PT87149B

PT87149B - Processo para a preparacao de uma pre-forma de matriz de resina reforcada com fibra e artigos obtidos a partir dela

Info

Publication number: PT87149B
Application number: PT87149A
Authority: PT
Inventors: Donald Charles Aldrich; Robert Carl Buchanan; John Franklin Sollinger
Original assignee: Du Pont
Priority date: 1987-04-03
Filing date: 1988-03-31
Publication date: 1995-03-01
Also published as: JPS63278824A; EP0285156B1; AU617938B2; DE3889376D1; US5016516A; ES2051785T3; AU5246490A; IL85946A0; DE3889376T2; RU2060159C1; CA1303317C; EP0285156A3; DK180388D0; KR880012343A; US4846908A; DK180388A; AU597481B2; ATE105343T1; AU1404388A; IL85946A

Description

PROCESSO PARA A PREPARAÇÃO DE UMA PRE-FOR*'A DE MATRIZ DE RESINA REFORÇADA COM FIBRA E ARTIGOS OBTIDGS A PARTIR DELA

ENQUADRAMENTO GERAL DA INVENÇÃO :

A presente invenção refere-se a um entrelaçamento de fl bras num artigo pré-formado e, mais particularmente, refere-se a um artigo compósito de matriz de resina reforçada com fibras formado a partir de uma pré-forma entrelaçada.

As estruturas de plástico reforçadas com fibra têm sido utilizadas desde.há muitos anos com sucesso crescente ror causa da sua elevada resistência mecânica, peso reduzido e facilidade de fabricação em comparação com as estruturas de madeira ou de metal que elas substituem. Fibras tais como fibras de vidro, de carbono e de aramlda são populares como reforços e as resinas tais como resinas de poliéster, fendlicas e de epóxido ccns tituem matrizes poliméricas vulgares.

Materiais poliméricos reforçados com filamentos contínuos são uttilizados como precursores para peças sujeitas a ele vadas cargas, tais como componentes de equipamento aero-espacial que necessitam de uma elevada resistência com um peso reduzido e que oferecem outras propriedades vantajosas, tais como estabilidade à oxidação térmica e possibilidade de lubrificação.

Sabe-se como adaptar o equipamento de entrelaçamento co mercial para produzir componentes de resina reforçada com fibras. A impregnação tem-se realizado usando fibras pré-impregna

das na operação de entrelaçamento ou impregnando continuamente as fibras com resina durante o entrelaçamento, como se descreve na patente de invenção norte-americana N^Q 4.494.436 de Kruesi. No entanto, quando se preparam artigos pré-formados entrelaçando num mandril de suporte, é essencial que a pré-forma seja auto- suportante quando se retira do mandril, embora tenha ainda um teor suficiente de materiais voláteis para minimizar a perda de resina devido à manipulação mecânica nas operações seguintes de processamento. A perda de resina ocorre quando a pré-forma fica demasiadamente seca e a resina se rompe ou sai em escamas da pré-forma quando á manipulada.

Embora usando o estado actual da tecnologia para formar a parte compósita final, as exigências de dimensões e de comportamento dos componentes da construção de aviões e na indústria espacial e a necessidade de proporcionar componentes de elevada qualidade a baixo custo são difíceis de conseguir.

SUxArilO DA INVENÇÃO:

A presente invenção proporciona uma pré-forma de matriz reforçada com fibras, entrelaçada de acordo com a forma pretendida, auto-suportante para um artigo compósito que tem uma forma que se aproxima da forma final pretendida para o artigo compósito. A pré-forma é entrelaçada com trinta e dois suportes de um ângulo de entrelaçamento desde cerca de 54 graus até cerca de 63 graus em relação ao eixo longitudinal do artigo e tem um volume de fibras compreendido entre cerca de 4o % e cerca de 50 %. 0 artigo compósito complètamente endurecido ou completa do tem uma temperatura de transição vítrea superior a cerca de 33C°C.

