a métodos para fabricar el mismo. El miembro de refuerzo de fibra pretensado puede mejorar las propiedades de la estructura al tiempo que reduce el peso y/o el costo del artículo estructural compuesto. El miembro de refuerzo de fibra pretensado puede colocarse estratégicamente dentro del cuerpo polimérico para proporcionar resistencia donde se necesita dentro del cuerpo polimérico. La configuración de fibra pretensada proporciona un aumento inusual o sorprendente en la resistencia a la tracción de estos miembros de refuerzo en comparación con los miembros de refuerzo que no están pretensados. En particular, estos miembros de refuerzo de fibra pretensados incluyen una pluralidad de fibras continuas que se extienden conjuntamente y que están en tensión dentro de la varilla de polímero y la pluralidad de fibras continuas que se extienden conjuntamente. Estos artículos estructurales compuestos poseen una alta resistencia, rigidez y alta resistencia al impacto con un peso reducido en comparación con los artículos estructurales convencionales. Si bien la presente descripción no es tan limitada, se obtendrá una apreciación de varios aspectos de la descripción a través de una explicación de los ejemplos que se proporcionan a continuación.
La FIG. 1 es una vista esquemática en alzado lateral de un miembro de refuerzo de fibra pretensado ilustrativo 10. El miembro de refuerzo 10 incluye una varilla de polímero alargada 12 que se extiende entre un (primer) extremo proximal 11 y un (segundo) extremo distal 13, y una pluralidad de fibras continuas 20 que se extienden conjuntamente, incorporadas y distribuidas dentro de la varilla de polímero alargada 12, y formando una configuración helicoidal o retorcida del extremo proximal 11 al extremo distal 13. Las fibras 20 helicoidales continuas están preferentemente bajo tensión dentro del miembro de refuerzo 10, proporcionando un miembro de refuerzo de fibra "pretensado" 10.
El miembro de refuerzo de fibra pretensado 10 puede formarse aplicando una tensión a la pluralidad de fibras continuas 20 que se extienden conjuntamente (que están incorporadas y distribuidas dentro de la varilla de polímero alargada 12) mientras que la varilla de polímero alargada 12 todavía está en un estado fundido o blando y luego retorciendo el (primer) extremo proximal 11 en relación con el (segundo) extremo distal 13 para formar una configuración de fibra retorcida. Una vez en esta configuración de fibra retorcida, y bajo tensión, la varilla de
polímero alargada 12 puede enfriarse o solidificarse para bloquear la tensión de las fibras continuas 20 que se extienden conjuntamente. Esta configuración puede ser referida como el miembro de refuerzo de fibra "pretensado". En muchas realizaciones, las fibras continuas 20 que se extienden conjuntamente no están distribuidas uniformemente a lo largo de una sección transversal de la varilla de polímero alargada 12 y pueden concentrarse hacia el eje longitudinal de la varilla de polímero alargada 12. Esto puede ocurrir porque las fibras están retorcidas. En muchas de estas realizaciones, se puede formar una capa de revestimiento de polímero (que forma el cuerpo polimérico) en la superficie exterior del miembro de refuerzo de fibra pretensado 10 donde no hay fibras continuas 20 que se extienden conjuntamente. Esta capa de revestimiento puede formar 10 % o menos o de 1 % a 10 % del diámetro del miembro de refuerzo de fibra pretensado 10. En algunas realizaciones, las fibras continuas 20 que se extienden conjuntamente se distribuyen uniformemente a lo largo de una sección transversal de la varilla de polímero alargada 12.
El material polimérico "humedece" las fibras continuas 20 que se extienden conjuntamente. Por ende, la resina o el material polimérico se dispersan alrededor de todas las fibras continuas 20 que se extienden conjuntamente. El miembro de refuerzo 10 puede incluir al menos 1.000, o al menos 5.000, o al menos 10.000 o al menos 15.000 fibras de vidrio continuas que se extienden conjuntamente.
