ES2929454T3

ES2929454T3 - Método para fabricar una composición reforzada con fibras y un artículo de material compuesto reforzado con fibras

Info

Publication number: ES2929454T3
Application number: ES14192825T
Authority: ES
Inventors: Asheber Yohannes; Mingfu Zhang; Michael J Block; Klaus Friedrich Gleich; Jawed Asrar
Original assignee: Johns Manville
Current assignee: Johns Manville
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2014-11-12
Publication date: 2022-11-29
Anticipated expiration: 2034-11-12
Also published as: CA2869490A1; EP2876135A3; EP2876135B1; US20150148485A1; EP2876135A2

Abstract

Se describen métodos para fabricar composiciones de fibra-resina. El método puede incluir proporcionar una composición de resina reactiva a una extrusora, donde la composición de resina reactiva puede incluir monómeros, oligómeros o ambos, que son capaces de polimerizarse en una resina termoplástica. El método puede incluir además combinar la composición de resina reactiva con una pluralidad de fibras reactivas que también se suministran a la extrusora. La pluralidad de fibras reactivas se puede encolar con al menos un agente de polimerización y/o un agente de acoplamiento. La composición de fibra-resina se puede extruir desde la extrusora, donde la composición incluye una resina termoplástica en contacto con la pluralidad de fibras que se forman mediante la polimerización de los monómeros y/u oligómeros de la composición de resina reactiva. También se describen métodos para fabricar artículos compuestos reforzados con fibra a partir de la composición de fibra y resina. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Método para fabricar una composición reforzada con fibras y un artículo de material compuesto reforzado con fibras

Antecedentes de la invención

Para fabricar muchos tipos de artículos reforzados con fibras se prefieren plásticos termoestables debido a su facilidad de fabricación. Las resinas termoestables sin curar suelen ser líquidos de baja viscosidad a temperatura ambiente y humedecen fácilmente un tejido de fibras. Una vez que han migrado a través del tejido y rodeado sus fibras, comienza una etapa de curado (a veces llamada etapa de endurecimiento) para polimerizar la resina termoestable en una matriz polimérica. A menudo, este humedecimiento y curado tiene lugar en un molde que define la forma del artículo reforzado con fibras.

Las resinas termoestables sin curar que se utilizan para fabricar el material compuesto son generalmente económicas, pero a menudo emiten compuestos orgánicos volátiles (COV) irritantes y, a veces, peligrosos. La desgasificación de los COV es especialmente preocupante durante el curado, cuando la naturaleza exotérmica de muchas reacciones de polimerización para dar resinas termoestables elevan la temperatura del material compuesto y llevan 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 los costos generales de producción.

Los artículos termoestables también son difíciles de reparar o reciclar. Las resinas termoestables endurecidas a menudo tienen un alto grado de reticulación, lo que las hace propensas a fracturas y roturas. Debido a que las resinas termoestables normalmente no se ablandan o funden con el calor, tienen que 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 tiene que desecharse en vertederos a un costo significativo y con un impacto adverso sobre el medio ambiente. Los problemas son particularmente agudos cuando es necesario reemplazar grandes piezas termoestables, tales como paneles de automóviles y álabes 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 con resinas termoestables. Las resinas termoplásticas suelen tener mayor tenacidad a la fractura y resistencia química que las termoestables. También se ablandan y se funden a temperaturas elevadas, lo que permite a los operadores 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 los costos de los vertederos y el estrés ambiental.

Los documentos US-A-2010/203331, US-A-2010/286343 y EP2228351 describen un método para fabricar una composición reforzada con fibras y artículos de materiales compuestos reforzados con fibras, en el que se proporciona a la extrusora una composición reactiva que comprende caprolactama y fibras de vidrio reactivas aprestadas con un activador o precursor de la polimerización y/o un compuesto acoplador-iniciador, la caprolactama se polimeriza dentro de la extrusora y la composición se extruye para formar el artículo.

