ES2955324T3 - Procedimiento para la producción de espumas rígidas de poli(metacrilato de metilo) como materiales del núcleo en álabes de centrales eólicas y en la construcción de embarcaciones - Google Patents
Procedimiento para la producción de espumas rígidas de poli(metacrilato de metilo) como materiales del núcleo en álabes de centrales eólicas y en la construcción de embarcaciones Download PDFInfo
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Abstract
La invención se refiere al uso de espumas rígidas a base de PMMA como material central en componentes tipo sándwich en palas de rotores de turbinas eólicas y en la construcción de barcos. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Procedimiento para la producción de espumas rígidas de poli(metacrilato de metilo) como materiales del núcleo en álabes de centrales eólicas y en la construcción de embarcaciones
Campo de la invención
La invención se refiere a un procedimiento para producir espumas rígidas basadas en poli(metacrilato de metilo) en componentes sándwich para uso en centrales eólicas y en la construcción de embarcaciones con una temperatura de transición vítrea Tg superior a 110 °C, determinada mediante medición de DMTA según la Norma ISO 6721-7, caracterizado porque que la composición de producto de polimerización cargada con agente de expansión se esponja para formar un material de espuma con un tamaño de poro promedio en el intervalo de 50 a 300 um, medido de acuerdo con la Norma ASTM D3576.
Estado de la técnica
Los materiales compuestos sándwich se componen de un material del núcleo y capas de cubierta aplicadas sobre el mismo. En general, estos materiales compuestos tipo sándwich se caracterizan por presentar una alta rigidez de los componentes con un bajo peso. En este caso, el material del núcleo debe cumplir distintos requisitos, p. ej., debe estar firmemente unido con las capas de cubierta para poder transferir fuerzas de cizallamiento. Además, el material del núcleo debería presentar una densidad lo más baja posible.
Los materiales del núcleo utilizados con frecuencia son espumas rígidas debido a su baja densidad.
Para producir los materiales compuestos tipo sándwich, normalmente se aplica una capa de cubierta al material del núcleo y se impregna con resina, o se aplican materiales textiles impregnados con resina pero aún no curados (material preimpregnado). En una segunda etapa, la resina en las capas de cubierta cura, teniendo también lugar la unión con el material del núcleo. El curado tiene lugar a temperaturas y presiones elevadas para tener las capas de cubierta libres de defectos y garantizar una buena unión de la capa de cubierta con el material del núcleo. En este caso, la resina de las capas de cubierta se une al material del núcleo a través de diferentes mecanismos. Puede producirse una adherencia/cohesión o enlace químico de la resina a las capas de cubierta. Además, la resina, que todavía posee una cierta fluidez antes del curado, también puede fluir hacia las celdillas superficialmente abiertas del núcleo de la espuma y, por consiguiente, conducir a una unión entre la capa de cubierta y el material del núcleo ("engranaje") por medio de arrastre de forma después del curado.
Cuanto más altas sean las temperaturas y presiones utilizadas al curar las capas de cubierta, tanto más rápido puede tener lugar normalmente el curado.
Los materiales compuestos tipo sándwich arriba descritos se utilizan ampliamente en la construcción de palas de centrales eólicas, así como en la construcción de embarcaciones. Los materiales del núcleo utilizados en estos sectores son principalmente espumas rígidas debido a su baja densidad. En particular, las espumas a base de PVC y PET se utilizan para estas aplicaciones. Ejemplos de ellas son AirexC70.55 (PVC), AirexT10.100 (PET) de 3A Composites, GPET115 (PET) de GURIT, Divinicell H de DIAB o ArmaFORM (PET) de Armacell.
Es importante en este caso que se deben lograr determinadas resistencias a la compresión y resistencias al calor para posibilitar el proceso de fabricación de los componentes. Dado que las resistencias mecánicas de las espumas hechas del mismo polímero base disminuyen con la densidad, solo se pueden emplear densidades hasta cierto límite inferior, dependiendo del polímero base de las espumas. En el caso de las espumas a base de PET, este límite inferior se encuentra en aprox. el doble de la densidad de las espumas a base de PVC. Aquí, las espumas a base de PVC poseen claras ventajas frente a las espumas de PET. Con respecto a los costos de los materiales del núcleo, por otro lado, las espumas de PET poseen ventajas frente a las espumas de PVC.