Las fibras continuas 20 pueden estar formadas de cualquier material de fibra adecuado que proporcione resistencia a la tracción y/o rigidez. Las fibras continuas 20 pueden estar compuestas de: vidrio, carbono, grafito, basalto, fibras de aramida de la marca Kevlar de DuPont (es decir, poli-parafenilen-tereftalamida), fibras cerámicas, fibras naturales, fibras poliméricas y diversos metales. Preferentemente, las fibras continuas 20 están compuestas de fibras de vidrio, carbono, grafito o Kevlar (es decir, poli-parafenilen-tereftalamida). En algunas realizaciones, las fibras continuas 20 son una mezcla de fibras de vidrio y de carbono o fibras de vidrio y Kevlar o fibras de vidrio y de grafito.
Las fibras continuas 20 pueden tener cualquier diámetro adecuado tal como 5 a 100 micrómetros o menos de 50 micrómetros o de 5 a 50 micrómetros o de 5 a 30 micrómetros, o de 5 a 20 micrómetros, o de 7 a 15 micrómetros. La fibra continua 20 puede tener cualquier longitud adecuada y, preferentemente, se extiende por toda la longitud lateral del miembro de refuerzo 10. En muchas realizaciones, la fibra continua 20 tiene una longitud de al menos 0,1 metro, o 0,5 metro o 1 metro o más de 1 metro.
El miembro de refuerzo 10 puede tener un diámetro o una dimensión lateral mayor en un intervalo de 250 a 10.000 micrómetros o de 500 a 5.000 micrómetros o de 1.000 a 5.000 micrómetros o menos de 10 mm o menos de 5 mm. El miembro de refuerzo 10 puede tener al menos 40 % en peso de fibra o al menos 50 % en peso de fibra o de 40 % a 90 % en peso de fibra o de 50 % a 80 % en peso de fibra. Cada elemento de fibra continuo puede tener de 60 % a 10 % en peso de polímero o de 50 % a 20 % en peso de polímero.
El elemento de refuerzo 10 puede tener cualquier forma útil de sección transversal. En muchas realizaciones, el miembro de refuerzo 10 tiene una forma de sección transversal circular u ovalada. En otras realizaciones, el miembro de refuerzo 10 tiene una forma de sección transversal poligonal.
El polímero que forma el miembro de refuerzo 10 puede ser cualquier material polimérico adecuado. En muchas realizaciones, el material polimérico es un material termoplástico. El material polimérico útil incluye polipropileno, polietileno, nylon, acrilonitrilo butadieno estireno, estireno acrilonitrilo, acrílico o estireno, por ejemplo. Otros polímeros útiles incluyen poliéster PBT, poliéster PET, polioximetileno, policarbonita o sulfuro de polifenileno, por ejemplo. El material polimérico de temperatura más alta incluye polisulfona, polietersulfona, polieteretercetona o polímero de cristal líquido, por ejemplo.
En algunas realizaciones, una capa de revestimiento o región de revestimiento de material polimérico (capa de polímero 26 exterior ilustrada en la FIG. 4) rodea la pluralidad de fibras continuas 20 que se extienden conjuntamente y que tienen una configuración helicoidal o retorcida. Esta capa de revestimiento o región de revestimiento puede estar libre de material de fibra o tener menos de 10 % o menos de 5 % de material de fibra o puede estar libre de material de fibra (tanto fibra continua como dispersión de fibra). Preferentemente, la capa de revestimiento o la región de revestimiento está libre de la pluralidad de fibras continuas 20 que se extienden conjuntamente y que tienen una configuración helicoidal o retorcida. La capa de revestimiento o la región de revestimiento pueden tener cualquier grosor útil, tal como de 25 micrómetros a 1.000 micrómetros o de 50 a 500 micrómetros o de 250 a 500 micrómetros.
El miembro de refuerzo 10 tiene una región central que incluye la pluralidad de fibras continuas 20 que se extienden conjuntamente, en tensión. La capa de revestimiento o la región de revestimiento pueden rodear la región central. La región central puede ser una concentración de fibra de al menos 40 % en peso o de 40 % en peso a 90 % en peso o de 50 % en peso a 90 % en peso. La concentración de fibra puede aumentar hacia el centro o el eje longitudinal del miembro de refuerzo.