Desafortunadamente, muchos materiales termoplásticos también tienen retos de producción, incluidas las altas viscosidades de flujo que causan dificultades para cargar y humedecer la resina termoplástica en las fibras. En algunos casos, la resina termoplástica fundida se eleva 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 producir el artículo reforzado con fibras y, a menudo, dan como resultado una matriz termoplástica que está mal unida a las fibras de refuerzo. 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 sumario de la invención

Se describen métodos para fabricar y usar composiciones de fibra-resina extruidas en la construcción de artículos compuestos reforzados con fibras. Las presentes composiciones incluyen la combinación de composiciones de resina reactiva y fibras reactivas. La composición de resina reactiva puede fundirse y combinarse con las fibras reactivas en una extrusora. Las fibras reactivas se han aprestado con uno o más agentes de polimerización y/o acoplamiento que promueven la polimerización de la composición de resina reactiva y/o la unión de la resina polimerizada a las fibras. Las composiciones de resinas reactivas de baja viscosidad son significativamente más fáciles de humedecer y mezclar con las fibras en una extrusora en comparación con una masa fundida de resina termoplástica polimerizada.

Las realizaciones incluyen métodos para fabricar composiciones de fibra-resina según la reivindicación 1. Los métodos incluyen proporcionar una composición de resina reactiva a una extrusora, donde la composición de resina reactiva incluye monómeros y oligómeros que son capaces de polimerizar en una resina termoplástica. Los métodos incluyen además combinar la composición de resina reactiva con una pluralidad de fibras reactivas que también se suministran a la extrusora. La pluralidad de fibras reactivas se aprestan con al menos un agente de polimerización y/o de acoplamiento. La composición de fibra-resina se extruye desde la extrusora, donde la composición incluye una resina termoplástica en contacto con la pluralidad de fibras que se forman mediante la polimerización de los monómeros y oligómeros de la composición de resina reactiva.

Las realizaciones incluyen además métodos para fabricar un artículo de material compuesto reforzado con fibras según la reivindicación 8. Los métodos incluyen proporcionar una composición de resina reactiva a una extrusora, donde la composición de resina reactiva incluye monómeros y oligómeros que son capaces de polimerizar en una resina termoplástica. Los métodos incluyen además combinar la composición de resina reactiva con una pluralidad de fibras reactivas que también se suministran a la extrusora. La pluralidad de fibras reactivas se aprestan con al menos uno de un agente de polimerización y/o de acoplamiento. La composición de fibra-resina se extruye desde la extrusora, donde la composición incluye una resina termoplástica en contacto con la pluralidad de fibras que se forman mediante la polimerización de los monómeros y oligómeros de la composición de resina reactiva. La composición de fibra-resina extruida se puede conformar en el artículo de material compuesto reforzado con fibras usando procesos como el moldeo por inyección o por compresión, entre otros procesos.

Las realizaciones pueden incluir aún más composiciones de fibra-resina ejemplo y artículos compuestos reforzados con fibras fabricados a partir de las composiciones. Las composiciones de fibra-resina ejemplares pueden fabricarse a partir de la extrusión reactiva de una resina reactiva y una pluralidad de fibras reactivas. Los artículos de material compuesto reforzado con fibra pueden fabricarse a partir de composiciones de fibra-resina que forman el artículo.

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 sigue un guion para indicar uno de múltiples componentes similares. Cuando se hace referencia a un número de referencia sin especificación de una subetiqueta existente, se pretende hacer referencia a todos esos múltiples componentes similares.

La Fig. 1 es un diagrama de flujo que muestra etapas seleccionadas en un método para fabricar composiciones de fibra-resina según realizaciones de la invención;

La Fig. 2 es un diagrama de flujo que muestra etapas seleccionadas en un método para fabricar un artículo reforzado con fibra de acuerdo con realizaciones de la invención;

La Fig. 3 muestra un sistema ejemplar para fabricar compuestos de fibra-resina y artículos reforzados con fibras según realizaciones de la invención; y

La Fig. 4 muestra un ejemplo de artículo reforzado con fibras hecho de acuerdo con los presentes métodos.

