MX2012009461A - Metodo para producir un producto plano, semiterminado, a partir de un material compuesto de fibras. - Google Patents

Abstract

La presente invención se refiere a un método para producir un producto plano, semiterminado, a partir de un material compuesto de fibras que contiene fibras de carbono individuales, manojos de fibras de carbono o una mezcla de éstos, en una orientación definida de las fibras anisotrópicas y al menos un material matriz termoplástico. El método se caracteriza porque la anisotropía de las fibras de carbono se crea en un proceso de cardado utilizando la elevada capacidad de orientación de las fibras textiles no de carbono mezcladas, al menos algunas de las fibras textiles que no son de carbono son termoplásticas, y las fibras de carbono habiendo sido separadas del agua o partes utilizadas que contienen fibras de carbono. El material continuo fibroso, plano que se produce por medio del proceso de cardado y que tiene una orientación específica de las fibras de carbono en la dirección longitudinal se comprime en un material laminado en al menos un paso posterior bajo el efecto del calor. El método de acuerdo con la invención permite hacer uso de las fibras de carbono, por ejemplo, obtenidas de los residuos de la producción textil, residuos de producción adheridos o curados, de componentes residuales del proceso CFRP o similares, como las fibras de refuerzo, con lo cual se obtiene una materia prima menos costosa, y las fibras de carbono, los manojos de fibras de carbono o mezclas de estos que están contenidas en los materiales residuales se reciclan para una aplicación útil.

Description

MÉTODO PARA PRODUCIR UN PRODUCTO PLANO, SEMITERMINADO, A PARTIR DE UN MATERIAL COMPUESTO DE FIBRAS La presente invención se refiere a un método para producir un producto plano, semiterminado, a partir de materiales compuestos de fibras que contienen fibras y al menos material matriz termoplástico, en donde las fibras se aislan de residuos o partes utilizadas que contienen fibras, después las fibras se mezclan con las fibras termoplásticas y se colocan en una hoja en una operación de cardado, produciendo de este modo un velo de fibras, el cual se presiona con la influencia de calor para formar un material laminado en al menos un paso subsiguiente .

Las fibras de carbono se utilizan como el refuerzo de fibras para los materiales compuestos de fibras (FRP) aglomerados con un material termoplástico o material plástico termofijado. Para obtener el efecto de refuerzo máximo, esto se ha hecho previamente principalmente en la forma de materiales de fibras de carbono continuas como pueden ser hilos de filamento, hilos de multifilamentos o las llamadas mechas. Sin embargo, las fibras de carbono utilizadas como fibras cortadas tienen longitudes de fibra finitas en el intervalo de 20 mm hasta 80 mm, por ejemplo, como aquellas conocidas del campo procesamiento textil clásico, no están disponibles en mercado, aunque se podrían procesar con pocos problemas Los materiales de fibras de carbono se han utilizado como refuerzo de fibras de alto rendimiento en una forma creciente durante muchos años actualmente. Las principales aplicaciones son en la aviación, construcción de edificios, diseño automotivo y plantas de energía eólica, por ejemplo. Debido a la aplicación masiva cada vez más amplia, la cantidad de residuos de producción que contienen fibras de carbono ha aumentado junto con el volumen de partes utilizadas desgastadas. Debido a su complejo proceso de producción, las fibras de carbono son rtmy costosas. Los precios pueden ser entre aproximadamente 15 e/kg hasta aproximadamente 300 e/kg para grados especiales. Por lo tanto es deseable por razones científicas así como por razones pertenecientes a la política ambiental crear oportunidades para procesar el residuo y los materiales utilizados y para enviar el contenido de las fibras de carbono contenidas en ese residuo para nuevas aplicaciones en las cuales se puedan reemplazar al menos parcialmente las fibras de carbono primarias, costosas.

Aunque ya se han hecho intentos en la industria para volver a utilizar los residuos de producción que contengan fibras de carbono y/o moler los materiales residuales y utilizarlos por ejemplo como refuerzo en materiales plásticos o de construcción, hasta ahora solamente una pequeña fracción de este residuo se ha recolectado y comercializado realmente. Hasta ahora, no se ha desarrollado el reciclado de alta calidad para grandes cantidades de residuo que contengan fibras de carbono, por lo que se debe desechar como basura.

En la técnica anterior, las fibras de carbono primarias generalmente se producen ya sea de fibras precursoras orgánicas adecuadas, como pueden ser poliacrilonitrilo (PAN) o de fibras de viscosa mediante la pirólisis controlada, o de alquitrán, en cuyo caso primero se produce una fibra de alquitrán mediante hilado de fusión y después se oxida y carboniza. Un método correspondiente se conoce de EP1696057A1, por ejemplo, donde las fibras primarias producidas de alquitrán se procesan en placas de fibras cortas en las cuales las fibras tienen una orientación en una dirección preferida. El proceso conocido consiste en, entre otras cosas, un proceso de peinado para alinear las fibras en paralelo. Sin embargo, por último se produce un hilo a partir de un velo de fibras de carbono y de este modo se produce un producto lineal .

En principio se sabe de la técnica que un producto semiterminado, consolidado, plano, se puede producir de una tira híbrida que contenga fibras de refuerzo de longitud finita y fibras matriz termoplásticas . DE 10151761A1 describe uno de esos métodos, en el cual primero se produce una hoja cardada de las fibras matrices termoplásticas y fibras naturales, las cuales después pasan a través de un depósito, una guía y finalmente una unidad de colocación. Después del calentamiento en una zona de calentamiento y consolidación, se obtiene un producto semiterminado, plano. Este documento también menciona que fibras de carbono se pueden utilizar como fibras de refuerzo en lugar de fibras naturales.