La pluralidad de fibras continuas que se extienden conjuntamente y que tienen una configuración helicoidal o
retorcida pueden tener cualquier período o distancia útil para una rotación completa a lo largo del miembro de refuerzo 10 o la longitud de la varilla. El período helicoidal puede estar en un intervalo de al menos aproximadamente 5 cm, o al menos 10 cm, o al menos 20 cm, o al menos 30 cm. En muchas realizaciones, el período helicoidal está en un intervalo de aproximadamente 5 cm a 50 cm o de 5 cm a 30 cm o de 5 cm a 20 cm. La FIG. 2 es una vista esquemática en alzado lateral de otro miembro de refuerzo de fibra pretensado 10 ilustrativo que tiene una superficie texturizada 15. La adición de textura 16 a la superficie exterior 14 de la varilla 10 de polímero alargada puede aumentar el área de superficie exterior y mejorar la adhesión a un cuerpo polimérico cuando se forma un artículo estructural compuesto. La textura 16 puede incluir crestas o valles impresos en la superficie exterior 14 de la varilla 10 de polímero alargada. El término "texturizado" se refiere a una superficie que tiene una superficie ondulada uniforme o no uniforme o picos y valles a lo largo de la superficie. La textura puede ayudar a mantener el miembro de refuerzo de fibra pretensado en su lugar durante el proceso de moldeo de un artículo compuesto. La textura puede ayudar a centrar el miembro de refuerzo de fibra pretensado en una cavidad del molde durante el proceso de moldeo de un artículo compuesto.
En muchas realizaciones, la textura 16 aumenta un área de superficie de la superficie exterior 14 en al menos un 5 % o al menos un 10 % o al menos un 20 %. En un ejemplo, la superficie texturizada 15 se forma moleteando la superficie exterior 14 de la varilla 10 de polímero alargada. La textura se puede formar mediante cualquier procedimiento útil, como el estampado en relieve o el sobremoldeo, por ejemplo.
La FIG. 3 es un diagrama esquemático de un método 101 para formar un miembro de refuerzo de fibra pretensado 10 ilustrativo. Una vez formado, el miembro de refuerzo de fibra pretensado 10 puede incorporarse a un cuerpo polimérico para proporcionar propiedades de refuerzo a un cuerpo polimérico compuesto.
Los carretes 120 de fibra proporcionan un haz de fibras continuas a una matriz extrusora 134. El haz de fibras continuas puede incluir, cada uno, una pluralidad de fibras continuas, tales como al menos 1.000 fibras, o al menos 2.500 fibras o al menos 5.000 fibras. La extrusora 132 extruye el polímero a la matriz 134 y las fibras continuas 20 pasan a través de la matriz y "humedecen" cada fibra continua con la resina o el polímero. La matriz extrusora 134 incorpora el haz de fibras continuas dentro del material de resina o de polímero y forma una pluralidad de elementos de fibra recubiertos continuos 125.
Estos elementos de fibra recubiertos continuos 125 pueden guiarse juntos para formar una varilla de polímero alargada 12 y enrollarse en espiral o torcerse para formar un miembro de refuerzo de fibra pretensado 10 que tiene una hélice de fibra dentro de la varilla de polímero alargada.
El enrollado en espiral o la torsión de los elementos de fibra recubiertos continuos 125 se puede proporcionar corriente abajo de la matriz 134. Un extractor/retorcedor 102 puede inducir tensión dentro de las fibras continuas 20 incorporadas dentro de la varilla de polímero fundido o semisólido y también puede inducir una torsión o configuración helicoidal de las fibras continuas 20 incorporadas dentro de la varilla de polímero fundido o semisólido. El extractor/retorcedor 102 puede impartir cualquier nivel de torsión deseado al miembro de refuerzo de fibra pretensado 10 dentro de la varilla de polímero alargada 12. La varilla de polímero alargada 12 puede enfriarse o solidificarse para bloquear la tensión de las fibras continuas 20 que se extienden conjuntamente. Esta configuración puede ser referida como el miembro de refuerzo de fibra "pretensado".
