ES2904607T3

ES2904607T3 - Método para fabricar un artículo de material compuesto reforzado con fibras y preimpregnado

Info

Publication number: ES2904607T3
Application number: ES14171169T
Authority: ES
Inventors: Mingfu Zhang; Jawed Asrar; Klaus Friedrich Gleich; Asheber Yohannes
Original assignee: Johns Manville
Current assignee: Johns Manville
Priority date: 2013-06-11
Filing date: 2014-06-04
Publication date: 2022-04-05
Anticipated expiration: 2034-06-04
Also published as: US20160102182A1; EP2813538A1; CA2853927A1; EP2813538B1

Abstract

Un método para fabricar un producto preimpregnado prepolimerizado, comprendiendo el método: (i) formar un sustrato que contiene fibras; (ii) poner en contacto el sustrato que contiene fibras con una mezcla de resina; y (iii) retirar el medio líquido del sustrato recubierto para formar el material preimpregnado prepolimerizado, donde la mezcla de resina en la etapa (ii) incluye partículas de monómeros u oligómeros mezclados en un medio líquido que comprende agua y las partículas de los monómeros u oligómeros se aplican como recubrimiento sobre el sustrato que contiene fibras para formar un sustrato recubierto y el sustrato que contiene fibras además comprende un catalizador de polimerización para el monómero u oligómero sobre las fibras y los monómeros u oligómeros prepolimerizados comprenden un tereftalato de alquileno cíclico.

Description

DESCRIPCIÓN

Método para fabricar un artículo de material compuesto reforzado con fibras y preimpregnado

Antecedentes de la invención

Los métodos convencionales para fabricar artículos reforzados con fibras incluyen colocar fibras desnudas en un molde para la pieza y luego hacer fluir en él los precursores líquidos de un polímero termoestable. Una vez que los precursores se han infundido a través de las fibras y llenado el molde, una etapa de curado (a veces llamada etapa de endurecimiento) comienza a polimerizar el material ermoestable en una matriz polimérica que rodea las fibras. A continuación, el material compuesto reforzado con fibras se puede desmoldar y, si es necesario, conformarlo, lijarlo o procesarlo de otro modo para obtener el artículo final.

Las resinas termoestables sin endurecer que se usan para fabricar el material compuesto son generalmente baratas y humedecen eficientemente las fibras a bajas temperaturas de procesamiento. Lamentablemente, sin embargo, muchas de las resinas emiten gases irritantes y, a veces, compuestos orgánicos volátiles (COV) peligrosos. La desgasificación de los COV es especialmente preocupante durante el curado, cuando la naturaleza exotérmica de muchas reacciones de polimerización de termoestables elevan la temperatura del material compuesto y desplazan más COV a la fase gaseosa. En muchos casos, es necesario curar grandes artículos termoestables en instalaciones equipadas con equipos robustos de ventilación y depuración de aire, lo que aumenta el coste general de producción.

Los artículos termoestables también son difíciles de reparar o reciclar. Los aglutinantes termoestables endurecidos a menudo tienen un alto grado de reticulación, lo que los hace propensos a fracturas y roturas. Debido a que los termoestables normalmente no se ablandan ni se derriten con el calor, deben reemplazarse en lugar de repararse mediante soldadura. Para agravar las dificultades, la pieza termoestable irreparable normalmente no se puede reciclar en artículos nuevos, sino que debe desecharse en vertederos a un coste significativo y con un impacto adverso en el medio ambiente. Los problemas son particularmente agudos cuando es necesario reemplazar grandes piezas termoestables, como paneles de automóviles y palas de turbinas eólicas.

Debido a estas y otras dificultades, se están desarrollando sistemas de resinas termoplásticas para artículos reforzados con fibras que antes se fabricaban exclusivamente usando materiales termoestables. Los materiales termoplásticos suelen tener mayor tenacidad a la fractura y resistencia química que los termoestables. También se ablandan y se derriten a temperaturas elevadas, lo que permite a los operarios reparar grietas y soldar piezas en lugar de tener que reemplazar una pieza dañada. Quizás lo más significativo es que las piezas termoplásticas desechadas se pueden descomponer y reciclar en artículos nuevos, lo que reduce el coste de los vertidos y el estrés ambiental.

Desafortunadamente, muchos termoplásticos también tienen desafíos de producción, incluidas las altas viscosidades de flujo que causan dificultades para cargar y humedecer la resina termoplástica en las fibras. En algunos casos, el termoplástico derretido se lleva a alta temperatura, se introduce en las fibras a alta presión y, si es necesario, a alto vacío, para aumentar la tasa de infiltración. Como mínimo, estas técnicas aumentan la complejidad y el coste de producción del artículo reforzado con fibras y, a menudo, dan como resultado una matriz termoplástica que se une mal a las fibras integradas. Por lo tanto, existe la necesidad de desarrollar nuevas formulaciones de resinas termoplásticas y nuevas formas de combinar resinas termoplásticas con fibras de refuerzo. Estas y otras cuestiones se abordan en la presente solicitud.

