MX2012014295A - Cinta termoplastica, reforzada con fibra, como un miembro de refuerzo para alambre y cable. - Google Patents

Cinta termoplastica, reforzada con fibra, como un miembro de refuerzo para alambre y cable.

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Abstract

Una cinta reforzada con fibra comprende un eje longitudinal, al menos 30 por ciento en peso de una fibra y al menos 2 por ciento en peso de una resma termoplástica, con la condición de que al menos 30 por ciento de las fibras en la cinta estén al menos parcialmente orientadas a lo largo del eje longitudinal de la cinta. La cinta es útil como un miembro de refuerzo para construcciones de alambre y cable, en particular construcciones de cable de fibra óptica.

Description

CINTA TERMOPLASTICA, REFORZADA CON FIBRA. COMO UN MIEMBRO DE REFUERZO PARA ALAMBRE Y CABLE Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención Esta invención se refiere a alambre y cable. E un aspecto, la invención se refiere a un miembro de refuerzo de un alambre o cable mientras que en otro aspecto, la invención se refiere a un miembro de refuerzo que está en la forma de una cinta reforzada con fibra. Todavía en otro aspecto, la invención se refiere a un proceso para hacer un miembro de refuerzo en la forma de una cinta reforzada con fibra, mientras que todavía en otro aspecto, la invención se refiere a alambre y cable comprendiendo un miembro de refuerzo de cinta reforzada con fibra. 2. Descripción de la técnica relacionada El cable de fibra óptica es una estructura compleja diseñada para proporcionar suficiente protección para las fibras ópticas de niveles perjudiciales de tensiones longitudinales y transversales. Además, la estructura también proporciona un ambiente químico y físico benigno para la vida de servicio de las fibras ópticas. Una diferencia fundamental entre el cable de fibra óptica y el cable de energía eléctrica es que los conductores de metal en un cable de energía portan al menos una porción de las tensiones de tracción creadas durante las condiciones de instalación y en servicio. En contraste, los cables de fibra óptica contienen miembros de refuerzo integrados en el cable específicamente para aislar las fibras de tensiones de tracción y compresión. La fuerza de tracción y compresión suficiente, capacidad para soportar mezclas de radio pequeño, fácil manejo de fibra e instalación de cable, y costo competitivo son solo unos cuantos de los criterios entre los muchos que deben ser considerados cuando se diseña un cable de fibra óptica y sus partes componentes, incluyendo el miembro de refuerzo.
Muchos tipos de diseños están disponibles para cables de fibra óptica, el diseño de elección dependiente de la aplicación. Sin importar la elección, todos requieren algún tipo de m iem bro de refuerzo para portar las tensiones de tracción y compresión del cable durante tanto la instalación como uso en servicio. Los miembros de fuerza en uso hoy en día son hechos principalmente de plástico reforzado con fibra (FRP), el cual también es conocido como plástico reforzado con vidrio (GRP si la fibra de vidrio es el refuerzo), o acero inoxidable. Tradicionalmente, FRP o GRP es fabricado a través de un proceso de pultrusión usando una o más resinas termofijadas, tales como éster de vinilo o epoxi, pero la velocidad de proceso es muy limitada. Además, los compuestos de GRP o FRP/resina termofijada disponibles hoy en día tienden a tener rigidez excesiva, y esto hace difícil la instalación de cable de fibra óptica comprendiendo estos miembros de refuerzo, especialmente alrededor de edificios o a lo largo de calles citadinas ocupadas donde frecuentemente es necesario el doblado agudo del cable. Como para acero inoxidable como hilos de aramida sueltos, el primero es relativamente más costoso y pesado mientras que el último es difícil de manejar durante los procesos de fabricación y abarcan mucho espacio dentro del cable.
La tecnolog ía termoplástica reforzada, de fibra larga (LFT) es usada en la industria automotriz para hacer paneles frontales a través de un proceso de moldeo por inyección, y los materiales de LFT en forma de tira o pella están ampliamente disponibles en el mercado con varias fibras y sistemas de resina. También son fabricados a la medida para especificaciones específicas.
Breve descripción de la invenc ión En una modalidad, la invención es un miembro de refuerzo en la forma de una cinta termoplástica reforzada con fibra. En una modalidad, la cinta comprende haces de fibra hechos usando el material LFT que han sido procesados a través de un extrusor que imparte al menos una orientación en dirección de máquina parcial a las fibras, lo cual a su vez imparte a la cinta un módulo cuatro veces más grande o más que el módulo de la resina termoplástica por si misma. La cinta es útil como un miembro de refuerzo en cables de fibra óptica y otras aplicaciones de alambre y cable.