El documento EP 3075770 da a conocer un procedimiento según el preámbulo de la reivindicación 1. Demuestra que se producen nuevas láminas de espuma de PMMA de poros finos con muy buenas propiedades. En particular, se describen espumas de PMMA de poros finos con un tamaño de poro medio inferior a 500 gm y una densidad inferior a 250 kg/m3.
No se describe material del núcleo alguno que también permita temperaturas del proceso más altas con baja absorción de resina.
Otro factor para el peso del componente final del material compuesto tipo sándwich es la absorción de resina de las espumas. Por absorción de resina se entiende la entrada de la resina todavía líquida de las capas de cubierta en los poros abiertos superficialmente antes del curado. Esta absorción de resina es necesaria para que haya un arrastre de forma y, por lo tanto, una buena adherencia de las capas de cubierta al material del núcleo. Es ventajoso que los poros abiertos más superiores de la espuma absorban solo la menor cantidad de resina necesaria para una buena unión, ya que la resina contribuye innecesariamente al peso total de los componentes finales debido a su alta densidad.
Misión
Como se describió arriba, los materiales del núcleo estándares utilizados en los álabes de centrales eólicas, así como en la construcción de embarcaciones son espumas rígidas a base de PVC o bien PET. Sin embargo, estas espumas rígidas presentan a veces claras desventajas.
Una desventaja en el caso de ambas espumas consiste en la alta absorción de resina. Esto conduce a que la espuma absorba una cantidad innecesariamente grande de resina, lo que por un lado conduce a costes innecesariamente elevados debido a la resina utilizada y, por otro lado, aumenta el peso final del componente.
Otra desventaja de las espumas de PET y PVC para estas aplicaciones es que las posibles temperaturas de procesamiento en el proceso de fabricación del material compuesto tipo sándwich se limitan a aprox. 80 °C, ya que por encima de estas temperaturas las propiedades mecánicas de las espumas rígidas de PET y PVC disminuyen claramente y ya no permiten un proceso de producción de alta calidad (deformación del material del núcleo).
Por lo tanto, el cometido era encontrar un material del núcleo para las aplicaciones arriba mencionadas que a) poseyera una menor absorción de resina para ahorrar costos y peso, así como b) que también permitiera temperaturas de proceso más altas al mismo tiempo.
Solución
El problema se resolvió proporcionando un procedimiento para producir espumas rígidas basadas en poli(metacrilato de metilo) en componentes tipo sándwich para uso en centrales eólicas y en la construcción de embarcaciones con una temperatura de transición vítrea Tg superior a 110 °C, determinada mediante medición de DMTA (siglas inglesas de análisis térmico mecánico dinámico) según la Norma ISO 6721 -7 (fecha de emisión 08-2005), caracterizado porque la composición de producto de polimerización cargada con agente de expansión se esponja para formar un material de espuma con un tamaño de poro promedio en el intervalo de 50 a 300 jm , medido de acuerdo con la Norma ASTM D3576 (fecha de emisión de 2015).
Se encontró que las espumas rígidas basadas en poli(metacrilato de metilo) (PMMA) cumplen con los requisitos anteriores de baja absorción de resina, así como temperaturas del proceso más altas en comparación con los sistemas de la competencia, las espumas de PET y PVC. Fue particularmente sorprendente en este caso que la unión de la capa de cubierta fuera muy buena a pesar de una absorción de resina significativamente menor en el caso de las espumas de PMMA.
Una baja absorción de resina inferior a 0,03 g/cm2, medida según VARI (siglas inglesas de infusión de resina asistida por vacío), distingue a la espuma rígida según la invención de los sistemas de la competencia a base de PET y PVC.
Con la presente invención se proporcionan espumas a base de PMMA que presentan un tamaño de poro total en el intervalo de 50-300 |jm y una densidad de la espuma de 30-500 kg/m3, preferiblemente menos de 250 kg/m3, medida según la Norma DIN EN ISO 1183 (fecha de emisión 04-2013).