Para se formar o artigo acima referido, aplica-se uma resina dissolvida em um dissolvente à fibra, enquanto se entrela ça a fibra como se refere na patente de invenção norte-americana Número ^.5-9^-.^36, de modo a obter-se uma pré-forma num mandril. A solução de resina é aplicada com uma taxa tal que se mantém um teor total de sólidos da resina compreendido entre 55 e 65 % em peso do objecto pré-formado. 0 objecto pré-formado entrelaçado é aquecido no mandril numa estufa para reduzir o teor de componentes voláteis até um ponto em que a pré-forma man tém a sua forma exterior quando retirada co mandril, mas em que a perda de resina devida à manipulação mecânica é minimizada. A pré-forma entrelaçada é arrefecida e depois retirada do mandril sob a forma de artigos pré-formados individuais e aquecida de novo numa estufa para diminuir ainda mais o teor de componen tes voláteis até cerca de 1 a cerca de 5 % en peso da pré-forma e depois arrefecida e moldada, procedendo da seguinte maneira:

1) Carrega-se o artigo da pré-forma numa prensa e começa-se o ciclo manualmente.

2) Começa-se a fazer subir a temperatura da pré-forma até ao nível pretendido.

3) Fecha-se a prensa até beijar precisamente a pré-forma.

4) Bate-se a prensa (isto é, abre-se e volta a fechar-se) uma série de vezes, enquanto a temperatura da pré-forma sobe até ao nível desejado.

5) guando a temperatura da pré-forma atinge o nível pretendido,

aplica-se uma força pré-determinada e come;a o tempo de permanência pré-determinado.

6) Bete-se a prensa de trinta em trinta segundos durante o tempo de permanência.

7) Depois de terminar o tempo de permanência, inicia-se o ar refecimento ao ar.

3) Quando a temperatura da pré-forma desce abaixo do nível pré-determinado, inicia-se o arrefecimento.

9) Quando a temperatura do artigo atinge uma temperatura pré-determinada, abre-se a prensa e retira-se a pré-forma.

artigo é então trabalhado à máquina eté se obterem as dimensões especificadas, reveste-se com um lubrificante e torna a ser trabalhado de maneira a obterem-se as dimensões pretendidas depois do revestimento.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS:

A Figura	1		uma	vista	Θ m	perspectiva	de	uma pré-forma
entrelaçada para	dar	a forma a	um	mandril.
A Figura	2		uma	vista	sm	al;ado late:	ral	de um mandril
apropriado para utilizar	no entre	laçamento da	pré	-forma da Fi-
gura 1.
A Figura	3	á	uma	vista	o C in	perspectiva	de	um artigo com-

pósito acabado.

A Figura 4 é um diagrama de fluxo em blocos que ilustra o processo para formar o artigo compósito de acordo com a presente invenção.

As Figuras 5 e 6 são representações gráficas da tempe

ratura e da pressão em função do tempo, respectivamente, do pro cesso de moldagem do artigo compósito.

A Figura 7 é uma representação gráfica do tempo em fun ção da temperatura para o artigo compósito para a fase de pós-endurecimento.

DESCRIÇÃO PORMENORIZADA DA FORMA DE REALIZAÇÃO ILUSTRADA:

Fazendo referência às Figuras 1 a 3, a forma de realização escolhida com fins de ilustração é uma bucha flangeada que é formada a partir de um pré-preg (10) de fibra de carbono impregnada com uma resina de poli-imida entrelaçada em torno de um mandril metálico (12). A resina é aplicada à fibra sob a forma de uma solução dos sólidos da resina dissolvidos em um dissolvente, tal como, por exemplo, éter dietilenoglicol-dimetílico (diglime). 0 mandril ( 12) consiste num veio ( 14), roscado em ambas as extremidades, com uma pluralidade de anilhas (16) posicionadas em posições fixas por maio de cunhas (18)· Tanto as anilhas como as cunhas estão encaixadas de maneira deslizante sobre o velo (14). As camisas e as anilhas são mantidas em posições fixas por porcas (13) roscadas em cada extremidade do veio (12).

