MXPA03002155A - Metodo para la fabricacion de materiales compuestos. - Google Patents

Abstract

El metodo incluye la preparacion del preimpregnado, su prensado, endurecido y carbonizacion y se caracteriza porque despues de preparar el preimpregnado, este se somete a un tratamiento termico entre 70 y 1.100??C; se rellena con una sustancia inerte que comprende una carga y un ligante polimerico en una cantidad superior al volumen de la oquedad del tejido monocapa que se calcula mediante la formula (1) (ver formula) donde: mn es el material de sustancia inerte, dn representa la densidad de la sustancia inerte, a es la longitud del preimpregnado, b es la anchura del preimpregnado, h es el espesor del preimpregnado, mpr es la masa del preimpregnado, y dfib es la densidad de la fibra, y se calienta entre 160 degree C y 200 degree C, aplicandose simultaneamente una presion comprendida entre 1 y 5 Mpa; el metodo es util para fabricar materiales compuestos con una matriz que contiene carbono y de porosidad variable, por ejemplo colectores de corriente de pilas de combustible con agregados de electrodos, electrodos electroquimicos porosos o elementos filtrantes.

Description

METODO PARA LA FABRICACION DE MATERIALES COMPUESTOS MEMORIA DESCRIPTIVA Esta invención se refiere a la fabricación de una amplia clase de materiales compuestos con una matriz que contiene carbono y de porosidad controlada. Esta invención se puede utilizar, en particular, en la fabricación de los colectores de corriente de pilas de combustible con agregados de electrodos, electrodos electroquímicos porosos o dispositivos filtrantes. Se conocen métodos de obtención de materiales compuestos (composites) tanto de capa única (monocapa) como de capas múltiples (multicapa), reforzados en dos direcciones (2D). Se conocen también métodos de fabricación de materiales compuestos (que consisten en una matriz de carbono y una carga o relleno de fibras) que incluyen la preparación del preimpregnado (articulo semiacabado que consiste en una carga fibrosa impregnada con un ligante en una relación ponderal definida), su prensado, endurecido y carbonización (G. Savage, Carbón- carbón Composites -Chapman & Hall, 1993, págs. 231-237). Sin embargo, debido a las propiedades inherentes de los tejidos, éstos presentan unas oquedades (conjunto de huecos) significativas (con una extensión de unos pocos milímetros) y unas fisuras de discontinuidad de un extremo a otro dentro de sus límites (Figura 1 ) . El material compuesto polimérico es fuerte y liso en estado plástico, pero cuando se carboniza, después de la destrucción de la matriz polimérica y debido a la contracción producida, que conduce a la aparición de un volumen libre (superior al 50% del volumen de la matriz polimérica previa) entonces el material compuesto polimérico se caracteriza por una baja rigidez y una aspereza superficial significativa. Otro método para la obtención de materiales compuestos incluye la impregnación, endurecimiento, carbonización y grafitización cíclicas seguido de un tratamiento mecánico posterior del material compuesto obtenido (Bulanov I.M., Vorobey V.V., Technology of rocket and aerospace constructions made of composing materials - M. : Edition of Moscow N.E. Bauman State Technical University, 1998, pág. 91-92). Aunque este método permite aumentar la rigidez del material compuesto carbonizado y proporciona una baja aspereza, únicamente se puede realizar a expensas de una saturación muy elevada y con una energía intensa desde la fase gaseosa o líquida. Además, este resultado se obtiene mediante el tratamiento mecánico del material compuesto comprimido. La porosidad controlada también está ausente en este caso. La presente invención se dirige a la obtención de un material compuesto económico con propiedades específicas. Los resultados técnicos que se pretenden conseguir incluyen una reducción en el consumo de energía y la producción de un material compuesto con una porosidad controlada. Para conseguir estos resultados se utiliza un método de fabricación de un material compuesto que incluye la preparación del preimpregnado, su prensado, endurecido y carbonización. La característica que distingue al método proporcionado por esta invención de otros métodos conocidos es que, después de la preparación del preimpregnado, éste sufre un tratamiento térmico a una temperatura comprendida entre 70°C y 1.100°C y se rellena con una cantidad definida de una sustancia inerte que comprende una carga y un ligante a base de un material polimérico, por ejemplo, una resina termoestable. A continuación, la muestra se calienta a una temperatura comprendida entre 160°C y 200°C, aumentando al mismo tiempo la presión de contacto interno hasta una presión comprendida entre 1 y 5 MPa con temporización. En este método la cantidad de la sustancia inerte excede el volumen de la oquedad del tejido monocapa y se puede calcular mediante la fórmula [1]: m mn = dn · donde mn es la masa de la sustancia inerte; dn es la densidad de la sustancia inerte; a es la longitud del preimpregnado; b es la anchura del preimpregando; h es el espesor del preimpregnado; mpr es la masa del preimpregnado; y es la densidad de la fibra. En la Figura 1 se muestra la estructura de la muestra original.