Breve exposición de la invención

Los métodos para fabricar y usar materiales preimpregnados en la construcción de artículos compuestos reforzados con fibras se describen y definen en las reivindicaciones 1 a 15. Los presentes materiales preimpregnados se definen en las reivindicaciones 1 a 7 e incluyen resina termoplástica suministrada a un sustrato que contiene fibras como una mezcla de partículas de resina en un medio líquido. Las partículas de resina son compuestos prepolimerizados y/o parcialmente polimerizados tales como monomeros y/u oligómeros termoplásticos.

El sustrato que contiene fibras revestido con la mezcla de resina puede tratarse para formar el material preimpregnado. Las etapas de tratamiento pueden incluir eparar el medio líquido, por ejemplo, por evaporación. También pueden incluir calentar la combinación de sustrato y partículas de resina y, en algunos casos, derretirlos. Pueden incluir además polimerizar parcialmente una resina prepolimerizada mediante calor y/o catálisis.

Los materiales preimpregnados se pueden usar para fabricar artículos termoplásticos reforzados con fibras tales como piezas de automóviles, piezas de aviones y álabes de turbinas, entre otros artículos. Debido a que la resina de polímero ya está presente en los materiales preimpregnados, se debe inyectar menos o ninguna cantidad de resina termoplástica en el sustrato que contiene fibras, lo que mitiga el problema común que tienen las resinas termoplásticas para infiltrarse y humedecer las fibras del sustrato.

La mezcla de resina puede incluir partículas de resina de un tereftalato de alquileno cíclico (por ejemplo, tereftalato de butileno cíclico) en una mezcla acuosa. Las partículas de resina son insolubles en agua y pueden dispersarse en el medio acuoso, por ejemplo en forma de suspensión. La mezcla de resina también puede contener un catalizador de polimerización, que normalmente es una sal metálica (por ejemplo, una sal de estaño o titanato).

Un ejemplo de sustrato que contiene fibras es un material textil tejido (por ejemplo, fibra de carbono tejida, fibra de vidrio tejida, etc.). Después de verter, sumergir, rociar, aplicar como recubrimiento, etc., la mezcla de resina de partículas de resina en un medio líquido sobre el textil tejido, este puede calentarse para evaporar el líquido y dejar tras de sí una capa de partículas de resina. En algunas realizaciones, las partículas de resina son lo suficientemente gruesas como para permanecer cerca de la superficie del textil, mientras que, en otras realizaciones, las partículas son lo suficientemente finas como para penetrar a través de la superficie expuesta del textil. En algunas realizaciones, la cantidad de calor aplicada al textil recubierto puede ser suficiente para fundir las partículas de resina y formar un material preimpregnado de partículas de resina derretida en forma de textil. Las realizaciones adicionales incluyen un material preimpregnado de partículas de resina sin derretir o parcialmente derretidas que recubren el textil.

La presente invención incluye un método para fabricar un material preimpregnado como se define en las reivindicaciones 1 a 7. El método incluye la etapa de formar un sustrato que contiene fibras y poner en contacto el sustrato que contiene fibras con una mezcla de resina que incluye partículas de monómeros u oligómeros mezclados en un medio líquido, y las partículas se pueden aplicar como recubrimiento sobre el sustrato que contiene fibras para formar un sustrato recubierto como se define en las reivindicaciones 1 a 7. El medio líquido se puede retirar del sustrato recubierto para formar el material preimpregnado.

La presente invención incluye además un método para fabricar artículos de materiales compuestos reforzados con fibras con los materiales preimpregnados como se define en las reivindicaciones 8 a 15. El método incluye la etapa de poner en contacto un sustrato que contiene fibras con una mezcla de resina de partículas de resina dispersas en un medio líquido, donde las partículas de resina comprenden monómeros, oligómeros, como se define en las reivindicaciones 8 a 15. Las partículas de resina pueden secarse y derretirse sobre el sustrato que contiene fibras para hacer un material preimpregnado que comprende resina y el sustrato que contiene fibras. El material preimpregnado puede entonces transformarse en el artículo compuesto reforzado con fibras.

La presente invención incluye además un método para formar una mezcla de resina que incluye incorporar un tereftalato de alquileno cíclico en un medio acuoso. El tereftalato de alquileno cíclico incorporado está en forma de partículas sólidas en el medio acuoso.

La presente invención incluye además un material preimpregnado que incluye partículas de resina aplicadas como recubrimiento sobre un sustrato que contiene fibras, las partículas de resina son monómeros u oligómeros de un tereftalato de alquileno cíclico que se han aplicado como recubrimiento sobre el sustrato que contiene fibras a partir de una mezcla de resina de las partículas de resina. dispersas en un medio líquido.