Un procedimiento adecuado para la producción de espumas de PMMA, en el que la producción de las espumas tiene lugar por polimerización tal como, por ejemplo, una polimerización en placa de mezclas monoméricas que contienen predominantemente MMA, o bien un jarabe a base de un polímero que consiste predominantemente o en su totalidad en MMA y una mezcla monomérica compuesta predominantemente o en su totalidad de MMA en presencia de un agente de expansión que no es gaseoso en condiciones de polimerización y un agente de nucleación, se describe, por ejemplo, en el documento EP 3277748. En una segunda etapa, la lámina de PMMA obtenida de esta manera, que ha sido completamente polimerizada y cargada con agente de expansión, se esponja mediante calentamiento, formándose poros pequeños y uniformes mediante la adición del agente de nucleación.
Este procedimiento se caracteriza particularmente porque en el caso del agente de nucleación se trata de partículas de óxido de silicio con un diámetro de entre 4 y 1000 nm. La composición contiene en este caso 0,01 a 2,0 % en peso, preferiblemente 0,2 a 1,5 % en peso, de uno o más iniciadores, 2 a 20 % en peso, preferiblemente 3 a 15 % en peso de uno o más agentes de expansión, 0,2 a 10 % en peso, preferiblemente 0,5 a 8 % en peso de las partículas de óxido de silicio con un diámetro entre 4 y 1000 nm, preferiblemente entre 5 y 500 nm y 70 a 97,79 % en peso, preferiblemente 75 a 97,8 % en peso de una mezcla formadora de polímeros, en donde esta mezcla formadora de polímeros se compone en al menos un 75 % en moles de metacrilato de metilo (MMA) o bien unidades repetitivas de MMA y 0 a 80 % en peso, preferiblemente 0 a 50 % en peso, puede estar presente como polímero y/u oligómero. Esta composición se polimeriza primero a una temperatura entre 20 °C y 100 °C, preferiblemente entre 30 °C y 70 °C y, a continuación, se esponja a una temperatura entre 130 °C y 250 °C, preferiblemente entre 150 °C y 230 °C. Junto a los componentes mencionados, la composición puede contener hasta 27,79 % en peso de otros componentes. Ejemplos de estos otros componentes son, en particular, otros componentes poliméricos en los que no se trata de polímeros que contienen MMA, estabilizadores UV, cargas y pigmentos.
En el caso de las partículas de óxido de silicio se trata preferiblemente de partículas de SiO2. Sin embargo, también es posible que estas partículas no presenten exactamente la estequiometría 1 a 2. Así, en particular, en el caso de partículas muy pequeñas, pueden presentarse desviaciones de la estequiometría de hasta un 30 %. También se puede reemplazar hasta un 20 % del silicio por otros iones metálicos tales como, por ejemplo, aluminio. Lo único importante según la invención es que la relación estequiométrica de silicio a oxígeno esté entre 0,7 y 1,3 a 2 y que en el caso de los átomos que no son de oxígeno en la partícula se trate de al menos 80 % en moles de silicio. Sin embargo, también pueden prescindirse de otros agentes de nucleación tales como talco, filosilicatos, grafeno, óxido de grafito, Al2O3, partículas poliméricas inmiscibles o bien no solubles en la mezcla de monómeros y similares. Cuando el tamaño de los poros se encuentre en el intervalo descrito, también sin agente de nucleación, se puede renunciar al agente de nucleación.
Además del MMA, la mezcla formadora de polímeros puede presentar hasta un 25 % en peso de otros componentes. En el caso de estos otros componentes se puede tratar de monómeros, reguladores y/o reticulantes que pueden copolimerizarse con MMA. En este caso, MMA y los monómeros copolimerizables pueden emplearse completamente como monómeros. La composición formadora de polímeros puede contener, en particular, hasta 0,5 % en peso de reticulante y/o hasta 1,5 % en peso de regulador.
Sin embargo, en una forma de realización de la invención más fácil de manejar, el MMA y los monómeros copolimerizables también pueden estar presentes, sin embargo, como polímero y/u oligómero en una proporción de hasta 80 % en peso, preferentemente como máximo de 50 % en peso. La ventaja de un jarabe de este tipo, que consiste en monómeros y polímeros o bien oligómeros, es que presenta una viscosidad más alta que una mezcla pura de monómeros y, por lo tanto, la cantidad total de energía liberada durante la polimerización es menor.
