PT99504A

PT99504A - Produto semimanufacturado em forma de fita processo para a sua fabricacao e utilizacao

Info

Publication number: PT99504A
Application number: PT99504A
Authority: PT
Inventors: Ingolf Jacob; Hans-Joachim Bruning
Original assignee: Hoechst Ag
Priority date: 1990-11-14
Filing date: 1991-11-13
Publication date: 1993-12-31
Also published as: DE4036265A1; IE913954A1; ATE129034T1; DE59106673D1; EP0485892A1; ES2080220T3; US5425981A; EP0485892B1

Description

"PRODUTO SEMIMANUFACTURADO EM FORMA DE FITA, PROCESSO PARA A SUA FABRICAÇÃO E UTILIZAÇÃO"

MEMÓRIA DESCRITIVA A presente invenção refere-se a um produto semimanufactu-rado em forma de fita que é apropriado para a fabricação de materiais compósitos, em especial de termoplásticos reforçados com fibras. Ê já conhecido utilizar, para a fabricação de termoplásticos reforçados com fibras, as chamadas "chapas orgânicas".

Estas são constituídas em geral por fibras de reforço, dispostas em forma de fita, que são impregnadas com material termoplástico por fusão. Esses produtos semimanufacturados são rígidos e não possuem a drapejabilidade de produtos têxteis planos.

Da patente de invenção DE-C-23 20 133 são conhecidos velos de fibras de carbono dispostas unidireccionalmente, que são impregnadas com cola e que são mantidas unidas, por meio fios de material termoplástico dispostos perpendicularmente às fibras de carbono, por fusão. O modelo de utilidade DE-GBM 85 21 108 descreve armaduras têxteis para a fabricação de produtos em camadas a partir de camadas longitudinais e transversais de fios. Nesse caso faz-se o menor possível o número de pontos de cruzamento entre os fios de teia e de trama. Consegue-se isso median-

te úma disposição de camadas longitudinais e transversais de fios, situadas umas por cima das outras, e que são ligadas entre si por fios longitudinais de material termoplástico adicionais. Outras estruturas de armaduras têxteis estão descritas nas patentes de invenção EP-B-193 478, EP-B-193 479 e EP-B-198 776. Da patente de invenção EP-A-144 939 é conhecido um material compósito com fios de teia e de trama de fibras de reforço, no qual os fios de teia e/ou os fios de trama são enrolados com fios de material plástico que, por aquecimento, provocam uma soldadura das fibras de reforço.

Todas estas formas de realização têm em comum o facto de apresentarem fios com orientações diferentes.

Além disso, na patente de invenção DE-A-10 08 286 são dados a conhecer materiais de velos constituídos por fios ou fibras depositados estatisticamente e que apresentam pelo menos um material polimérico termoplástico. Estes materiais de velos são caracterizados por se ter efectuado numa parte do material de velos uma consolidação, tendo-se produzido nessa parte um determinado numero de pontos de ligação por unidade de área, com uma determinada área da secção transversal das pontas dos pontos de ligação. A consolidação consegue-se, por exemplo, por tratamento do velo com uma prensa aquecida, que apresenta uma superfície exterior estruturada.

Exnalmente, é conhecido da patente de invenção DE-A-34 08 769, um processo para a fabricação de corpos moldados com reforço de fibras de material termoplástico, no qual se uti- lizam produtos têxteis flexíveis, constituídos por fibras de reforço preponderantemente unidireccionais ou orientadas paralelamente e uma matriz formada por fios ou fibras termoplásticas. Descrevem-se essencialmente tecidos destas fibras ou cordões ou fitas. Estes produtos semimanufactúrados são então, em primeiro lugar, deformados, para a sua moldação definitiva, através de fieiras perfiladas susceptíveis de ser aquecidas, sendo prati-camente todas as fibras termoplásticas fundidas.

Descobriram-se agora novos produtos semimanufactúrados têxteis que apresentam uma boa drapejabilidade e que, em especial, podem ser trabalhados em moldes de pressão estruturados.