A bucha compósita acabada (20) encontra-se representada na Figura 3 θ vê-se que compreende uma parte com a forma de camisa (22) e um flange (24) numa extremidade da camisa, formada por uma única peça.

processo para formar a bucha (20) é mais claramente com preendido observando a Figura 4, na qual uma solução de resina de poli-imida (30) num tanque (32) e um fio de fibra de carbono ( 3*+) são alimentados a uma máquina de entrelaçamento (36), tal como a descrita na patente de invenção norte-americana N^Q 4.4-94.4-36 e obtém-se uma pré-forma (10). Uma vez a pré-forma entrelaçada até h forma pretendida, é necessário reduzir o teor de materiais voláteis para preparar a pré-forma para a moldação. Isto realiza-se em duas operações. A primeira operação (38) é'chamada encenação”, em que a pré-forma é aquecida numa estufa a uma temperatura igjaL a cerca de 100°C para fazer diminuir o teor de materiais voláteis para um valor compreendido entre cerca de 13 Á θ cerca de 28 3 sei peso da pré-forma. A pré-forma é era seguida arrefecida e retirada do mandril na operação (40), cortando a pré-forma em torno da perife ria da anilha e da camisa em cada posição e, em seguida, desmontan do o mandril por remoção das porcas (13). As pré-formas individuais são em seguida aquecidas numa estufa a 185°C na segunch operação de eliminarão cos materiais voláteis (4-2) chamada operação de desvolatilizarão para reduzir o teor de componentes voláteis até um nível compreendido entre cerca de 1 τζ e cerca de 5 % em peso da pré-forma. A operarão seguinte (4-4) compreende a moldação da pré-forma até à obtenção da forma final dentro de um molde.

C processo de moldação é mais claramente compreendido observando as Figuras 5 e 6. A pré-forma é inserida na cavidade do molde. Fecha-se a prensa até esta beijar precisamente a pré-forma e faz-se subir a temperatura da pré-forma e abre-se e volta a fechar -se (bate-se) a prensa quatro vezes enquanto a temperatura sobe até ao nível desejado, quando a temperatura da pré-forma atinge o nível pretendido de 442 C, aplica-se uma pressão de 14o kg/cnZ (2000 psi) e inicia-se um tempo de permanência de cinco minutos durante o qual a prensa é aberta e novamente fechada (batida) de trinta em trinta segundos. No fim do tempo de permanência, inicia-se o arrefecimento ao ar e, quando a temperatura da pré-forma atinge 400°C, inicia-se o arrefecimento, guando a temperatura da pré-forma atinge 250°C, a pré-forma é retirada, arrefecida e transferida para uma estufa (operação 46), em que é submetida a um ciclo de temperatura de post-endurecimento, representado na Figura 7. A seguir à operação de post-endurecimento, o artigo compósito é trabalhado a máquina de maneira a apresentar as dimen soes éspecíficas (operação 48). Esta operação de trabalho à máquina é feita de tal maneira que o material retirado para controlar a espessura do flange (24) é retirado h máquina da superfície do flange (24a) adjacentemente à parte da camisa (22) para se obter a resistência máxima para o flange. Superfícies escolhidas do artigo são então revestidas com lubrificante (operação 49) e re dimensionadas (operação 50) até se obterem as dimensões finais.

Temperatura de Transição Vítrea

A temperatura de transição vítrea, que é definida como a temperatura à qual uma propriedade medida em função da temperatura se altera abruptamente, é medida por Análise Térmica Mecânica (TMA), como é descrito no Manual de Instruções para o Analisa dor Termomecânico 94j (TMA), publicado pela Du Pont Company Analytleal Instruments Divlsion, Wilmington, DE 19898, Fstados Unidos da América.

Teor Percentual de Componentes Voláteis teor percentual de componentes voláteis é determinado

colocando uma amostra com ro pesado e tarado, a uma a 3 gramas de pré-forma num tabuieitemperatura de 343°^c, num forno com purga de azoto. A amostra é arrefecida de componentes voláteis é determinada pela seguinte fórmula:

voláteis = P^sso inicial da amostra - peso final da amostra χ

Exemplo 1

Construiram-se pré-formas múltiplas entrelaçando fibra de carbono de 5000 denler, impregnada com uma solução de li?ante de monómero de poli-imida sobre o mandril do tipo representado na t^Tigura 2. A fibra de carbono é designada por Panex 3OY-5COOO e fornecida pela firma Stackpole Company. A solução ligante é uma solução da composição descrita na patente de invenção norte-americana 3-959-350 e contém 47 % a 49 % em peso de sólidos de re sina endurecida de uma mistura estequiométrica de 6F-tetrácido e uma mistura a 95 : 5 de parafenilenodlamina e metafenilenodiamina dissolvidos em um dissolvente, diglime. A mistura possui uma viscosidade de laçamento realizou-se em um equipamento de acordo com o descrito na patente de invenção norte-americana 4.494.436. As pré-formas foram entrançadas até ã forma pretendida com um suporte (32) de entrelaçamento com um ângulo de 54 a 63 graus de entrelaçamento, com aproximadamente 55 % a 65 % em peso de sólidos totais de resina endurecida.

As pré-formas entrelaçadas, ainda no mandril, foram barcialmente encenadas aquecendo numa estufa com circulação de ar durante um intervalo de tempo suficiente para reduzir o teor de componentes voláteis total até tipicamente 10 a 23 % em reso da pré-forma, sendo estas condições suficientes para proporcionar uma pré-forma que mantém a sua forma quando é retirada do mandril, mas não demasiadamente seca para perder o excesso de resina quando é manipulada mecanicamente. As condi_íões específicas utilizadas para efectuar essa operação foram as seguintes: aquece-se até 58°C θ mantém-se a esta temperatura durante uma hora e depois aquece-se até 100°C e mantém-se a esta temperatura durante sete horas.

As pré-formas parcialmente encenadas, entrançadas até à forma pretendida foram depois cortadas em peças individuais e retiradas do mandril. 0 corte f oi feito de maneira que a pré-forma fosse ligeiramente maior do que o objecto ecaba^o pretendido. As pré-formas foram, em seguida, posteriormente desvolatilizadas numa estufa com circulação de ar a 185°C durante trinta minutos,até' atingirem um teor total de componentes voláteis compreendido entre cerca de 1%, a cerca de 5 % em peso da pré-forma.

As peças foram então colocadas num molde com as dimensões apropriadas para se obter o objecto acabado pretendido. Aqueceu-se o molde de acordo com o programa pormenorizado representado na Figura 5 e aplicou-se pressão de acordo com o programa indica do na Figura 6. 0 desenho do molde era tal que a pressão de con solidação era aplicada à parte do flange por intermédio da face do molde e 'a secção cilíndrica por meio de um perno inclinado inserido na cavidade central daquela parte. A seguir ao endureci

mento, as partes obtidas foram retiradas do molde e post-endurecidas de acordo com o programa pormenorizado na Figura 7·

A peça completada foi submetida a trabalho à máquina nos pontos necessários para se atingir as dimensões pretendidas. 0 objectivo das operações anteriores e o desenho do molde eram tais que a quantidade de trabalho à máquina necessária fosse reduzida ao mínimo. No entanto, quando é necessário o trabalho à máquina da secção do flange para atingir a espessura pretendida, verificou-se ser desejável retirar o material da superfície adjacente ã secção da camisa. Isto verificou-se ser importante para maximizar a resistência mecânica do flange. Depois de inspeccionar nova mente a peça, aplicou-se um revestimento do tipo de óleo lubrificante a superfícies escolhidas da bucha. Finalmente, a peça foi novamente trabalhada à máquina, caso necessário, para se atingirem as dimensões pretendidas, e cuidadosamente inspeccionada para garantir a satisfação completa das dimensões e das especificações visuais. A temperatura de transição vítrea das peças determinou-se estar compreendida entre 3^3 θ 358°C·

Exemplo 2

Neste Exemplo, as operações passando pela encenação inicial das pré-formas entrançadas até à obtenção de forma pretendi da são idênticas às do Exemplo 1. Neste caso, no entanto, as pré-formas foram desvolatilizadas aquecendo-as durante trinta minutos a 55°C , mantendo a esta temperatura durante 1 hata e depcâs açpecen. do durante os trinta minutos seguintes a 110°C e mantendo a esta temperatura durante sete horas. A · pré-forma resultante deste

processo tem um teor de componentes voláteis compreendido entre cerca de 4 % e cerca de 5 % em peso da pré-forma.