En la Figura 2 se muestra una vista lateral de la estructura original. En la Figura 3 se muestra la sustancia inerte encima de la superficie del substrato con preimpregnado tratado térmicamente. En la Figura 4 se presenta el relleno de la oquedad con la sustancia inerte. En la Figura 5 se ilustra el material compuesto monocapa ya fabricado. La invención puede ilustrarse haciendo referencia a las Figuras que acompañan a esta descripción. Según la presente invención, el material compuesto se puede obtener de la siguiente manera. Se elige el material inicial (tal como un material con una matriz que contiene carbono) y se impregna con un ligante, con lo que se obtiene el preimpregnado que se somete a un tratamiento térmico a una temperatura comprendida entre 70°C y 1.100°C. Tras el tratamiento térmico del preimpregnado se forma una malla (Figuras 1 y 2) . Aunque el aspecto de la malla no cambia, sí aparece la dureza. El tejido monocapa (1) se coloca sobre un substrato inerte (2) provisto de un revestimiento de liberación (3) y la sustancia inerte (4). Como revestimiento de liberación (3) o recubrimiento de las placas del substrato inerte se puede utilizar cualquier sustancia adecuada, por ejemplo, politetrafluoroetileno (PTFE) en láminas delgadas. También puede utilizarse un recubrimiento de alcohol polivinílico (PVA) .

Los principales componentes de la sustancia inerte (4) son el polímero, la carga y el poróforo. El polímero es el compuesto que actúa como ligante que se utiliza tanto en la etapa de impregnación como en la etapa posterior a la carbonización. Por tanto, el polímero debe producir una elevada cantidad de coque. No existen muchos polímeros naturales de este tipo. En una realización particular, dicho polímero es una resina de fenol-formaldehído ya que son productos comerciales disponibles y baratos. Desde un punto de vista práctico, es conveniente utilizar el polímero en solución en un medio apropiado ya que, en ese caso, la preparación de la sustancia inerte y el tratamiento previo pueden realizarse a temperatura ambiente. Como carga puede, utilizarse cualquier material disperso que comprende carbono, en forma de fibras o polvos, con diferentes tamaños y formas, por ejemplo, polvo de grafito o de coque, hollín, fibras troceadas o polvo de resina, preferiblemente en forma de fibras porque su tamaño en la dirección transversal es constante y el carácter .oblongo de sus partículas promueve el refuerzo del material compuesto en los huecos del soporte. En general, cuando se utiliza una fibra troceada, la rugosidad y la durabilidad del área interfibrilar aumentan. Como poróforo (sustancia que aporta porosidad al material compuesto) puede utilizarse cualquier compuesto sólido o líquido disperso, compatible con la solución de polímero, por ejemplo, PTFE en forma de polvo, polimetilmetacrilato (PPMA) , polietilenglicol (PEG) o bicarbonato amónico. El principal requisito que debe cumplir el poróforo es que se evapore completamente durante el calentamiento del material compuesto.