En el caso de los monómeros que pueden copolimerizarse con MMA se puede tratar, en particular, de acrilatos, tales como, en particular, acrilato de metilo, etilo, propilo o n-butilo. La copolimerización de acrilatos estabiliza adicionalmente la espuma, especialmente a altas temperaturas de formación de espuma, ya que estas temperaturas de formación de espuma pueden estar por encima de la temperatura límite del MMA puro. Si no se incorporan comonómeros estabilizadores, es preferible un tiempo de formación de espuma más corto o una temperatura de formación de espuma correspondientemente más baja.
Otros ejemplos de comonómeros adecuados son ácido (met)acrílico, metacrilatos, tales como metacrilato de etilo, metacrilato de propilo, metacrilato de n-butilo, (met)acrilato de terc.-butilo, (met)acrilato de isopropilo, (met)acrilato de iso-butilo, estireno, (met)acrilamida, una N-alquil(met)acrilamida que tiene de uno a 12 átomos de carbono en el grupo alquilo, un (met)acrilato de hidroxialquilo que tiene de uno a 4 átomos de carbono en el grupo alquilo, un (met)acrilato de poliéter, en donde el poliéter puede presentar un peso molecular entre 200 y 5.000. Los comonómeros también pueden estar presentes en este caso como una mezcla de al menos dos de estos comonómeros. Si en el caso de estos comonómeros se tratara de (met)acrilato de n-butilo y/o (met)acrilato de n-propilo, la proporción de los mismos en la composición total no puede exceder del 3 % en peso, Si se utilizan reticulantes, se trata preferentemente de di-, tri- o tetra-(met)acrilato, de (met)acrilato de alilo, de cianurato de trialilo, de isocianurato de trialilo o de una mezcla que contiene al menos dos de estos reticulantes.
La notación (met)acrilato significa aquí tanto metacrilato tal como, p. ej., metacrilato de metilo, metacrilato de etilo, etc., como acrilato tal como, p. ej., acrilato de metilo, acrilato de etilo, etc., así como mezclas de ambos.
Si se emplean reguladores, en el caso de estos se trata preferentemente de un compuesto con uno a cinco grupos mercaptano, de un Y -terpineno o de una mezcla de al menos dos de estos reguladores. En el caso del regulador se trata de forma especialmente preferente de tetratioglicolato de pentaeritritol, 2-mercaptoetanol, un alquilmercaptano con 2 a 12 átomos de carbono, ácido tioglicólico, un tioglicolato, Y -terpineno o una mezcla de al menos dos de estos reguladores.
Un aspecto particularmente importante de la presente invención es el uso de los agentes de nucleación en la composición a espumar. Este uso de agentes de nucleación en la producción de espumas de PMMA, que es nuevo en comparación con el estado de la técnica, conduce sorprendentemente a que se obtengan espumas de PMMA con poros particularmente pequeños y uniformes, sí como uniformemente distribuidos. La fina porosidad obtenida de esta manera es de gran importancia para diversas aplicaciones. En
aplicaciones de aislamiento, el efecto de aislamiento generalmente aumenta con la disminución del tamaño de los poros de una espuma con la misma densidad y el mismo gas de las celdillas. En aplicaciones de construcción ligera en las que se aplican capas de cubierta impregnadas de resina a un núcleo de la espuma, es importante que el núcleo de la espuma absorba una baja cantidad de resina para ahorrar peso. Cuanto más finos sean los poros de la espuma de celdillas cerradas utilizada para este fin, menos resina se puede absorber.
Sorprendentemente, se encontró que en comparación con una espuma basada en una receta básica sin agente de nucleación, se puede lograr una espuma con poros significativamente más finos si se emplean partículas de óxido de silicio. Así, por ejemplo, se puede obtener una espuma de poros muy finos con AEROSIL OX50 (de EVONIK Industries AG). Sorprendentemente, también se encontró que un efecto de este tipo no se logró con otros aditivos que también
tienen potencialmente una acción nucleante tales como, p. ej., polvos de talco. Por el contrario, el uso de talco dificultó más bien una formación de espuma y se obtuvo una espuma muy poco homogénea. También el empleo de partículas de Al2O3 (AEROXIDE ALU C de la razón social EVONIK Industries AG) tampoco tuvo éxito, ya que aquí no era posible la formación de espuma. Esto demuestra que la mera introducción de partículas arbitrarias en el procedimiento aquí mostrado para la producción de espumas de PMMA no produce un refinamiento de los poros en la medida deseada, sino que, sorprendentemente, solo las partículas de óxido de silicio parecen inicialmente adecuadas para esto.