El miembro de refuerzo de fibra pretensado 10 puede pasar a través del elemento de extracción 102 y cortarse en dados o cortarse (con una cuchilla 104, por ejemplo) a un tamaño apropiado para formar el miembro de refuerzo 10 descrito en el presente documento. El miembro de refuerzo 10 cortado se puede incorporar luego en un cuerpo polimérico para formar un artículo estructural compuesto mediante moldeo o moldeo por inyección.
La FIG. 4 es una vista esquemática en sección transversal de un artículo estructural compuesto 100 ilustrativo que incluye el miembro de refuerzo de fibra pretensado 10. El artículo estructural compuesto 100 incluye un cuerpo polimérico 35 que tiene una primera superficie principal 24 y una segunda superficie principal opuesta 22, y un miembro de refuerzo de fibra pretensado 10, descrito en el presente documento, incorporado dentro del cuerpo polimérico 35.
En muchas realizaciones, el cuerpo polimérico 35 incluye un miembro de nervio 30 que se extiende lateralmente alejándose de la primera superficie principal 24 y que tiene un valor de longitud o longitud lateral y que forma una porción del cuerpo polimérico 35. El miembro de refuerzo 10 se extiende a lo largo del valor de longitud o longitud lateral y está incorporado dentro del miembro de nervio 30. En muchas realizaciones, la longitud del elemento de nervio se extiende conjuntamente con la longitud de la varilla del miembro de refuerzo, o la longitud del elemento de nervio es sustancialmente igual a la longitud de la varilla del miembro de refuerzo.
El elemento de nervio 30 puede extenderse alejándose de la primera superficie principal 24 y extenderse a lo largo de la primera superficie principal 24 en un valor de longitud. El elemento de nervio 30 incluye una porción 32 unida fijada a la primera superficie principal 24 y una porción de extremo libre opuesta 34. El miembro de refuerzo 10 está incorporado dentro de la porción de extremo libre opuesta 34. Como se describió anteriormente, el miembro de
refuerzo 10 incluye una varilla de polímero alargada que tiene una longitud de varilla y una pluralidad de fibras continuas 20 que se extienden conjuntamente, incorporadas y distribuidas dentro de la varilla de polímero alargada. Las fibras 20 tienen una configuración helicoidal o retorcida a lo largo de la longitud de la varilla. El artículo estructural compuesto 100 ilustrativo tiene un miembro de refuerzo de fibra pretensado 10 único, o solo uno, o menos de dos por elemento de nervio 30.
El miembro de refuerzo 10 puede incluir una capa de revestimiento 26 de material polimérico que rodea la pluralidad de fibras continuas 20 que se extienden conjuntamente y que tienen una configuración helicoidal o retorcida. En muchas realizaciones, la capa de revestimiento 26 está formada por el mismo tipo de material polimérico que el material polimérico que dispersa la pluralidad de fibras continuas 20 que se extienden conjuntamente, incorporadas y distribuidas dentro de la varilla de polímero alargada.
En muchas realizaciones, el elemento de nervio 30 opuesto a la porción de extremo libre 34 define una superficie de extremo curvada o redondeada 14. En estas realizaciones, el miembro de refuerzo 10 puede definir la superficie de extremo curvada o redondeada 14. Esto puede ser particularmente útil cuando el miembro de refuerzo 10 se moldea sobre o en el elemento de nervio 30 del artículo estructural compuesto 100.
