PT115238B - Material compósito para proteção contra impactos, métodos de obtenção e seus usos - Google Patents

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Patrícia Correia Da Cruz Juliana
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Eduardo Macedo Da Cunha Fernando
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    • C08J5/04—Reinforcing macromolecular compounds with loose or coherent fibrous material

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Abstract

A PRESENTE DIVULGAÇÃO DIZ RESPEITO A UMA ESTRUTURA COMPÓSITA AUXÉTICA, MAIS ESPECIFICAMENTE A UM COMPÓSITO PARA APLICAÇÃO EM ELEMENTOS DE PROTEÇÃO PESSOAL. O MATERIAL COMPREENDE POR UMA MALHA AUXÉTICA DE POLIAMIDA OU POLIÉSTER OU POLIPROPILENO OU POLIETILENO OU ARAMIDAS E SUAS MISTURAS OU SIMILARES IMPREGNADOS COM UMA MATRIZ POLIMÉRICA TERMOENDURECÍVEL QUE APRESENTA O COMPORTAMENTO DE UM FLUIDO NÃO-NEWTONIANO CELULAR, COMPREENDE POR POLIURETANO E EPÓXI. ESTE MATERIAL É PRODUZIDO ATRAVÉS DA TÉCNICA DE MOLDAÇÃO POR COMPRESSÃO.

Description

DESCRIÇÃO MATERIAL COMPÓSITO PARA PROTEÇÃO CONTRA IMPACTOS, MÉTODOS DE OBTENÇÃO E SEUS USOS
DOMÍNIO TÉCNICO
[0001] A presente divulgação diz respeito a um compósito auxético que compreende uma matriz polimérica para aplicação em equipamentos de proteção pessoal que requeiram resistência ao impacto. Mais especificamente, consiste num compósito reforçado com uma malha que apresenta auxeticidade, impregnada com um fluido dilatante para proteção contra impactos.
[0002] A presente divulgação é particularmente útil para a aplicação em artigos de proteção individual, tais como capacetes, coletes, cotoveleiras, joelheiras, entre outros.
ANTECEDENTES
[0003] Os materiais auxéticos são caracterizados por terem um coeficiente de Poisson negativo, isto é, quando são fracionados na sua direção longitudinal a sua secção transversal expande-se, ao contrário dos materiais convencionais, que se contraem. Esses materiais possuem maior capacidade de absorção de energia e altas propriedades mecânicas, que são atribuídas ao aumento da densidade, que está relacionada com a sua estrutura molecular e a taxa de compressão volumétrica. A absorção de energia avalia a deformabilidade do material sem falhas. Essas mudanças aumentam algumas propriedades elásticas do material, como tenacidade, rigidez ou compressibilidade. Por causa das suas propriedades intrínsecas, os materiais auxéticos são utilizados em vários tipos de aplicações, nomeadamente em aplicações desportivas e militares.
[0004] Nesse sentido, a presente divulgação descreve num compósito auxético com base numa matriz polimérica que corresponde a fluido de baixa densidade para aplicação em equipamentos de proteção pessoal que requeiram resistência a impactos de baixa velocidade. Este compósito será responsável por absorver e dissipar a energia a que o elemento está sujeito quando submetido a impacto, para evitar que o utilizador sofra danos desse mesmo impacto.
[0005] Atualmente, já se utilizam compósitos auxéticos em diversas aplicações. Contudo não foram detetadas soluções que sejam semelhantes, nomeadamente, na utilização em simultâneo de uma malha auxética e de uma matriz com comportamento não-Newtoniano, num compósito. A titulo de exemplo citam-se os seguintes documentos de patentes:
[0006] O documento US2007/0031667 (Al), refere-se a melhorias relacionadas com materiais compósitos e estruturas, particularmente aqueles com propriedades auxéticas (isto é, com coeficiente de Poisson negativo), métodos de produção de materiais compósitos auxéticos e aplicações para os mesmos.