Las realizaciones y características adicionales se exponen en parte en la siguiente descripción, y en parte resultarán evidentes para los expertos en la técnica tras el examen de la memoria descriptiva o se podrán aprender mediante la práctica de la invención. Las características y ventajas de la invención pueden realizarse y lograrse por medio de los instrumentos, combinaciones y métodos descritos en la memoria descriptiva.

Breve descripción de los dibujos

Puede comprenderse mejor la naturaleza y las ventajas de la presente invención con referencia a las partes restantes de la memoria descriptiva y los dibujos, en los que se utilizan números de referencia similares en los diversos dibujos para referirse a componentes similares. En algunos casos, una subetiqueta está asociada con un número de referencia y le sigue un guión para indicar uno de varios componentes similares. Cuando se hace referencia a un número de referencia sin especificar una subetiqueta existente, se pretende hacer referencia a todos esos múltiples componentes similares.

Fig. 1: es un diagrama de flujo que muestra etapas seleccionadas en un método para hacer una mezcla de resina de acuerdo con realizaciones de la invención;

Fig. 2: es un diagrama de flujo que muestra etapas seleccionadas en un método para fabricar un producto preimpregnado según realizaciones de la invención;

Fig. 3A: muestra una lámina de material textil tejido y partículas de resina que se han fabricado mediante los presentes métodos;

Fig. 3B: muestra un rollo de material preimpregnado hecho por los presentes métodos;

Fig. 4: es un diagrama de flujo que muestra etapas seleccionadas en un método para fabricar un artículo reforzado con fibras de acuerdo con realizaciones de la invención; y

Fig. 5: muestra ejemplos de artículos reforzados con fibras fabricados por los presentes métodos.

Descripción detallada

Se describen métodos para hacer ejemplos de mezclas de resina que pueden usarse para hacer ejemplos de materiales preimpregnados, que a su vez pueden usarse para hacer ejemplos de materiales compuestos reforzados con fibras. También se describen ejemplos de mezclas de resina, de materiales preimpregnados y de materiales compuestos reforzados con fibras. Las mezclas de resina pueden incluir una fase en forma de partículas de las partículas de resina dispersas en una fase continua de un medio líquido. Los materiales preimpregnados pueden incluir combinaciones de la resina con un sustrato reforzado con fibras, tal como un material textil tejido hecho de fibras de carbono o vidrio. Los materiales preimpregnados pueden conformarse y disponerse en una plantilla, molde, etc., y tratarse para formar los materiales compuestos reforzados con fibras. Los ejemplos de materiales compuestos reforzados con fibras pueden incluir palas de turbina para molinos de viento, alas para aeronaves y una variedad de otros tipos de piezas de materiales compuestos reforzados con fibras.

Ejemplos de métodos para hacer mezclas de resina

La figura 1 muestra etapas seleccionadas en un método 100 para hacer una mezcla de resina que se puede usar para formar un material preimpregnado. El método 100 incluye la etapa de proporcionar la composición de resina 102. La composición de resina puede estar hecha de monómeros prepolimerizados, oligómeros parcialmente polimerizados o alguna combinación de monómeros y/u oligómeros.

Como se indicó anteriormente, las resinas termoplásticas que se usan para hacer la mezcla de resina son oligoésteres macrocíclicos tales como tereftalatos de alquileno cíclicos. Un grupo ilustrativo de tereftalatos de alquileno cíclicos es el tereftalato de butileno cíclico (CBT). A continuación se ilustra un ejemplo de CBT, cuyo anillo incluye dos grupos butilo y dos grupos tereftalato:

Debe apreciarse que el presente CBT puede incluir grupos butilo y/o tereftalato adicionales incorporados en el anillo. También debe apreciarse que algunos ejemplos de CBT pueden tener otros restos acoplados al anillo de CBT. El CBT puede comprender una pluralidad de dímeros, trímeros, tetrámeros, etc., de tereftalato de butileno.

Cuando los monómeros y/u oligómeros de CBT se exponen a condiciones de polimerización tales como temperatura elevada (p. ej., de aproximadamente 170°C a aproximadamente 250°C) en presencia de un catalizador de polimerización, los anillos se abrirán y reaccionarán para crear un polímero de tereftalato de polibutileno lineal (PBT). La reacción de polimerización es reversible y, en determinadas condiciones, el polímero PBT se puede volver a convertir en monómeros y oligómeros cíclicos de CBT. Polímeros PBT a veces hace rerencia a la forma polimerizada de CBT o pCBT.

El método 100 también incluye la etapa de proporcionar un medio líquido 104 para la mezcla de resinas. El medio líquido puede ser un líquido a temperatura ambiente que pueda formar una suspensión de las partículas de resina sin disolver sustancialmente las partículas. Por ejemplo, cuando las partículas de resina están hechas de monómeros y/u oligómeros termoplásticos insolubles en agua, el medio líquido es agua.