O 94/09972 A2 describe un método para producir materiales compuestos con fibras de refuerzo discontinuas orientadas en los cuales primero se produce un velo de fibras cardando una mezcla de fibras termoplásticas y fibras de refuerzo y después una hoja de fibras se produce de esas. Después se fusionan juntas múltiples hojas de fibras para producir una fase termoplástica continua, la cual después rodea las fuerzas de refuerzo discontinuas. Este documento también menciona el uso de fibras de carbono como fibras de refuerzo, pero éstas son fibras de carbono tradicionales a partir de la producción primaria.

DE 10 2008 002846 Al describe un método para el procesamiento de residuos en el cual los productos semiterminados reforzados con fibra se reciclan. Las fibras aglomeradas en un material matriz se separan del material matriz y las fibras libres resultantes se mojan inmediatamente con un aglomerante después de esto. Sin embargo, la separación de las fibras del producto semiterminado se realiza en un horno, es decir mediante pirólisis. El producto final de este método son manojos de fibras mojadas aunque este documento no contiene ninguna información en relación con su procesamiento posterior .

DE 19845863 describe un elemento estructural que contiene mechas unidireccionales de plástico reforzado con fibras de carbono, cada uno incrustado en envueltos. Se va a obtener una gran rigidez unidireccional con estos elementos estructurales que se proporcionan para la aviación. Sin embargo, las mechas con fibras continuas se utilizan aquí. Este documento no contiene ninguna referencia al uso de fibras a partir del reciclado de productos residuales con base en fibras o partes utilizadas DE 19739486 Al describe un método para producir un producto semiterminado, plano, del material compuesto reforzado con fibras del tipo genérico definido en la introducción en la cual un material termoplástico reciclado, a saber residuo de fibras de la producción de alfombras, se mezcla con un material residual de la producción de forros de techos automotivos y después se cardan en una máquina para cardar. Las fibras termoplásticas pueden consistir en polipropileno, polietileno, nailon o PET. Estas fibras se deshilachan en tiras de hasta aproximadamente 50 mm de largo antes del procesamiento posterior. El material residual de la producción de forros de techos se deshilacha mediante rodillos que tienen elevaciones tipo aguja y se dividen en tiras. Los dos tipos de materiales de fibras residuales se mezclan y cardan en una máquina para cardar. Este documento no contiene más información con respecto a las medidas tomadas para obtener una orientación determinada de las fibras. Además, este documento tampoco contiene ninguna sugerencia para el uso de las fibras de carbono a partir del residuo.

DE 19739486 Al explica que los productos producidos de esta forma son adecuados únicamente para partes decorativas del cuerpo automotivo, incluyendo aquellas utilizadas para absorber golpes..." Las causas para estas restricciones en el uso incluyen el hecho de que en este método las fibras de vidrio y poliéster resultantes del reciclado de forros de techos se utilizan con un aglomerante termoplástico y secundariamente la técnica de cardado se utiliza únicamente para la producción de placas pero no están calificadas para una orientación determinada y alta de las fibras de refuerzo en una dirección preferencial .

El objetivo de la presente invención es tener disponible un método para producir un producto plano, semiterminado, de material compuesto reforzado con fibras del tipo definido en la introducción en la cual las fibras de carbono que están disponibles de manera no costosa se pueden utilizar como las fibras de refuerzo y un producto plano, semiterminado, que tiene un arreglo con fibras de refuerzo que es adecuado para cargas se puede poner en práctica. Ese producto plano, semiterminado debe ser adecuado en particular para la producción de partes estructurales para cargas mecánicas altas.

Este objetivo se obtiene mediante un método del tipo genérico definido en la introducción que tiene las características determinadas en la reivindicación principal .

De acuerdo con la invención se dispone que las fibras de carbono finitas, manojos de fibras de carbono o mezclas de estos se aislen de los residuos o partes utilizadas que contengan fibras, después estas fibras finitas se mezclan con fibras termoplásticas no de carbono se colocan para formar un velo plano en una operación de cardado, produciendo de este modo un velo fibroso con una orientación determinada de las fibras (en la dirección longitudinal) que después se presiona bajo la influencia de calor en al menos un paso siguiente para formar un material laminado.

Las fibras de carbono de alto rendimiento no costosas se obtienen de los procesos de reciclado y después se depositan en un producto semiterminado tipo placa junto con las fibras termoplásticas de no carbono en una dirección preferencial en una forma determinada para producir un configuración de fibras de refuerzo que es adecuada para cargas.

Las fibras de carbono son difíciles de procesar mediante las técnicas de cardado tradicionales y en particular son difíciles de alinear en una cierta dirección preferencial en un velo cardado debido a que son muy lisos y no tienen ningún pliegue. Sorprendentemente ha sido posible ahora mediante el mezclado de fibras textiles de no carbono como puede ser polipropileno aumentar el grado de orientación de las fibras en las fibras de carbono así como de forma importante y en manera definida. El grado de orientación longitudinal de las fibras de carbono en el velo cardado depende de la geometría de las fibras de no carbono adicionadas, en particular la longitud de las fibras y la cantidad adicionada, entre otras cosas. Pequeñas cantidades de fibras de no carbono, por ejemplo, aproximadamente 10% y fibras cortas de no carbono, por ejemplo, en el orden de 35-40 mm producen grados inferiores de orientación de las fibras. Las fibras largas de no carbono de más de 60 mm de longitud, por ejemplo, y cantidades de más de 30% por ejemplo producen una orientación de fibras alta de las fibras de carbono.

La utilización de fibras auxiliares para influenciar el grado de orientación de fibras de las fibras de carbono en un velo cardado en una forma determinada no se describe en ninguno de los documentos de la técnica anterior citados antes.

