WO2017089967A2 - Composición de elementos estructurales de construcción y método de elaboración - Google Patents

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WO2017089967A2
WO2017089967A2 PCT/IB2016/057057 IB2016057057W WO2017089967A2 WO 2017089967 A2 WO2017089967 A2 WO 2017089967A2 IB 2016057057 W IB2016057057 W IB 2016057057W WO 2017089967 A2 WO2017089967 A2 WO 2017089967A2
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Anna PEPELYAEVA
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Business & Consultants One Sas
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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08K—Use of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K5/00—Use of organic ingredients
    • C08K5/16—Nitrogen-containing compounds

Definitions

  • the present invention is within the sector of chemical engineering, mechanical engineering and civil engineering. More specifically, the present invention focuses on the area of construction, especially in the composition of structural elements.
  • metal elements although quite useful and versatile in the construction industry, presents a series of disadvantages directly related to the composition of these materials, which are reflected in the costs and duration of construction made with this type of materials.
  • the metal elements are usually quite heavy and they have a certain amount of limitations in terms of physical resistance, conductivity, corrosion resistance, among others.
  • FRP fiber reinforced polymeric compounds
  • Fiber reinforced polymeric compounds are not corrosive, so the problems commonly related to corrosion of steel are eliminated with the use of FRPs. Additionally, FRP materials show interesting properties, such as high tensile strength, which makes them completely eligible to be structural reinforcements. FRPs are available with a wide range of mechanical properties (tensile strength, bond strength, and modulus of elasticity). Fibers that reinforce this type of materials have the advantage of having a reduced number of material defects, lower than the common materials of the construction field (The term "defect" is understood as defects in the crystalline structure, which are represented commonly in line defects or point defects, according to the crystalline structure of the material and its difference with a perfectly organized structure).
  • JP10299175 whose invention highlights a rod-shaped retention member, of tubular geometry, which is made from an FRP structure (Polymer with Fiber Reinforcement).
  • the fibers are mixed in the reinforced plastic constituting a retention member, where one or more elements selected from: carbon fibers, glass fibers or aramid fibers are used.
  • the plastic elements for this patent are usually those traditionally used in the elaboration of these elements from a traditional epoxy resin wrapped in the combination of glass, aramid or carbon fibers; being elements that although they present good mechanical properties, the continuous use of the structures elaborated with this material broke down after some time.
  • patent EP0844072 mentions the development of a large column that is formed by a type reinforcement (FRP) that compresses continuous fibers to a resin, wherein said column has three layers (A, B and C) arranged so that they are organized from the inside out respectively, characterized in that the layer B is reinforced by a carbon fiber organized along the column and the layers A and C are formed by a mixed composition of carbon fiber and glass in a range of specific distribution along the column.
  • FRP type reinforcement
  • the problem to be solved will then be how to obtain a structural element that adapts to the current needs in the field of construction, with high performance in mechanical properties (tensile strength, bond strength, elasticity modules, among others). ), in addition to not being corrosive, lightweight and without generating a costly manufacturing process.
  • the object of the present invention will then be to solve this problem from the development of a fiber reinforced polymer composition (FRP) with emphasis on the combination of components that provide a substantial improvement in its characteristics, so that it is applicable to the Construction Industry.
  • FRP fiber reinforced polymer composition
  • composition of structural building elements essentially characterized by being a selection of polymeric compounds with fiber reinforcement (FRP) comprising a fiber and a polymeric binder resin of antistatic composition , combined with Silicon Oxide (SiO2) as the initial component, treated with a highly compatible curing agent and provided with an antistatic retardant binder to form a composition characterized by being thermostable.
  • FRP fiber reinforcement
  • SiO2 Silicon Oxide
  • polymeric compounds with fiber reinforcement is preferably composed of continuous fibers impregnated with polymeric resins. Continuous fibers with high hardness and high stiffness are embedded and combined with the low modulus polymer matrix. In the case of polymeric compounds with fiber reinforcement (FRP), the reinforcing fibers then constitute the support of the material and under these the mechanical properties of hardness and stiffness are determined as a consequence of their direction.
  • a high elastic modulus for efficient use of reinforcements (elastic constant that relates a variable related to stress and a variable related to deformation, applied to materials).
  • a high final tensile force whose designation refers to the maximum stress that a material can withstand when it is deformed or pressed, before breaking or losing its initial structure.
  • a convenient elongation to stress fracture understood as elongation as the ability of the material to allow deformation efforts prior to losing its initial structure.
  • High tenacity understood as the ability of materials to absorb energy and deform plastically without fracture, measured as the amount of energy per unit volume that a material can absorb prior to rupture.