Además, las espumas de PMMA producidas de acuerdo con la invención presentan una resistencia sorprendentemente alta y al mismo tiempo una fragilidad sorprendentemente baja y, por lo tanto, pueden encontrar aplicación, p. ej., en la construcción ligera. Además, debido a las buenas propiedades del material, se puede renunciar al empleo de plastificantes tales como, p. ej., (met)acrilatos de alquilo de cadena más larga o ftalatos, que según el conocimiento actual tienen un efecto positivo en la fluidez o bien la capacidad de formación de espuma, pero al mismo tiempo influyen negativamente en las propiedades mecánicas de la espuma de PMMA, en particular la resistencia.
En el caso de los propulsores particularmente adecuados se trata de terc.-butanol, n-heptano, MTBE, metiletilcetona, un alcohol con uno a cuatro átomos de carbono, agua, metilal, urea, (met)acrilato de iso-propilo y/o (met)acrilato de terc.-butilo. En este caso, cuando se utiliza (met)acrilato de isopropilo y/o (met)acrilato de terc.-butilo, estos son simultáneamente componente de la composición monomérica enumerada y primero se polimerizan en su totalidad o en parte en los polímeros formados durante la polimerización. En el caso de la formación de espuma, se forman unidades repetitivas de ácido (met)acrílico en el polímero con eliminación de propeno o isobuteno. En una forma de realización particular, también se pueden utilizar polímeros que se han producido a partir de grandes proporciones de estos monómeros o completamente a partir de estos monómeros. Mediante el uso de comonómeros liberadores de agente de expansión, polimerizables o bien polimerizados, es posible, por ejemplo, obtener poros particularmente pequeños y regulares.
Agentes de expansión especialmente adecuados son (met)acrilato de terc.-butilo, (met)acrilato de iso-propilo, terc.-butanol, iso-propanol, terc.-butilmetiléter y poli((met)acrilato de terc.-butilo).
La polimerización tiene lugar preferiblemente en un recipiente de conformación, en particular en forma de una polimerización en cámara entre dos placas tales como, p. ej., placas de vidrio. En el caso más simple, por ejemplo, este puede ser una artesa rectangular. Posteriormente, mediante la polimerización en una artesa de este tipo se obtiene una placa, cuyo grosor se determinaba por el nivel de llenado de la artesa o bien por la distancia entre las placas. Además de ello, sin embargo, también son concebibles formas más complejas como recipiente. La polimerización tiene lugar preferentemente a una temperatura entre 30 y 70 °C. En este caso, como iniciadores de radicales generalmente conocidos tales como, por ejemplo, peróxidos o iniciadores azoicos, también pueden emplearse como iniciadores, por ejemplo, sistemas redox o iniciadores UV. En este caso, las temperaturas de polimerización inferiores a 40 °C afectan especialmente a estos sistemas redox e iniciadores UV. Los iniciadores UV se inician mediante irradiación con la luz UV correspondiente, mientras que en el caso de los iniciadores redox se trata de sistemas de dos componentes que se inician mezclando los dos componentes y los monómeros.
La formación de espuma puede tener lugar a continuación en el mismo recipiente, en cuyo caso el aumento de volumen se restringe a una dirección, el lado abierto del recipiente. Sin embargo, el material polimerizado también puede espumarse libremente. La formación de espuma tiene lugar preferentemente en un horno. Alternativamente, también es posible provocar la formación de espuma por irradiación con radiación IR, en particular con una longitud de onda de entre 0,78 y 2,20, preferiblemente entre 1,20 y 1,40 pm. Otra alternativa la representa la formación de espuma con microondas. También es concebible una combinación de diferentes métodos, tales como radiación IR, microondas y/o calentamiento en un horno.