Os produtos semimanufactúrados segundo a presente invenção apresentam uma distribuição substancialmente homogénea entre as diversas espécies de fibras, sendo a orientação das fibras de reforço amplamente unidireccionais. A drapejabilidade do produto semimanufacturado segundo a presente invenção corresponde mais ou menos à de um tecido ou de uma estrutura com o mesmo peso por unidade de área destas fibras, tendo, em comparação com um tecido ou estrutura, a vantagem de que as fibras são orientadas uni-direccionalmente e portanto podendo prescindir-se de uma orientação das fibras por estiramento, quando do processo ulterior de conformação térmica. A presente invenção refere-se a uma fita de fibras de reforço orientadas de maneira substancialmente unidireccional e fibras de matriz termoplásticas. É característico da fita segundo a presente invenção o facto de ser formada essencialmente por fios que contêm fibras de reforço e/ou fibras da matriz, de a densidade de fios ter um valor de cerca de 5 a 20 fios/cm de largura, de o título dos fios ter um valor compreendido entre cerca de 1 000 e 3 000 dtex e de as fibras da matriz estarem encostadas ou sobrepostas soldadas localmente, pelo menos numa superfície exterior da fita, com a formaçao de pontos de fixação.

Por "fio" entende-se, no sentido deste pedido de patente de invenção, fios multifilamentos, fios de fibras cortadas em comprimentos normais, fios mistos de multifilamentos e fibras cortadas e também monofilamentos. Por "fibras" entende-se, no sentido do presente pedido de patente de invenção, quer fibras cortadas em comprimentos normais, quer filamentos sem fim. A densidade de fios da fita ê escolhida de modo que a distância entre os fios que constituem a fita não seja muito grande, de modo que seja ainda possível a formação de pontos de ligação entre fios vizinhos. Usualmente a distância dos fios na fita deve ser menor do que cerca de três vezes o diâmetro de um monofilamento do título dos fios. 0 título dos fios utilizados das fibras de reforço e/ou das fibras da matriz tem em regra um valor compreendido entre 1 000 e 3 000 dtex, de preferência de 1 500 a 2 500 dtex.

As fibras de reforço e as fibras de matriz podem estar presentes quer na forma de fios separados, quer como fios mistos. Além disso, podem também utilizar-se fibras bicomponentes, de componentes de reforço e de matriz. Nos fios, as fibras de reforço estão presentes de preferência sob a forma de multifila-

mentos. De maneira muito especial, utilizam-se fios mistos de fibras de reforço e fibras de matriz.

Os fios mistos podem fabricar-se com qualquer técnica de mistura usual, por exemplo fiação por anel ou por 3 cilindros, técnicas "commingeling", fabrico com torcedura mistia ou técnicas DREF.

De maneira particularmente preferida, utilizam-se fios mistos multifilamentos de fibras de reforço e fibras de matriz, nos quais pelo menos uma parte do fio ê constituída por filamentos individuais com um valor elevado do módulo de elasticidade, com um módulo inicial superior a 50 GPa, em especial superior a 80 GPa, que são obtidos por mistura através de um meio de mistura, de preferência ar, sendo os filamentos individuais com um valor elevado do módulo preaquecidos, antes da mistura, a uma temperatura de 0,25 Ts a 0,9 Ts e fazendo-se a mistura a uma temperatura à qual as fibras da matriz são essencialmente conservadas; em especial, a mistura é efectuada num meio de mistura não aquecido. Ts significa aqui a temperatura de fusão ou temperatura de decomposição dos filamentos individuais de módulo elevado, em °C.

Estes fios multifilamentos mistos particularmente preferidos são caracterizados por a distância média de mistura dos fios, medida no ensaio da agulha, ser menor do que 150 mm e por o numero de roturas dos filamentos individuais, medido pelo processo do limitador óptico num dos lados do fio, ser menor do que 20/m.

Com fibras de reforço interessa considerar praticamente todas as fibras com um valor elevado do modulo de elasticidade e/ou altamente resistentes, não fusíveis ou altamente fusíveis. Estas fibras são escolhidas de modo tal que, nas condições de trabalho apropriadas para a fracção de fibras termoplásticas, ainda não fundem ou praticamente não se deformam plasticamente e estejam presentes no material compõsito resultante como fibras de reforço. São exemplos de tais fibras as fibras de vidro, as fibras de carvão, fibras dos mais diversos metais e ligas metálicas, dos mais diversos nitretos metálicos ou carbonetos metálicos, fibras de óxidos metálicos ou fibras de polímeros orgânicos, tais como poliacrilonitrilo, poliéster, poliamida alifática e aromática ou poli-imida.

De preferência utilizam-se fibras de vidro, de carvão, metálicas ou de ARAMIDA.

