ES2895103T3 - Uso de una estructura textil de refuerzo para materiales compuestos - Google Patents

Abstract

Utilización de un complejo textil de refuerzo, que comprende una pila de capas textiles, que comprende una capa intermedia (1) que comprende: - un juego de hilos de trama (2); - un juego de hilos de urdimbre (3, 4) asociados por pares, en donde cada par comprende dos hilos de diferente tipo, al menos uno de los cuales (3) se basa en hilos de alta tenacidad, siendo los dos hilos del mismo par tejidos con hilos de trama según un tejido "sin gasa"; de modo que dicha capa intermedia (1) desempeña un papel drenante dentro del complejo, como capa de refuerzo para la fabricación de materiales compuestos mediante técnicas de infusión, mediante las cuales se introduce una resina polimérica en un molde en puntos particulares, y se mueve dentro o alrededor de las capas fibrosas en la dirección de los puntos de succión para su impregnación.

Description

DESCRIPCIÓN

Uso de una estructura textil de refuerzo para materiales compuestos

Campo técnico

La invención se refiere al campo de la industria textil, y más particularmente a los textiles utilizados como refuerzo de materiales compuestos. Se refiere más específicamente al uso de un complejo formado por una pila de capas de refuerzo con vistas a la impregnación con una resina polimérica, y en particular una resina termoendurecible.

Se refiere más específicamente a una configuración de este tipo de complejo que permite que una de sus capas proporcione tanto una función de refuerzo mecánico como una función de drenaje de la resina de impregnación para los moldes cerrados.

La fabricación de materiales compuestos a partir de refuerzos fibrosos se puede realizar mediante técnicas de infusión, mediante las cuales la resina se introduce en un molde en puntos particulares y se mueve dentro o alrededor de las capas fibrosas en dirección a puntos de succión.

Técnicas anteriores

El proceso de infusión se basa en tres principios físicos fundamentales que son la diferencia de presión, la viscosidad de la resina y la permeabilidad. De hecho, la migración de la resina a través de la estructura textil (impregnación) no puede tener lugar si la permeabilidad no es suficiente y si la presión en el molde es constante. La permeabilidad de un refuerzo representa su capacidad para ser atravesado por un fluido, en este caso, la resina. A escala microscópica, está ligada a las microporosidades de las hebras (conjunto de fibras). A escala mesoscópica, se vincula a los espacios que separan las hebras constituyentes del tejido del refuerzo. A escala macroscópica, depende del tejido del refuerzo. La permeabilidad se expresa en m2

Los tejidos convencionales de tipo roving (sarga, lona, gasa estándar, etc.), o los “Non Crimp Fabrics” (NCF) utilizados en el procedimiento de infusión tienen una permeabilidad del orden de 10-10 a 10-11 m2 para el vidrio. Esta permeabilidad generalmente no es suficiente para garantizar el llenado correcto de la pieza, que a menudo tiene grandes dimensiones. Para mejorar esta permeabilidad, se pueden utilizar dos tipos de infusión para estructuras monolíticas.

Por lo tanto, es posible proceder con una infusión con un drenaje externo. En este caso, la resina fluye usando una tela drenante y altamente permeable colocada sobre la pila de fibras preformadas. La diferencia de presión entre la entrada de la resina, ubicada al nivel del escurridor, y el respiradero, ubicado en la base de la preforma, hace que la resina se infunda primero en el escurridor y luego a través del espesor de las preformas secas. A continuación, se retira el escurridor externo de la pieza con un paño de elevación. El mayor inconveniente de este procedimiento es la gran cantidad de desechos (paño de elevación, red de drenaje externa) y el tiempo que se tarda en colocar los consumibles.

También se conoce el procedimiento de infusión con drenaje interno. Para limitar el desperdicio, la tela de drenaje se coloca dentro de la estructura textil. Se trata de una capa muy porosa que permite un buen flujo de resina a través de la preforma. Por lo general, se trata de un tapete de filamento continuo o una malla sintética que permanecerá en la pieza. La principal desventaja de este tipo de producto es el impacto sobre las propiedades mecánicas debido al mayor contenido de resina en el laminado final.

Así, el solicitante ha descrito en el documento EP 0395 548 una estructura textil compuesta por una pila de dos capas de refuerzo, compuestas casi exclusivamente por hilos de alta tenacidad, por ejemplo, de vidrio, atrapando una capa aireada entre ellas, formada por hilos sintéticos ondulados relativamente finos. Esta capa central, que forma el núcleo de la pila, está por lo tanto relativamente perforada y permite el paso de la resina entre las dos capas de refuerzo, que son mucho menos permeables a la resina.