En una modalidad, la invención es una cinta reforzada en fibra teniendo un eje longitudinal, comprendiendo la cinta al menos 30 por ciento en peso de una fibra y al menos 2 por ciento en peso de una resina termoplástica con la condición de que al menos 30 por ciento de las fibras en la cinta estén al menos parcialmente orientadas a lo largo del eje longitudinal de la cinta.
En una modalidad, la invención es un proceso para hacer una cinta termoplástica reforzada con fibra, comprendiendo el proceso los pasos de (A) preparar pellas o tiras termoplásticas de fibra larga comprendiendo al menos 30 por ciento de fibra y al menos 2 por ciento en peso de resina termoplástica, (B) formar una masa extruible a partir de las pellas o tiras, y (C) extruir la masa para formar una cinta con dimensiones de máquina y transversal con la condición de que al menos 30 por ciento de las fibras estén orientadas en la dirección de máquina.
En una modalidad, la invención es una construcción de alambre o cable comprendiendo una cinta reforzada con fibra, en la cual la cinta comprende al menos 30 por ciento en peso de una fibra y al menos 2 por ciento en peso de una resina termoplástica con la condición de que al menos 30 por ciento de las fibras en la cinta estén al menos parcialmente orientadas a lo largo del eje longitudinal de la cinta. En una modalidad, la invención es un cable de fibra óptica comprendiendo la cinta reforzada con fibra.
La invención aprovecha el alto contenido de fibra y la larga longitud de fibra en los materiales LFT. Bajo el diseño de esta invención, las tiras LFT (por ejemplo, 4-12 milímetros (mm) en longitud) con varias cargas de fibra en peso son procesadas a través de un extrusor usando un perfil de temperatura pre-determinado y diseño de dado para producir haces de fibra compuestos en la forma de cintas delgadas, por ejemplo, espesor normalmente menor que 2 mm. El arrastre de 25% o más puede ser logrado una vez que el material sale del dado a través del control de la velocidad de embobinado de cinta. El arrastre ayuda a orientar las fibras a lo largo de la dirección de máquina en el compuesto. Debido a la alta carga de fibra y la orientación, el módulo de tracción de la cinta compuesta de LFT a lo largo de la dirección de máquina puede exceder cuatro veces el módulo de la resina sola. Este rasgo de módulo alto califica la cinta compuesta como miembro de refuerzo en un cable de fibra óptica, el cual puede ayudar a reducir el espesor de la chaqueta u otras capas protectoras en el cable. Esta cinta también puede reemplazar hilo de aramida en el cable de fibra tópica, el cual es costoso y difícil de procesar.
Usando la cinta de haz de fibra de LFT como un miembro de refuerzo en una aplicación de alambre y cable, en particular un cable de fibra óptica, una o más de las siguientes ventajas pueden ser obtenidas sobre el uso de miembros de refuerzo convencionales en el alambre o cable: A. Peso ligero, B. Mejor eficiencia de fabricación debido al uso de tecnolog ía de extrusión como se opone a la tecnología de pultrusión de fibra , C. cable más compacto debido a la que la cinta puede envolverse alrededor del haz de fibra tópica más estrechamente que hilo de aramida suelto, D. Resistencia a aplastado adicional, E. Reciclabilidad, F. Bloque de agua al incorporar bloqueadores de agua en la formulación, y G. Reticulabilidad.
Las cintas reforzadas con fibra de esta invención son miembros de refuerzo efectivos para aplicaciones de alambre y cable, y son reemplazos viables para los miembros de refuerzo de FRP/GRP o aramida actuales en cable de fibra óptica.
Breve descripción de la invención La Figura 1 es una ilustración esquemática de un perfil de temperatura y presión de extrusor de tornillo doble para fabricar una cinta compuesta de esta invención.
La Figura 2 es una ilustración de una cinta compuesta de esta invención extruida con 60 por ciento en peso de cargas de fibra.
La Figura 3 es una gráfica que reporta una comparación del módulo de compuestos extruidos y moldeados y resina pura.
La Figura 4 es una gráfica que reporta una comparación de tensiones pico de muestras extruidas y moldeadas.
Descripción detallada de la modalidad preferida Definiciones A menos que se declare lo contrario, impl ícito del contexto, o acostumbrado en la técnica, todas las partes y porcentajes son basados en peso y todos los métodos de prueba son actuales en cuanto a la fecha de presentación de esta descripción. Para fines de práctica de patente estadounidense, los contenidos de cualquier patente, solicitud de patente o publicación referida son incorporados por referencia en su totalidad (o su versión estadounidense equivalente es así incorporada por referencia) especialmente con respecto a la descripción de definiciones (el grado no inconsistente con cualquier definición específicamente provista en esta descripción) y conocimiento general en la técnica.