Tanto la formación de espuma como la polimerización que ha tenido lugar previamente pueden tener lugar en cada caso en varias etapas de temperatura. En el caso de la polimerización, mediante un aumento posterior de la temperatura, también se puede aumentar la conversión y, con ello, se puede reducir el contenido de monómeros residuales. Durante la formación de espuma, la distribución de poros, el tamaño de los poros y el número de poros pueden verse influenciados aumentando gradualmente la temperatura de formación de espuma.
Opcionalmente, el procedimiento también puede llevarse a cabo de tal manera que la polimerización se lleve a cabo solo de manera incompleta, en este caso preferiblemente hasta una conversión de al menos 80 %, y la polimerización final se lleve a cabo durante la formación de espuma. Un procedimiento de este tipo tiene la ventaja de que al comienzo del proceso de formación de espuma los monómeros restantes tienen un efecto plastificante sin que quede un compuesto plastificante en la espuma acabada. Por lo tanto, en una forma de realización de este tipo, la polimerización y la formación de espuma ocurrirían en parte - a una temperatura de formación de espuma - simultáneamente.
Junto al procedimiento de acuerdo con la invención, las espumas de PMMA, que se pueden producir, por ejemplo, utilizando un procedimiento de este tipo, también forman parte de la presente invención. Una espuma de PMMA de este tipo se caracteriza porque la porción de sólidos de esta espuma presenta de 72 a 98 % en peso de un polímero que presenta al menos 75 % en moles de unidades repetitivas de MMA y 0,2 a 12,5 % en peso de partículas de óxido de silicio. Además, la espuma presenta una densidad entre 25 y 250 kg/m3, preferentemente entre 40 y 250 kg/m3,
medida según la Norma DIN EN ISO 1183, y un tamaño medio de poro inferior a 500 gm. El tamaño total de los poros es preferentemente inferior a 500 gm.
El tamaño de poro se determina sobre la base de la Norma ASTM D 3576 con las siguientes desviaciones de esta Norma: en primer lugar, no se considera un corte con cuchillo de la espuma de PMMA, sino un borde roto de la misma. Además, debido a los poros relativamente pequeños, la evaluación no se realiza con un microscopio óptico, sino mediante una medición REM. Sin embargo, en este caso el cálculo del tamaño de poro a partir de las imágenes obtenidas se ajusta a la norma.
Se da especial preferencia a las espumas de PMMA en las que el polímero consiste en MMA, un iniciador, uno o más reticulantes seleccionados de di-, tri- o tetra-(met)acrilatos, (met)acrilato de alilo, cianurato de trialilo y/o isocianurato de trialilo, y formado por uno o más reguladores.
Las espumas basadas en PMMA muestran una absorción de resina de 0,01 y 0,03 g/cm2, preferiblemente de 0,02 g/cm2 en comparación con las espumas típicas de PET y PVC, cuya absorción de resina es de 0,03-0,06 g/cm2, medida según VARI.
Al mismo tiempo, la adherencia de la capa de cubierta es excelente. Esto es sorprendente, ya que debido a los poros comparativamente pequeños y al "engranaje" asociado potencialmente peor de la espuma y la resina curada, no se esperaba una buena adherencia de la capa de cubierta.
Además, se encontró que las espumas basadas en PMMA presentan una temperatura de transición vitrea más alta que las espumas de PVC y PET. La temperatura de transición vitrea de las espumas a base de PMMA, determinada mediante la medición de DMTA según la Norma ISO 6721-7, es de al menos 110 °C, preferiblemente de al menos 130 °C. Esto, a su vez, permite temperaturas más altas durante el proceso de curado y, con ello, tiempos del proceso pueden acortarse y hacerse más rentables. Se ha encontrado que la resina puede curarse a temperaturas superiores a 110 °C, preferiblemente superiores a 120 °C en el caso de la producción de componentes tipo sándwich. Esto no es posible con las espumas convencionales, ya que a estas temperaturas ya se produce una descomposición y/o un ablandamiento.
El curado de la resina durante la producción de los componentes tipo sándwich a temperaturas > 110 °C se realiza por calentamiento de la herramienta o por irradiación.
El curado de la resina puede tener lugar en una herramienta eléctricamente caldeable o con una herramienta a través de la cual fluye un fluido (por ejemplo, vapor).