Descripción detallada de la invención

La presente solicitud incluye métodos para fabricar ejemplos de composiciones de fibra-resina a partir de composiciones de resinas reactivas que incluyen masas fundidas de baja viscosidad de monómeros y oligómeros que pueden polimerizarse en una resina termoplástica que retiene las fibras adyacentes. Las composiciones de resinas reactivas de baja viscosidad son significativamente más fáciles de humedecer y mezclar con las fibras en una extrusora en comparación con una masa fundida de resina termoplástica polimerizada. Las composiciones de fibra-resina extruidas de la extrusora se pueden conformar en un artículo de material compuesto reforzado con fibras usando una variedad de técnicas de moldeo de materiales termoplásticos. A continuación se describen detalles sobre los métodos y sistemas usados para preparar las composiciones ejemplares reforzadas con fibras.

Ejemplos de métodos para hacer composiciones de fibra-resina

La Fig. 1 es un diagrama de flujo que muestra un método ejemplar 100 para fabricar las composiciones de fibra-resina. El método 100 puede incluir proporcionar una composición de resina reactiva a una extrusora 102. La composición de resina reactiva puede incluir al menos un tipo de monómero u oligómero capaz de polimerizar en una resina termoplástica. El método 100 también puede incluir combinar la composición de resina reactiva con una pluralidad de fibras que también se suministran a la extrusora 104. Dentro de la extrusora, los monómeros y oligómeros de la composición de resina reactiva pueden experimentar una polimerización in situ para formar una resina termoplástica en contacto con las fibras 106. Desde la extrusora 108 puede extruirse una composición de fibra-resina que incluye las fibras combinadas con la resina termoplástica.

La configuración de la extrusora y la técnica de extrusión pueden seleccionarse en base al tamaño y tipo de las fibras combinadas con la composición de resina reactiva en la extrusora. Por ejemplo, cuando se corta la pluralidad de fibras, se pueden usar fibras de vidrio cortas (por ej., de menos que 12,7 mm (menos que 0,5 pulgadas de longitud)) para producir la composición de fibra-resina mediante una técnica de extrusión reactiva. Cuando la pluralidad de fibras son mechas de vidrio y/o fibras de vidrio continuas, se puede utilizar una técnica de extrusión directa de resinas termoplásticas de fibra larga (D-LFT) para producir la composición de fibra-resina. A continuación se proporcionan detalles adicionales sobre cada una de estas técnicas de extrusión.

Técnicas ejemplares de extrusión reactiva

La extrusión reactiva es una técnica de extrusión versátil y de bajo costo que implica el uso de una extrusora como reactor químico. La polimerización y otras reacciones químicas asociadas con las resinas reactivas se llevan a cabo in situ mientras está en curso el proceso de extrusión, que incluye la mezcla de la composición de resina reactiva con fibras y otro material de refuerzo. Por lo tanto, la extrusión reactiva difiere de los métodos de extrusión convencionales en los que normalmente no se produce polimerización u otras reacciones químicas durante la extrusión.

Un proceso de extrusión reactiva puede comenzar suministrando fibras de vidrio cortas y la composición de resina reactiva a la extrusora. Una vez dentro de la extrusora, las fibras y la composición de resina reactiva se mezclan en condiciones que favorecen la polimerización de los monómeros y oligómeros de la composición in situ. La baja viscosidad de la masa fundida de los monómeros y oligómeros de la composición de resina reactiva facilita una excelente mezcla y humectación de la composición con la pluralidad de fibras, lo que da como resultado mejores propiedades mecánicas de los materiales compuestos.

Cuando las fibras de vidrio cortas se han aprestado con compuestos reactivos adicionales tales como agentes de polimerización y/o de acoplamiento, las condiciones en la extrusora también promueven la reacción de las fibras con los monómeros y oligómeros, la resina termoplástica naciente o ambos. Por ejemplo, un iniciador de polimerización y/o un catalizador de polimerización en las fibras puede iniciar y/o promover la polimerización de los monómeros y oligómeros y aumentar la velocidad de polimerización. Un agente de acoplamiento puede enlazar covalentemente la resina termoplástica a las fibras, mejorando las propiedades mecánicas del artículo reforzado con fibras fabricado con la composición de fibra-resina extruida reactivamente. En algunos ejemplos, la función de un agente de polimerización y un agente de acoplamiento se puede combinar en un solo compuesto, tal como un compuesto iniciador-acoplador (CI).