Los rangos numéricos en esta descripción son aproximados, y así pueden incluir valores fuera del rango a menos que se indique de otra manera. Los rangos numéricos incluyen todos valores de e incluyendo los valores inferiores y superiores, en incrementos de una unidad, siempre que exista una separación de al menos dos unidades entre cualquier valor inferior y cu a lq u ier va l or superior. Como un ejemplo, si es una propiedad de composición, física u otra, tal como, por ejemplo, espesor, etc. , es desde 1 00 hasta 1 ,000, entonces todos los valores individuales, tales como 1 00, 101 , 102, etc. , y sub-rangos, tales como 100 a 144, 1 55 a 170, 1 97 a 200, etc. , son enumerados expresamente. Para rangos conteniendo valores los cuales son menores que uno o conteniendo números en fracción mayores que uno (por ejemplo, 1 .1 , 1 .5, etc. ), una unidad es considerada 0.0001 , 0.001 , 0.01 o 0.1 , según sea apropiado. Para rangos conteniendo números de un solo d ígito menores que diez (por ejemplo, 1 a 5), una unidad es considerada normalmente 0. 1 . Estos son solo ejemplos de lo que se pretende específicamente, y todas las posibles combinaciones de valores numéricos entre el valor más bajo y el valor más alto enumerados, van a ser considerados como expresamente declarados en esta descripción. Los rangos numéricos son provistos dentro de esta descripción para, entre otras cosas, las cantidades componentes de formulaciones, espesor, etc.
"Filamento" y términos similares significan una sola hebra continua de material alargado teniendo una proporción de longitud a diámetro de más de 10.
"Fibra" y términos similares significan una columna alargada de filamento enmarañado teniendo una sección transversal generalmente redonda y una proporción de longitud a diámetro mayor que 10.
"Cable" y términos similares significan al menos un alambre o fibra óptica dentro de una chaqueta o funda protectora. Normalmente, un cable es dos o más alambres o fibras tópicas unidas juntas, normalmente en una chaqueta o funda protectora común. Los alambres o fibras individuales dentro de la chaqueta, pueden estar desnudos, cubiertos o aislados. Los cables de combinación pueden contener tanto alambres eléctricos como fibras ópticas. El cable, etc., puede ser diseñado para aplicaciones de voltaje bajo, medio y alto. Los diseños de cable típicos son ilustrados en USP 5,246,783, 6,496,629 y 6,714,707, "Cinta" y términos similares significan una tira delgada de material de longitud indefinida. Normalmente, la longitud de la tira de materiales al menos diez (10) veces mayor que su ancho o espesor.
"Al menos una orientación de dirección de máquina parcial" y términos similares significan que un porcentaje, normalmente al menos 30 por ciento, de fibras en una cinta termoplástica que tiene direcciones de máquina y cruzadas son posicionadas dentro de la cinta, de manera que la dimensión de longitud de la fibra tiene una mayor alineación con la dirección de máquina de la cinta que tiene con la dirección cruzada de la cinta.
"Dirección de máquina" y términos similares significa la dirección paralela al movimiento hacia delante de material a través de un extrusor. Para la dirección de máquina de material extruido y eje longitudinal teniendo el mismo significado.
"Dirección cruzada" y término similares significan la dirección normal o perpendicular a la dirección de máquina.
Fibra Varias clases de fibra pueden ser usadas en la práctica de esta invención incluyendo, pero no limitando a, poliolefina, por ejemplo, fibra de polietileno y polipropileno, fibra de nylon, fibra de poliéster, fibra de vidrio, fibra de grafito, fibra de cuarzo, fibra de metal, fibra de cerámica, fibra de boro, fibra de aluminio y combinaciones de dos o más de estas u otras fibras. La fibra es normalmente disponible como hilo o roving, que es un haz de filamentos individuales en un carrete. El denier de la fibra puede variar para la composición de la fibra y la aplicación a la cual el haz de fibra es colocado, pero normalmente está entre 400 y 5.000TEX, más normalmente entre 600 y 3.000TEX, y aún más normalmente entre 700 y 2.500TEX.