Estas pré-formas foram então colocadas num peruo cilíndrico e inseridas num molde de cunho metálico de tampa fechada. 0 molde foi então parcialmente fechado e aquecido até 425°C duran te aproximadamente seis minutos. Realizou-se a consolidação aplicando primeiramente pressão à parte do flange e aplicando depois pres. são radial à parte cilíndrica. A peça foi endurecida no molde por' aquecimento a 4A0°C, mantendo-a a esta temperatura durante, pelo menos, quinze minutos. A peça foi arrefecida até 300°C durante no. ve minutas? e depois posteriormente arrefecida a 200°C, temperatura à qual se descarregou a pressão. Depois de se continuar a arrefecer até à temperatura ambiente, retirou-se a peça do molde. Como as peças assim processadas satisfaziam as especificações sem post. -endurecimento, eliminou-se esta operação e a peça foi acabada como se pormenorizou no Exemplo 1.

Exemplo 5

Fazem-se pré-formas usando as mesmas operações que no

Exemplo 1 até à operação de mcldação e, então, as pré-formas são carregadas num molde pré-aquecido e inseridas numa prensa mantida a 450°C. Após cinco minutos neste molde, utilizando um ciclo de pressão semelhante ao das operações iniciais da Figura 6, a peça foi transferida para uma prensa mantida a uma temperatura mais baixa de tal maneira que a peça arrefeceu, sob pressão, até 250°C durante cinco minutos. A parte restante do processo foi idêntico à das operações finais do Exemplo 1.

Rei-12-

Claims

1._ Processo para a preparação de uma pré-forma de matriz de resina reforçada com fibra, para um artigo compósito caracterizado pelo facto:

de se dissolver a resina em uma solução dissolvente e de se aplicar a referida solução ãs fibras enquanto se entrança a mencionada fibra de modo a obter-se uma pré-forma num mandril;

de se aquecer a pré-forma entrançada no mandril em uma estufa a uma temperatura suficiente para reduzir o teor de matéria volátil até um valor desde cerca de 13 % até cerca de 28 % em peso da pré-forma;

e de se arrefecer a pré-forma no mandril.

2.- Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo facto de incluir ainda as operações que consistem em formar um artigo compósito a partir da citada pré-forma compreendendo:

remover a referida pré-forma do mandril;

aquecer em seguida a pré-forma numa estufa a uma temperatura suficiente para proporcionar um teor de voláteis desde cerca de 1 % até cerca de 5 % em peso da pré-forma;

consolidar a mencionada pré-forma numa prensa de modo a obter-se um artigo compósito por aplicação de uma força pré-determinada a uma elevada temperatura num molde, de acordo com as seguintes fases:

a) carregar a pré-forma para uma prensa,

b) elevar lentamente a temperatura da pré-forma até ã citada temperatura elevada;

c) fechar a prensa até que ela toqueprecisamente e se encoste ã pré-forma;

d) abrir e fechar-se de novo a prensa uma pluralidade de vezes ã medida que a temperatura da pré-forma sobe até ã referida temperatura elevada;

e) aplicar a mencionada força pré-determinada durante um intervalo de tempo de permanência guando a citada temperatura da pré-forma atinge a referida temperatura elevada;

f) abrir e fechar de novo a prensa uma pluralidade dc vezes durante o intervalo de tempo de permanência;

g) arrefecer a pré-forma até uma temperatura pré-determi- nada; e

-14/ /

h) abrir a prensa, retirar a pré-forma e deixar que a pre-forma arrefeça.

3.—Processo de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo facto de a mencionada pré-forma ser em seguida post-curada numa estufa de acordo com uma relação tempo-temperatura representada a seguir:

TEMPO (MINUTOS)

4.- Pré-forma de matriz de resina reforçada com fibra entrançada de modo a apresentar a forma pretendida auto-suportante para se obter um artigo compósito, caracterizada pelo facto de a citada pré-forma ter uma forma que se aproxima da forma real do referido artigo compósito com 32 portadores a um ângulo de entrançamento compreendido entre cerca de 54 e cerca de 63 graus em relação ao eixo longitudinal do artigo; um teor total de voláteis desde cerca de 1 % até cerca de 5 % em peso da pré-forma e um-volume de fibras compreendido entre cerca de 40 % e cerca de 50 %,