Técnicas ejemplares de extrusión de materiales termoplásticos de fibra larga

El moldeo directo de un material termoplástico de fibra larga (D-LFT) es una tecnología en la que la resina termoplástica se combina directamente con fibras de vidrio largas y luego se moldea en una sola operación. A diferencia de un proceso de extrusión convencional en el que se utilizan fibras cortadas, en un proceso D-LFT se alimentan a la extrusora hebras continuas mechadas. La ventaja de D-LFT es la capacidad de producir fibras de vidrio significativamente más largas en los materiales compuestos finales. En comparación con un proceso LFT estándar basado en pelets de fibra larga, el proceso D-LFT no produce material semiacabado. Cuando se usa D-LFT en moldeo por compresión o inyección, una composición de fibra de resina fundida puede transferirse a una herramienta de moldeo ubicada en una prensa de compresión o inyectarse directamente en el molde.

Los procesos LFT adicionales pueden formar pelets como una composición de fibra-resina. Los pelets tienen una longitud típica de 12,7 a 50,8 mm (0,5 a 2 pulgadas) y se producen por impregnación en una ligadura de cruceta. La composición de resina reactiva puede combinarse con fibras típicamente al final de una extrusora y luego polimerizarse aplicando calor antes de la etapa de cortar. Los pelets son materiales semielaborados que se pueden moldear en una etapa separada, tal como una etapa de compresión utilizando una plastificadora o mediante moldeo por inyección.

Tanto en los procesos LFT como D-LFT, los materiales compuestos resultantes contienen fibras de vidrio más largas de 1/2" (12 mm) hasta 2" (50 mm) de longitud. La longitud de fibra más larga combinada con una excelente humectación puede proporcionar propiedades mecánicas mejoradas, tales como mayor rigidez y resistencia, en comparación con los materiales compuestos reforzados con fibras cortas fabricados en un proceso de extrusión convencional utilizando fibras cortadas. Los materiales compuestos termoplásticos reforzados con fibras largas producidos en los procesos LFT y D-LFT son de gran interés para muchas industrias, incluida la automotriz, debido a sus excelentes propiedades mecánicas y su alta relación rigidez-peso.

Fibras ejemplares

Las fibras pueden ser uno o más tipos de fibras elegidas entre fibras de vidrio, fibras cerámicas, fibras de carbono, fibras metálicas y fibras de polímeros orgánicos, entre otros tipos de fibras. Ejemplos de fibras de vidrio pueden incluir "vidrio E", "vidrio A", "vidrio C", "vidrio S", "vidrio ECR" (vidrio resistente a la corrosión), "vidrio T" y flúor y/o derivados exentos de boro de los mismos. Las fibras cerámicas ejemplares pueden incluir óxido de aluminio, carburo de silicio, nitruro de silicio, carburo de silicio y fibras de basalto, entre otras. Las fibras de carbono ejemplares pueden incluir grafito, carbono semicristalino y nanotubos de carbono, entre otros tipos de fibras de carbono. Los ejemplos de fibras metálicas pueden incluir aluminio, acero y tungsteno, entre otros tipos de fibras metálicas. Los ejemplos de fibras de polímeros orgánicos pueden incluir fibras de poliaramida, fibras de poliéster y fibras de poliamida, entre otros tipos de fibras de polímeros orgánicos.