Las fibras de carbono se pueden extraer y separa de las partes utilizadas o residuos, por ejemplo, de las categorías del producto de géneros tejidos, géneros sin pliegues, trenzados o materiales en la forma de preformas y/o de materiales residuales o productos utilizados a partir de la categoría del producto de los materiales compuestos reforzados con fibras en una fibra gue se puede cardar y/o manojo de fibras formado en un arreglo desorganizado y con longitudes de fibra promedio y longitudes de manojo de fibras, preferiblemente en el intervalo de 20 mm hasta 150 mm, más preferiblemente de aproximadamente 40 hasta aproximadamente 70 mm. Un ejemplo de un dispositivo adecuado para separar manojos de fibras textiles en fibras individuales se describe en DE 10 2009 023641 Al, el contenido de la cual se describe en la presente como referencia. Además, el rasgado y reprocesado de los plásticos del compuesto reforzado con fibras de carbono, duros (CFRP) mediante pirólisis o tratamiento con disolvente también se conocen como procesos de separación.

De acuerdo con la invención, la mezcla más homogénea posible de las fibras termoplásticas aglomeradas y las fibras de carbono finitas, manojos de fibras de carbono o mezclas de estos preferiblemente se procesan mediante una operación de cardado para formar una placa de fibras. Las fibras de carbono están más o menos orientadas en una forma determinada, y porciones de las fibras termoplásticas se convierten por calor a un estado pegajoso, después se compactan y comprimen para formar un material plano, el cual se enfria después.

El método de acuerdo con la invención hace posible utilizar fibras de carbono, manojos de fibras de carbono o mezclas de estos, como pueden ser los obtenidos mediante la separación de los residuos de la producción textil, residuos de la producción curados o aglomerados, componentes CFRP utilizados, reprocesados, o similares de las fibras de refuerzo, un material de inicio menos costoso está disponible de este modo y las fibras de carbono contenidas en los materiales utilizados antes mencionados se pueden reciclar adecuadamente. El método de acuerdo con la invención de forma ventajosa no está limitado a residuos de géneros textiles troceados como el material de inicio. Otras formas de residuos que son generados en cantidades mucho más grandes como pueden ser productos semiterminados multicapa, aglomerados, apilados, trenzados, de géneros no plegados, o incluso residuos de CFRP totalmente curados y partes utilizadas pueden servir como ' una fuente para fibras de carbono recicladas, aisladas de estos y también se pueden utilizar en este método. Lo mismo también es verdad para las fibras recicladas separadas, manojos de fibras recicladas o mezclas de estos obtenidos a partir de procesos independientes como puede ser rasgado, un tratamiento con molino de martillo o un método de reprocesamiento térmico/químico. Estas fibras de carbono no se pueden orientar en una forma determinada y definida utilizando métodos tradicionales debido a su alto grado de separación en fibras individuales y capas y bucles no tejidos existentes en un velo. Sin embargo, el presente método hace esto posible y por lo tanto permite que las fibras, manojos de fibras de esas fuentes se procesen para impregnarse previamente con un peso uniforme por área de superficie.

En el caso de residuos de carbono o partes utilizadas impregnadas previamente con resinas adhesivas o componentes CFRP o residuos de componentes en los cuales las fibras de carbono están incrustadas en un compuesto de estado sólido, las fibras de carbono primero se liberan de las sustancias interferentes de la matriz. Por ejemplo, las técnicas de pirólisis se han utilizado para esto o los residuos son tratados con disolventes supercriticos . Estos procesos de separación producen fibras de carbono finitas, manojos de fibras de carbono o mezclas de estos como un velo.

Una característica preferida del método de acuerdo con la presente invención es que el material de inicio contiene al menos una cierta cantidad de fibras de carbono derivadas del reprocesamiento del residuo de carbono tipo textil y/o del reciclado clasificado de componentes CFRP más de forma optativa una porción de fibras primarias troceadas (material nuevo) .

Primero, al menos una capa de fibras de carbono finitas se producen colocando ' fibras de carbono finitas en una lámina plana en una operación de cardado. Diferente a la técnica anterior, no se produce primero una porción cardada sino que en su lugar una capa de fibras que está siendo alimentada hacia el sistema de cardado se procesa directamente para formar un velo fibroso delgado con un peso uniforme por área de superficie.

De acuerdo con un refinamiento preferido de la invención, una mezcla principalmente homogénea, mezcla de fibras termoplásticas aglomeradas de forma aleatoria y fibras de carbono finitas aleatorias y/o manojos de fibras de carbono enmarañadas se alinean mediante una operación de cardado y se procesan para formar una placa de fibras, al menos algunas porciones de las fibras termoplásticas se convierten a un estado pegajoso aplicando calor y después se comprimen para formar un material laminado y después se enfrian.

Las fibras de carbono y/o manojos de fibras de carbono que se utilizaron de acuerdo con la invención preferiblemente tenían una longitud promedio de fibras de 10 mm hasta 150 mm, preferiblemente desde 25 mm hasta 150 mm. Cuando se utilizaron fibras de carbono muy cortas y/o manojos de fibras de carbono con una longitud promedio de fibras de 10 mm hasta 15 mm, la facilidad para cardar se determinó mediante una cantidad necesaria de fibras de refuerzo. La regla aquí es que mientras más cortas sean las fibras de carbono, más grande es la cantidad de fibras de refuerzo las largas que se deben alimentar adicionalmente a la máquina cardadora. Estas deben ser fibras de carbono más largas así como fibras con base en no carbono más largas.

Dentro del contexto de la presente invención, diversas opciones preferidas para mezclar las fibras carbono y/o los manojos de fibras de carbono con el material matriz termoplástico . Por ejemplo, las fibras de carbono y fibras termoplásticas cada una se debe enviar como una capa separada a la entrada de un sistema de cardado y después mezclarse en esta máquina cardadora.

En esta forma, por ejemplo, un componente termoplástico en la forma de fibras finitas se puede mezclar completamente y de forma homogénea con las fibras de carbono antes o durante la formación de una capa.

Por ejemplo, los componentes de fibras individuales, a saber fibras de carbono, fibras matriz termoplásticas y de forma optativa las fibras adicionales de diferentes composiciones, pero cada una siendo pura en si misma, se pueden depositar en diversas capas planas como velos fibrosos o como laminado de género no tejido, una encima de la otra, y después se pueden tomar medidas para obtener la adecuada penetración de todas las capas mediante el componente matriz termoplástico y aglomerado compacto de las capas entre si después de la solidificación térmica.