El medio líquido puede incluir compuestos adicionales tales como catalizadores de polimerización, promotores de polimerización, espesantes, dispersantes, colorantes, tensioactivos, retardadores de llama, estabilizadores ultravioleta y materiales de carga que incluyen partículas inorgánicas y nanotubos de carbono, entre otros compuestos adicionales. El catalizador de polimerización puede incluir una sal y/o un ácido que puede disolverse o dispersarse parcial o totalmente en el medio líquido. Cuando las partículas de resina son monómeros u oligómeros de un tereftalato de alquileno cíclico, el catalizador de polimerización se selecciona para impulsar la polimerización de estos tipos de oligoésteres macrocíclicos. Los ejemplos de catalizadores de polimerización pueden incluir compuestos organometálicos tales como compuestos de organoestaño y/o compuestos de organotitanato. Un catalizador de polimerización específico para los monómeros y oligómeros de CBT puede ser dihidróxido de cloruro de butilestaño.

En la presente invención, los catalizadores de polimerización se incorporan a las fibras (por ejemplo, fibras de carbono, fibras de vidrio, etc.) en el sustrato que contiene fibras. Por ejemplo, las fibras de vidrio o de carbono se pueden tratar con una composición de catalizador de polimerización (por ejemplo, una composición de apresto) que recubre las fibras con el catalizador de polimerización. Cuando el material de resina entra en contacto con las fibras tratadas a la temperatura de polimerización, el catalizador de polimerización sobre las fibras facilita la polimerización de la resina en una matriz de resina polimerizada. En algunos casos, la aplicación del catalizador de polimerización sobre las fibras del sustrato que contiene fibra elimina la necesidad de incorporar el catalizador de polimerización en la resina o en el medio líquido de la mezcla de resina. Esto puede ser ventajoso cuando el catalizador de polimerización no se disuelve ni/o se dispersa fácilmente en la resina polimérica o en el medio líquido. Por ejemplo, la composición de encolado/revestimiento del catalizador de polímero puede utilizar un disolvente diferente al del medio líquido, un disolvente que, de lo contrario, sería indeseable incluir en la mezcla de resina.

El catalizador de polimerización también puede ir acompañado opcionalmente de un promotor de polimerización que acelera la velocidad de polimerización de los monómeros y/u oligómeros. Cuando las partículas de resina incluyen CBT, el promotor de la polimerización puede ser un compuesto de alcohol y/o epóxido. Los ejemplos de alcoholes pueden incluir uno o más grupos hidroxilo, tales como monoalcoholes (p. ej., butanol), dioles (p. ej., etilenglicol, 2-etil-1,3-hexanodiol, tereftalato de bis(4-hidroxibutilo), trioles y otros polioles. Los ejemplos de epóxidos pueden incluir uno o más grupos epóxido tales como monoepóxido, diepóxido y epóxidos superiores, tales como diglicidiléter de bisfenol A. También pueden incluir poliol y poliepóxidos, como poli(etilenglicol).

El método 100 también incluye incorporar la composición de resina en el medio líquido 106 para formar la mezcla de resina. Cuando la composición de resina es un monómero u oligómero termoplástico, puede incorporarse al medio líquido como un líquido, un sólido o ambos. Introducir la composición de resina como un líquido puede incluir calentar la resina hasta su temperatura de derretimiento y verter o inyectar la resina derretida en el medio líquido para formar una emulsión. En muchos casos, la resina derretida se enfría al entrar en contacto con el medio líquido, lo que hace que la resina se solidifique.

En el caso de los CBT, las resinas suelen ser sólidas a temperatura ambiente (por ejemplo, a unos 20°C) y comienzan a derretirse a unos 120°C. A alrededor de 160°C, los CBT generalmente se derriten por completo con una viscosidad líquida de aproximadamente 0,15 Pa*s (150 centipoise (cP)). A medida que los CBT derretidos se calientan más, la viscosidad puede seguir cayendo y, en algunos casos, puede alcanzar un valor de alrededor de 0,03 Pa*s (30 cP) a alrededor de 190°C. Sin embargo, la viscosidad puede comenzar a subir a medida que el CBT comienza a polimerizarse a PBT. Los intervalos de temperatura para la polimerización de CBT son generalmente de alrededor de 170°C a alrededor de 250°C, y las temperaturas más altas aumentan rápidamente la velocidad de polimerización. El punto de derretimiento del PBT polimerizado suele ser de unos 225°C.