Esta solución, si presenta grandes ventajas, tiene, sin embargo, el inconveniente de generar zonas de acumulación de resina que presentan propiedades mecánicas claramente inferiores a las capas externas, y esto tanto más cuanto que el material fibroso que constituye el alma no está compuesto de hilos de alta tenacidad.

El solicitante ha propuesto una solución alternativa dedicada a la infusión en el documento FR 2870861. Esta solución, derivada de la anterior, consiste en utilizar un tejido de poliéster como núcleo.

El solicitante también ha propuesto otra solución en el documento EP 0672776.

En esta solución, las telas fibrosas se componen de estructuras unidireccionales que comprenden hilos de alto conteo y alta tenacidad. Cada una de estas capas está deformada de modo que los hilos de trama presentan una inclinación que no es perpendicular a la dirección de la urdimbre. Varias de estas capas están asociadas, combinando diferentes inclinaciones de los hilos de refuerzo.

Este montaje se realiza sin insertar capas de núcleo para facilitar la fluencia. Es la inclinación de los distintos hilos de las láminas superpuestas lo que permite que la resina fluya. Esta solución, si tiene la ventaja de no incluir materiales fibrosos distintos de los de las capas de refuerzo, tiene sin embargo la desventaja de una permeabilidad relativamente baja a la resina en la dirección de la cadena.

El documento WO 2009/140244 A describe un complejo textil de refuerzo utilizado para el refuerzo de un neumático que comprende una capa intermedia que comprende un conjunto de hilos de trama y un conjunto de hilos de urdimbre asociados en pares, en donde cada par comprende dos hilos de diferente tipo, al menos uno de los cuales se basa en hilos de alta tenacidad, estando los dos hilos del mismo par tejidos con los hilos de trama en un tejido de gasa. Por lo tanto, se entiende que es necesario lograr un compromiso entre el rendimiento mecánico de los materiales compuestos obtenidos y la velocidad de fluencia de la resina.

Divulgación de la invención

Por lo tanto, la invención se propone proporcionar una solución que tenga una buena permeabilidad longitudinal a la resina para una fácil impregnación durante el proceso de infusión, combinada con un alto rendimiento mecánico para el compuesto obtenido.

Para ello, la invención se refiere al uso de un complejo textil de refuerzo que comprende un apilamiento de capas textiles que comprende una capa intermedia como capa de refuerzo para la fabricación de materiales compuestos mediante técnicas de infusión de acuerdo con la reivindicación 1.

Esta capa intermedia incluye:

• un juego de hilos de trama;

• y un juego de hilos de urdimbre asociados por pares, en donde cada par comprende dos hilos de diferente tipo, al menos uno de los cuales se basa en hilos de alta tenacidad, siendo los dos hilos del mismo par tejidos con hilos de trama según un tejido sin gasa.

Es decir, la invención consiste en producir una capa intermedia que tenga buenas propiedades mecánicas, debido a que está hecha de hilos de alta tenacidad, y que tenga buena permeabilidad a la resina en el sentido de la urdimbre y/o de la trama. Esta capa actúa así como un “escurridor interno estructural”, combinando así las ventajas en términos de permeabilidad de un escurridor interno sintético y las características mecánicas cercanas a un refuerzo estándar.

En efecto, la configuración del paso de gasa con dos hilos de diferente naturaleza hace que algunos de estos hilos, a saber, los hilos de alta tenacidad, tengan atrapamiento limitado o incluso nulo, y definen entre ellos canales en los que la resina puede moverse fácilmente.

Estos canales se definen mejor porque parte de los hilos de urdimbre, es decir, los hilos de alta tenacidad, están todos en el mismo lado de la capa de trama. Solo los hilos de urdimbre del segundo tipo garantizan que los hilos principales se mantengan unidos.

El bajo atrapamiento de los hilos de urdimbre de alta tenacidad es tanto más importante cuanto que la diferencia de tensión entre los dos tipos de hilos de urdimbre es grande. También es, en menor medida, una función de la diferencia de recuento entre estos dos tipos de hilo. De hecho, esto hace posible trabajar con diferencias de tensión en los dos tipos de hilos de urdimbre, de modo que el hilo de menor valor resista el mayor desorden.