Dentro del contexto de la presente invención, es preferible producir una mezcla de fibras de carbono aleatorias, manojos de fibras de carbono aleatorias o mezclas de estos y fibras termoplásticas aglomeradas mediante una operación de mezclado de fibras independiente antes de la producción de la placa de fibras o mediante una relación de mezclado de fibras durante la formación de la placa.

Un producto semiterminado de acuerdo con la invención también puede contener una cierta cantidad de fibras de carbono en la forma de material primario finito (nuevo material) además de las fibras de carbono de los residuos o partes utilizadas que contengan fibras de carbono. Este producto plano, semiterminado, también puede contener, por ejemplo, componentes de fibras adicionales en la forma finita con un efecto de refuerzo, en particular para-aramida, fibras de vidrio, fibras naturales, fibras sintéticas que no se funden y/o fibras que tienen un punto de fusión más alto que el de las fibras matriz también se pueden utilizar además de las fibras de carbono .

Generalmente se pueden utilizar técnicas de secado como puede ser el cardado de géneros no tejidos como técnicas para producir láminas planas que contengan fibras de carbono de acuerdo con la invención, en particular con una masa o volumen uniforme por área de superficie, dependiendo del tipo de fibras de carbono finitas que se van a utilizar, principalmente dependiendo de la longitud de fibras prevaleciente, distribución de la longitud de fibras. Los materiales de inicio de la fibra de carbono para este método incluyen, por ejemplo: - Fibras primarias deshilacliadas - Géneros no plegados deshilacliados y/o desgastados, géneros no tejidos o residuos trenzados, - Residuos de fibras deshilachadas y/o desgastadas, residuos de mechas, cortes de bordes de la producción de géneros no plegados o material de carretes residual, - Residuos impregnados previamente, pretratados térmicamente y/o desgastados y/o deshilachados o residuos impregnados previamente, pretratados con disolvente o - Residuos que contienen resina tratados térmicamente y desgastados y/o deshilachados o residuos tratados con disolvente, partes CFRP duras y partes utilizadas .

Variantes de la modalidad preferida y más específica del método de acuerdo con la invención se explican en más detalle posteriormente como ejemplos.

Los componentes aglomerantes fibrosos como pueden ser las fibras termoplásticas , las cuales tendrán un efecto aglomerante subsiguiente, se pueden mezclar de forma homogénea con las fibras de carbono en la máquina cardadora, por ejemplo, en un paso independiente antes de la formación de las capas, por ejemplo, a través de una línea de mezclado de fibras textiles o directamente durante la formación de las capas, por ejemplo, en una máquina cardadora. Por ejemplo, las fibras de carbono en una mezcla íntima y homogénea se procesan para formar un velo fibroso plano con un peso uniforme por área de superficie por ejemplo por medio de una máquina cardadora textil que se haya adaptado al procesamiento de fibras de carbono con respecto a los accesorios del rodillo y el cual se sella con respecto a la parte exterior para impedir que escape el polvo de fibras de carbono conductoras de electricidad. Este velo fibroso tiene un peso uniforme por área de superficie, preferiblemente de aproximadamente 15 a 60 g/m2 se forra, por ejemplo, en una operación de forrado corriente abajo hasta obtener el peso final deseado por área de superficie del producto semiterminado aglomerado térmicamente con forros longitudinales o transversales, o esto se obtiene moviendo un número de n velos de n máquinas cardadoras que operan en serie y que pasan uno sobre otro.

El peso por área de superficie de la cubierta del recubrimiento del velo se puede ajustar en una forma definida con base en los parámetros del peso por área de superficie del velo descargado de la máquina cardadora, y el proceso de forrado. Se pueden obtener diferentes orientaciones de la longitud de las fibras en el velo cardado a través de la elección de los parámetros de cardado, en particular la relación de la velocidad de succión de la fibra y la velocidad de descarga de la fibra. Este ajuste en la máquina cardadora y/o un estirado adicional del género no tejido de un velo cardado que ha sido forrado previamente o doblado de forma repetida permite un grado desarrollar un grado de orientación de la fibra, como puede ser en una lámina FRCP producida de éstas con una matriz termoplástica, por ejemplo, una matriz de polipropileno, anisotropias de las resistencias del compuesto y/o rigidez del compuésto se pueden ajustar en el intervalo de 1:1.5 a 1:10, preferiblemente de 1:2 a 1:7 en particular. La orientación deseada de la fibra (anisotropia) se determina en una lámina del material compuesto de fibras (lámina FRCP) .

Esa lámina FRCP se produce de acuerdo con las siguientes especificaciones, por ejemplo: - Punción de los velos cardado que consisten en una mezcla de fibras de carbono y fibras de polipropileno para producir piezas con una longitud de x cm y un ancho de y era, las cuales también pueden ser cuadradas, por ejemplo; - Si el contenido de fibras de carbono en el velo cardado es superior a aproximadamente 40%, la película PP preferiblemente es perforada adicionalmente con aproximadamente la misma longitud y amplitud; - Varias capas de los velos de carbono cardados se encuentran una sobre otra, en donde los velos están colocados uno arriba del otro en la misma dirección de viaje. Si el contenido de carbono en el velo cardado es superior a aproximadamente 40%, entonces las películas PP son perforadas adicionalmente, iniciando en el lado superior y el lado inferior, se insertan preferiblemente entre las capas de velo cardado, también alternadas, si es necesario; - El panel tipo sándwich formado de este modo se comprime en una prensa de laminado a una temperatura de aproximadamente 200°C, por ejemplo, y a una presión de aproximadamente 400 N/cm2, por ejemplo, la cual se ajusta en la prensa; - Después de enfriarse, preferiblemente los cuerpos de muestreo rectangulares se cortan a partir del compuesto CF/PP, cortando una vez longitudinalmente y una ven en un ángulo de 90° en la orientación de la fibra, ¦ de modo que después las resistencias de tracción se pueden determinar en MPa y el módulo E de tracción se puede determinar en PGa, por ejemplo; - En donde un cociente de los dos promedios de al menos cinco medidas individuales de las resistencias de tracción y/o el módulo E de tracción en la dirección que corre la máquina cardadora y a través de la dirección que corre la máquina cardadora produce la anisotropia.