  • the composition of structural construction elements is characterized by having a selection of fibers that must exhibit an elastic linear behavior under stress loads prior to failure.
  • Said fibers may be selected from the following processing materials: Glass-made fibers that are preferably selected for the preparation of reinforcements in compounds with polymeric matrices.
  • the selected glass fibers have the property of being constituted from continuous filaments that can be grouped into hair-like structures.
  • the fiberglass in the formation of polymeric compounds with fiber reinforcement can be made from the selection of glass type E glass, S glass and resistant alkaline glass.
  • Resistant alkaline fibers are preferably made with an addition of zirconium which helps prevent corrosion by alkaline elements present in cement mixtures.
  • An embodiment of the invention may comprise the inclusion of carbon or graphite fibers.
  • Carbon fibers are preferably produced from the thermal decomposition of polyacrylonitrile (PAN).
  • Graphite fibers are characterized by having a modulus of tension superior to that of coal, therefore, the fibers of high modulus of tension in turn are preferably produced by the graffiti process.
  • the carbon fibers that are preferably selected for the composition are selected long and with continuous trawls, which turn out to be joints from 1000 to 160000 parallel filaments. These fibers are characterized by high stiffness and strength in general, as long as the elastic modulus increases the final tensile strength and the elongation at break decreases.
  • An embodiment of the invention comprises the inclusion of aramid fibers.
  • Aramid fibers are characterized by their stiffness as a result of the alignment of the polymer chains through the axes that make up the fiber.
  • This fiber can be selected from any organic fiber that has a low specific gravity and a high tensile strength by weight per radio.
  • the types of aramid fibers included in the selection of polymeric compounds are of the keviar® type and preferably result from the liquid extrusion of a crystalline solution of the polymer with partially oriented molecules.
  • Keviar® type aramid fibers can be chosen from the following references: Keviar 29®, Keviar 49® and / or Keviar 149®. Polymeric fibers are characterized by having a good resistance to fatigue stress, low drag and regularity at high temperatures.
  • the polymeric matrix is preferably made as an external bonding element to the fibers and a surface protection element against damage caused during the manipulation of the element or the construction of the final structure.
  • This component serves as a dispersion element and fiber separation, in addition to being an element that transfers mechanical stress to the aforementioned fibers.
  • the matrix is preferably chosen in such a way that it is chemically and thermally compatible with the fibers, just as it represents a fundamental element for the control of the tension against deformation behavior of the structural element. Additionally it has resistance to corrosive environments.
  • the matrix in a selection of polymeric compounds with fiber reinforcement can be made as a structure and as a protection element. Composed of a resin, whose name corresponds to the selection between a polymer, a precursor material of a polymer and / or the mixture or formulation of various chemical additives or reagents.
  • polymers are called resins during the treatment process and matrices after the curing process.
  • the matrices are preferably selected to compose between 5 and 60% of the volume of the polymeric compound.
  • the essential technical characteristics of a matrix include a union of the reinforced reinforcement fibers, a transfer element and distribution of the fiber load and a protection element for environmental effects and mechanical abrasion.
  • Polymeric matrices can preferably be selected in at least two typologies, thermoset or thermoplastic.
  • thermosetting resin being that composed of a series of polymers that are irreversibly formed from precursor elements of low viscosity and low molecular weight.
  • the thermostable resin is characterized by increasing its temperature, after the curing process, will preserve its qualities and its organization throughout its structure.
  • thermosetting resins are characterized by having low viscosity, allowing high fiber volume fractions and possessing a high external moisture index.
  • the thermostable resins are composed of a three-dimensional network that is characterized by having a low flow under stress, low dimensional stability, a low coefficient of thermal expansion and a high resistance to solvents.
  • thermosetting resins may be the use of an epoxy resin, vinyl ester, unsaturated polyester, phenolic, polyamide or polyurethane, among others.
  • One of the preferred embodiments for the invention comprises the use of epoxy type resins as the main component for the preparation of the polymer matrix.
  • the resulting component has the characteristic, that prior to the addition of the fibers, a minimum amount of reactive curing agents is added to the element in the liquid state to initiate polymerization.
  • a preferred selection of epoxy resin in the preparation of the polymer matrix comprises a composition with a variety of phenolic and aromatic amines.
  • Epoxy type resins may also be preferred as partially cured elements, in which case the reinforcement can be pre-impregnated with a liquid resin that allows the compound to give it its own characteristic and mechanical properties related to the flexibility of the component.
  • a preferred embodiment for the invention through the use of epoxy resin is characterized by having a series of high quality mechanical properties, low shrinkage during the curing process, and optimum adhesion to a wide variety of fibers.