Como material termoplástico são apropriados todos os materiais que podem ser trabalhados termoplasticamente de maneira reversível, são exemplos metais e ligas de metais, vidros e em especial materiais orgânicos. No que se refere aos materiais orgânicos interessa considerar em especial e sobretudo massas de moldação termoplásticas orgânicas conhecidas contendo eventualmente dissolventes, mas de preferência sem dissolventes. São exemplos de termoplásticos os polimerizados, como po-limerizados de vinilo, por exemplo poliolefinas, éster poliviní-lico, éter polivinílico, poliacrilatos e metacrilatos, compos- tos aromáticos de polivinilo, poli-halogenetos de vinilo, bem como os mais diversos copolímeros, polímeros de blocos, copolí-meros por enxerto, cristais líquidos poliméricos, polímeros mistos ou misturas de polímeros. São representantes especiais; po-lietileno, polipropileno, polibuteno, polipenteno, tipos de po-licloretos de vinilo, polimetacrilatos de metilo, tipos de po-,. li (meta) acril-nitrilos, eventualmente poliestirois modificados ou materiais sintéticos polifásicos, tais como ABS. Além disso polímeros de poliadição, de policondensação, polioxidação ou ciclização, polímeros LC, como poliamida, poliuretano, po-liureia, poli-imida, poliéster, poliéter, poli-hidantoina, po-lifenilóxidos, polissulfuretos de fenilo, polissulfona, policarbonatos, bem como as suas formas mistas, as suas misturas e combinações com outros polímeros ou pré-polímeros, por exemplo po-liamida-6, poliamida 6,6 , tereftalato de polietileno ou bisfe-nol-A-policarbonato.

Mas os polímeros referidos podem também servir de material das fibras de reforço, se forem tratados com fibras de ponto de fusão inferior, que funcionam, segundo a presente invenção, como fracção termoplástica.

Os filamentos ou fibras cortadas que constituem os fios podem apresentar uma secção transversal praticamente circular ou também terem outras formas, por exemplo uma secção em forma de haltere, em forma de rim, triangular ou tri- ou multilobular. Podem também usar-se fibras ocas.

Em especial como fibras termoplásticas podem também usar- ;C: -se fibras bi- ou multicomponentes, por exemplo do tipo com nú-cleo/manto ou do tipo lado/lado ou do tipo matriz/fibrilhas. 0 produto semimanufacturado segundo a presente invenção ê consolidado por fusão local das fibras da matriz numa medida tal que possa ser manuseado sem problemas, sem perder a sua forma de fita, mas simultaneamente possuindo uma boa drapejabili-dade, uma boa capacidade de ser enrolado e de ser transportado. 0 produto semimanufacturado segundo a presente invenção é sus-ceptível de armazenamento de maneira quase ilimitada, visto que praticamente não está presente qualquer componente que endureça.

Os pontos de fixação encontram-se pelo menos ao longo de uma superfície exterior da fita, mas podem também encontrar-se ao longo das duas superfícies exteriores. Pode então em casos particulares ser suficiente realizar apenas a fixação numa das superfícies da fita.

Mas é também possível que os pontos de fixação locais se estendam praticamente pela secção transversal de toda a fita. 0 que é essencial em todas estas formas de realização é que a fusão das fibras da matriz se faça localmente e que as fibras da matriz individuais e/ou as fibras de reforço individuais se possam mover de maneira praticamente livre entre dois pontos de fixação. A distância livre média de dois pontos de fixação é de preferência cerca de 1 a 5 cm. A densidade dos pontos de fixação ao longo da superfície superior depende, entre outras coisas, do tipo e da quantidade das fibras termoplásticas e da relação quantitativa das fibras

termoplásticas e de reforço. Ê também possível aplicar na fita um padrão de pontos de fixação, isto é, dotar com pontos de fixação apenas partes da superfície da fita.

Os valores usuais da densidade de pontos de fixação, referidos à unidade de área da superfície exterior da fita, situam--se na gama de 40 a 500 000 pontos/m da superfície, de preferên-cia de 100 a 40 000 pontos/m de superfície (no caso da colocação de pontos de fixação apenas de um lado ria superfície; no caso de aplicação dos dois lados é suficiente em regra uma densidade por unidade de área igual a metade). De preferência, um ponto de fixação liga vários fios de reforço. A relação de volumes das fibras de reforço e da matriz, no produto semimanufacturado segundo a presente invenção, pode ser escolhida à vontade entre limites afastados. Assim, a percentagem, em volume, de fibras de reforço, pode ser de 10 a 90% e a percentagem, em volume, das fibras da matriz correspondentemente entre 90% e 10%. De preferência, a percentagem, em volume das fibras de reforço é de 20 a 80%, em especial de 40 a 70%.