Al menos el 50 % de un área de superficie exterior del miembro de refuerzo 10 puede fijarse al cuerpo sólido o polimérico 35 o al elemento de nervio 30. El miembro de refuerzo 10 puede tener menos del 90 % del área de superficie exterior del miembro de refuerzo 10 fijado al cuerpo sólido o polimérico 35 o al elemento de nervio 30. El miembro de refuerzo 10 puede tener de 50 % a 90 % del área de superficie exterior del miembro de refuerzo 10 fijado al cuerpo sólido o polimérico 35 o al elemento de nervio 30. La FIG. 4 ilustra que aproximadamente del 50 % al 75 % del área de superficie exterior del miembro de refuerzo 10 está fijada al extremo libre o distal 34 del elemento de nervio 35 del cuerpo sólido o polimérico.
El cuerpo sólido o polimérico 35 puede estar formado por cualquier material polimérico adecuado. En muchas realizaciones, el material polimérico es un material termoplástico. El material polimérico útil incluye polipropileno, polietileno, nylon, acrilonitrilo butadieno estireno, estireno acrilonitrilo, acrílico o estireno, por ejemplo. Otros polímeros útiles incluyen poliéster PBT, poliéster PET, polioximetileno, policarbonita o sulfuro de polifenileno, por ejemplo. El material polimérico de temperatura más alta incluye polisulfona, polietersulfona, polieteretercetona o polímero de cristal líquido, por ejemplo.
En muchas realizaciones, el polímero usado para formar el miembro de refuerzo de fibra pretensado 10 es compatible con, o es del mismo tipo de material de polímero que forma el cuerpo sólido o polimérico del elemento estructural compuesto 35. En otras realizaciones, el polímero usado para formar el miembro de refuerzo de fibra pretensado 10 es un tipo diferente de material de polímero. En algunas realizaciones, el polímero usado para formar el miembro de refuerzo de fibra pretensado 10 es un homopolímero y el material de polímero que forma el cuerpo sólido o polimérico del elemento estructural compuesto 35 es un copolímero. En otras realizaciones, el polímero usado para formar el miembro de refuerzo de fibra pretensado 10 es un copolímero y el material de polímero que forma el cuerpo sólido o polimérico del elemento estructural compuesto 35 es un homopolímero.
En muchas realizaciones, una pluralidad de fibras forma una dispersión de fibras dentro del cuerpo polimérico 35. Las fibras que forman esta dispersión de fibra tienen una longitud promedio de menos de 15 mm y un diámetro promedio de menos de 50 micrómetros. El material polimérico que forma el cuerpo sólido o polimérico 35 puede incluir una pluralidad de fibras aleatorias que forman una dispersión de fibras en el material polimérico. Esta dispersión de fibras tiene una longitud promedio de fibra inferior a 15 mm o inferior a 12 mm o inferior a 5 mm o inferior a 1 mm. La dispersión de fibras tiene una longitud de fibra promedio en un intervalo de 1 a 15 mm o en un intervalo de 5 a 12 mm y puede denominarse "termoplástico de fibra larga". En otras realizaciones, la dispersión de fibras tiene una longitud de fibra promedio en un intervalo de 0,1 a 1 mm o en un intervalo de 0,25 a 0,75 mm y puede denominarse "termoplástico de fibra corta".
Las fibras que forman la dispersión de fibras pueden estar formadas por materiales que son iguales o diferentes al material que forma las fibras continuas 20, como vidrio, carbono, basalto, grafito, fibras de aramida de la marca Kevlar de DuPont, fibras cerámicas, fibras naturales, fibras poliméricas y varios metales, por ejemplo. Preferentemente, las fibras que forman la dispersión de fibras pueden estar compuestas de fibras de vidrio, carbono, grafito o Kevlar (es decir, poli-parafenilen-tereftalamida). En algunas realizaciones, las fibras que forman la dispersión de fibras son una mezcla de fibras de vidrio y de carbono o de fibras de vidrio y Kevlar o fibras de vidrio y de grafito. En algunas realizaciones, las fibras que forman la dispersión de fibras son de vidrio y las fibras que forman las fibras continuas 20 son de carbono, Kevlar o grafito o una mezcla de vidrio y carbono, Kevlar o grafito. La dispersión de fibras puede estar presente en el material polimérico del cuerpo sólido o polimérico 35 en un intervalo de 5 % a 60 % en peso. Preferentemente, la dispersión de fibras puede estar presente en el material polimérico en un intervalo de 10 % a 50 % en peso, o en un intervalo de 20 % a 45 % en peso, o en un intervalo de 30 % a 40 % en peso. El material polimérico útil con dispersiones de fibras está disponible comercialmente en RTF Company, Winona, Minnesota, bajo las designaciones comerciales "RTF 107" (polipropileno con 40 % en peso de dispersión de fibra de vidrio corta) y "RTP 80107" (polipropileno con 40 % en peso de dispersión de fibra de
vidrio larga), por ejemplo.