El curado de la resina mediante radiación tiene lugar mediante radiación IR o microondas. Además, es posible producir los componentes tipo sándwich según la invención bajo presión elevada. En este caso, se utilizan procesos de prensa o procesos de autoclave. En este caso, se coloca la capa de tejido en el molde, se coloca el núcleo de espuma y se coloca otra capa de tejido. Dependiendo de la variante del procedimiento se aplica una presión de > 1 bar o se aplica vacío y se inyecta o bien aspira la resina.
Las espumas rígidas a base de poli(metacrilato de metilo) se pueden utilizar en materiales tipo sándwich que están sujetos a requisitos especiales en relación con el peso. La absorción de resina reducida conduce a un bajo peso, lo que conduce a que los materiales tipo sándwich producidos con ella son especialmente adecuados para aplicaciones en las que se requiere una buena adherencia del compuesto con poco peso. Esto conduce, además, a menores costos en relación con el consumo de las resinas utilizadas. Además, las espumas de PMMA investigadas permiten temperaturas de proceso potencialmente más altas y, por lo tanto, ahorros de tiempo de proceso debido a la mayor resistencia al calor.
Las espumas rígidas basadas en poli(metacrilato de metilo) son adecuadas como materiales aislantes resistentes a la intemperie, material del núcleo para materiales compuestos tipo sándwich, en la construcción ligera, como material de embalaje, como absorbentes de energía en elementos de choque, en componentes arquitectónicos, como difusores en aplicaciones de iluminación, en la construcción de muebles, en la construcción de embarcaciones, en la construcción de vehículos, en la industria aeronáutica o en la construcción de modelos, en particular como material del núcleo en álabes de centrales eólicas.
Ejemplos de realización
Absorción de resina
Materiales utilizados:
Espuma de PVC: Airex C70.55 de la razón social 3A Composites, Steinhausen ZG (Suiza)
Espuma de PET: Airex T10.100 de la razón social 3A Composites, Steinhausen ZG (Suiza)
Espuma de PMMA: ROHACRYL55 de la razón social Evonik Resource Efficiency GmbH, Alemania
La absorción de resina de los materiales del núcleo debe determinarse experimentalmente mediante VARI (infusión de resina asistida por vacío). Para las mediciones se especifican unas dimensiones mínimas de 300 x 300 mm para los paneles de muestra.
Antes de la infusión, las dimensiones de las muestras y los pesos de las muestras deben ajustarse a una precisión de medición de ± 0,01 mm y ± 0,01 g para determinar la densidad de la muestra y el peso por unidad de superficie. Dado que la viscosidad de la resina depende en gran medida de la temperatura, la configuración del ensayo se precalienta a 30 °C para garantizar condiciones constantes. La estanqueidad de la instalación de ensayo se comprueba mediante un test de vacío, en el que se sujetan las mazarotas y las boquillas y se comprueba la pérdida de vacío después de 30 min.
Además, los componentes de la resina deben desgasificarse. Esto se hace evacuando la resina y el endurecedor al vacío a -0,8 bares y 40 °C durante 60 min. Antes de mezclar, ambos componentes deben enfriarse a temperatura ambiente para que la reacción pueda iniciarse de manera controlada. Luego se lleva a cabo una segunda ventilación del sistema de resina a -0,8 bares y 40 °C durante 10 min. Cuando finaliza el test de vacío de la configuración de ensayo, puede comenzar la infusión. Se debe hacer el vacío hasta que la resina se haya solidificado. Una vez finalizada la infusión, el sistema de resina debe curarse a 30 °C durante un mínimo de 18 horas.
Finalmente, los bordes se recortan en ángulo recto y se retiran las capas pelables. La diferencia entre el peso por unidad de superficie de la lámina de espuma seca y de la inyectada proporciona la absorción de la resina.
Los valores de absorción de resina obtenidos se muestran en la siguiente Tabla:
Adherencia de la capa de cubierta
Basándose en el ensayo de pelado en tambor estándar (Norma DIN 53295), se sujeta una lámina tipo sándwich con un saliente de la capa de cubierta en la configuración de ensayo conocida. La capa de cubierta es agarrada en el saliente con una pinza y se extrae del material del núcleo a una velocidad constante de la máquina. Se registra la fuerza requerida para ello. Proporciona información sobre la adherencia de la capa de cubierta.