Las fibras d epoliolefina representativas incluyen fibra de polietileno SPECTRA® 900 de Honeywell, fibras de poliolefina DOW XLAMR, y fibras de carbono TOHO TENAX BESFIGHT® G30-700. Fibras de vidrio representativas incluyen fibras de vidrio E de Owens Corning OC® SE 41 21 (1200 o 2400 tex), y John Manville JM 473AT (2400 tex), 473A (2400 y 1 200 tex), PPG 4599 (2400 tex). OC® SE 4121 es un miembro avanzado de la familia de rovings continuos de extremo simple (Tipo 30). Este producto es diseñado especialmente para uso en aplicaciones termoplásticas de fibra larga (LFT) de polipropileno. OC SE 4121 tiene una química que es diseñada para ser adecuada con procesos directos de LFT.
Fibras de vidrio: Manville JM 473AT (1 1 00, 1200 o 2400 tex) o grado similar de fibras a partir de otros proveedores pueden ser usadas. Manville JM 473AT es una fibra de rovi ng d i recta STA R ROV® LFTpIus y es fabricada mediante embobinado directo de fibras de vidrio continuas de diámetro definido en un paquete de roving cil indrico. Este roving es diseñado para refuerzo de pol ímeros de polipropileno en los procesos de LFT. Las propiedades de material seleccionado y características de fibra se enlistan en la Tabla 1 .
Tabla 1 Propiedades seleccionadas de fibra de vidrio E Manville JM 473AT La cantidad de fibra en el haz de fibra es normalmente al menos 20, más normalmente al menos 60 y aún más normalmente al menos 80, por ciento en peso (% en peso) con base en el peso del haz. La cantidad máxima de fibra en el haz de fibra normalmente no excede 98, más normalmente no excede 95 y aún más normalmente no excede 90, % en peso con base en el peso del haz.
Resina Varias clases de resinas termoplásticas comercialmente disponibles pueden ser usadas en la fabricación de los haces reforzados de fibra usados para hacer las cintas reforzadas de fibra de esta invención incluyendo, pero no limitando a, esas resinas comúnmente conocidas y usadas para formar plástico polimérico reforzado con fibra. Las resinas termoplásticas típicas incluyen, pero no están limitadas a, resina acrílica, resina de acrilato, resina epóxica, resina de carbonato, resina de poliolefina y combinaciones de dos o más de éstas y/u otras resinas.
Las resinas de poliolefina útiles en la práctica de esta invención son termoplásticas, e incluyen tanto homopol ímeros como interpolímeros de poliolefina. Ejemplos de homopolímeros de poliolefina son los homopolímeros de etileno y propileno. Ejemplos de los interpol ímeros de poliolefina son los interpolímeros de etileno/a-olefina y los interpolímeros de propileno/a-olefina. La a-olefina es de preferencia una a-olefina es de preferencia una a-olefina lineal , ram ificada o cíclica de C 3.20 (para los interpolímeros de propileno/a-olefina, el etileno es considerado una a-olefina). Ejemplos de a-olefinas de C3.2o incluyen propeno, 1 -buteno, 4-metil-1 -penteno, 1 -hexeno, 1 -octeno, 1 -deceno, 1 -dodeceno, 1 -tetradeceno, 1 -hexadeceno y 1 -octadeceno. Las a-olefinas también pueden contener una estructura cíclica, tal como ciciohexano o ciclopentano, resultando en una a-olefina , tal como 3-ciclohexil-1 -propeno (alil ciciohexano) y vinil ciciohexano. Aunque no todas a-olefinas en el sentido clásico del término, para fines de esta invención ciertas olefinas cíclicas, tales como norborneno y olefinas relacionadas, son a-olefinas y pueden ser usadas en lugar de algunas o todas las a-olefinas descritas antes. De manera similar, el estireno y sus olefinas relacionadas (por ejemplo, a-metilestireno, etc.) son a-olefinas para fines de esta invención. Copolímeros de poliolefina ilustrativos incluyen etileno/propileno, etileno/buteno, etileno/1 -hexeno, etileno/1 -octeno, etileno/estireno y similares. Terpol ímeros ilustrativos incluyen eti leno/propi leño/ 1 -octeno, etileno/propileno/buteno, etileno/buteno/1 -octeno y etileno/buteno/estireno. Los copol ímeros pueden ser aleatorios o de bloques.
Las resinas de poliolefina también pueden comprender uno o más grupos funcionales, tales como un éster o ácido insaturado, y estas poliolefinas son bien conocidas y pueden ser preparadas mediante técnicas de alta presión convencionales. Los ésteres insaturados pueden ser alquil acrilatos, alquil metacrilatos o vinil carboxilatos. Los grupos alquilo pueden tener 1 a 8 átomos de carbono y de preferencia tienen 1 a 4 átomos de carbono. Los grupos carboxilato pueden tener 2 a 8 átomos de carbono y de preferencia tienen 2 a 5 átomos de carbono. La porción del copól imero atribuida al comonomero de éster puede estar en el rango de 1 hasta 50 por ciento en peso con base en el peso del copólimero. Ejemplos de los acrilatos y metacrilatos son acrilato de etilo, acrilato de metilo, metacrilato de metilo, acrilato de t-butilo, acrilato de n-butilo, metacrilato de n-butilo y acrilato de 2-etilhexilo. Ejemplos de carboxilatos de vinilo son acetato de vinilo, propionato de vinilo y butanoato de vinilo. Ejemplos de los ácidos insaturados incluyen ácidos acrílicos o ácidos maleicos.