El CBT se puede derretir a una temperatura en torno a 120-160°C e introducirse en un medio acuoso donde el CBT derretido se enfría rápidamente y solidifica dando una dispersión de partículas de resina CBT. En algunos casos, se puede añadir un catalizador de polimerización para el CBT a la mezcla de resina después de que se formen las partículas de resina para minimizar el grado de polimerización del CBT. Sin embargo, debido a que la emulsión de CBT se enfría rápidamente en el medio acuoso, se puede mezclar un catalizador de polimerización con el agua incluso antes de que se forme la emulsión. Todavía en otros casos, un catalizador de polimerización puede estar presente en la resina CBT fundida antes de formar la emulsión con el medio acuoso.

Las técnicas adicionales para incorporar la composición de resina en el medio líquido incluyen la dispersión de partículas sólidas de la composición de resina en el medio líquido. Cuando la composición de resina es un sólido a temperatura ambiente, se puede triturar, moler o conformar de otro modo en partículas dispersables que se añaden al medio líquido. Por ejemplo, fuentes comerciales de resina CBT (como CBT® fabricado por Cyclics Corporation de Schenectady NY) se venden comúnmente como gránulos que se pueden moler en partículas finas con diámetros de partícula promedio de aproximadamente 1 pm a aproximadamente 50 pm. A continuación, las partículas de CBT se pueden dispersar en un medio acuoso para formar la mezcla de resina.

Los presentes métodos para hacer la mezcla de resina también pueden incluir la adición de termoplásticos pre y postpolimerizados adicionales a la mezcla. Por ejemplo, una mezcla de resina acuosa de partículas de CBT descrita anteriormente también puede incluir partículas de PBT, así como monómeros, oligómeros y/o polímeros de otras resinas termoplásticas, tales como poliésteres, polialquilenos, poliamidas, etc.

Las mezclas de resina se pueden usar para formar productos preimpregnados que son los materiales de partida de los compuestos reforzados con fibras. Los presentes productos preimpregnados son materiales que contienen fibras que han sido preimpregnados con monómeros, oligómeros y/o polímeros termoplásticos que contribuyen a la formación de la matriz de resina en un material compuesto reforzado con fibras fabricado con los materiales preimpregnados. En algunos ejemplos, los materiales de resina en el material preimpregnado pueden curarse parcialmente para producir un material preimpregnado de "nivel B" que ha experimentado alguna polimerización del material de resina, pero requiere un curado adicional para polimerizarse completamente. En otros ejemplos, el material preimpregnado se puede fabricar a partir de monómeros y/u oligómeros termoplásticos sin curar (también conocido como "nivel A"), o polímeros termoplásticos completamente curados (también conocido como "nivel C").

Métodos ilustrativos para fabricar productos preimpregnados

La Fig. 2 es un diagrama de flujo que muestra etapas seleccionadas de un método 200 para fabricar un material preimpregnado de este tipo. El método 200 puede incluir la etapa de proporcionar un sustrato 202 que contiene fibras que se usa para fabricar el material preimpregnado. Los ejemplos de sustratos que contienen fibras pueden incluir textiles tejidos, textiles multiaxiales, textiles cosidos y textiles no tejidos, entre otros. Los textiles pueden estar hechos de uno o más tipos de fibras, tales como fibras de vidrio, fibras de basalto, fibras de carbono, fibras poliméricas (por ejemplo, fibras de aramida) y fibras naturales (por ejemplo, fibras de celulosa), entre otros tipos de fibras. Por ejemplo, los filamentos de carbono individuales pueden formar un haz, que se teje formando un textil que actúa como sustrato 202 que contiene fibras.

El método 200 también incluye proporcionar una mezcla de resina 204. La mezcla de resina se puede preparar de acuerdo con el método 100 descrito anteriormente y puede incluir una combinación de partículas de resina dispersas en un medio líquido.

El sustrato que contiene fibras puede ponerse en contacto con la mezcla de resina, y el sustrato en contacto con resina puede tratarse para formar el material preimpregnado 206. Las técnicas para poner en contacto el sustrato que contiene fibras con la resina pueden incluir aplicar la mezcla de resina al sustrato mediante pulverización, recubrimiento por cortina, recubrimiento por rotación, recubrimiento por cuchilla, recubrimiento por inmersión y/o recubrimiento por rodillo, entre otras técnicas. A continuación, el sustrato recubierto con resina se puede tratar para separar parte o todo el medio líquido de la mezcla de resina y/o derretir y curar parcialmente las partículas de resina de la mezcla.

La etapa de tratamiento 206 puede incluir calentar el sustrato en contacto con la resina en condiciones que conducen a la evaporación del medio líquido y dejan un recubrimiento de las partículas de resina sobre el sustrato de fibras. En algunos ejemplos, la temperatura de calentamiento se establece en un valor lo suficientemente alto como para evaporar el medio líquido y derretir las partículas de resina. Por ejemplo, si la mezcla de resina es una mezcla acuosa de partículas de c Bt , la temperatura de calentamiento se puede establecer en algún punto en el intervalo de aproximadamente 120-200°C, que es lo suficientemente alta como para evaporar sustancialmente toda el agua líquida y derretir las partículas de CBT sobre el sustrato para formar un material preimpregnado de resina CBT que recubre el sustrato. En otros ejemplos, la temperatura de calentamiento se puede establecer lo suficientemente alta como para comenzar a polimerizar la resina a una etapa B en la que el material preimpregnado se cura parcialmente. La etapa de tratamiento 206 también puede incluir técnicas usadas además o en lugar del calentamiento para polimerizar parcialmente la resina, como la exposición a la luz ultravioleta.