En la práctica, es posible modular las propiedades de refuerzo de la capa de drenaje mediante el uso de hilos de trama que también son de alta tenacidad, lo que confiere un refuerzo bidireccional, en la dirección de la urdimbre y también en la dirección de la trama. Sin embargo, en algunas aplicaciones, puede resultar útil utilizar únicamente hilos de alta tenacidad en la dirección de la urdimbre.

En cuanto a los hilos de urdimbre, los hilos del segundo tipo, es decir, los del título más bajo, pueden ser de diferentes tipos, a saber, hilos sintéticos orgánicos o incluso hilos de alta tenacidad similar a los hilos principales. En este último caso, toda la capa característica se puede producir a base de hilos de alta tenacidad, lo que puede ser ventajoso para determinadas propiedades de compatibilidad o de resistencia al calor, aunque el hilo del segundo tipo no participa en la resistencia mecánica del producto.

Debido a la construcción de esta capa, las propiedades mecánicas del refuerzo en la dirección de la urdimbre y la trama se pueden ajustar muy finamente, seleccionando las masas superficiales de los hilos de trama y urdimbre en consecuencia.

En el caso de que el peso por unidad de área de los hilos de trama sea sustancialmente igual al de los hilos de urdimbre, el refuerzo está sustancialmente equilibrado. Esto hace posible crear canales no solo en la dirección de la urdimbre, sino también en la dirección de la trama, por lo tanto con una permeabilidad significativa en ambas direcciones. Sin embargo, en el caso en el que la permeabilidad solo necesite ser alta en una dirección, a saber, la dirección de la urdimbre, se pueden usar hilos de trama de título inferior.

La influencia de los hilos de ligamento, es decir, de los hilos de urdimbre del segundo tipo, puede reducirse en la medida en que la masa por unidad de superficie de los hilos de urdimbre del primer tipo sea superior a ocho o al menos tres o cuatro veces la de los hilos de urdimbre del segundo tipo.

La capacidad de fluencia de la resina se puede modular de acuerdo con el ancho de los canales definidos entre los hilos principales. Así, en un primer caso, es posible prever que estos canales entre hilos sean del orden de magnitud del ancho de un hilo. Por lo tanto, el paso entre los hilos de la urdimbre (y la trama) puede ser entre dos y tres veces el ancho de uno de estos hilos.

También es posible proporcionar canales de mayor ancho, proporcionando un paso entre los hilos que sea mayor, por ejemplo, cuatro veces el ancho de un hilo.

En la práctica, el tamaño de los canales entre los hilos de urdimbre de mayor número puede ser ventajosamente entre 0,5 y 3 mm para una buena permeabilidad en la dirección de la urdimbre. De hecho, por debajo de 0,5 mm el espacio no es suficiente para permitir el paso de la resina y por encima de 3 mm, existe un fenómeno de superposición de los refuerzos durante el vacío. Se puede observar así que las estructuras textiles colocadas a cada lado del tejido de drenaje pueden obstruir los canales con la aplicación de vacío y reducir la permeabilidad del producto.

Esta capa intermedia se puede combinar con una o más capas adicionales para aumentar la capacidad de fluencia. Preferiblemente, estas capas adicionales están hechas de hilos de alta tenacidad idénticos a los de las capas de refuerzo del complejo. Puede ser por ejemplo un velo, o una estera de fibras de vidrio, que por su volumen facilita el paso de la resina durante el moldeo, y mejora el efecto drenante de la característica capa intermedia, sin añadir material sintético. El uso de una estera de vidrio también mejora la isotropía del complejo, al atenuar la anisotropía inducida por las direcciones de los hilos de refuerzo de la capa de drenaje estructural. Es posible agregar una capa adicional en un lado de la capa intermedia, o dos capas adicionales, una a cada lado de la capa intermedia, con composiciones iguales o diferentes de una capa adicional a la otra. Por supuesto, esta capa adicional puede estar compuesta por una pila de capas elementales si es necesario.

Tal capa intermedia exhibe propiedades de alta permeabilidad al menos en una dirección, combinadas con altas propiedades mecánicas. Por lo tanto, puede combinarse mediante laminación con tantas capas de refuerzo como sea necesario. En pilas con un gran número de capas de refuerzo, puede sustituir a una capa de refuerzo ganando el efecto de drenaje y manteniendo un buen nivel de rendimiento mecánico. Esta complejización puede realizarse mediante cosido, pegado o punzonado, eventualmente en ensamblaje con una o varias redes superficiales.