Después de los pasos del proceso de mezclar, cardar, forrar/doblar, extraer género no tejido (si es necesario, de las fibras, esta fibra plana, suelda, de género no tejido de una mezcla uniforme y peso, consiste en fibras de carbono alineadas, finitas, y las fibras termoplásticas textiles se pueden calentar en tal medida que las fibras termoplásticas se suavicen o fundan se pueden compactar después por medio de máquinas de presión, y se solidifican mientras se enfrian a presión o sin ninguna presión mecánica externa adicional. Los productos laminados producidos en esta forma se pueden devanar después, por ejemplo, cortar para formar láminas o perforar para formar formas planas irregulares.

La cantidad del componente termoplástico preferiblemente determina la compactación del producto que se puede obtener. No hay limites tecnológicos en el contenido de fibras termoplásticas en las fibras de carbono. Desde un punto de referencia del producto, el uso variará en el intervalo de 5% a 95% de contenido de fibras de carbono, preferiblemente en el intervalo de 30% a 80% de fibras de carbono.

Además de las fibras de carbono, otros materiales de fibras finitas como pueden ser fibras naturales, fibras de para-aramida, fibras de vidrio, fibras de cerámica o fibras de poliacrilonitrilo también se pueden utilizar en este proceso. Estas fibras se mezclan de forma intima y homogénea entre si al estar siendo cardadas o durante el cardado mediante analogía con las fibras termoplásticas.

El mezclado completamente homogéneo en la máquina cardadora preferiblemente se realiza mediante el hecho de que un recubrimiento de fibras de un peso exacto por área de superficie y un peso constante por área de superficie se suministra a la máquina cardadora; las diferentes sustancias de las fibras que se van a mezclar en la máquina cardadora se suministran como capas de fibras arregladas una sobre la otra con el peso más exacto posible por área de superficie y un peso constante por área de superficie de las capas de fibras. Esas capas que son exactas por área de superficie y son constantes por área de superficie y que se pueden producir corriendo las fibras sueltas de la máquina cardadora tradicional conectada en serie alimenta como pueden ser canaletas de llenado, aspersores de fibras o por medio de capas de género no tejido separadas, solo ligeramente solidificadas. La composición fibrosa de las capas individuales puede variar, y las capas individuales pueden consistir en una mezcla definida de diferentes materiales de fibras.

Los velos de fibras que se pueden producir mediante una operación de cardado que tengan fibras de carbono orientadas pueden combinarse adicionalmente con estructuras de refuerzo conocidas de materiales de fibras continuas como pueden ser hebras, mechas, géneros no plegados, mallas, trenzados y tejidos de punto que se pueden aglomerar a las capas de velos de fibras de la máquina cardadora en el proceso de solidificación térmica para formar un producto semiterminado para los materiales de compuestos reforzados de fibras con una matriz termoplástica .

Dependiendo de las longitudes de las fibras de carbono, se pueden introducir directamente en el proceso para formar la capa o se pueden deshilachar posteriormente para mejorar la capacidad de procesamiento y/o se pueden terminar y/o mezclar con un apresto, sustancias promotoras de adhesión u otros agentes adicionales que tendrían efectos en los productos plásticos como pueden ser retardantes de llama, colorantes, auxiliares de desmoldes o auxiliares de tribologia. También es posible adicionar materiales de fibras de no carbono funcionales además de los materiales de fibras de carbono para la modificación de choque, por ejemplo, o para el refuerzo mecánico como pueden ser para-aramida, fibras de vidrio, fibras naturales o fibras sintéticas que no se funden y/o fibras con un punto de fusión más alto que el de las fibras matriz. Los componentes aditivos fibrosos como pueden ser las fibras termoplásticas que posteriormente tienen un efecto aglomerante se pueden mezclan tan completa y homogéneamente como sea posible con los componentes de fibras restantes en un paso del proceso independiente antes de formar la capa, por ejemplo, en una linea de mezclado de fibras textiles o directamente durante la formación de la capa, por ejemplo, en una máquina cardadora, si se utilizan las posibilidades de un mezclado del sistema, los componentes de fibras de. individuales en forma pura se depositan una sobre otra, por ejemplo, en diferentes capas como el velo de fibras o velos de géneros no tejidos. Es importante aquí que el componente termoplástico aglomerante penetre a través de todas las capas para asegurar un aglomerado compacto de todas las capas entre si después de la solidificación térmica. Esto se puede obtener mediante el mezclado homogéneo de todos los componentes junto, por ejemplo, con una estructura alternante de capas delgadas con componentes termoplásticos y de refuerzo o mediante agujeteado intenso de las fibras termoplásticas aglomeradas mediante la capa de fibras de carbono, por ejemplo, utilizando una operación de agujeteado. En el caso de capas delgadas o de buena capacidad de impregnación con un fundido termoplástico, una estructura de panel tipo sándwich en la cual los componentes que no se pueden fundir están arreglados como una capa núcleo es suficiente.