La cantidad de sustancia inerte que se utiliza en la puesta en práctica del método proporcionado por esta invención es superior al volumen (área libre) de la oquedad del tejido monocapa. En una realización particular la cantidad de sustancia inerte que se utiliza excede entre un 10% y un 30% el volumen de la oquedad del tejido monocapa. La cantidad de la sustancia inerte a utilizar se puede calcular mediante la fórmula [1] previamente mostrada. A continuación, se ponen en contacto el preimpregnado tratado térmicamente y la sustancia inerte, en unos substratos inertes, y se aplica una presión de contacto sobre dichos materiales (Figura 4). La malla dura del preimpregnado tratado térmicamente se mueve dentro del medio suspendido en la dirección de la presión aplicada hasta que sus nudos prominentes toquen la superficie del substrato (a baja tensión), o aprieten la sustancia inerte debajo de la misma (a alta tensión). La muestra entonces se calienta a una temperatura comprendida entre 160°C y 200°C, aumentando al mismo tiempo la presión de contacto interno hasta una presión comprendida entre 1 y 5 MPa con temporización. La temporización (mar ceñimiento de la mezcla a una presión, temperatura y durante un periodo de tiempo determinados) es necesaria por varias razones, entre ellas porque (i) la temporización da como resultado el reagrupamiento de la masa de sustancia inerte dentro del soporte de refuerzo a base de tela, y (ii) el endurecimiento de la masa tiene lugar mientras aumenta la temperatura hasta el nivel definitivo. Para obtener el material compuesto homogéneo (en cuanto al espesor) suave, es necesario efectuar el endurecimiento entre los substratos inertes de la prensa. La temporización depende de la velocidad del aumento de temperatura por encima de los 100 °C y de la composición de la sustancia inerte. Al calentamiento hasta 160°C-200°C le sigue un aumento gradual de la presión hasta 1 a 5 MPa. Este proceso hace que el material se endurezca. El aumento de la temperatura y de la presión conduce a un procedimiento de formación del material compuesto mediante un mecanismo de difusión molecular de la corriente de sustancia inerte. Este procedimiento incluye la evolución de las moléculas lineales y la deformación de las fibras troceadas que viene causada por el movimiento subsiguiente de sus partes en la dirección de la presión aplicada (con el tiempo). Como es conocido, los polímeros que forman coque (ligantes) son materiales elástico-viscosos. Esto diferencia a los polímeros de los demás sólidos. Cuando los polímeros se deforman mecánicamente, los polímeros no sólo son viscosos sino también elásticos. La resistencia al cambio de forma, que viene producida por la tensión mecánica, depende de las condiciones dinámicas del proceso de deformación. La corriente viscosa de los polímeros es seguida siempre por la deformación de los elementos. La razón de esto es el movimiento de las moléculas de cadena larga. Su enderezamiento u orientación está siempre involucrado. Por tanto, la viscosidad, que se calcula como una relación entre la tensión y la velocidad de deformación irreversible, no es constante, sino que aumenta durante el proceso. Cuando el flujo llega a ser estacionario, la viscosidad del polímero no cambia ya más, pero su valor depende de la tensión aplicada. El aumento de la temperatura da como resultado la disminución de la viscosidad. El movimiento de la carga de fibra dura dentro del medio inerte viscoso, después de la preparación del preimpregnado y del tratamiento térmico, se lleva a cabo con la correspondiente redistribución de la sustancia inerte que llena la oquedad y las fisuras de discontinuidad presentes en el tejido. Cuando se utilizan el tejido o la banda en estado original, el material compuesto no se puede obtener por medio del método proporcionado por esta invención ya que la carga de fibra dura y duradera no puede redistribuir la sustancia inerte después de que se haya aplicado la presión. El endurecimiento tiene lugar entre unos substratos inertes o medios pesados de planos paralelos, de forma que la muestra endurecida consigue el espesor deseado y la pureza de la superficie, la cual depende solo de la rugosidad del revestimiento de liberación del accesorio. La posterior carbonización de la muestra endurecida es la razón de la rugosidad del material compuesto monocapa, el cual presenta, además, resistencia flexural a la presión, una baja aspereza superficial y una porosidad regulable. El método proporcionado por esta invención permite evitar el empleo del costoso procedimiento de compresión y tratamiento mecánico. Una característica importante del método proporcionado por esta invención radica en que permite obtener un material compuesto con una porosidad controlada. Para ello, si a la sustancia inerte se le añade un poróforo, tal como los mencionados previamente, se puede aumentar la permeabilidad a los gases. La capacidad de obtener un material compuesto con una porosidad elevada y controlada, una vez triturado, es muy importante, por ejemplo, para obtener electrodos electroquímicos y filtros porosos, colectores de comente de células de combustible MEA a partir del material compuesto preparado según el método proporcionado por esta invención.