[0007] O documento US2011/0214560 (Al), refere-se a uma placa de cerâmica com reforço auxético. O reforço auxético resulta de fibras auxéticas, malhas ou tecidos auxéticos. O reforço auxético reduz a fissuração da placa de cerâmica e melhora o desempenho contra múltiplos impactos.
[0008] O documento EP1989249 (Al), refere-se a um material compósito que compreende materiais fibrosos combinados com matrizes poliméricas, que exibem comportamento auxético, quando submetidos a uma carga numa determinada direção. As matrizes poliméricas utilizadas podem envolver borracha de silicone, espumas metálicas, poliéster ou poliuretano, enquanto que os materiais fibrosos podem apresentar estruturas de fibra unidirecional, malha ou não tecido, nas proporções entre 60 - 70% e 30 - 40%, respetivamente.
[0009] Estes factos são descritos de forma a ilustrar o problema técnico resolvido pelas realizações do presente documento.
DESCRIÇÃO GERAL
[0010] A presente divulgação diz respeito a um material compósito que compreende uma malha auxética (decorrente de ter um coeficiente de Poisson negativo) e uma matriz polimérica que consiste num fluido dilatante, que tem por base o princípio de fluidos não-Newtonianos celulares. O material compósito da presente divulgação proporciona excelentes propriedades de impacto dado que absorve até 80% do impacto) .
[0011] Um material auxético, ao contrário do que acontece num material convencional, quando é sujeito a um impacto numa determinada zona não dissipa a energia resultante do mesmo pelo resto do material (o que pode originar fissuras ou a rutura do mesmo) , mas sim densifica-se nessa zona do impacto, ou seja concentra nesse local a sua resistência para absorver a energia do impacto e reduzir ao máximo a propagação deste. Após o impacto, o material retorna a um estado flexível, podendo voltar à sua forma original, caso a deformação não seja demasiado extensa. A aplicação deste material inovador destina-se a equipamentos de proteção pessoal que solicitem resistência ao impacto. Este compósito, pelo facto de ser produzido com uma malha auxética e com um fluido dilatante, apresenta uma absorção ao impacto significativamente superior a um material de referência, que tem o mesmo objetivo deste produto. 0 facto de o material possuir uma malha auxética no seu interior, por um lado consegue absorver cerca de 2x mais de energia e por outro lado a recuperação do material assim como a sua durabilidade é cerca de 3x superior, quando comparamos com um produto sem a malha auxética.
[0012] Um aspeto da presente realização refere-se a um material compósito para proteção contra impactos que compreende:
uma matriz polimérica que compreende fluido nãonewtoniano, em particular um fluido não-newtoniano celular;
uma malha auxética para reforço que compreende uma estrutura em camadas, em que as referidas camadas estão interligadas entre si por fios;
em que a malha auxética compreende um coeficiente de Poisson negativo;
em que a matriz polimérica impregna a malha auxética.
[0013] Desta forma a malha auxética descrita na presente divulgação compreende uma estrutura verdadeiramente tridimensional, uma vez compreendem fios que interligam uma estrutura superior e inferior.
[0014] Numa realização, a matriz polimérica selecionada da seguinte lista: epóxi, poliuretano, ou suas misturas.
[0015] Numa realização, a matriz polimérica compreende ma mistura de epóxi e poliuretano. Nomeadamente , um fluido obtido pelo método descrito no documento WO2017068513A1 sob o título Absorbent polymeric material, method for producing same and uses thereof.
[0016] Numa realização, o coeficiente de Poisson da malha auxética é inferior a zero.
[0017] Numa realização, o coeficiente de Poisson da malha auxética é inferior a - 0,5.
[0018] Numa realização, o coeficiente de Poisson da malha auxética varia entre -2 e - 0,5.
[0019] Numa realização, a malha auxética compreende uma tensão superior a 3,77 MPa.
[0020] Numa realização, a malha auxética compreende fibras de: aramida, poliamida, poliéster, polipropileno, polietileno, aramidas, ou suas misturas.