  • Epoxy type resins are characterized by having a high corrosion resistance compared to other materials. Curing of these resins can be reached within a temperature range between 5 and 150 ° C.
  • Epoxy Diane (ED) type resins are characterized by having a molecular structure, defined according to formula I:
  • n denotes the number of polymerized subunits, which varies between 0 and
  • the selection of elements for the curing process of the components related to the Diane epoxy resins can be preferably chosen among first aliphatic and aromatic polyamines, from which the use of amines such as: Ethylenediamine, Diethylenetriamine, Triethylenetetramine, Polyethylene Polyamine can be selected , Methanylatediamine, among other similar.
  • One of the preferred embodiments of the invention consists in the selection of a water insoluble Epoxy Diane resin, with a density between 1.16 and 1.55 (g / ml) at room temperature, low viscosity and fluidization.
  • Epoxy Aniline type resins are characterized by having a molecular structure, defined according to formula II:
  • R is an alkane group of 1 to 100 carbon atoms, which may contain at least one oxygen atom.
  • the selection of an epoxy resin can preferably be carried out for this invention from a variety of Aliphatic Epoxy type resins.
  • Aliphatic Epoxy type resins are characterized by having a molecular structure, defined according to formula III:
  • R is an alkylene group of 1 to 1 00 carbon atoms, which may contain at least one oxygen atom. Both m and n will be repetition numbers of the chains with variation with denomination of 1 to 4.
  • the curing agent represents an indispensable element in the formation of the polymeric compounds with fiber reinforcement, for said embodiment, it can preferably be selected at minus two classifications of curing agents, catalytic and polyfunctional. An embodiment of the invention must select a catalytic curing agent.
  • Catalytic curing agents may preferably be selected for this invention from the following groups:
  • Polyamides high molecular weight polymers that vary from a viscous liquid to a solid. • Anhydrides, substances with a long latency time once incorporated into the resin and that provide high thermal resistance.
  • Anhydride curing agents for the formation of polymeric compounds with fiber reinforcement can be selected from aromatic anhydrides, alicyclic anhydrides, and aliphatic anhydrides.
  • a preferred embodiment of the invention may select as an curing agent an alicyclic anhydride group comprising a set consisting of at least one methyl tetrahydrophthalic anhydride, a tetrahydrophthalic anhydride, a methyl nadic anhydride, a hexahydrophthalic anhydride, a methyl hexahydrophthalic anhydride, and / or an isomethyl tetrahydrophthalic anhydride.
  • a preferred embodiment of the invention can select an aliphatic anhydride as a curing agent, characterized by having good flexibility and high resistance to thermal shock.
  • An antistatic retardant binder which is characterized by being a deceleration element in the curing processes, is preferably selected in the embodiment of the structural structure composition.
  • the antistatic retardant binder can preferably be selected for this invention within a group of Mannich bases.
  • a preferred embodiment of the invention may select Mannich base as formula IV presented below.
  • R1 is a radical consisting of an alkane group of 1 to 20 carbon atoms, and / or a hydrogen atom.
  • R2 is an alkylamine composed of 0 to 20 carbon atoms.
  • composition of structural construction elements is characterized by comprising a mixture of the components previously described, one of the preferred embodiments for this invention is described below:
  • a selection of polymeric compounds with fiber reinforcement where the fiber can be selected between 50 and 90% of the composition by weight of the total mixture, combined with traces of Silicon oxide.
  • a selection of polymeric compounds with fiber reinforcement, where the binder polymeric resin of antistatic composition can be selected as a thermosetting resin between 5 and 30% of the composition by weight of the total mixture.
  • thermosetting resin composed of an epoxy resin.
  • the epoxy resin can be selected from a resin composed entirely of a diane epoxy resin, an aliphatic epoxy resin, an alinine epoxy resin, or the combination of any of the above according to the following proportion.
  • Diane epoxy resin (20 to 80%)
  • Alinin epoxy resin (20 to 80%)
  • a selection of polymeric compounds with fiber reinforcement, treated with a highly compatible curing agent can be selected as an anhydrous between 1 and 20% of the composition by weight of the total mixture.
  • a selection of polymeric compounds with fiber reinforcement, where the antistatic retardant binder can be selected as a Mannich base between 1 and 20% of the composition by weight of the total mixture.
  • a selection of polymeric compounds with fiber reinforcement where the fiber can be selected as glass fiber between 50 and 90% of the composition by weight of the total mixture, combined with traces of Silicon oxide.
  • a selection of polymeric compounds with fiber reinforcement, where the binder polymeric resin of antistatic composition can be selected as a thermoplastic resin between 5 and 30% of the composition by weight of the total mixture.