Los grupos funcionales también pueden ser incluidos en la poliolefina a través de injerto, el cual puede ser logrado cómo es comúnmente conocido en la técnica. En una modalidad, el injertado puede ocurrir a manera de funcionalización de radicales libres, lo cual normalmente incluye mezclar por fusión >un polímero de olefina, un iniciador de radicales libres (tal como un peróxido o similares), y un compuesto conteniendo un grupo funcional. Durante el mezclado por fusión, el iniciador de radicales libres reacciona (mezclado por fusión reactivo) con el polímero de olefina para formar radicales de polímero. El compuesto conteniendo un grupo funcional se une al esqueleto de los radicales poliméricos para formar un pol ímero funcionalizado.
Compuestos ejemplares conteniendo grupos funcionales incluyen pero no están limitados a alcoxisilanos, por ejemplo, vinil trimetoxisilano, vinil trietoxisilano y ácidos carboxílicos de vinilo y anh ídridos, por ejemplo, anhídrido maleico.
Ejemplos más específicos de poliolefinas útiles en esta invención incluyen polietileno de muy baja densidad (VLDPE) (por ejemplo, polietileno de etileno/1 -hexeno FLEXOMER® hecho por Dow Chemical Company), copolímeros de etileno/a-olefina lineales, homogéneamente ramificados (por ejemplo, TAFMER® por Mitsui Petrochemicals Company Limited y EXACT® por Exxon Chemical Company), polímeros de etileno/a-olefina substa nci a l me nte l i nea les , ho mogénea mente ramificados (por ejemplo, AFFI NITY® y ENGAGE® disponibles de Dow Chemical Company), y copolímeros de bloque de olefina, tales como aquéllos descritos en USP 7,355,089 (Por ejemplo, I NFUSE® disponible de Dow Chemical Company). Los copolímeros de poliolefina más preferidos son copolímeros de etileno lineales y substancialmente lineales, homogéneamente ramificados. Los copol ímeros de etileno substancialmente lineales son especialmente preferidos, y son descritos más completamente en USP 5,272,236, 5,278,272 y 5,986,028.
Las poliolefinas útiles en la práctica de esta invención también incluyen copol ímeros basados en propileno, buteno y otros alquenos, por ejemplo, copolímeros comprendiendo una mayoría de unidades derivadas de propileno y una minoría de unidades derivadas de otra a-olefina (incluyendo etileno). Polímeros de propileno ejemplares útiles en la práctica de esta invención incluyen los polímeros VERSI FY® disponibles de Dow Chemical Company, y los pol ímeros VISTA AXX® disponible de ExxonMobil Chemical Company.
Las mezclas de cualquiera de los elastómeros olefínicos anteriores también pueden ser usadas en esta invención, y los elastómeros de olefina pueden ser mezclados o diluidos con uno o más polímeros diferentes al grado que, en un modo preferido, los elastómeros de olefina de esta invención constituyen al menos aproximadamente 50, de preferencia al menso aproximadamente 75 y más preferiblemente al menos aproximadamente 80, por ciento en peso del componente de polímero termoplástico de la mezcla y retienen su flexibilidad. En un modo menos preferido y de pe n d iend o de otras propiedades que pudieran buscarse, el contenido de elastómero de olefina puede ser menor que 50% del componente de polímero termoplástico. En una modalidad, la resina impregnadora es I NSPI RE® 404 o polímero de desempeño DOW® H734-52RNA (polipropileno) ambos disponibles de Dow Chemical Company, o grados similares de resina de polipropileno disponible de otros proveedores.
Las resinas usadas en la práctica de esta invención pueden incluir uno o más aditivos para facilitar su procesamiento y/o uso. Los aditivos típicos incluyen agentes de compatibilidad/acoplamiento, por ejemplo, FUSABOND® P353 por DuPont u OREVAC® CA 1 00 por Arkema o POLYBOND® 3200 por Chemtura; promotores de flujo, por ejemplo, Borealis BORFLOW® 405 u 805 o Dow AFFI N ITY® GA 1 950; pigmento, por ejemplo, Hubron Black Masterbatch PPB o Cabot PLASBLAK® 4045; y antioxidantes, por ejemplo, I RGANOX® 101 0, I RGAFOS® 168 y/o IRGANOX® PS 802 (como son provistos por Ciba Specialty Chemicals). Estos y otros aditivos son usados en cantidades convencionales y en maneras convencionales.