El método 200 también puede incluir etapas opcionales (no mostradas) de introducción de compuestos adicionales al sustrato y/o mezcla de resina. Por ejemplo, aunque muchas mezclas de resinas pueden ser sistemas de una parte que incluyen un catalizador de polimerización en la mezcla, en algunos casos puede ser ventajoso mantener la resina prepolimerizada separada del catalizador de polimerización hasta que entra en contacto con el sustrato que contiene las fibras. Por lo tanto, pueden introducirse independientemente en el sustrato corrientes separadas de la mezcla de resina y la mezcla o solución de catalizador. También puede ser deseable introducir partículas de resina seca directamente sobre el sustrato antes y/o después de que el sustrato entre en contacto con la mezcla de resina. Estas partículas de resina seca pueden ser iguales o diferentes de las partículas de resina en la mezcla de resina. Por ejemplo, se pueden rociar partículas de resina seca de polietileno o poliéster sobre el sustrato antes, durante o después de que una mezcla de resina de partículas de CBT entre en contacto con el sustrato.

Ejemplos de materiales preimpregnados

Las figuras 3A-B muestran algunos ejemplos de productos preimpregnados hechos usando los presentes métodos. La figura 3A muestra una hoja 302 de material textil tejido (por ejemplo, fibras de carbono tejidas, fibras de vidrio tejidas, etc.) y partículas de resina. La hoja 302 puede calentarse a la temperatura de fusión de las partículas de resina, permitiéndoles humedecer las fibras del textil tejido y producir una lámina preimpregnada que tiene una fase de resina continua.

La figura 3B muestra un rollo 304 de material preimpregnado que puede usarse como compuesto de moldeo de láminas (SMC), entre otras aplicaciones. En algunas realizaciones, el material preimpregnado puede intercalarse entre capas de película que evitan la contaminación del material preimpregnado así como la unión de capas adyacentes en el rollo. Las capas de película se seleccionan para desprenderse fácilmente del material preimpregnado cuando esté listo para usarse en la fabricación de artículos reforzados con fibra. Alternativamente, las capas de película pueden ser compatibles con el material preimpregnado e incorporarse en la pieza compuesta después del moldeo.

En algunos ejemplos (no mostrados), los materiales preimpregnados se pueden apilar en una pluralidad de capas adyacentes. Las realizaciones pueden incluir una pluralidad apilada de capas preimpregnadas unidas entre sí mediante la aplicación de adhesivo entre capas adyacentes. En realizaciones adicionales, la capa apilada de materiales preimpregnados puede unirse mediante la resina presente en cada una de las capas individuales de materiales preimpregnados sin la ayuda de adhesivos.

Métodos ilustrativos para fabricar artículos de materiales compuestos reforzados con fibras

Los materiales preimpregnados pueden usarse en métodos para fabricar un artículo reforzado con fibras como el método 400 ilustrado en la figura 4. El método 400 incluye las etapas de proporcionar un sustrato que contiene fibras 402. Como se señaló anteriormente, los ejemplos de sustratos que contienen fibras pueden incluir textiles tejidos, textiles multiaxiales, textiles cosidos y textiles no tejidos, entre otros. El sustrato puede ponerse en contacto con una mezcla de resina 404 que libera partículas de resina al sustrato. A continuación, el sustrato en contacto con la resina puede tratarse para formar el material preimpregnado 406.

-El material preimpregnado resultante se puede conformar en un artículo de material compuesto reforzado con fibras 408 a través de una variedad de técnicas. Por ejemplo, se puede moldear por compresión una sola capa o múltiples capas del material preimpregnado dando el artículo reforzado con fibras. Cuando el material preimpregnado incluye resina prepolimerizada y/o parcialmente polimerizada, el proceso de moldeo por compresión puede incluir una etapa de calentamiento (por ejemplo, prensado en caliente) para polimerizar completamente la resina. El calor también se puede usar en el moldeo por compresión de productos preimpregnados completamente polimerizados para derretir y moldear el producto preimpregnado dando la forma del artículo final.