  • a selection of polymeric compounds with fiber reinforcement, treated with a highly compatible curing agent can be selected as an anhydrous between 1 and 20% of the composition by weight of the total mixture.
  • a selection of polymeric compounds with fiber reinforcement, where the antistatic retardant binder can be selected as a Mannich base between 1 and 20% of the composition by weight of the total mixture.
  • a preferred manufacturing process for the elaboration of the structural element is the pultrusion process, which corresponds to a process of forming plastic components, in which the fibers are dragged and impregnated before performing a curing process preferably performed on a die at high temperature
  • the addition of an array of special fibers or the combination of at least two or more types of reinforcing fibers is selected so as to provide a series of special mechanical characteristics to the shaped material, according to the needs of the building.
  • a preferred manufacturing process for the elaboration of the structural element is initiated by the conduction of the threads of the fiberglass cones through a hole that captures them all at once and braids them to direct them to the heat treatment tunnel. Said hole is graduated to give way to more or less threads and thus give the final gauge of the rod.
  • the braided fibers Prior to the entrance to the heat treatment tunnel, the braided fibers are moistened through a container containing the mixture of the selection of polymeric compounds, the highly compatible curing agent and the antistatic retardant binder.
  • This mixture has the property of promoting the adhesion and compaction of the fibers when exposed to the thermal effect.
  • the reinforcing fibers enter impregnated into the heat treatment chamber without draining the polymer mixture to avoid thermal chamber damage. To do this, the fibers exiting the container brush an absorption medium that dries the excess material.
  • the corrugate that carries the rod is also formed by fiberglass threads that pass braided through a coil which is between the humidifying container and the entrance to the heat treatment tunnel.
  • the coil performs a circular movement around what is the future rod body or the bundle of braided fiberglass threads.
  • the movement of the coil and the advance of the bundle of fiberglass threads cause the spiral of the corrugation to form.
  • the distance of the corrugated rings is adjusted by means of the regulation of the speed of the circular movement of the coil.
  • the set of braided fiberglass threads enters the tunnel or heat treatment furnace which is divided into four phases in which it comes into contact with a different temperature for each phase:
  • the assembly Upon leaving the tunnel, the assembly receives a cooling bath to cool the product and give it the final solidity. It is a water jet at a temperature that can range from 10 to 20 ° C. This water is filtered after it is used in the refrigeration process and is reused for this function.
  • the structural element passes into a reel that, by means of its rotating movement, forms rolls.
  • the number of meters of the rolls is indicated by the aforementioned measuring device.
  • the structural elements derived from the polymeric compounds with fiber reinforcement (FRP) can have a different shape from the structural reinforcements derived from metallic elements, since their shape can be selected from figures such as rods, bars, elongated profiles and even elements made with flexible structures.

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Abstract

El desarrollo de la presente invención está enfocado en una composición de elementos estructurales de construcción, caracterizados esencialmente por una selección de compuestos poliméricos con refuerzo de fibra (FRP por sus siglas en inglés) que compone una fibra y una resina polimérica aglutinante de composición antiestática, combinada con oxido de Silicio (SiO2) como componente inicial; tratado con un agente de curado altamente compatible, provista de un aglutinante retardante antiestático para formar una composición termoestable.

Description

COMPOSICIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES DE CONSTRUCCIÓN
Y MÉTODO DE ELABORACIÓN.
CAMPO TÉCNICO
La presente invención se encuentra dentro del sector de la ingeniería química, la ingeniería mecánica y la ingeniería civil. Más específicamente, la presente invención se centra en el área de la construcción, con especialidad en la composición de elementos estructurales.
ANTECEDENTES
El desarrollo de elementos estructurales para construcción ha sido un tema de interés en el campo de la ingeniería civil y mecánica, entre otros. Múltiples desarrollos se han presentado a lo largo de la historia que pueden brindar una base de conocimiento bastante amplia relacionada con los métodos y materiales que se usan para la elaboración de edificios, puentes, vías y cualquier elemento relacionado al campo de la construcción a gran escala. El hierro y sus aleaciones fueron los primeros metales usados industrialmente en la práctica para las estructuras sustentantes. Progresivamente se fueron introduciendo como material de construcción, primero como elementos de fundición y finalmente como elementos tubulares que facilitan la esbeltez de las estructuras metálicas modernas.
El uso del acero se multiplicó gracias al avance de la metalurgia y a la soldadura eléctrica.
No obstante, el uso de los elementos metálicos, aunque bastante útiles y versátiles en la industria de la construcción, presenta una serie de desventajas relacionadas directamente con la composición de estos materiales, las cuales se ven reflejadas en los costos y la duración de las construcciones elaboradas con este tipo de materiales. Los elementos metálicos suelen ser bastante pesados y poseen una cierta cantidad de limitaciones en términos de resistencia física, conductividad, resistencia a la corrosión, entre otros.