En muchas realizaciones, el miembro de refuerzo de fibra pretensado 10 no incluye, o está libre de la dispersión de fibras que está presente en el cuerpo sólido o polimérico 35. En muchas realizaciones, la capa de revestimiento 26 del miembro de refuerzo 10 no incluye, o está libre de la dispersión de fibras que está presente en el cuerpo sólido o polimérico 35.
La FIG. 5 es una vista en perspectiva de un recipiente 200 formado por artículos estructurales compuestos que incluyen el miembro de refuerzo de fibra pretensado o retorcido descrito en el presente documento. El recipiente 200 está formado por al menos cuatro paneles estructurales compuestos 210. Cada panel o lado estructural compuesto del recipiente 200 incluye uno o más miembros de refuerzo de fibra pretensado 10s incorporados a los nervios 30 que se extienden lejos de la primera superficie principal 24.
En esta realización, una segunda superficie principal 22 es plana y una primera superficie principal opuesta 24 incluye una pluralidad de elementos de nervio 30 de intersección que se extienden alejándose de la primera superficie principal 24. Una primera pluralidad de elementos de nervio paralelos se extiende a lo largo de una longitud del miembro de panel y una segunda pluralidad de elementos de nervio paralelos se extienden a lo largo de una anchura de los miembros de panel. La primera pluralidad de elementos de nervio se entrecruza y son ortogonales a la segunda pluralidad de elementos de nervio. Uno o más miembros de refuerzo de fibra pretensado 10s pueden estar incorporados a cada nervio 30, preferentemente a lo largo de una porción del extremo distal del nervio 30 (como se ilustra en la FIG. 4).
En algunas realizaciones, un elemento tejido 40 de malla abierta puede incorporarse dentro de la segunda superficie principal 22 y puede estar formado con cualquier material de fibra adecuado que proporcione resistencia a la tracción y/o rigidez en dos direcciones ortogonales y resistencia al impacto. El elemento tejido 40 de malla abierta puede estar formado por una pluralidad de primeras fibras paralelas que se extienden en una primera dirección en un plano y una pluralidad de segundas fibras paralelas que se extienden en una segunda dirección (ortogonal a la primera dirección) en el plano. La primera pluralidad y la segunda pluralidad de fibras pueden estar compuestas de: fibras de vidrio, basalto, carbono, grafito, fibras de aramida de la marca Kevlar de DuPont, fibras cerámicas, fibras naturales, fibras poliméricas y diversos metales. El elemento tejido 40 de malla abierta puede impartir resistencia al impacto y fortalecer los paneles estructurales compuestos 210.
El artículo estructural compuesto puede formarse con cualquier método adecuado. En muchas realizaciones, el miembro de refuerzo de fibra pretensado puede colocarse en un molde adecuado y el material polimérico puede disponerse en el molde para formar el artículo estructural compuesto. Preferentemente, los artículos estructurales compuestos se forman insertando el miembro de refuerzo de fibra pretensado en un molde y el material polimérico se moldea por compresión o se moldea por inyección alrededor del miembro de refuerzo de fibra pretensado.