Breve descripción de las figuras

La forma de llevar a cabo la invención, así como las ventajas que se derivan de la misma, se desprenderán de la descripción de las realizaciones que siguen, en apoyo de las figuras adjuntas en las que:

La Figura 1 es una vista superior de una estructura textil que forma la capa intermedia de drenaje de un complejo según la invención.

Las Figuras 2 y 3 son vistas en sección respectivamente a lo largo de los planos II-II' y MI-MI' de la Figura 1.

La Figura 4 es una vista en sección de un complejo según la invención, que incluye la capa intermedia de la Figura 1.

Forma de realizar la invención

En general, la capa intermedia de drenaje y estructuración como se ilustra en la Figura 1 comprende hilos de trama 2 e hilos de urdimbre 3, 4. Los hilos de trama 2 están dispuestos en paralelo y casi no tienen arrastre. Los hilos de urdimbre 3, 4 están asociados por pares.

El tejido se realiza utilizando un tejido sin gasa entre los dos hilos de urdimbre 4 y 3, por un lado, y el hilo de trama 2, por otro lado. Los dos hilos de la urdimbre 3,4 se entrecruzan alrededor de la trama.

Debido a la diferencia de tensión entre los dos tipos de hilos de urdimbre, y su diferencia de título, se obtiene una configuración en la que los hilos de urdimbre 3 del primer tipo descansan sobre la capa de hilos de trama 2. Cada hilo de urdimbre 4 del segundo tipo pasa, por lo tanto, bajo un hilo de trama 2 y sobre el hilo de urdimbre 3, alternativamente en un lado y en el otro del hilo de urdimbre principal 3 con el que está asociado.

Así, como se ilustra en la Figura 2, los principales hilos de urdimbre 3 están todos dispuestos en el mismo lado de la capa de hilo de trama 2, y los hilos de urdimbre 4 del segundo tipo, es decir, del título más bajo, pasan de un lado de la estructura al otro, con un alto grado de relieve.

Por supuesto, las proporciones de los diferentes hilos mostrados en las Figuras se dan solo como ejemplo, y los diversos hilos pueden diferir en la realidad de esta representación.

También es posible modular el número de hilos por unidad de longitud, en la dirección de la urdimbre y la dirección de la trama para ajustar las propiedades mecánicas del futuro refuerzo así como la capacidad de fluencia de la resina.

Se han producido así varios ejemplos de implementación práctica.

Ejemplo 1

• hilo de trama 2: hilo de vidrio de 1200 tex, con un gramaje de 468 g/m2;

• hilo de urdimbre 3 del primer tipo: hilo de vidrio de 1200 tex, con un gramaje de 438 g/m2;

• hilo de urdimbre 4 del segundo tipo: hilo de poliéster de 28 tex, con un gramaje de 16 g/m2;

• paso entre hilos de trama, 1 mm

• paso entre hilos de urdimbre: patrón repetido con dos hilos separados por 4 mm y luego 4 hilos separados por 0,5 a 0,7 mm.

Ejemplo 2

• hilo de trama 2: hilo de vidrio de 600 tex, con un gramaje de 240 g/m2;

• hilo de urdimbre del primer tipo 3: hilo de vidrio de 600 tex con un gramaje de 240 g/m2;

• segundo hilo de urdimbre tipo 4: hilo de poliéster de 28 tex con un gramaje de 20 g/m2;

• paso entre hilos de trama: 1,5 mm (aproximadamente)

• paso entre hilos de urdimbre: 1,5 mm (aproximadamente)

Ejemplo 3

• hilo de trama 2: hilo de vidrio de 600 tex, con un gramaje de 276 g/m2;

• hilo de urdimbre del primer tipo 3: hilo de vidrio de 1200 tex con un gramaje de 280 g/m2;

• segundo hilo de urdimbre tipo 4: hilo de poliéster de 28 tex con un gramaje de 8 g/m2.

En este ejemplo, los hilos de vidrio 2 en la trama son más delgados, pero están dispuestos con un paso más pequeño, para formar una separación del orden de un milímetro, correspondiente a la anchura de un hilo de trama. Ejemplo 4

• hilo de trama 2: hilo de vidrio de 600 tex con un gramaje de 276 g/m2;

• hilo de urdimbre del primer tipo 3: hilo de vidrio de 600 tex con un gramaje de 240 g/m2;

• hilo de trama del segundo tipo 4: hilo de poliéster de 28 tex con un gramaje de 18 g/m2;

• paso entre hilos de trama: 1 mm;

• paso entre hilos de urdimbre: 1,5 mm.