Existe entonces, una necesidad creciente por el fortalecimiento y reequipamiento de las estructuras de concreto, dada la degradación a largo plazo producida por las limitaciones en corrosión de los materiales metálicos.
En el avance de la construcción existen nuevos proyectos que demandan una mayor carga en la infraestructura y en las bases de construcción, cuyas estructuras actuales elaboradas en metal presentan desventajas notables en el diseño y construcción de edificaciones y relacionados.
Por lo tanto, las técnicas tradicionales de fortalecimiento y reequipamiento que usan acero y materiales derivados del cemento no siempre proveen las soluciones más adecuadas a los nuevos retos de la construcción. Por lo anterior se genera la necesidad de buscar alternativas mejoradas para la elaboración de estas estructuras.
El uso de materiales alternativos como lo son los compuestos poliméricos reforzados en fibra (FRP) en la superficie de las estructuras de concreto ha emergido como un método efectivo para incrementar la tensión y fuerza de los elementos de concreto. Dado que, un elemento de concreto combinado de manera flexible con un compuesto polimérico reforzado en fibra (FRP), provee una solución que se ajusta a las necesidades de la construcción moderna.
Los compuestos poliméricos reforzados en fibra (FRP) resultan no ser corrosivos, por lo que los problemas comúnmente relacionados a la corrosión del acero son eliminados con el uso de FRPs. Adicionalmente, los materiales FRP muestran propiedades interesantes, tales como la alta fuerza de tensión, que los hace completamente elegibles para ser refuerzos estructurales. Los FRP están disponibles con una amplia gama de propiedades mecánicas (resistencia a la tracción, la fuerza de adhesión, y módulos de elasticidad). Las fibras que refuerzan este tipo de materiales presentan la ventaja de poseer un número reducido de defectos de material, inferior al de los materiales comunes del campo de la construcción (Se entiende el término "defecto" como defectos en la estructura cristalina, que se representan comúnmente en defectos de línea o defectos puntuales, de acuerdo a la estructura cristalina del material y su diferencia con una estructura perfectamente organizada).
Es muy importante analizar y establecer la composición del material que llega a unirse a las estructuras de concreto, ya que existen múltiples factores tanto físicos como químicos que influyen de manera directa en las propiedades mecánicas de los elementos combinados, en particular, al momento de aplicar una fuerza externa que afecte la estructura elaborada. Por esta razón, una mala selección de componentes, puede llevar a obtener estructuras con inclusive propiedades de mayor limitación a las normalmente elaboradas en elementos metálicos.
Algunos desarrollos previos, han sido presentados por la patente JP10299175, cuya invención destaca un miembro de retención en forma de varilla, de geometría tubular, que está hecho a partir de una estructura FRP (Polímero con Refuerzo en Fibra). Las fibras se mezclan en el plástico reforzado constituyendo un miembro de retención, donde se usa uno o más elementos seleccionados entre: fibras de carbono, fibras de vidrio o fibras de aramida. Los elementos plásticos para esta patente suelen ser los tradicionalmente usados en la elaboración de estos elementos a partir de una resina epóxica tradicional envuelta en la combinación de fibras de vidrio, aramida o carbono; siendo elementos que aunque presenten buenas propiedades mecánicas, el uso continuo de las estructuras elaboradas con este material se quebraban después de algún tiempo. Por otro lado, la patente EP0844072 menciona el desarrollo de una columna de gran tamaño que está formada por un refuerzo tipo (FRP) que comprime fibras continuas a una resina, en donde dicha columna tiene tres capas (A, B y C) dispuestas de manera que se organizan de adentro hacia afuera respectivamente, caracterizado porque la capa B esta reforzada por una fibra de carbono organizada a lo largo de la columna y las capas A y C están conformadas por una composición mixta de fibra de carbono y vidrio en un rango de distribución especifico a lo largo de la columna. Dicha columna posee una alta resistencia a la compresión, de manera que puede ser utilizada fácilmente como material de construcción, y para estructuras de aeronaves y barcos.
El uso de múltiples capas estructurales, consigue obtener resultados interesantes para la elaboración de elementos estructurales. No obstante resulta de un proceso de múltiples pasos de acuerdo a las capas usadas para la elaboración de estos elementos que termina en sobrecostos, los cuales pueden inclusive ser mucho mayores a los que se podrían emplearse en la elaboración de estructuras metálicas. Para este caso, no resulta ser un sustituto adecuado para los elementos estructurales usados comúnmente.