[0021] Numa realização, a fibra da malha auxética compreende poliéster.
[0022] Numa realização, a malha compreende uma estrutura um formato de paralelograma, de preferência hexagonal, com permeabilidade nas duas faces.
[0023] Numa realização, o material compreende: 20-35 % (m/m) malha auxética; 65-80 % (m/m) matriz polimérica que compreende fluido não-newtoniano celular.
[0024] Numa realização, a laçada dos fios da malha auxética compreender um comprimento entre 10 e 30 mm.
[0025] Numa realização, a laçada dos fios compreender um comprimento entre 15 e 23 mm.
[0026] Numa realização, a espessura final do material varia entre 3,5 e 9 mm.
[0027] Um outro aspeto da presente realização, refere-se a um material compósito descrito na presente divulgação, em que o artigo é um capacete, um colete balístico, uma joalheira, uma cotoveleira, uma proteção de costas, uma luva, uma proteção para calçado, ou um equipamento individual de proteção, entre outras.
[0028] Um outro aspeto da presente realização, refere-se a um método de obtenção do material descrito na presente divulgação, compreender os seguintes passos:
obtenção de uma matriz polimérica que compreende fluido não-newtoniano celular, obtenção de uma malha auxética para reforço que compreende um coeficiente de Poisson negativo;
colocação da malha auxética num molde;
verter a matriz polimérica sob a malha auxética;
cura do material a uma pressão entre 5-15 bar durante pelo menos 10 min.
[0029] 0 coeficiente de Poisson, v, mede a deformação transversal (em relação à direção longitudinal de aplicação da carga) de um material homogéneo e isotrópico. A relação estabelecida é entre deformações ortogonais.
v —--—......— em que:
V = Coeficiente de Poisson (adimensional), ex =Deformação na direção x, que é a transversal, ey =Deformação na direção y, que é a transversal, εζ =Deformação na direção z, que é a longitudinal, ex, eye ez são também grandezas adimensionais, já que são deformações.
O sinal negativo está incluído na fórmula porque as deformações transversais e longitudinais possuem sinais opostos. Materiais convencionais têm coeficiente de Poisson positivo, ou seja, contraem-se transversalmente quando esticados longitudinalmente e se expandem transversalmente quando comprimidos longitudinalmente. Assim, os materiais que possuem coeficiente de Poisson negativo, expandem-se transversalmente quando fracionados e são denominados auxéticos.
DESCRIÇÃO DETALHADA
[0030] A presente divulgação diz respeito a uma estrutura compósita auxética, mais especificamente a um compósito para aplicação em elementos de proteção pessoal. O material compreende por uma malha auxética de poliamida ou poliéster ou polipropileno ou polietileno ou aramidas e suas misturas ou similares impregnados com uma matriz polimérica termoendurecivel que apresenta o comportamento de um fluido não-newtoniano celular, compreende por poliuretano e epóxi. Este material é produzido através da técnica de moldação por compressão.
[0031] Numa realização, a malha auxética é compreendida por fibras selecionadas da seguinte lista: poliamida, poliéster, polipropileno, polietileno, ou aramida e suas misturas, entre outras.
[0032] Numa realização, a malha auxética é compreendida por uma tensão superior a 3,77, de preferência 3,77.
[0033] Numa realização, as fibras da malha auxética são de poliéster. Os fios/fibras encontram-se embebidos na matriz polimérica, isto é, no líquido dilatante com efeitos não-newtonianos, que é composta por uma mistura de poliuretano e epóxi. A seleção da tipologia de matriz prende-se com a necessidade desta ter um desempenho e um comportamento mecânico semelhante ao da malha auxética de reforço, com o intuito de obter um material compósito que apresente uma complementaridade de desempenho mecânico eficaz na absorção de impactos.
[0034] Numa realização, a laçada dos fios embebidos na matriz compreende um comprimento entre 10 e 30 mm, preferencialmente 15 e 23 mm.