-Los materiales preimpregnados también se pueden usar junto con otras fibras y materiales de resina para fabricar el artículo compuesto final. Por ejemplo, el material preimpregnado se puede colocar en secciones seleccionadas de una herramienta o molde para reforzar el artículo y/o proporcionar material en lugares que son dificilmente accesibles para resinas termoestables y/o termoplásticas. Por ejemplo, los materiales preimpregnados se pueden aplicar a esquinas afiladas y otras áreas altamente estructuradas de un molde o laminado utilizado en procesos de moldeo por inyección reactiva (RIM), procesos de moldeo por inyección reactiva estructural (SRIM), procesos de moldeo por transferencia de resina (RTM), procesos de moldeo por transferencia de resina asistidos con vacío (VTRM), procesos de formación por aspersión, procesos de bobinado de filamentos, procesos de moldeo por inyección de fibra larga y pultrusión, entre otros.

Los materiales preimpregnados están hechos de monómeros y/o oligómeros de CBT prepolimerizados o parcialmente polimerizados que se pueden convertir en un artículo reforzado con fibras totalmente polimerizado en condiciones de procesamiento isotérmicas. Como se indicó anteriormente, los monómeros y oligómeros de CBT tienen puntos de derretimiento que parten de tan solo 120°C y velocidades de polimerización significativas que parten de aproximadamente 170°C. Debido a que el PBT polimerizado tiene un punto de fusión más alto de alrededor de 225°C, el CBT se puede derretir y polimerizar en una matriz sólida de PBT a la misma temperatura sin una etapa de enfriamiento antes del desmoldeo. El procesamiento isotérmico del material preimpregnado (p. ej., procesamiento a una temperatura entre aproximadamente 170°C y 200°C) puede acelerar significativamente la producción del artículo reforzado con fibra, especialmente para artículos de mayor volumen que normalmente requieren períodos de enfriamiento más prolongados para el termoplástico derretido.

Artículos de materiales compuestos reforzados con fibra ilustrativos

La figura 5 muestra un ejemplo de álabe 502 de aerogenerador de material compuesto reforzado con fibras formado por los presentes materiales preimpregnados. La cuchilla 502 es uno de los muchos tipos de artículos que pueden formarse con los presentes preimpregnados. Otros artículos pueden incluir piezas de vehículos (por ejemplo, piezas de aeronaves, piezas de automóviles, etc.), piezas de electrodomésticos, contenedores, etc.

Cuando se proporciona un intervalo de valores, se entiende que también se describe específicamente cada valor intermedio expresado en décimas sobre el límite inferior, entre los límites superior e inferior de ese intervalo a menos que el contexto dicte claramente lo contrario . Se abarca cada intervalo más pequeño entre cualquier valor establecido o valor intermedio en un intervalo establecido y cualquier otro valor establecido o intermedio en ese intervalo establecido. Los límites superior e inferior de estos intervalos más pequeños pueden incluirse o excluirse independientemente en el intervalo, y cada intervalo en el que uno cualquiera de los límites, ninguno de ellos o ambos están incluidos en los intervalos más pequeños también está incluido dentro de la invención, sujeto a cualquier límite específicamente excluido en el intervalo indicado. Cuando el intervalo establecido incluye uno o ambos límites, también se incluyen los intervalos que excluyen uno o ambos de los límites incluidos.

Tal como se utiliza aquí y en las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares "un", "una" y "el" y "la" incluyen referentes plurales a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Así, por ejemplo, la referencia a "un proceso" incluye una pluralidad de tales procesos y la referencia al "electrodo" incluye la referencia a uno o más electrodos y equivalentes de los mismos conocidos por los expertos en la técnica, y así sucesivamente.

Además, las palabras "comprende", "que comprende", "incluyen", "que incluye" e "incluye" cuando se usan en esta memoria descriptiva y en las siguientes reivindicaciones tienen por objeto especificar la presencia de características, números enteros, componentes o etapas establecidas, pero no excluyen la presencia o adición de una o más características, números enteros, componentes, etapas, actos o grupos.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para fabricar un producto preimpregnado prepolimerizado, comprendiendo el método:

(i) formar un sustrato que contiene fibras;

(ii) poner en contacto el sustrato que contiene fibras con una mezcla de resina; y

(iii) retirar el medio líquido del sustrato recubierto para formar el material preimpregnado prepolimerizado,

donde la mezcla de resina en la etapa (ii) incluye partículas de monómeros u oligómeros mezclados en un medio líquido que comprende agua y las partículas de los monómeros u oligómeros se aplican como recubrimiento sobre el sustrato que contiene fibras para formar un sustrato recubierto y el sustrato que contiene fibras además comprende un catalizador de polimerización para el monómero u oligómero sobre las fibras y los monómeros u oligómeros prepolimerizados comprenden un tereftalato de alquileno cíclico.

2. El método de la reivindicación 1, en el que el contacto del sustrato que contiene fibras con la mezcla de resina comprende pulverización, recubrimiento por cortina, recubrimiento por rotación, recubrimiento con cuchilla, recubrimiento por inmersión o recubrimiento por rodillo de la mezcla de resina sobre el sustrato que contiene fibras.