El problema a resolver será entonces, como lograr obtener un elemento estructural que se adecué a las necesidades actuales en el campo de la construcción, con alto desempeño en las propiedades mecánicas (resistencia a la tracción, fuerza de adhesión, módulos de elasticidad, entre otros), además de no ser corrosivo, liviano y sin generar un proceso de elaboración dispendioso.
El objeto de la presente invención será entonces resolver este problema a partir del desarrollo de una composición polimérica reforzada en fibra (FRP) con énfasis en la combinación de componentes que le brinden un mejoramiento sustancial en sus características, de tal forma que resulte aplicable a la industria de la construcción. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN
El desarrollo de la presente invención está enfocado en una composición de elementos estructurales de construcción, caracterizados esencialmente por ser una selección de compuestos poliméricos con refuerzo de fibra (FRP por sus siglas en inglés) que comprenden una fibra y una resina polimérica aglutinante de composición antiestática, combinada con oxido de Silicio (SiO2) como componente inicial, tratado con un agente de curado altamente compatible y provista de un aglutinante retardante antiestático para formar una composición caracterizada por ser termoestable.
La selección de compuestos poliméricos con refuerzo de fibra (FRP) se compone preferiblemente de unas fibras continuas impregnadas con resinas poliméricas. Las fibras continuas con alta dureza y alta rigidez se encuentran embebidas y combinadas con la matriz polimérica de bajo módulo. En el caso de los compuestos poliméricos con refuerzo de fibra (FRP) las fibras de refuerzo constituyen entonces, el soporte del material y bajo estas se determina las propiedades mecánicas de dureza y rigidez en consecuencia de la dirección de las mismas.
Las fibras seleccionadas para la composición de elementos estructurales de construcción se caracterizan por comprender las siguientes propiedades:
■ Un alto módulo elástico para un eficiente uso de los refuerzos, (constante elástica que relaciona una variable relacionada con la tensión y una variable relacionada con la deformación, aplicada a materiales).
■ Una alta fuerza final de tensión, cuya denominación se refiere al máximo estrés que un material puede soportar cuando este es deformado o presionado, antes de romperse o de perder su estructura inicial. Una elongación conveniente a la fractura por tensión, entendida la elongación como la capacidad que posee el material de permitir los esfuerzos de deformación previa a perder su estructura inicial. Una baja variación de la fuerza individual ofrecida por cada fibra integrada al elemento estructural y una estabilidad de las propiedades mecánicas durante la manipulación como la fabricación, además de la uniformidad de los diámetros y superficies de las fibras elaboradas. s Una alta tenacidad, entendida como la habilidad que poseen los materiales de absorber energía y deformarse plásticamente sin sufrir fractura, medida como la cantidad de energía por unidad de volumen que un material puede absorber previo a la ruptura. La composición de elementos estructurales de construcción, se caracteriza por tener una selección de fibras que deben exhibir un comportamiento lineal elástico bajo cargas de tensión previos a sufrir fallas. Dichas fibras pueden ser seleccionadas a partir de los siguientes materiales de elaboración: Unas fibras elaboradas en vidrio que resultan preferiblemente seleccionadas para la elaboración de refuerzos en compuestos con matrices poliméricas. Las fibras de vidrio seleccionadas poseen la propiedad de estar constituida a partir de filamentos continuos que se consiguen agrupar en estructuras tipo cabello. La fibra de vidrio en la formación de compuestos poliméricos con refuerzo de fibra puede realizarse a partir de la selección de vidrios tipo vidrio E, vidrio S y vidrio alcalino resistente. Las fibras alcalinas resistentes son realizadas preferiblemente con una adición de zirconio el cual ayuda a prevenir la corrosión por elementos alcalinos presentes en las mezclas de cemento.
Una forma de realización de la invención puede comprender la inclusión de unas fibras de carbón o grafito. Las fibras de carbón son producidas preferiblemente a partir de la descomposición térmica de la Poliacrilonitrila (PAN por sus siglas en ingles).
Las fibras de grafito se caracterizan por poseer un módulo de tensión superior al del carbón, por lo tanto, las fibras de alto módulo de tensión a su vez resultan preferiblemente producidas mediante el proceso de grafitización. No obstante, las fibras de carbón que se seleccionan preferiblemente para la composición se seleccionan largas y con arrastres continuos, que resultan ser uniones desde 1000 a 160000 filamentos paralelos. Estas fibras se caracterizan por presentar alta rigidez y fuerza de manera general, en tanto que el modulo elástico incremente la fuerza final de tensión y la elongación a ruptura disminuya.