La longitud de las fibras puede variar desde fibras cortadas cortas a intermedias (p. ej., de aproximadamente 1,27 cm (0,5 pulgadas) o menos de longitud) hasta fibras largas (p. ej., más que aproximadamente 1,27 cm (0,5 pulgadas) de longitud), incluidas fibras continuas, mechas y fibras enrolladas, entre otras. En algunos casos, la pluralidad de fibras puede tratarse con una composición de apresto que puede mejorar las características físicas de las fibras de varias maneras, incluyendo mayor dureza, mayor resistencia mecánica, mayor humectabilidad y adhesión entre las fibras y la resina. La composición de apresto también puede mejorar la reactividad química de las fibras proporcionándoles agentes reactivos que inician y/o promueven la polimerización de la composición de resina que entra en contacto con las fibras "reactivas". Los agentes reactivos pueden incluir compuestos acopladores-iniciadores que incluyen un resto que contiene silicio que forma un enlace covalente con una superficie expuesta de la fibra de vidrio y un resto iniciador que inicia una reacción de polimerización en la composición de resina que entra en contacto con el compuesto acoplador-iniciador unido a la fibra de vidrio. En algunos ejemplos, este resto iniciador es un resto de isocianato bloqueado con caprolactama que inicia una reacción de polimerización por apertura de anillo cuando las fibras reactivas entran en contacto con monómeros de caprolactama en la composición de resina. Las fibras de vidrio reactivas ejemplares se describen en las Solicitudes de Patente de EE. UU. co-cedidas Nos.

13/335.690; 13/335.761; 13/335.793; y 13/335.813, todas presentadas el 22 de diciembre de 2011, y la Solicitud de Patente de EE. UU. No. 13/788,857, presentada el 7 de marzo de 2013.

Composiciones ejemplares de resinas reactivas

El método 100 puede incluir proporcionar una composición de resina reactiva a una extrusora 102. La composición de resina reactiva incluye monómeros y oligómeros capaces de polimerizar en una matriz de resina polimerizada que une a la pluralidad de fibras. Los ejemplos de composiciones de resinas reactivas incluyen caprolactama. La caprolactama es una amida cíclica del ácido caproico con una fórmula empírica de (CH2)5C(O)NH, que puede representarse mediante la fórmula estructural:

La caprolactama tiene un punto de fusión bajo de aproximadamente 68 °C y una viscosidad en estado fundido (4-8 cP) cercana al agua, lo que la hace muy adecuada para humedecer y mezclar con fibras de vidrio en una extrusora. Típicamente, la composición de resina reactiva que contiene caprolactama se puede introducir en la pluralidad de fibras como un líquido fundido.

Las composiciones de resinas reactivas que contienen caprolactama también pueden incluir agentes de polimerización tales como un catalizador de polimerización de caprolactama. Los ejemplos de catalizadores pueden incluir una sal de una lactama, y la sal puede ser una sal de un metal alcalino, una sal de un metal alcalinotérreo y/o una sal de Grignard de la caprolactama. Por ejemplo, el catalizador de polimerización puede ser una sal de metal alcalino de caprolactama, tal como caprolactama sódica. En otro ejemplo, el catalizador de polimerización puede ser una sal de Grignard de la caprolactama, tal como una sal de bromuro de magnesio de la caprolactama. Como se ha señalado en la discusión anterior sobre las fibras de vidrio reactivas, los agentes de polimerización también pueden estar presentes en las fibras y, en algunos casos, un agente de polimerización puede estar presente tanto en la composición de resina reactiva como en las fibras. La incorporación de un agente de polimerización en las fibras de vidrio reactivas puede reducir o eliminar su presencia en la composición de resina reactiva, lo que puede aumentar la vida útil de la composición de resina reactiva antes de aplicarla a las fibras.

Las composiciones de resinas reactivas ejemplares también pueden incluir un tipo adicional de compuestos tipo lactama, tal como laurolactama, una amida cíclica en la que el anillo heterocíclico incluye 12 átomos de carbono (C¹²H²³NO).

Los ejemplos de composiciones de resinas reactivas también incluyen oligómeros de un tereftalato de alquileno cíclico, tal como tereftalato de butileno cíclico (CBT). A continuación se ilustra un CBT ejemplar, cuyo anillo incluye dos grupos butileno 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.

Las resinas de CBT suelen ser sólidas a temperatura ambiente (por ej., aproximadamente 20 °C) y comienzan a fundirse alrededor de los 120 °C. A alrededor de 160 °C, los CBT generalmente se funden por completo con una viscosidad líquida de aproximadamente 150 mPas (150 centipoises (cP)). A medida que los CBT fundidos se calientan más, la viscosidad puede continuar cayendo y, en algunos casos, puede alcanzar aproximadamente 30 mPas (30 cP) a aproximadamente 190 °C. Los oligómeros de CBT se pueden seleccionar para que tengan un rango de temperatura de fusión de, por ejemplo, 120-190 °C.