La cantidad de resina (incluyendo cualquier aditivo y/o relleno) en el haz de fibra es normalmente al menos 2, más normalmente al menos 5 y aún más normalmente la menos 10, por ciento en peso (% en peso) con base en el peso del haz. La cantidad máxima de resina en el haz de fibra normalmente no excede 80, más normalmente no excede 60 y aún más normalmente no excede 40, % en peso con base en el peso del haz.
Método para hacer el haz de fibra Los haces de fibra, es decir, el material LFT, puede hacerse mediante cualquier proceso conveniente incluyendo, pero no limitando a, pasar fibra (incluyendo pero no limitando a fibras de vidrio) a través de un proceso de pultrusión para impregnar las fibras con una resina termoplástica como se describe antes. Los específicos de procesamiento de pultrusión son bien conocidos para aquéllos de habilidad ordinaria en la técnica y son descritos generalmente en USP 7,507,361 . El material es cortado entonces en pellas o tiras. Usualmente estas tiras de LFT contienen fibras variando desde 3 hasta 15 mm de longitud, más normalmente desde 5 hasta 12 mm de longitud, con una proporción en peso de 30% a 95%, más normalmente desde 50% hasta 85% .
Método para hacer la cinta Las cintas de esta invención están hechas usando un proceso de extrusión. Normalmente un extrusor de tornillo doble es elegido, pero también pueden usarse extrusores de tornillo simple. Los tornillos normalmente giran a 10-200, más normalmente 1 5 a 150 e incluso más normalmente 20 a 1 00, revoluciones por minuto (rpm). Debido a que las fibras ya están mezcladas en las tiras/pellas, no se requiere mezclado. Los tornillos extrusores son fijados con una proporción de compresión mayor que 2.5: 1 sin el uso de elementos de mezclado. Las temperaturas de cámara son fijadas a 1 80-220°C para las diferentes zonas en el extrusor, y la temperatura de dado (por ejemplo, 180-230°C) es normalmente la más alta entre todas las zonas. La velocidad de extrusión es normalmente 0.2 a 5 m/min dependiendo de la carga de fibra del producto final. La cinta puede ser recolectada conforme sale del extrusor al usar un carrete de embobinado o dispositivo similar. La unidad de embobinado puede operar a una mayor velocidad que aquélla a la cual el extrusor es operado, por ejemplo, 10, 1 5, 25% o más rápido, para arrastrar el material ligeramente y así impartir o intensificar la orientación de dirección de máquina a las fibras. Las dimensiones de cinta normalmente están en el rango de 1 a 50, más normalmente 2 a 25 e incluso más normalmente 5 a 12, mm en ancho, 0.1 a 2, más normalmente 0.2 a 1 .5 y aún más normalmente 0.5 a 1 .2, mm en espesor, y de longitud indefinida.
Alambre o cable con miembro de refuerzo de cinta Para servir como un miembro de refuerzo para una aplicación de alambre o cable, en particular para un cable de fibra óptica, la cinta normalmente tiene un módulo de al menos 1 2 kilogramos por pulgada cuadrada (kg/in2) o 5 GigaPascales (GPa), pero un valor de 6 a 10 GPa es más típico para esta configuración de cinta. Alto módulo es una función de cargas de fibra y adhesión entre la matriz de resina y fibra. Más aún , normalmente al menos 30, más normalmente al menos 40 y aún más normalmente al menos 50, por ciento de la carga de fibra total en la cinta está orientado en la dirección de máquina (longitudinalmente) . Esta orientación es un resultado de tanto extrusión a través del dado y/o arrastre sobre extrusión, por ejemplo, desde la unidad de embobinado.
La cinta puede ser incorporada en la construcción de alambre o cable en cualquier manera adecuada incluyendo, pero no limitando a, una envoltura longitudinal y/o transversal alrededor de uno o más alambres o fibras dentro de la construcción. De manera alternativa, la cinta puede ser incorporada en otro componente de la construcción de alambre o cable, por ejemplo, una funda de aislamiento o chaqueta protectora. La cinta también puede ser usada como un com ponente de refuerzo independiente del cable.
La invención es descrita de manera más completa a través de los siguientes ejemplos. A menos que se note de otra manera, todas las partes y porcentajes son en peso.