Una forma de realización de la invención comprende la inclusión de unas fibras de aramida. Las fibras de aramida se caracterizan por su rigidez como resultado de la alineación de las cadenas poliméricas a través de los ejes que componen la fibra. Esta fibra puede ser seleccionada entre cualquier fibra orgánica que tenga una baja gravedad específica y una alta resistencia a la tracción en peso por radio. Los tipos de fibras de aramida incluidos dentro de la selección de compuestos poliméricos son de tipo keviar® y resultan preferiblemente de la extrusión liquida de una solución cristalina del polímero con moléculas parcialmente orientadas.
Las fibras de aramida tipo keviar® pueden elegirse entre las siguientes referencias: Keviar 29®, Keviar 49® y/o Keviar 149®. Las fibras poliméricas se caracterizan por tener una buena resistencia a la tensión de fatiga, bajo arrastre y regularidad ante altas temperaturas.
La matriz polimérica se encuentra preferiblemente realizada como un elemento de unión externo a las fibras y un elemento de protección superficial ante daños producidos durante la manipulación del elemento o la construcción de la estructura final. Este componente sirve como elemento de dispersión y separación de las fibras, además de ser un elemento que transfiere estrés mecánico a las mencionadas fibras.
La matriz es preferiblemente escogida de tal manera que sea química y térmicamente compatible con las fibras, al igual que represente un elemento fundamental para el control del comportamiento tensión contra deformación del elemento estructural. Adicionalmente posee resistencia a los ambientes corrosivos. La matriz en una selección de compuestos poliméricos con refuerzo de fibra, puede realizarse como una estructura y como un elemento de protección. Compuesta de una resina, cuya denominación corresponde a la selección entre un polímero, un material precursor de un polímero y/o la mezcla o formulación de varios aditivos o reactivos químicos.
Normalmente, los polímeros se denominan resinas durante el proceso de tratamiento y matrices posterior al procedimiento de curado. Las matrices se seleccionan preferiblemente para componer entre el 5 y el 60% del volumen del compuesto polimérico. Las características técnicas esenciales de una matriz comprenden una unión de las fibras de refuerzo elaboradas, un elemento de transferencia y distribución de la carga de las fibras y un elemento de protección de efectos ambientales y abrasión mecánica.
Las matrices poliméricas pueden ser seleccionadas preferiblemente en al menos dos tipologías, termoestable o termoplástica.
Una de las realizaciones preferidas de la invención comprende tanto la selección de una matriz polimérica como una resina termoestable, siendo la resina termoestable, aquella compuesta por una serie de polímeros que son formados irreversiblemente a partir de elementos precursores de baja viscosidad y bajo peso molecular. La resina termoestable se caracteriza porque al aumentar su temperatura, después del proceso de curado, conservara sus cualidades y su organización a lo largo de su estructura.
Las resinas termoestables seleccionadas se caracterizan por poseer baja viscosidad, permitir fracciones de volumen de alto contenido de fibra y poseer un alto índice de humedad externa. Las resinas termoestables se componen de una red tridimensional que se caracteriza por poseer un bajo flujo bajo estrés, una baja estabilidad dimensional, un bajo coeficiente de expansión térmica y una alta resistencia a los disolventes.
Una de las formas de la invención que se selecciona preferiblemente entre resinas termoestables puede ser el uso de una resina epoxica, de vinil éster, insaturadas de poliéster, fenólicas, poliamidas o de poliuretano, entre otras. Una de las formas de realización preferidas para la invención comprende el uso de resinas tipo epoxica como componente principal para la elaboración de la matriz polimérica. El componente resultante tiene la característica, que previo a la adición de las fibras, le es añadida una cantidad mínima de agentes reactivos de curación al elemento en estado líquido para iniciar la polimerización.
Una selección preferida de resina epoxica en la elaboración de la matriz polimérica comprende una composición con una variedad de aminas fenólicas y aromáticas. Las resinas tipo epoxica también pueden preferidas como elementos parcialmente curados, en dicho caso el refuerzo puede ser pre impregnado con una resina liquida que permite al compuesto darle una característica propia y propiedades mecánicas relacionadas a la flexibilidad del componente.
Una forma de realización preferida para la invención mediante el uso de resina epoxica está caracterizada por tener una serie de propiedades mecánicas de alta calidad, un bajo encogimiento durante el proceso de curado, y óptima adhesión a una gran variedad de fibras. Las resinas tipo epoxica se caracterizan por tener una alta resistencia a la corrosión en comparación a otros materiales. El curado de estas resinas puede alcanzarse dentro de un rango de temperatura entre los 5 y los 150°C.