EJEMPLO 1 En una realización particular del método proporcionado por esta invención, se obtuvo una muestra de un material compuesto de la forma que se describe a continuación. Se impregnó papel al carbón, fabricado con viscosa carbonizada, con una solución alcohólica de una resina de fenol-formaldehído (LBS-1®) [LBS-1®, "Carbolite", es un producto comercial producido en Rusia por la compañía Orekhovo-Zuyevo (Moscú), patrón del gobierno 901-78] y barniz de baquelita en un dispositivo impregnador. El preimpregnado así preparado se cortó en planchas de 300 x 300 mm y se secó en un desecador a 70-80°C. Para obtener la sustancia inerte que llena la oquedad del preimpregnado seco, se mezclaron completamente 20 g de fibra de carbono troceada (con una 3longitud no superior a 1 mm) con 10 g de polvo de grafito (cuyo tamaño de partículas está comprendido entre 5 y 10 mkm). A continuación, se mezclaron los 30 g de dicha mezcla con 65 g de otra mezcla compuesta por LBS-1® y una resina epoxídica (ED-20®) [ED-20®, "Ufachimprom", un producto , comercial producido en Rusia por la compañía Orekhovo-Zuyevo (Moscú), patrón del gobierno 10587-84], en una proporción ED-20®, 80% (en peso), y LBS-1®, 20% (en peso) . Después de mezclar, 30 g de la sustancia inerte se pusieron sobre la superficie del tejido con barniz de flúor (300 x 300 mm) en una capa fina de espesor uniforme. A continuación, la plancha de preimpregnado seco se colocó encima de la capa de sustancia inerte, entre unas placas metálicas pulidas y se aplicó una presión de 2.5 MPa. El endurecimiento se consiguió mediante el calentamiento del material compuesto a 160°C durante 8 horas, manteniéndolo a 160°C durante 1 hora. La carbonización a 1.000°C durante 1-2 horas terminó la formación del material compuesto. El aumento gradual y controlado de la temperatura (2°C/minuto) minimizó el alabeo indeseado. Este procedimiento se llevó a cabo con recubrimiento de grafito. El examen posterior de la placa de material compuesto carbono-carbono puso de manifiesto la ausencia de heterogeneidad y de defectos dentro de la muestra y sobre su superficie, y una altura de la aspereza inferior a 10-20 mkm. La muestra tenía la durabilidad y rugosidad deseadas (la elasticidad de la muestra se mantuvo tras múltiples flexiones de 10 cm de radio, la muestra no se agrietó), la porosidad, una vez triturada homogéneamente, era del 30-40%. Se comprobó que el carbono era el único componente de la muestra.