Modalidades específicas Materiales La fibra es fibra de vidrio 473a Johns Manville JM 473AT (2400 tex). El tipo de vidrio de la fibra es E con un contenido de LOI (%) de 0.70, un contenido de humedad máximo de 0.1 5%, una densidad lineal (rendimiento/tex) de 207/2400, y un diámetro de filamento de 16 mieras. La fibra comprendió 60% en peso del compuesto.
La resina es DOW H734-52RNA, un polipropileno disponible de Dow Chemical Company y con las propiedades reportadas en la Tabla 2.
Tabla 2 Propiedades seleccionadas de DOW H734-52RNA La resina comprendió 32.4% en peso del compuesto.
El promotor de flujo es PORFLOW® HL504FB, un homopol ímero de polipropileno de grado para aplicaciones de fibra y disponible de Borealis. El promotor de flujo comprende 4% en peso del compuesto.
El agente de acoplamiento es OREVAC® CA 1 00, un polipropileno modificado con anhídrido maleico disponible de Arkema. El agente de acoplamiento comprende 1 .5% en peso del compuesto.
El pigmento es PLASBAK® 4045, un lote maestro de polipropileno negro disponible de Cabot. El portador es homopolímero de polipropileno y el lote maestro contiene 40% en peso de negro de humo. El pigmento comprende 1 .75% en peso de compuesto.
Los antioxidantes son I RGANOX 1 01 0 (tetrakis-(metilen-(3, 5-di-(ter)-butil-4-hidrocinamato))metano); I RGAFOS 168 (tris (2,4-di-ter-butilfenil)fosfito); e I RGANOX PS 802 (dioctadecil-3,3'-tiodipropionato), todos disponibles de Ciba.
Proceso de LFT Las tiras y pellas de LFT son producidas por FACT de Alemania usando un proceso de pultrusión convencional que emplea un extrusor de 20 caballos de fuerza y 4 zonas de calentamiento. El extrusor es equipado con un solo tornillo de proporción de compresión 3: 1 con una proporción de longitud/diámetro de 25. Los elementos de mezclado no son usados. El perfil de temperatura del extrusor es: Zona 1 -185°C, Zona 2 - 1 90°C, Zona 3 - 21 0°C, y una temperatura de dado de 220°C. El extrusor es operado a 65 rpm).
Proceso de extrusión El extrusor de tornillo doble Brabender PL tipo 2000-3 es usado para la extrusión. La Figura 1 muestra los ajustes de temperatura y presión usados para las diferentes zonas en el extrusor. El perfil de temperatura es "revertido" ya que la temperatura más alta está en la primera zona y la temperatura más baja está en la última zona. Esto es para permitir la rápida fusión de la matriz de resina y reducir la cantidad de tensión a la cual se expone. Las pellas/tiras son alimentadas a través de la tolva principal , y la velocidad de tornillo es fijada a 30 rpm. Un dado de listón ancho de una pulgada (2.54 cm) es usado para extruir la cinta compuesta, y la cinta no es estirada durante el proceso de extrusión antes de de que sea embobinada sobre un carrete.
La Figura 2 enseña las muestras hechas durante el ensayo de extrusión. Una observación visual revela que en ambas muestras las fibras son capaces de retener su longitud en el compuesto, y están orientadas ligeramente en la dirección de máquina. Para esta aplicación, se prefiere una ligera orientación de fibra en la dirección de máquina para lograr mayor fuerza de tracción en esa dirección particular. Dependiendo de cómo es aplicada la cinta en el cable, sin embargo, algunas veces la orientación aleatoria completa puede ser realmente preferida . En el ejemplo a continuación , el nivel de orientación de fibra alcanzado es suficiente.
Pruebas y resultados Para fines de comparación también se usa un mezclador por lotes Brabender para re-fundir y mezclar las pellas LFT originales. Las placas (0.03" (0.0762 cm) de espesor) son entonces moldeados por compresión en una prensa caliente a la temperatura de rodillo de 1 90°C . Entonces se preparan muestras de tracción.
El proceso de prueba de tracción es conducido tanto en muestras eximidas como moldeadas siguiendo el procedimiento de prueba de alambre y cable de ASTM D638-03: Método de prueba estándar para propiedades de tensión de plásticos (Detalles, ver 2008 Annual Book of ASTM Standards (Libro anual de 2008 de estándares de ASTM), sección 8, volumen 0.8.01 , ASTM International, West Conshohocken, PA, 2008).