Las composiciones de resinas reactivas que contienen CBT se pueden introducir en la pluralidad de fibras como una masa fundida. La composición de resina reactiva puede incluir compuestos adicionales tales como catalizadores de polimerización, promotores de polimerización, espesantes, dispersantes, colorantes, tensioactivos, agentes ignífugos, estabilizadores ultravioleta y cargas que incluyen partículas inorgánicas y nanotubos de carbono, entre otros compuestos adicionales. Cuando las partículas de resina son oligómeros de un CBT, 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 de organotitanato. Un catalizador de polimerización específico para los monómeros y oligómeros de CBT puede ser el butilestaño cloruro dihidróxido.

La composición de resina reactiva que contiene CBT también puede incluir 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 tipo 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 bisfenol A diglicidiléter. También pueden incluir polioles y poliepóxidos, tales como poli(etilenglicol).

Combinaciones ejemplares de resinas reactivas

Las composiciones de resinas reactivas incluyen tanto caprolactama como CBT. En algunos ejemplos, la combinación de monómeros/oligómeros puede seleccionarse para formar una suspensión de la masa fundida de monómeros/oligómeros de punto de fusión más alto en un medio líquido elaborado a partir de un monómero/oligómero de punto de fusión más bajo. Por ejemplo, se puede seleccionar una combinación de caprolactama y CBT con monómeros/oligómeros de CBT que tengan puntos de fusión significativamente superiores al punto de fusión de la caprolactama. Cuando esta combinación de resinas reactivas se calienta por encima del punto de fusión de la caprolactama, forma un medio líquido en el que están suspendidas las partículas de CBT. La aplicación de esta suspensión de resinas reactivas sobre un sustrato de fibra de vidrio puede crear una distribución no homogénea de los dos tipos de monómeros/oligómeros en la mezcla de resina y fibra.

Las composiciones de resinas reactivas adicionales incluyen combinaciones de un primer y un segundo sistema de resina que tienen diferentes temperaturas de polimerización. Esto puede permitir la formación de una composición de fibra-resina semi reactiva que contiene una resina polimerizada del primer sistema de resina que tiene una temperatura de polimerización más baja, mientras que también contiene monómeros/oligómeros no polimerizados del segundo sistema de resina que tiene una temperatura de polimerización más alta. Por ejemplo, se puede seleccionar una combinación de resinas reactivas de caprolactama y CBT de modo que el CBT tenga una temperatura de polimerización más alta que la caprolactama. Alternativamente, se puede formular una combinación de resinas reactivas de dos tipos diferentes de tereftalatos de alquileno cíclicos y/o una distribución bimodal de pesos moleculares de oligómeros de CBT que tienen diferentes temperaturas de polimerización.

Métodos ejemplares para fabricar artículos de materiales compuestos reforzados con fibras

La Fig. 2 es un diagrama de flujo que muestra un método ejemplar 200 para fabricar artículos de materiales compuestos reforzados con fibras. El método 200 puede incluir proporcionar una composición de resina reactiva a una extrusora 202. La composición de resina reactiva puede incluir al menos un tipo de monómero u oligómero capaz de polimerizar en una resina termoplástica. El método 200 también puede incluir combinar la composición de resina reactiva con una pluralidad de fibras que también se suministran a la extrusora 204. Los monómeros y oligómeros de la composición de resina reactiva proporcionada a la extrusora pueden sufrir una polimerización in situ para formar una resina termoplástica en contacto con las fibras 206. La combinación de la resina termoplástica y las fibras se puede extruir de la extrusora como una composición de fibra-resina 208. La composición de fibra-resina se puede conformar luego en el artículo 210 de material compuesto reforzado con fibras incorporándolas al artículo.

Las técnicas ejemplares para formar la composición de fibra-resina en artículos de materiales compuestos reforzados con fibras pueden incluir moldeo por inyección y/o moldeo por compresión de la composición en el artículo reforzado con fibras. Cuando la composición de fibra-resina incluye una resina prepolimerizada y/o parcialmente polimerizada, el proceso de fabricación del artículo puede incluir una etapa de calentamiento (por ej., prensado en caliente) para polimerizar completamente la resina. El calor también se puede usar en el moldeo por compresión de una composición de fibra-resina completamente polimerizada para mantener la fluidez de la composición mientras se llena un molde o se conforma de otro modo la forma del artículo final.