Como una regla, una amplia variedad de matrices termoplásticas conocidas de la técnica anterior se pueden considerar para utilizarse como el componente termoplástico aglomerante aquí. Esto varia de polietileno de bajo punto de fusión a polipropileno, poliamidas a los PEEK termoplásticos de punto de fusión alto o PEI. Los parámetros de solidificación térmica como pueden ser temperatura, tiempo de permanencia, presión y uso posible de una atmósfera de gas inerte se deben adaptar a los detalles particulares de estos polímeros. Las formas de los componentes termoplásticos aglomerantes que se pueden utilizar varían desde partículas pequeñas como pueden ser polvos a fibras cortas, fibras textiles largas, capas de géneros no tejidos o capas fibrosas, géneros no tejidos aglomerados por hilatura, películas y fundidos poliméricos .

Después de combinar las fibras de carbono finitas con los aglomerantes termoplásticos en un arreglo de capa plana con la relación de peso más constante posible de fibras de carbono a termoplásticos, este recubrimiento se caliente de modo que el componente termoplástico se suavice o funda. Cuando se utiliza una fusión de polímero, sin embargo, este paso no es necesario. El material termoplástico se puede aplicar a través de boquillas de lámina plana a la capa de fibras de carbono - después se compacta aplicando presión y se solidifica mientras se enfria a presión sin ninguna presión mecánica externa adicional.

La cantidad del componente termoplástico determina la compactación que se puede obtener del material laminado. El limite inferior del componente termoplástico preferiblemente es de aproximadamente 5%, en donde las fibras de carbono y el componente termoplástico se deben mezclar juntos tan homogénea y completamente como sea posible con el fin de obtener un efecto de solidificación que se pueda detectar. En los métodos de paneles tipo sándwich, un contenido mínimo de aglomerante de aproximadamente 15% a 25% es ventajoso.

La dureza del laminado del producto plano semiterminado puede variar en un amplio intervalo variando la cantidad del componente termoplástico. Esto varía desde un estado libre de poros, compacto a una porosidad creciente y después a una condición de género no tejido de fibras solidificadas térmicamente de una densidad baja. Además de las sustancias de fibras de carbono que se utilizan, sustancias de fibras adicionales en una forma finita también se pueden utilizar. Estas se pueden adicionar antes o durante la formación de la capa o como componentes separados del sistema en la estratificación del material mediante la analogía con los componentes de fibras de carbono a través de procesos del mezclado de fibras.

El tema de la presente invención también es un producto plano semiterminado de un plástico compuesto reforzado con fibras que se produce en un método del tipo antes mencionado y en el cual la cantidad de material matriz termoplástico en el producto semiterminado está en un intervalo entre aproximadamente 5% y aproximadamente 9%, preferiblemente de aproximadamente 30% hasta aproximadamente 70%.

Con ese producto plano semiterminado es preferible para las fibras de carbono, manojos de fibras de carbono o mezclas de estos tener longitudes finitas y/o tener una distribución de longitud y para las fibras de carbono y/o manojos de fibras de carbono que están presentes en el material semiterminado en esa forma que parte de estos no penetren a través de todo el producto semiterminado sin interrupción .

Además, es preferible para este producto plano semiterminado que se produzca de fibras de carbono finitas, manojos de fibras de carbono o mezclas de estos y fibras de refuerzo finitas adicionales, en particular seleccionadas de fibras naturales, fibras de para-aramida y fibras de vidrio. Por ejemplo, ese producto plano semiterminado también se puede combinar con fibras de refuerzo continuas como pueden ser mechas de carbono continuas, hilos de para-aramida y/o hilos de filamento de vidrio en la forma de hebras, géneros no plegados, géneros tejidos o mallas.

Las características mencionadas en las reivindicaciones dependientes se refieren a ajustes preferidos de la solución al problema de acuerdo con la invención. Las ventajas adicionales de la invención se derivan de la siguiente descripción detallada.

La presente invención se explica en mayor detalle más adelante con base en las modalidades ejemplares específicas. Es evidente por sí mismo que estas modalidades ejemplares son únicamente ejemplos y la invención no está limitada en ninguna forma a las medidas y parámetros específicos definidos en ellas.

Modalidad Ejemplar 1 Una mezcla homogénea de 70% de polipropileno de finura 7 dtex y una longitud de fibra nominal de 60 mm y 30% de fibras de carbono residuales de la producción de géneros no plegados con un promedio de longitud de fibras de 65 mm se procesaron en una máquina cardadora equipada con tres pares de trabajadores/torneros para formar un velo de fibras con un peso por área de superficie de 25 g/m2. La operación de cardado creó esa orientación longitudinal de la fibra en el velo de fibras que un plástico compuesto reforzado con fibras se obtuvo procesando 10 capas de este velo colocándolos uno sobre otro en la misma dirección del material y después presionándolos en una prensa de placas a 200°C y a una presión de 400 N/cm2 ajustada en la prensa; este producto plástico compuesto reforzado con fibras tuvo un valor de módulo E de tracción que fue mayor por un factor de 5 en la dirección de corrida del velo cardado en el plástico compuesto reforzado con fibras en comparación con el módulo en un ángulo de 90° de éste.

Modalidad Ejemplar 2 Procesamiento de fibras/mezcla de fibras para formar materiales planos, semiterminados . •5 Para la producción de laminados de productos semiterminados con base en fibras de carbono, fibras de carbono recicladas con un promedio de longitud de fibra de 40 trun y una fibra corta PA6 textil comercial de 3.3 10 dtex, se utilizaron 60 mm como los materiales de inicio para la producción de materiales planos, semiterminados, con base en fibras de carbono. Los dos materiales se mezclaron juntos completamente en una relación de peso de 30% de ??6 Y 70% de fibras de carbono recicladas (RCF) a 15 través de un lecho de mezclado de un tipo tradicional en la industria textil y después utilizando una técnica abierta de mezclado como la llamada mezcla de borra. Esta mezcla de fibras después se colocó en un sistema de cardado. La orientación de la fibra producida en el velo 0 de fibras debido a la operación de cardado fue tal que cuando se procesaron 10 capas de este velo apilándolas una sobre la otra en la misma dirección del material con inserción intermedia de películas PA6 a un contenido de fibras de carbono final de 35% y presionándolas en una 5 prensa de placas a 240°C, esto produjo un plástico compuesto reforzado con fibras con un módulo E de tracción en la dirección de corrida del velo cardado en el plástico compuesto reforzado con fibras que fue más alto por un factor de 3 que el módulo medido en un ángulo de 90° de éste.