[0035] Numa realização, a proporção de cada composto é de 20-35 % (m/m) malha auxética; 65-80 % (m/m) matriz polimérica que compreende fluido não-newtoniano celular.
[0036] Numa realização, indicar o tipo de desenho da estrutura: estamos a falar de paralelogramas, de preferência hexagonal, pentagonal, heptagonal ou octagonal, ou suas combinações. O formato depende do debuxo da malha.
[0037] Numa realização, a estrutura final deverá ter uma espessura entre 3,5 mm e 9 mm, preferencialmente 4,5 e 7,5 mm, de preferência 4,5 e 6 mm.
[0038] Numa realização, a resistência mecânica do material compósito varia entre 3 e 4 mm.
[0039] Numa realização, a densidade do material compósito varia entre 3 e 4.
[0040] Numa realização, a massa especifica do material compósito varia entre 300 e 400 kg/m3.
[0041] Numa realização, o método de produção da estrutura pode compreender quatro etapas, utilizando preferencialmente a técnica de moldagem por compressão. Este processo compreende a utilização de uma matriz especifica para o mesmo.
[0042] Para processar o compósito com a matriz polimérica que apresenta comportamento não-Newtoniano, os parâmetros produtivos utilizados são: temperatura ambiente e pressão nominal resultante do fecho da prensa manualmente, sendo que estas condições de processamento são influenciadas pela tipologia de matriz utilizada.
[0043] Numa realização, de forma a obter o compósito da presente invenção uma malha auxética, com as dimensões específicas de um dado molde, é colocada na cavidade do mesmo. De seguida, uma matriz polimérica de um fluido nãonewtoniano celular, depois de pré-preparada, é depositada também na cavidade do molde. O molde é posteriormente fechado, iniciando-se o processo de moldação por compressão, que irá promover a expansão da matriz polimérica e a impregnação da estrutura fibrosa da malha auxética. Após o tempo de cura do polímero, é então obtido o compósito auxético.
[0044] Seguidamente será apresentado um exemplo para a obtenção de um compósito com material auxético.
[0045] Numa realização, a malha auxética da presente realização é obtida pelo método de tricotagem.
[0046] Numa realização, com a configuração apresentada anteriormente, é possível obter as seguintes propriedades:
Tipo de Ensaios Propriedade Valor obtido
Ensaio Tração (ASTM D3039: 2002 . ) Tensão máxima (MPa) 3,77 ± 0,19
Deformação na tensão máxima (%) 44 ± 0,01
Módulo de elasticidade (GPa) 17,12 ± 1,14
Ensaio Impacto (ISO 20344: 2011) Energia absorvida (kN) 56, 5 (86, 92%)*
Ensaio Térmico (Método Interno) Resistência térmica (m2K/W) 85,7 x IO'3
Condutividade térmica (W/mK) 75,40 x IO-3
Difusão térmica (m2/s) 0,18 x IO'6
Absortividade térmica (Ws1/2/mK) 174
Ensaio Microscópico (Método Interno) Diâmetro interno celular (pm) 238,31 ± 57,30
Massa especii (NP EN 121 :ica (kg/m3) 27: 1999) 315,8
Absorção de água (%) (Método Interno) 5,94
Permeabilidade ao ar (l/m2/s) (NP EN ISO 9237: 1995) 0
Comportamento ao fogo (ISO 15025: 2016) Ignifugo
* No ensaio de impacto o material compósito a ser testado foi sujeito a um impacto inicial de 65kN. Dessa energia, o material compósito absorveu 56,5kN que correspondem a 86,92% dos 100% do impacto inicial.
[0047] Assim, a presente divulgação reporta o desenvolvimento de uma nova solução de materiais compósitos utilizando uma malha auxética e uma matriz polimérica com o comportamento de um fluido não-newtoniano celular. Esta solução inovadora apresenta um incremento de absorção de impacto significativamente superior, superior a 3000%, quando comparada com materiais que apresentam o mesmo propósito (calculado pela norma (ISO 20344: 2011).