Como se indicó anteriormente, los ejemplos de las presentes composiciones de fibra-resina incluyen una resina termoplástica de PA-6 polimerizada y CBT no polimerizado o parcialmente polimerizado. El CBT prepolimerizado o parcialmente polimerizado se puede convertir en PBT y formar un artículo reforzado con fibras totalmente polimerizado en condiciones de procesamiento isotérmicas.

Sistemas ejemplares de fabricación de composiciones y artículos

La Fig. 3 muestra un sistema ejemplar 300 para fabricar los presentes compuestos de fibra-resina y artículos reforzados con fibras. El sistema 300 incluye un suministro de una composición de resina reactiva 302 y un suministro de fibras 304 que se pueden alimentar a una extrusora 306. Como se señaló anteriormente, los sistemas 300 pueden configurarse para aceptar fibras cortas (por ej., fibras de vidrio de corte corto), o fibras continuas. Cuando el sistema 300 está configurado para aceptar fibras cortas, la extrusora 306 está configurada para realizar un proceso de extrusión reactiva para formar la composición de fibra-resina. Alternativamente, cuando el sistema 300 está configurado para aceptar fibras continuas, la extrusora 306 está configurada para realizar un proceso LFT o D-LFT para formar la composición de fibra-resina.

La composición de fibra-resina extruida por la extrusora 306 se puede suministrar directamente a una máquina de moldeo 308 que conforma la composición en el artículo de material compuesto reforzado con fibras. Las máquinas de moldeo ejemplares 308 pueden incluir máquinas de moldeo por inyección y máquinas de moldeo por compresión, entre otros tipos de máquinas de moldeo. Se puede usar un conducto calentado (no mostrado) para mantener la composición de fibra-resina en un estado líquido/fundido mientras se transporta desde la extrusora 306 a la máquina de moldeo 308. Alternativamente, la composición de fibra-resina se puede refrigerar o enfriar cuando se mueve desde la extrusora 306 hasta la máquina de moldeo 308.

Artículos ejemplares de materiales compuestos reforzados con fibras

La Fig. 4 muestra a modo de ejemplo un álabe 402 de turbina eólica de material compuesto reforzado con fibras conformado por las tecnologías presentes. El álabe 402 es uno de los muchos tipos de artículos que pueden conformarse mediante las tecnologías actuales. Otros artículos pueden incluir piezas de vehículos (por ej., piezas de aeronaves, piezas de automóviles, etc.), piezas de electrodomésticos, recipientes, etc.

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

Tal como se utiliza en este documento y en las reivindicaciones adjuntas, las formas singulares "un", "una" y "el(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 a "la fibra" incluye la referencia a una o más fibras y equivalentes de las mismas conocidas por los expertos en la técnica, y así sucesivamente.

Además, las palabras "comprenden", "que comprende(n)", "incluyen", "que incluye(n)" e "incluye" cuando se usan en esta memoria descriptiva y en las siguientes reivindicaciones se pretende que tengan 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 una composición de fibra-resina, método que comprende:

(i) Proporcionar una composición de resina reactiva a una extrusora, en donde la composición de resina reactiva comprende (i) monómeros y (ii) oligómeros capaces de polimerizar en una matriz de resina termoplástica; (ii) Combinar la composición de resina reactiva con una pluralidad de fibras reactivas que también se suministran a la extrusora, en donde la pluralidad de fibras reactivas se apresta con al menos uno de un agente de polimerización y un agente de acoplamiento; y

(iii) Extruir la composición de fibra-resina desde la extrusora, en donde los monómeros y oligómeros se polimerizan para formar una resina termoplástica en contacto con la pluralidad de fibras en la composición de fibra-resina extruida,

en donde la composición de resina reactiva comprende monómeros de caprolactama y oligómeros de tereftalato de butileno cíclico (CBT), y la matriz de resina termoplástica comprende poliamida-6 y poli(tereftalato de butileno) (PBT).