En los ensayos realizados, el material de espuma falló. El hecho de que tenga lugar un fallo cohesivo en lugar de un fallo adhesivo (la separación del núcleo de espuma y la capa de cubierta en la capa adhesiva (capa de resina) es un signo de buena adherencia de la capa de cubierta.
Con ello se demuestra que la capa de cubierta tiene una adherencia adecuada al núcleo de espuma de PMMA.
En otro procedimiento de ensayo, también se mide la adherencia de la capa de cubierta.
El ensayo de tracción de la cabeza (Norma ASTM C297) parte de probetas de 50 x 50 mm. La probeta se compone de un núcleo de espuma con una capa de resina y una capa de cubierta en la cara superior e inferior. La probeta se sujeta en el dispositivo de tracción. El soporte superior se tira con una velocidad de tracción constante.
En los ensayos realizados, se tiró del núcleo de espuma hasta que falló. No se pudo detectar en la capa de resina desprendimiento alguno de la capa de cubierta del material del núcleo.
Con ello se demuestra una adherencia suficiente de la capa de cubierta.
Medición de la temperatura de transición vitrea para estimar la resistencia al calor
Los valores de Tg se determinaron utilizando mediciones de DMTA según la Norma ISO 6721-7. Se encontraron los siguientes valores:
Curado a temperatura elevada
El núcleo de espuma se inyecta, provisto de las capas de cubierta, con una resina epoxídica. El material se calienta a 110 °C en la herramienta cerrada. La reticulación se acelera por el aumento de la temperatura.
Se determinaron tiempos del ciclo relativamente cortos. En ensayos comparativos realizados a temperatura ambiente, el tiempo de curado fue de más de 24 h. El proceso de curado se puede acortar aquí a 20 minutos a una temperatura de 110 °C.
Claims (7)
1. Procedimiento para la producción de espumas rígidas basadas en poli(metacrilato de metilo) en componentes tipo sándwich para uso en centrales eólicas y la construcción de embarcaciones, siendo espumada la composición polimérica cargada con agente de expansión para formar un material de espuma con un tamaño medio de poro en el intervalo de 50 a 300 ¡um, medido según la Norma ASTM D3576, caracterizado por que el poli(metacrilato de metilo) presenta una temperatura de transición vitrea Tg superior a 110 °C, determinada por medición de DMTA según la Norma ISO 6721-7.
2. Procedimiento para la producción de espumas rígidas basadas en poli(metacrilato de metilo) según la reivindicación 1, caracterizado por que la absorción de resina del material espumado está comprendida entre 0,01 y 0,03 g/cm2, medida según VARI.
3. Procedimiento para la producción de espumas rígidas basadas en poli(metacrilato de metilo) según la reivindicación 1, caracterizado por que la resina se cura en la producción de los componentes tipo sándwich a temperaturas >110 °C por calentamiento o irradiación en una herramienta.
4. Procedimiento para la producción de espumas rígidas basadas en poli(metacrilato de metilo) según la reivindicación 3, caracterizado por que el curado de la resina tiene lugar en una herramienta caldeable eléctricamente.
5. Procedimiento para la producción de espumas rígidas basadas en poli(metacrilato de metilo) según la reivindicación 3, caracterizado por que el curado de la resina se lleva a cabo mediante radiación IR.
6. Procedimiento para la producción de espumas rígidas basadas en poli(metacrilato de metilo) según las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado por que el material de la espuma presenta una densidad de 30-500 kg/m3, medida según la Norma DIN EN ISO 1183.
7. Uso de espumas rígidas a base de poli(metacrilato de metilo) en componentes tipo sándwich producidos según las reivindicaciones 1 a 6, en donde la espuma se emplea como material del núcleo en álabes de centrales eólicas o en la construcción de embarcaciones, en la construcción ligera, como material de embalaje, como absorbedor de energía en elementos de choque, en componentes arquitectónicos, como difusor en aplicaciones de iluminación, en la construcción de muebles, en la construcción de vehículos, en la industria aeronáutica o en la construcción de modelos.
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