El miembro de refuerzo de fibra pretensado descrito en el presente documento puede usarse en artículos compuestos estructurales para varias industrias, mercados y aplicaciones. Los artículos compuestos descritos en el presente documento son particularmente útiles para: partes de automóviles tales como parachoques, defensas; transporte como palés y contenedores; artículos aeroespaciales tales como componentes de aviones; artículos militares tales como componentes de misiles, artículos para recreación tales como componentes de armazones para vehículos.
Un ejemplo ilustrativo proporcionó tres paneles compuestos de polipropileno para ensayos. El primero fue una muestra control (C) que consistía en polipropileno y 40 % en peso de dispersión de fibras de vidrio (fibras de vidrio largas o termoplásticos de fibra larga) sin miembro de refuerzo. Una segunda muestra (1) fue el mismo polipropileno y 40 % en peso de dispersión de fibras de vidrio con un miembro de refuerzo no retorcido (no pretensado) (4.000 filamentos de aproximadamente 15 micrómetros de diámetro). La muestra final (2) fue el mismo polipropileno y 40 % en peso de dispersión de fibras de vidrio con un miembro de refuerzo de fibra pretensado (retorcido) (con 4.000 filamentos de aproximadamente 15 micrómetros de diámetro).
Estas muestras fueron sometidas a ensayos de flexión. La muestra control (C) tuvo un resultado de ensayo de 216,363 kg (477 lb) hasta la rotura. La primera muestra (1) tuvo un resultado de ensayo de 683,110 kg (1.506 lb) hasta la rotura. La segunda muestra (2) tuvo un resultado de ensayo de 797,415 kg (1.758 lb) hasta la rotura. Es sorprendente que simplemente al pretensar o retorcer el miembro de refuerzo, las propiedades estructurales aumenten tanto como se mostró.
Un artículo estructural compuesto ejemplo incluye un cuerpo polimérico formado por un copolímero de polipropileno y relleno con aproximadamente 20 % en peso de fibras de vidrio largas o cortas. El miembro de refuerzo de fibra pretensado único está incorporado dentro de un extremo libre de un elemento de nervio del cuerpo polimérico. El miembro de refuerzo de fibra pretensado tiene un diámetro de aproximadamente 5 mm e incluye aproximadamente 16.000 fibras de vidrio continuas (cada fibra con un diámetro de aproximadamente 15 micrómetros) dispersas en homopolímero de polipropileno. El miembro de refuerzo de fibra pretensado (retorcido o helicoidal a lo largo de la longitud del miembro de refuerzo) tiene una región externa de polímero o capa de revestimiento (que está sustancialmente libre de fibras de vidrio continuas o de dispersión de fibras) que tiene un espesor de
aproximadamente 250 a 500 micrómetros. El copolímero de polipropileno relleno se moldea por inyección sobre el miembro de refuerzo de fibra pretensado. El miembro de refuerzo de fibra pretensado forma una porción curvada de un extremo libre de un miembro de nervio que se extiende desde el artículo estructural compuesto.
Por ende, se describen realizaciones del MIEMBRO DE REFUERZO DE FIBRA PRETENSADO.
La presente memoria está destinada a cubrir cualquier adaptación o variante de las realizaciones específicas que se explican en el presente documento. Por lo tanto, se pretende que la presente descripción esté limitada solo por las reivindicaciones y sus equivalentes. Las realizaciones descritas se presentan con fines de ilustración y no de limitación.
Claims (15)
1. Un artículo estructural compuesto (100, 200) que comprende:
un cuerpo polimérico (35) que tiene una primera superficie principal (24) y una segunda superficie principal opuesta (22);
un elemento de nervio (30) que se extiende alejándose de la primera superficie principal (24) y que se extiende a lo largo de la primera superficie principal en un valor de longitud, teniendo el elemento de nervio una porción unida (32) fijada a la primera superficie principal y una porción de extremo libre opuesta (14);
caracterizado por que el artículo estructural compuesto comprende, además:
un miembro de refuerzo (10) incorporado dentro de la porción de extremo libre opuesta (14); comprendiendo el miembro de refuerzo:
una varilla de polímero alargada (12) con una longitud de varilla; y
una pluralidad de fibras continuas (20) que se extienden conjuntamente, incorporadas y distribuidas dentro de la varilla de polímero alargada, y fibras (20) que tienen una configuración helicoidal o retorcida a lo largo de la longitud de la varilla.