Nas reivindicações 2 a 7 apresentam-se formas de realização preferidas do produto semimanufacturado, segundo a presente invenção. O produto semimanufacturado segundo a presente invenção pode ser fabricado: a) preparando uma disposição, em forma de fita, de fibras de reforço orientadas de maneira essencialmente unidireccional e de fibras termoplásticas da matriz sob a forma de fios dispôs- -10-, r tos como teia de fios, e b) gerar localmente e de maneira limitada, pelo menos numa das superfícies exteriores desta disposição, temperaturas elevadas, eventualmente em combinação com pressões elevadas, de modo que as fibras da matriz nestes pontos se fundam encostadas ou sobrepostas mutuamente e formem pontos locais de fixação. O processo é também objecto da presente invenção. A produção de temperaturas elevadas locais pode fazer-se por tratamento da disposição em forma de fita com cilindros de estampagem aquecidos localmente. Pode então introduzir-se a fita de fios entre dois cilindros de estampagem ou, em especial, entre um cilindro com superfície exterior lisa e um cilindro com superfície exterior estruturada ou superfície exterior parcialmente estruturada. A produção de temperaturas locais elevadas pode no entanto também efectuar-se de outra maneira qualquer, por exemplo por acção de correntes de gases quentes ou por meio de cunhos aquecidos ou por ultrassons ou radiação electromagnética de alta frequência (soldadura por altas frequências).

As duas ultimas formas de realização são particularmente preferidas, visto que com elas pode obter-se um número pratica-mente ilimitado de padrões nos pontos de fixação, por exemplo por condução da fonte de calor por trajectos predeterminados sobre a superfície superior e mediante ligação e desligação da fonte de calor. Este comando pode, por exemplo, fazer-se por controlo de computador.

Nas fig. 1a, 1b, 2a e 2b estão representadas duas formas de realização do processo segundo a presente invenção.

Na fig. 3 está representada uma forma de realização do produto semimanufacturado segundo a presente invenção, a título de exemplo. A fig. 1a refere-se a uma forma de realização, numa vista de cima, enquanto a forma de realização da fig. 1b está numa vista de lado. 0 grupo de fios unidireccionais (2) que saem do rolo da teia (1) (na fig. 1a está representada apenas uma parte de todo o comprimento do rolo da teia) é constituído por pelo menos um tipo de fibras termoplásticas, como fibras de poliéster, de po-lietileno, de poliamida, de polissulfureto de fenileno, ou poli-propileno, de poliéter-imida, de poliéter-cetona, de polissulfo-na ou de poliolefinas parcialmente halogenadas, e pelo menos um tipo de fibras de reforço, como fibras de vidro, de carvão, de metal, de cerâmica ou de ARAMIDA. 0 grupo de fios unidireccionais (2) é passado entre os cilindros de estampagem aquecidos (3) e (4). Um destes cilindros pode também possuir uma superfície exterior lisa. Sob a influência de pressão e calor nos pontos das partes elevadas dos cilindros de estampagem verifica-se uma fusão local das fibras termoplásticas e portanto pontos de fusão entre dois ou mais fios de teia encostados mutuamente. Depois de abandonar a zona dos cilindros de estampagem (3) e (4), as zonas de fusão solidificam e formam uma ligação íntima entre estes fios de teia.