Modalidad Ejemplar 3 Procesamiento del sistema plano para formar láminas de productos semiterminados En un sistema de cardado utilizando un forro transversal con una máquina agujeteadora corriente abajo 2, velos de géneros no tejidos se produjeron con un peso por área de superficie de 180 g/m2 compuestos de 100% de fibra PA6 textil comercial o 3.3 dtex, 60 mm. Los dos velos de géneros no t ejidos se agujetearon ligeramente solo una vez desde arriba en 12 costuras/era2. En una operación corriente abajo, las fibras de carbono recicladas obtenidas 100% de residuos de géneros con un promedio de longitud de fibras de 40 mm se procesaron por medio de una técnica de cardado modificada técnicamente para trabajar específicamente en el procesamiento de fibras de carbono para formar un velo cardado plano con un peso uniforme por área de superficie de 30 g/m2 de velo cardado, y este velo que se extrajo continuamente de la máquina cardadora con un forro transversal se depositó en un depósito de láminas que corren continuamente en un ángulo de 90° al formador en un arreglo transversal y traslapante para producir un peso por área de superficie de 780 g/m2. Uno de los velos de género no tejido agujeteado terminado anteriormente se colocó entre el deposito de láminas y el sistema de capas de velo de fibras de carbono que se van a forrar de modo que la estratificación de fibras de carbono se arregló en el género no tejido agujeteado PA6.

Antes de ser alimentado en la máquina de agujeteado corriente abajo, el segundo género no tejido agujeteado PA6 con 180 g/m2 se enrolló como la capa de cubierta de modo que ésta formó una construcción tipo sándwich de 180 g/m2 de género no tejido agujeteado PA6 - estratificación del velo RCF de 780 g/m2 - 180 g/m2 de género no tejido agujeteado PA6. Este panel tipo sándwich se agujeteó y solidificó arriba y abajo con 25 costuras/cm2. Las porciones de las capas de cubiertas de género no tejido PA6 se agujetearon a través de la capa RCF mediante esta operación de punción, la cual tuvo un efecto positivo en la estabilidad del grado de solidificación térmica que se obtuvo de forma subsiguiente. Los géneros no tejidos agujeteados producidos de esta forma con una capa externa de PA6 y RCF en el área del núcleo se apilaron uno arriba del otro como piezas con medidas de 30 cm x 30 cm y se comprimieron utilizando una prensa multiplacas durante 100 s a 240°C y 50 bares y después se enfriaron. Los bordes suaves que todavía no se solidificaban se separaron de las láminas resultantes utilizando cizallas de guillotina.

El principio operativo de una máquina cardadora que se puede utilizar dentro del contexto de la presente invención se describe en mayor detalle abajo como un ejemplo con referencia a los dibujos acompañantes.

La Figura 1 muestra un diagrama esquemático simplificado del principio de un sistema de cardado, el cual es adecuado, por ejemplo, para producir un velo de fibras que contiene fibras de carbono mediante el método de acuerdo con la presente invención, entre otras cosas.

El diagrama muestra al menos una capa de fibras 14 (a la izquierda del dibujo) que está siendo alimentada al sistema de cardado, pasando inicialmente sobre los rodillos de alimentación 1, 2 sobre un cilindro tomador 3 que gira en dirección contraria a partir de los rodillos de succión. Un rodillo de transferencia 4 que gira en una dirección contraria a la del cilindro tomador 3 y el tambor principal 5 (tambor) que gira en la misma dirección de rotación que este cilindro tomador. Diversos trabajadores 6 y torneros o inversores 7 están arreglados en la circunferencia del tambor principal 5 en diversas posiciones de la circunferencia. El objetivo de estos dispositivos es deshilachar la capa de fibras entrantes 14 en el sistema de cardado a fibras individuales y después modelarlos nuevamente en un velo de fibras delgadas con un peso uniforme; y un peso por área de superficie definido. Una orientación longitudinal de la fibra es la meta aquí.

Corriente abajo del tambor principal 5, un tambor de captación 10 que gira en la dirección contraria está arreglado corriente abajo desde una rueda 8 con un limpiador de rueda 9, un hacker 11 estando colocado en el extremo de la corriente abajo del tambor. Un velo de fibras 12 en la forma de una superficie continua con un peso por área de superficie hasta aproximadamente 80 g/m2 máximo, preferiblemente de aproximadamente 15-30 g/m2, se descarga desde este tambor de captación 10, en donde las fibras de carbono que están presente en el velo en una cantidad proporcional tienen una orientación longitudinal preferida de las fibras, la cual se establece en una forma definida.

Lista de Números de Referencia 1 Rodillos de admisión 2 rodillos de admisión 3 cilindro tomador 4 rodillo de transferencia 5 tambor principal 6 trabajador 7 tornero o inversor 8 rueda 9 limpiador de rueda 10 tambor de captación 11 pico 12 velo de fibra con fibras de carbono alineadas preferentemente de forma longitudinal 13 flujo de material 14 capa de fibras entrantes

Claims (13)

REIVINDICACIONES

1. Un método para producir un material plano, semiterminado, de un plástico compuesto reforzado con fibras, que consiste en fibras y al menos un material matriz termoplástico, en donde las fibras se aislan del residuo o partes utilizadas que contienen fibras, estas fibras se mezclan con fibras termoplásticas y se colocan en una lámina en una operación de cardado, produciendo un velo de fibras que se comprime para formar un material laminado en al menos un paso corriente abajo bajo la influencia de calor, caracterizado en que las fibras de carbono finitas, manojos de fibras de carbono o mezclas de estos se aislan del residuo o partes utilizadas que contienen fibras de carbono, estas fibras de carbono se mezclan después con fibras termoplásticas de no carbono, se colocan planas y orientadas en una lámina en una operación de cardado para producir un velo de fibras con una orientación determinada de las fibras (en la dirección longitudinal del velo) , el cual se comprime en al menos un paso corriente abajo bajo la influencia de calor para formar un material laminado.