La Figura 3 muestra la comparación de módulo de muestras de LFT extruidas y moldeadas versus resina de polipropileno puro. El análisis de Tukey-Kramer muestra que los módulos de LFT extruido y moldeado son estad ísticamente mayores comparados con aquéllos de polipropileno puro (con valores promedio más de cuatro veces mayores). La intensificación en módulo sugiere que un efecto de refuerzo significativo es logrado al adicionar fibras de vidrio largas en el compuesto. La Figura 4 muestra la comparación de tensión pico para cada una de las muestras compuestas, lo cual indica la orientación de fibra. El análisis de Tukey-Kramer muestra que las muestras extruidas exhiben tensiones pico estadísticamente mayores que las muestras moldeadas, sugiriendo una mejor orientación de fibra en la muestra extruida.
Conclusiones Los resultados de prueba muestran una mejora significativa de módulo para la cinta de LFT extruida como se compara con resina de polipropileno pura. El compuesto de LFT también exhibe una alta tensión pico. Combinando tanto las características de alto módulo como la alta tensión a falla se demuestra que la cinta compuesta de LFT es útil como un miembro de refuerzo en aplicaciones de cable de fibra óptica.
La Tabla 2 reporta la capacidad portadora de carga de la cinta compuesta en comparación con un FRP de diámetro de 1 .5 mm convencional que se usa hoy en día en cable de fibra óptica de 5 mm. Asumiendo que el cable es jalado a 1 % de distensión (lo cual es normalmente el límite superior para distensión sin romper las fibras ópticas), la Tabla 2 muestra que una cinta compuesta de 0.55 mm de espesor que se envuelve alrededor de un cable de 5 mm de diámetro tiene esencialmente la misma cantidad de capacidad portadora de carga como un FRP de 1 .5 mm de di á metro (i ncl u so a u nq ue el m ód u lo sea menor). Esta capacidad portadora de carga permite que el cable soporte las tensiones de manejo experimentadas durante la instalación.
Tabla 3 Comparación de capacidad portadora de carga de FRP convencional y la cinta compuesta inventiva diámetro · Aunque la invención ha sido descrita con cierto detalle a través de la descripción precedente de las modalidades preferidas, este detalle es para el propósito primario de ilustración. Muchas variaciones y modificaciones pueden hacerse por alguien experto en la técnica sin apartarse del espíritu y alcance de la invención como se describe en las siguientes reivindicaciones.

Claims (10)

REIVINDICACIONES
1. Una cinta reforzada con fibra extruida teniendo un eje longitudinal, comprendiendo la cinta al menos 60 por ciento en peso de fibras de vidrio con una densidad lineal de 400 a 5,000 TEX y al menos 2 por ciento en peso de una resina termoplástica con la condición de que al menos 30 por ciento de las fibras en la cinta estén al menos parcialmente orientadas a lo largo del eje longitudinal de la cinta.
2. La cinta de la reivindicación 1, en la cual las fibras son fibras de vidrio con una densidad lineal de 600 a 3,000TEX.
3. La cinta de la reivindicación 2, en la cual la resina es una resina de poliolefina.
4. La cinta de la reivindicación 3, en la cual la resina es una resina de polipropileno.
5. La cinta de la reivindicación 4, en la cual las fibras tienen una longitud de 4 a 15 mm.
6. Un proceso para hacer la cinta de la reivindicación 1, comprendiendo el proceso los pasos de (A) preparar pellas o tiras termoplásticas de fibra larga comprendiendo al menos 60 por ciento en peso de fibras de vidrio con una densidad lineal de 400 a 5.000TEX y al menos 2 por ciento en peso de resina termoplástica, (B) formar una masa extruible a partir de las pellas o tiras, y (C) extruir la masa para formar una cinta con orientación de dirección de máquina o cruzada con la condición de que al menos 30 por ciento de las fibras estén orientadas en la dirección de máquina.
7. El proceso de la reivindicación 6, en el cual la extrusión es realizada con un extrusor equipado con un dado operado a una temperatura de 1 80-230°C.
8. El proceso de la reivindicación 7, en el cual la cinta extruida es sometida a arrastre.
9. Una construcción de alambre o cable que comprende la cinta de la reivindicación 1 como un miembro de refuerzo.
10. El alambre o cable de la reivindicación 9 en la forma de un cable de fibra óptica . RESU ME N Una cinta reforzada con fibra comprende un eje longitudinal , al menos 30 por ciento en peso de una fibra y al menos 2 por ciento en peso de una resina termoplástica, con la condición de que al menos 30 por ciento de las fibras en la cinta estén al menos parcialmente orientadas a lo largo del eje longitudinal de la cinta. La cinta es útil como un miembro de refuerzo para construcciones de alambre y cable, en particular construcciones de cable de fibra óptica.
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