[0048] A presente invenção não é, naturalmente, de modo algum restrita às realizações descritas neste documento e uma pessoa com conhecimentos médios da área poderá prever muitas possibilidades de modificação da mesma e de substituições de caracteristicas técnicas por outras equivalentes, dependendo dos requisitos de cada situação, tal como definido nas reivindicações anexas.
[0049] As seguintes reivindicações definem realizações adicionais da presente descrição.
30.12.2019

Claims (17)

  1. REIVINDICAÇÕES
    1. Material compósito para proteção contra impactos caracterizado por compreender:
    uma matriz polimérica que compreende fluido nãonewtoniano, em particular um fluido não-newtoniano celular;
    uma malha auxética para reforço que compreende uma estrutura em camadas, em que as referidas camadas estão interligadas entre si por fios, em que a malha auxética compreende um coeficiente de Poisson negativo;
    em que a matriz polimérica impregna a malha auxética.
  2. 2. Material compósito acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por o coeficiente de Poisson da malha auxética ser inferior a zero.
  3. 3. Material compósito acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por o coeficiente de Poisson da malha auxética ser inferior a - 0,5.
  4. 4. Material compósito acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por o coeficiente de Poisson da malha auxética variar entre -2 e - 0,5.
  5. 5. Material compósito acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por a matriz polimérica ser selecionada da seguinte lista: epóxi, poliuretano, ou suas misturas.
  6. 6. Material compósito acordo com a reivindicações anteriores, caracterizado por a matriz polimérica compreender uma mistura de epóxi e poliuretano.
  7. 7. Material compósito acordo com a reivindicações anteriores, caracterizado por a malha auxética compreender uma tensão superior a 3,77 MPa.
  8. 8. Material compósito acordo com a reivindicações anteriores, caracterizado por a malha auxética compreender fibras de: aramida, poliamida, poliéster, polipropileno, polietileno, aramidas, ou suas misturas.
  9. 9. Material compósito acordo com a reivindicações anteriores, caracterizado por a fibra da malha auxética compreender poliéster.
  10. 10. Material compósito acordo com a reivindicações anteriores caracterizado por a malha compreender uma estrutura em formato de paralelograma, de preferência hexagonal, com permeabilidade nas duas faces.
  11. 11. Material compósito acordo com a reivindicações anteriores, caracterizado por compreender:
    20-35 % (m/m) malha auxética;
    65-80 % (m/m) matriz polimérica que compreende fluido não-newtoniano, em particular um fluido não-newtoniano celular.
  12. 12. Material compósito acordo com a reivindicações anteriores caracterizado por a laçada dos fios da malha auxética compreender um comprimento entre 10 e 30 mm.
  13. 13. Material compósito acordo com a reivindicação anterior, caracterizado por a laçada dos fios compreender um comprimento entre 15 e 23 mm.
  14. 14. Material compósito acordo com a reivindicações anteriores caracterizado por a espessura final do material variar entre 3,5 e 9 mm.
  15. 15. Artigo caracterizado por compreender o material compósito descrito em qualquer uma das reivindicações anteriores.
  16. 16. Artigo de acordo com a reivindicação anterior caracterizado por o artigo ser um capacete, um colete balístico, uma joalheira, uma cotoveleira, uma proteção de costas, uma luva, uma proteção para calçado, ou um equipamento individual de proteção.
  17. 17. Método de obtenção da estrutura descrita nas reivindicações anteriores, caracterizado por compreender os seguintes passos:
    obtenção de uma matriz polimérica que compreende fluido não-newtoniano, em particular fluido não-newtoniano celular;
    obtenção de uma malha auxética para reforço que compreende um coeficiente de Poisson negativo;
    colocação da malha auxética num molde;
    verter a matriz polimérica sob a malha auxética;
    cura do material a uma pressão entre 5-15 bar durante pelo menos 10 min.
    30.12.2019
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