2. El artículo de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la pluralidad de fibras continuas que se extienden conjuntamente comprenden al menos 1.000, o al menos 500, o al menos 10.000 fibras de vidrio, fibras de carbono o fibras de poli-parafenilen-tereftalamida.
3. El artículo de acuerdo con las reivindicaciones 1 o 2, en el que el miembro de refuerzo comprende el 40-90 % en peso de fibra y el 60-10 % de polímero, o el 50-80 % en peso de fibra y el 50-20 % de polímero.
4. El artículo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el miembro de refuerzo comprende una capa de polímero exterior que rodea la pluralidad de fibras continuas que se extienden conjuntamente.
5. El artículo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende, además, una pluralidad de fibras que forman una dispersión de fibras dentro del cuerpo polimérico, teniendo las fibras una longitud promedio inferior a 15 mm o inferior a 1 mm y un diámetro promedio inferior a 50 micrómetros y el cuerpo polimérico comprenden del 10 % al 50 % en peso de dispersión de fibras.
6. El artículo de acuerdo con la reivindicación 5, en el que la dispersión de fibras no está presente dentro del miembro de refuerzo.
7. El artículo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la varilla de polímero alargada tiene una superficie exterior que comprende textura y la textura aumenta un área de superficie de la superficie exterior en al menos el 10 % o al menos el 20 %.
8. El artículo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la pluralidad de fibras continuas que se extienden conjuntamente aumentan en concentración hacia un eje longitudinal de la varilla de polímero alargada, y/o
en el que la longitud del elemento de nervio y la longitud de la varilla del miembro de refuerzo y la pluralidad de fibras continuas que se extienden conjuntamente son coextensivas.
9. El artículo de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 5 o 6, en el que la pluralidad de fibras continuas que se extienden conjuntamente y las fibras que forman una dispersión de fibras son diferentes tipos de fibra.
10. Un método que comprende:
recubrir una pluralidad de fibras continuas que se extienden conjuntamente (20) con un polímero termoplástico para formar fibras continuas recubiertas (125);
pretensar las fibras continuas recubiertas en una varilla de polímero alargada (12) para crear fibras continuas en tensión dentro de la varilla de polímero alargada y formar un miembro de refuerzo de fibra pretensado (10); caracterizado por que el método comprende, además:
incorporar el miembro de refuerzo de fibra pretensado (10) en un cuerpo polimérico para formar un artículo estructural compuesto 100, 200).
11. El método de acuerdo con la reivindicación 10, en el que la etapa de incorporación comprende moldear el cuerpo polimérico sobre el miembro de refuerzo de fibra pretensado.
12. El método de acuerdo con las reivindicaciones 10 u 11, en el que el pretensado se produce corriente abajo de la etapa de recubrimiento y el pretensado comprende torcer las fibras continuas para inducir tensión dentro de las
fibras continuas del miembro de refuerzo de fibra pretensado.
13. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, que comprende, además, conferir textura a una superficie exterior del miembro de refuerzo de fibra pretensado después de la etapa de pretensado y la etapa de impartir textura aumenta el área de superficie de una superficie exterior del miembro de refuerzo de fibra pretensado en al menos el 10 % o al menos el 20 %.
14. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, en el que la etapa de incorporación comprende incorporar el miembro de refuerzo de fibra pretensado a un elemento de nervio del cuerpo polimérico, extendiéndose el elemento de nervio desde una superficie principal del cuerpo polimérico.
15. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, en el que la etapa de pretensado comprende pretensar las fibras continuas revestidas en una varilla de polímero alargada fundida y luego enfriar o solidificar la varilla de polímero alargada para crear fibras continuas en tensión dentro de la varilla de polímero alargada y formar un miembro de refuerzo de fibra pretensado.
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