2. El método según la reivindicación 1, en el que la pluralidad de fibras se elige entre fibras de vidrio sin cortar, fibras de vidrio largas, fibras de vidrio continuas y mechas de vidrio, preferiblemente las fibras de vidrio largas tienen una longitud de 1,27 cm (0,5 pulgadas) o más.

3. El método según la reivindicación 2, en el que la composición de resina reactiva y la pluralidad de fibras reactivas se combinan en un proceso de extrusión de resina termoplástica de fibra larga o un proceso de extrusión directa de resina termoplástica de fibra larga.

4. El método según la reivindicación 1, en el que la pluralidad de fibras se elige entre fibras de vidrio cortadas y fibras de vidrio cortas, preferiblemente las fibras de vidrio cortas tienen una longitud de 1,27 cm (0,5 pulgadas) o menos.

5. El método según la reivindicación 4, en el que la composición de resina reactiva y la pluralidad de fibras reactivas se combinan en la extrusora en un proceso de extrusión reactiva.

6. El método según la reivindicación 1, en el que el agente de polimerización comprende un catalizador de polimerización.

7. El método según la reivindicación 1, en el que el agente de acoplamiento es un compuesto acoplador-iniciador que comprende un resto iniciador que inicia la polimerización de la composición de resina reactiva y un resto de acoplamiento que enlaza covalentemente la resina termoplástica a la pluralidad de fibras.

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

(i) Proporcionar una composición de resina reactiva a una extrusora, en donde la composición de resina reactiva comprende (i) monómeros y (ii) oligómeros capaces de polimerizar en una matriz de resina termoplástica; (ii) Combinar la composición de resina reactiva con una pluralidad de fibras reactivas que también se suministran a la extrusora, en donde la pluralidad de fibras reactivas se aprestan con al menos uno de un agente de polimerización y un agente de acoplamiento;

(iii) Extruir una composición de fibra-resina desde la extrusora, en donde los (i) monómeros y (ii) los oligómeros se polimerizan para formar una matriz de resina termoplástica en contacto con la pluralidad de fibras en la composición de fibra-resina extruida; y

(iv) Conformar la composición de fibra-resina en el artículo de material compuesto reforzado con fibras, en donde la composición de resina reactiva comprende monómeros de caprolactama y oligómeros de tereftalato de butileno cíclico (CBT), y la matriz de resina termoplástica comprende poliamida-6 y poli(tereftalato de butileno) (PBT).

9. El método según la reivindicación 8, en el que la pluralidad de fibras se elige entre fibras de vidrio sin cortar, fibras de vidrio largas, fibras de vidrio continuas y mechas de vidrio, y la composición de resina reactiva y la pluralidad de fibras reactivas se combinan en un proceso de extrusión de resina termoplástica de fibra larga o en un proceso de extrusión directa de resina termoplástica de fibra larga.

10. El método según la reivindicación 8, en el que la pluralidad de fibras se elige entre fibras de vidrio cortadas y fibras de vidrio cortas, y la composición de resina reactiva y la pluralidad de fibras reactivas se combinan en un proceso de extrusión reactiva.

11. El método según la reivindicación 1 u 8, en el que el agente de polimerización comprende un catalizador de polimerización y el agente de acoplamiento comprende un compuesto acoplador-iniciador.

12. El método según la reivindicación 1 u 8, en el que al menos uno del agente de polimerización y el agente de acoplamiento presentes en la pluralidad de fibras no está presente en la composición de resina reactiva.

13. El método según la reivindicación 8, en el que al menos uno del agente de polimerización y el agente de acoplamiento presentes en la pluralidad de fibras también está presente en la composición de resina reactiva.

14. El método según la reivindicación 8, en el que la conformación de la composición de fibra-resina en el artículo de material compuesto reforzado con fibras comprende el moldeo por inyección o por compresión de la composición de fibra-resina en el artículo de material compuesto reforzado con fibras.

15. El método según la reivindicación 8, en el que el artículo reforzado con fibras comprende una pieza de vehículo o un álabe de turbina.