Na fig. 1a estas zonas de fusão locais solidificadas es-

tão representadas sob a forma de um padrão de traços. Depois da consolidação, a fita (6) pode ser enrolada num rolo (7). A fig. 2a refere-se a uma outra forma de realização vista de cima, enquanto a fig. 2b ê uma vista de lado. 0 grupo de fios (2) unidireccionais que saem de um rolo da teia (1) (na fig. 2a está representada apenas uma parte de todo o comprimento do rolo de teia) é constituído por pelo menos um tipo de fibras termoplásticas, por exemplo fibras como, por exemplo, as descritas relativamente à fig. 1a. 0 grupo de fios (2) unidireccionais é conduzido entre uma base apropriada (8) e o dispositivo de fusão (9) que actua pontualmente. Um tal dispositivo de fusão, que actua pontualmente, pode por exemplo ser uma sonda de ultrassons, uma alimentação de gás de aquecimento, um cunho aquecido ou uma fonte de energia electromagnética. 0 dispositivo de fusão pode deslocar--se paralelamente ao eixo do rolo de teia e na direcção vertical, sendo o comando desta operação, bem como a ligação e desligação do fornecimento de energia, feitos por um computador. É igualmente possível a utilização de vários dispositivos de fusão sobre uma base, bem como a utilização de várias combinações constituídas por dispositivos de fusão e bases, uns a seguir aos outros. Pode deste modo obter-se uma maior produção da instalação. A base ou as bases podem ser móveis verticalmente (8a) para compensar as variações de diâmetro do enrolamento no rolo de teia e dos cilindros (7). 3-

Sob a influência de calor nos pontos do dispositivo de fusão (9) verificam-se fusões locais das fibras termoplásticas e portanto pontos de fusão entre dois ou mais fios de teia colocados um ao lado do outro. Depois de abandonar a zona do dispositivo de fusão (9), as zonas de fusão solidificam e forma-se uma ligação íntima entre dois fios de teia.

Na fig. 2a, estas zonas locais de fusão solidificadas (5) estão representadas sob a forma de padrõès de traços. Depois da solidificação, a fita (6) pode enrolãr-se num rolo (7).

Na fig. 3 está representada uma forma de realização do produto semimanufacturado segundo a presente invenção. A fita (6) é formada por um grupo de fios (2). Como fios utilizam-se nesta forma de realização fios mistos (10) de fibras de reforço e fibras da matriz. A fita (6) apresenta zonas locais de fusão consolidades, nas quais estão ligados entre si dois fios situados um ao lado do outro.

Claims

reivindicações 1. - Fita de fibras de matriz de reforço e termoplásticas orientadas substancialmente unidireccionalmente, caracteriza da por ser formada essencialmente por fios que contêm fibras de matriz de reforço e/ou fibras de matriz, sendo a densidade de fios da fita de cerca de 5 a 20 fios/cuide largura, sendo o títu lo dos fios de cerca de 1 000 a 3 000 dtex e sendo as fibras de matriz, fundidas contra ou sobre pelo menos uma superfície superior da fita, localmente, com formação de pontos de reforço.
2. - Fita de acordo com a reivindicação 1, caracteriza-da por compreender uma mistura de fios de fibras de reforço e fios de fibras de matriz.
3. - Fita de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por ser formada por fio de mescla de fibras de reforço e fibras de matriz.
4. - Fita de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por ser formada por fibras de dois componentes com uma componente de reforço e uma componente de matriz.
5. - Fita de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por os pontos de reforço estarem dispostos num padrão repetido regularmente.
6. - Fita de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por os pontos de reforço estarem distribuídos estatisticamente pela superfície da fita.
7. - Fita de acordo com a reivindicação 1, caracterizada por os pontos de reforço preencherem cerca de 5 a 50% da superfície da fita.
8. - 'Processo parada fabricação da fita de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por compreender as seguintes fases: a) Fabricação de uma disposição de fibras de reforço orientadas substancialmente unidireccionairnnte e de fibras de ma 3 triz termoplásticas sob a forma de fios dispostos em cadeias de fios; e b) Produção de temperaturas elevadas limitadas localmente, e eventualmente de pressões elevadas, em pelo menos uma das superfícies da fita, de modo que, nestes pontos, as fibras se colem e formem pontos de reforço.
9. - Processo de acordo com a reivindicação 8, caracte-rizado por a formação dos pontos de reforço locais se fazer por meio de cilindros de estampagem aquecidos.
10. - Processo de acordo com a reivindicação 9, caracte rizado por a formação de pontos de reforço locais se fazer por meio de radiação de ultrassons ou de radiação electromagnética de altas frequências.
11. - Processo para a fabricação de materiais compósitos, em especial de termoplásticos reforçados com fibras, carac-terizado pelo facto de se utilizar como produto semimanufactura-do uma fita de acordo com qualquer das reivindicações 1 a 7, que se submete depois ãs operações de combinação e acabamento apropriadas . © Agente Oficial da Propriedade Industrial

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