2. El método de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado en que para una orientación determinada y alta de las fibras de carbono longitudinalmente en la operación de cardado, las fibras termoplásticas de no carbono se adicionan en una relación de mezclado y/o con una geometría de fibras, de modo que una anisotropía de fibras en un intervalo de al menos 1:2 se establece en el velo de fibras.

3. El método de acuerdo con la reivindicación 1 o 2, caracterizado en que las fibras termoplásticas de no carbono adicionadas tienen longitudes de fibra de aproximadamente 25 mm hasta aproximadamente 120 mm, preferiblemente desde aproximadamente 40 mm hasta aproximadamente 100 mm.

4. El método para producir un material plano, semiterminado, de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado en que una mezcla principalmente homogénea de fibras termoplásticas aglomeradas de forma aleatoria y fibras de carbono, finitas, aleatorias, manojos de fibras de carbono aleatorias o mezclas de estos se alinean mediante una operación de cardado, se colocan para formar una placa de fibras, al menos porciones de las fibras termoplásticas se llevan a un estado pegajoso por medio de calor, después se compactan y comprimen para formar un material laminado y después se enfrían.

5. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado en que las fibras de carbono, manojos de fibras de carbono o mezclas de estos que se utilizan tienen una longitud de fibra promedio de 10 mm hasta 150 mm, preferiblemente de 25 mm hasta 150 mm.

6. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado en que se utiliza al menos una porción de las fibras de carbono que se originan a partir del reproceso del residuo de carbono tipo textil y/o del reciclado físico de los componentes CFK más de forma optativa una porción de fibras primarias cortadas (material nuevo) .

7. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, 5 o 6, caracterizado en que una mezcla de fibras de carbono, manojos de fibras de carbono o mezclas de estos y fibras termoplásticas aglomeradas se producen mediante una operación de mezclado de fibras durante la formación de la placa.

8. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado en que un grado determinado de orientación de las fibras de carbono, manojos de fibras de carbono o mezclas de estos que inicialmente no están orientados a la dirección se producen utilizando una máquina de cardado en tal forma que la anisotropia de las resistencias del compuesto y/o la rigidez del compuesto en un intervalo de 1:1.5 a 1:10 se obtienen en un material compuesto de fibras (FRCP) .

9. El método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado en que la anisotropia de las resistencias del compuesto y/o la rigidez del compuesto después de una operación de forrado en un velo de fibras para producir una capa de velo está influenciada por un estirado adicional del no te ido .

10. Un material plano, semiterminado, consiste en un plástico compuesto reforzado con fibra producido a partir de un plástico compuesto reforzado con fibras contiene fibras y al menos material matriz termoplástico aislando las fibras de carbono finitas, manojos de fibras de carbono o mezclas de setos del residuo o partes utilizadas que contienen fibras de carbono, colocando estas fibras planas y orientándolas con fibras termoplásticas de no carbono en un método de cardado, de modo que se crea un velo de fibras con una orientación determinada de las fibras (en la dirección longitudinal del velo) , y esta pila se comprime después en al menos un paso corriente abajo bajo la influencia de calor para formar un material laminado, mediante un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado en que la cantidad de material matriz termoplástico en el producto semiterminado es en el intervalo entre aproximadamente 5% y aproximadamente 95%, preferiblemente de aproximadamente 30% hasta aproximadamente 80%, y que las fibras de carbono, manojos de fibras de carbono o la mezcla de estos tiene longitudes finitas y tiene una distribución de longitud de fibras.

11. El producto plano, semiterminado de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado en que las fibras de carbono están presentes en el producto semiterminado en tal forma que las porciones del mismo no pasan a través del producto semiterminado completo sin interrupción .

12. El producto plano, semiterminado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 u 11, caracterizado en que se produce a partir de fibras de carbono finitas, manojos de fibras de carbono o mezclas de estos y fibras de refuerzo finitas adicionales, en particular siendo seleccionadas de fibras naturales, fibras de para-aramida y fibras de vidrio.

13. El producto plano, semiterminado de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado en que se combina con fibras de refuerzo continuas como pueden ser mechas de carbono continuas, hilos de filamento de para-aramida y/o vidrio en la forma de géneros no engarzados, géneros tejidos o mallas. RESUMEN DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere a un método para producir un producto plano, semitermínado, a partir de un material compuesto de fibras que contiene fibras de carbono individuales, manojos de fibras de carbono o una mezcla de éstos, en una orientación definida de las fibras anisotrópicas y al menos un material matriz termoplástico . El método se caracteriza porque la anisotropía de las fibras de carbono se crea en un proceso de cardado utilizando la elevada capacidad de orientación de las fibras textiles no de carbono mezcladas, al menos algunas de las fibras textiles que no son de carbono son termoplásticas , y las fibras de carbono habiendo sido separadas del residuo o partes utilizadas que contienen fibras de carbono. El material continuo fibroso, plano que se produce por medio del proceso de cardado y que tiene una orientación especifica de las fibras de carbono en la dirección longitudinal se comprime en un material laminado en al menos un paso posterior bajo el efecto del calor. El método de acuerdo con la invención permite hacer uso de las fibras de carbono, por ejemplo, obtenidas de los residuos de la producción textil, residuos de producción adheridos o curados, de componentes residuales del proceso CFRP o similares, como las fibras de refuerzo, con lo cual se obtiene una materia prima menos costosa, y las fibras de carbono, los manojos de fibras de carbono o mezclas de estos que están contenidas en los materiales residuales se reciclan para una aplicación útil.