3. El método de la reivindicación 1, en el que los monómeros u oligómeros prepolimerizados comprenden un tereftalato de alquileno cíclico que comprende tereftalato de butileno cíclico.

4. El método de la reivindicación 1, en el que la mezcla de resinas comprende además un catalizador de polimerización para el monómero u oligómero, y en el que al menos una parte del catalizador de polimerización permanece en el sustrato que contiene fibras tras la separación del medio líquido del sustrato que contiene fibras.

5. El método de la reivindicación 1, en el que el catalizador de polimerización comprende un compuesto de organoestaño u organotitanato.

6. El método de la reivindicación 1, en el que la mezcla de resina comprende además un promotor de polimerización para el monómero u oligómero, preferiblemente el promotor de polimerización comprende un alcohol o un epóxido, y en el que al menos una parte del promotor de polimerización permanece en el sustrato que contiene fibras después de la eliminación del medio líquido del sustrato que contiene fibras.

7. El método de la reivindicación 1, en el que la eliminación del medio líquido del sustrato que contiene fibras comprende la evaporación del medio líquido del sustrato que contiene fibrass.

8. Un método para fabricar un artículo de material compuesto reforzado con fibras, comprendiendo el método:

(i) poner en contacto un sustrato que contiene fibras con una mezcla de resina de partículas de resina dispersas en un medio líquido que comprende agua, donde las partículas de resina comprenden monómeros, oligómeros de un tereftalato de alquileno cíclico o polímeros del mismo, el sustrato que contiene fibras comprende un catalizador de polimerización para los monómeros u oligómeros sobre las fibras;

(ii) secar y derretir las partículas de resina sobre el sustrato que contiene fibras para hacer un material preimpregnado que comprende resina y el sustrato que contiene fibras; y

(iii) conformar el material preimpregnado en el artículo compuesto reforzado con fibras.

9. El método de la reivindicación 8, en el que (a) las partículas de resina comprenden monómeros u oligómeros y el material preimpregnado es un material preimpregnado prepolimerizado y la conformación del material preimpregnado prepolimerizado en el artículo compuesto reforzado con fibras comprende polimerizar la resina o (b) las partículas de resina comprenden polímeros y el material preimpregnado es un material preimpregnado polimerizado y la conformación del material preimpregnado polimerizado en el artículo compuesto reforzado con fibras comprende derretir la resina.

10. El método de la reivindicación 8, en el que el sustrato que contiene fibras comprende textiles tejidos, textiles multiaxiales, textiles cosidos o textiles no tejidos, preferentemente el sustrato que contiene fibras comprende fibras de vidrio, fibras de basalto, fibras de carbono, fibras de polímero, lo más preferiblemente las fibras de polímero comprenden fibras de aramida, o fibras naturales, lo más preferiblemente las fibras naturales comprenden fibras de celulosa.

11. El método de la reivindicación 8, en el que la mezcla de resina:

(i) se prepara formando una emulsión o dispersando las partículas de los monómeros, oligómeros o polímeros en el medio líquido y/o

(ii) además comprende un catalizador de polimerización para los monómeros u oligómeros, preferiblemente el catalizador de polimerización comprende un compuesto organometálico, lo más preferiblemente el compuesto organometálico comprende un compuesto de organoestaño o un compuesto de organotitanato, en particular el compuesto de organoestaño comprende dihidróxido de cloruro de butilestaño.

12. El método de la reivindicación 8, en el que la mezcla de resina comprende además un promotor de polimerización para los monómeros u oligómeros, preferentemente el promotor de polimerización comprende un alcohol o un epóxido.

13. El método de la reivindicación 8, en el que

(i) los monómeros u oligómeros comprenden

(a) precursores de un polímero termoplástico y/o

(b) un tereftalato de alquileno cíclico, preferiblemente el tereftalato de alquileno cíclico comprende tereftalato de butileno cíclico y

(ii) los polímeros comprenden polímeros termoplásticos, preferiblemente los polímeros comprenden tereftalato de polialquileno.

14. El método de la reivindicación 8, en el que el material preimpregnado comprende la resina de los monómeros u oligómeros aplicada como recubrimiento sobre el sustrato que contiene fibras, y además comprende un catalizador de polimerización para los monómeros u oligómeros.

15. El método de la reivindicación 8, en el que la etapa de conformar el material preimpregnado en el artículo compuesto reforzado con fibras comprende:

(i) apilar el material preimpregnado para formar al menos una parte del artículo compuesto reforzado con fibras o (ii) incorporar el material preimpregnado en un molde que define una forma para el artículo compuesto reforzado con fibras o

(iii) comprende calentar y presurizar el material preimpregnado dentro de un molde, en el que el calentamiento se realiza a una temperatura de calentamiento que derrite y polimeriza la resina del material preimpregnado.