Las propiedades de estos diversos ejemplos se midieron con respecto a un complejo de referencia, construido de acuerdo con las enseñanzas de la patente FR 2870861, que comprende dos capas de refuerzos de referencia compuestos por una tela de vidrio de 500 g/m2 y un núcleo de drenaje de referencia confeccionada en un punto de urdimbre a base de un hilo de poliéster de 110 dtex, con un peso total de 110 g/m2.

El rendimiento de estos cuatro ejemplos se puede resumir en la siguiente tabla:

La permeabilidad es una característica física que representa la facilidad de un material para permitir la transferencia de fluidos a través de una red conectada. La ley de Darcy permite relacionar un caudal con un gradiente de presión aplicado al fluido gracias a un parámetro característico del medio atravesado, a saber, la permeabilidad k.

La ley de Darcy se expresa mediante: con:

- k la permeabilidad (en m2),

- Q el flujo a través de la muestra de prueba (en m/s),

- S la sección de la probeta (en m2),

- n la viscosidad dinámica del fluido (en Pa.s)

- Ap la caída de presión medida entre los extremos de la probeta (en Pa)

- y AL la longitud de la probeta

La permeabilidad se puede medir a lo largo de 3 ejes. La permeabilidad indicada en la tabla anterior corresponde a la permeabilidad medida en el plano de la armadura, según la dirección de la cadena.

Las propiedades drenantes de esta capa característica se pueden expresar en complejos utilizados para fabricar piezas compuestas. Dichos complejos incluyen una pluralidad de capas de refuerzo elegidas por sus propiedades mecánicas. Así, como se ilustra esquemáticamente en la Figura 4, la capa de drenaje 1 puede integrarse dentro de una pila de varias capas de refuerzo 11-16 producidas tejiendo hilos de urdimbre 20 y trama 21, cuyo número y orientaciones se determinan de acuerdo con la propiedades mecánicas generales buscadas para la pieza compuesta final.

De lo anterior, se desprende que el uso de la estructura de refuerzo según la invención permite combinar ambas propiedades de refuerzo estructural con una buena permeabilidad, permitiendo así obtener un refuerzo estructural drenante.

Claims (11)

REIVINDICACIONES

1. Utilización de un complejo textil de refuerzo, que comprende una pila de capas textiles, que comprende una capa intermedia (1) que comprende:

• un juego de hilos de trama (2);

• un juego de hilos de urdimbre (3, 4) asociados por pares, en donde cada par comprende dos hilos de diferente tipo, al menos uno de los cuales (3) se basa en hilos de alta tenacidad, siendo los dos hilos del mismo par tejidos con hilos de trama según un tejido “sin gasa”;

de modo que dicha capa intermedia (1) desempeña un papel drenante dentro del complejo,

como capa de refuerzo para la fabricación de materiales compuestos mediante técnicas de infusión, mediante las cuales se introduce una resina polimérica en un molde en puntos particulares, y se mueve dentro o alrededor de las capas fibrosas en la dirección de los puntos de succión para su impregnación.

2. Utilización de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque los hilos de trama (2) de la capa intermedia (1) se basan en hilos de alta tenacidad.

3. Utilización de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque los hilos de urdimbre (3) de un primer tipo presentan un tipo más elevado que los hilos de urdimbre (4) del segundo tipo.

4. Utilización de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque los hilos de urdimbre (4) del segundo tipo se basan en hilos sintéticos orgánicos.

5. Utilización de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque los hilos de urdimbre (4) del segundo tipo se basan en hilos de alta tenacidad.

6. Utilización de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el peso por unidad de superficie de los hilos de trama (2) de la capa intermedia es sensiblemente igual al peso por unidad de superficie de los hilos de urdimbre.

7. Utilización de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el peso por unidad de superficie de los hilos de urdimbre (3) del primer tipo es más de tres, preferiblemente cuatro veces mayor que el de los hilos de urdimbre (4) del segundo tipo.

8. Utilización de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el paso entre los hilos de trama y/o de urdimbre está comprendido entre dos y tres veces el ancho de un hilo de trama.

9. Utilización de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizada porque el paso entre los hilos de trama y/o de urdimbre es superior a cuatro veces el ancho de un hilo de trama.

10. Utilización de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque comprende al menos una capa formada por una estera de fibras, en contacto con la capa intermedia.1

11. Utilización de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizada porque la capa formada por la estera de fibras es de un material idéntico al de las capas de refuerzo.