EJEMPLO 2 Ejemplo comparativo Se efectuó un ensayo comparativo entre el método de la invención y un método tradicional de fabricación de materiales compuestos. Para ello, se impregnó una tela de satén, trenzada, que contenía carbono, a base de viscosa carbonizada, en un dispositivo impregnador, con una solución alcohólica de una resina de fenol-foraialdehído (LBS-1 MR) (LBS-1 , es el producto comercial producido con Rusia "Carbolite", por la compañía Orekhovo-Zuyevo (Moscú)) . El preimpregnado así preparado se cortó en planchas de 300 x 300 mm y se secó en un desecador a 70-80°C. A continuación, la plancha de preimpregnado seco se colocó entre las placas metálicas pulidas de. una prensa hidráulica y se aplicó una presión de 2.5 MPa (Método tradicional). El calentamiento de la muestra en estado comprimido hasta una temperatura de 160°C durante 8 horas con temporización, es decir, manteniéndola a 160°C durante 1 hora, provocó el endurecimiento de la misma. Otra plancha de preimpregnado seco se coloco encima de una capa homogénea de 30 g de sustancia inerte, preparada como se describió en el Ejemplo 1 , y se colocó entre las placas metálicas pulidas de una prensa hidráulica, aplicándose a continuación una presión de 2.5 MPa (Método de la invención) . El calentamiento de la muestra en estado comprimido hasta una temperatura de 160°C durante 8 horas con temporización, manteniéndola a 160°C durante 1 hora, provocó el endurecimiento de la misma. A continuación, se procedió a carbonizar las muestras endurecidas de composite obtenidas por el método tradicional y por el método de la invención, a 1.000°C, en atmósfera no oxidante, durante 2 horas. El aumento gradual y controlado de la temperatura (2°C/minuto) durante la carbonización permite minimizar el alabeo indeseado causado por las irregularidades de la contracción. El examen externo de las dos placas obtenidas de material compuesto carbono-carbono puso de manifiesto que la placa preparada mediante el método tradicional es duradera y suave en estado plástico mientras que en estado carbonizado, después de la destrucción de la matriz polimérica y la contracción posterior, que causa la formación de volumen libre (más del 50% del volumen que anteriormente estaba rellenado por la matriz polimérica), se caracteriza por su baja durabilidad, rugosidad y considerable aspereza de la superficie. La porosidad de la placa es del 30-40%. Se pueden observar fácilmente fisuras de discontinuidad, dispuestas de forma heterogénea. El aumento de la rugosidad y durabilidad del material compuesto carbonizado únicamente se consigue de forma real tras saturación múltiple a partir del líquido, con lo que la porosidad disminuye (hasta 12-15%). Únicamente se consiguió reducir la aspereza tras un tratamiento mecánico posterior del material compuesto empaquetado.

El examen de la placa obtenida mediante el método de la invención, muestra la ausencia de heterogeneidad y de defectos dentro de la muestra y sobre su superficie. La heterogeneidad no es superior a 10-20 mkm. La muestra tenía la durabilidad y rugosidad deseadas (la elasticidad de la muestra se mantuvo tras múltiples flexiones de 10 cm de radio, la muestra no se agrietó), la porosidad, tras trituración homogénea, era del 30-40%. La diferencia examinada en la calidad' de la placas, obtenida con los diferentes métodos, es causada por las propiedades de la tela. La tela trenzada de satén, sarga o lino contiene oquedades significativas (con una anchura de unos pocos mm) y fisuras de discontinuidad de un extremo a otro, limitadas por su propio espesor. Este defecto puede ser eliminado mediante el método de la invención sin necesidad de utilizar las costosas operaciones de compresión y tratamiento mecánico posterior. A menudo se requiere una porosidad elevada y variable (pero no una elevada densidad) para la utilización de un material compuesto con una matriz que contiene carbono, por lo que el método de la invención es efectivo.

Claims (4)

NOVEDAD DE LA INVENCION REIVINDICACIONES

1.- Un método para la fabricación de materiales compuestos que comprende la preparación del preimpregnado, su prensado, endurecido y carbonización, caracterizado porque después de la preparación del preimpregnadoJ éste se somete a un tratamiento térmico a una temperatura comprendida entre 70°C y 1.100°C y se rellena con una cantidad definida de una sustancia inerte que comprende una carga y un ligante a base de un material polimérico, seguido de calentamiento a una temperatura comprendida entre 160°C y 200°C y de aplicación de una presión comprendida entre 1 y 5 Mpa con temporización, y porque la cantidad de la sustancia inerte excede el volumen de la oquedad del tejido monocapa y se calcula mediante la fórmula [1]: rripr mn = dn · donde: mn es la masa de la sustancia inerte; dn es la densidad de la sustancia inerte; a es la longitud del preimpregnado; b es la anchura del preimpregnado; h es el espesor del preimpregnado; mpr es la masa del preimpregnado; y dflb es la densidad de la fibra.

2. - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la cantidad de sustancia inerte excede del 10% al 30% el volumen de la oquedad del tejido monocapa.

3. - El método de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la carbonización se produce a una temperatura de 1.000°C durante un periodo de tiempo comprendido entre 1 y 2 horas y un aumento gradual y controlado de la temperatura.

4. - El método de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque dicho aumento gradual y controlado de la temperatura se realiza con una velocidad no superior a 2°C por minuto.