La selección de una resina epóxica se puede realizar preferiblemente para esta invención entre una variedad de resinas tipo Epoxi Diane (ED). Las resinas tipo Epoxi Diane (ED) se caracterizan por poseer una estructura molecular, definida según la fórmula I:
Figure imgf000011_0001
(l) Donde n denota el número de subunidades polimerizadas, que varía entre 0 y
50.
La selección de elementos para el proceso de curado de los componentes relacionados a las resinas tipo epoxi Diane, puede ser preferiblemente elegida entre poliaminas primeramente alifáticas y aromáticas, dentro de las que puede seleccionarse el uso de aminas como: Etilendiamina, Dietilentriamina, Trietilentetramina, Polietilenpoliamina, Metafenilediamina, entre otras similares.
Una de las realizaciones preferidas de la invención, consiste en la selección de una resina tipo Epoxi Diane insoluble en agua, con densidad entre 1 .16 y 1 .55 (g/ml) a temperatura ambiente, de baja viscosidad y fluidización.
La selección de una resina epóxica se puede realizar preferiblemente para esta invención entre una variedad de resinas tipo Epoxi Anilina. Las resinas tipo Epoxi Anilina se caracterizan por poseer una estructura molecular, definida según la fórmula II:
Figure imgf000012_0001
Donde R, es un grupo alcano de 1 a 100 átomos de carbono, que puede contener al menos un átomo de oxígeno. La selección de una resina epóxica se puede realizar preferiblemente para esta invención entre una variedad de resinas tipo Epoxi Alifática. Las resinas tipo Epoxi Alifática se caracterizan por poseer una estructura molecular, definida de acuerdo a la fórmula III:
Figure imgf000012_0002
(III)
Donde R es un grupo alquileno de 1 a 1 00 átomos de carbono, que puede contener al menos un átomo de oxígeno. Tanto m como n serán números de repetición de las cadenas con variación con denominación de 1 a 4. El agente de curado, representa un elemento indispensable en la formación de los compuestos poliméricos con refuerzo de fibra, para dicha realización, se puede seleccionar preferiblemente al menos dos clasificaciones de agentes de curado, catalíticos y polifuncionales. Una forma de realización de la invención debe seleccionar un agente de curado catalítico.
Los agentes de curado catalíticos pueden ser seleccionados preferiblemente para esta invención de los siguientes grupos:
Poliamidas, polímeros de alto peso molecular que varían de un líquido viscoso hasta un sólido. • Anhídridos, sustancias con un gran tiempo de latencia una vez incorporado a la resina y que proporcionan una alta resistencia térmica.
Los agentes de curado anhídridos para la formación de los compuestos poliméricos con refuerzo de fibra, pueden ser seleccionados entre anhídridos aromáticos, anhídridos alicíclicos, y anhídridos alifáticos.
Una realización preferida de la invención puede seleccionar como agente de curado un grupo anhídrido alicíclico que comprende un conjunto compuesto por al menos un anhídrido metil tetrahidroftalico, un anhídrido tetra hidroftalico, un anhídrido metil nadico, un anhídrido hexahidroftalico, un anihidrido metil hexahidroftalico, y/o un anhídrido isometil tetrahidroftalico.
Una realización preferida de la invención puede seleccionar como agente de curado un anhídrido alifático, caracterizado por tener una buena flexibilidad y una alta resistencia al choque térmico.
Se selecciona preferiblemente en la realización de la composición de elementos estructurales de construcción un aglutinante retardante antiestático, que se caracteriza por ser un elemento de desaceleración en los procesos de curado.
El aglutinante retardante antiestático puede seleccionarse preferiblemente para esta invención dentro de un grupo de bases de Mannich. Una realización preferida de la invención puede seleccionar como base de Mannich la formula IV presentada a continuación.
Figure imgf000014_0001
Donde R1 es un radical compuesto por un grupo alcano de 1 a 20 átomos de carbono, y/o por un átomo de hidrogeno. Y R2 es una alquilamina compuesta de 0 a 20 átomos de carbono.
La composición de elementos estructurales de construcción se caracteriza por comprender una mezcla de los componentes previamente descritos, una de las realizaciones preferidas para esta invención se encuentra descrita a continuación:
Una selección de compuestos poliméricos con refuerzo de fibra, donde la fibra puede ser seleccionada entre el 50 y 90% de la composición en peso de la mezcla total, combinada con trazas de óxido de Silicio.
Una selección de compuestos poliméricos con refuerzo de fibra, donde la resina polimérica aglutinante de composición antiestática puede ser seleccionada como una resina termoestable entre el 5 y 30 % de la composición en peso de la mezcla total.
Una selección de una resina termoestable compuesta por una resina epóxica.
La selección de la resina epóxica puede realizarse entre una resina compuesta en su totalidad de una resina tipo epoxi diane, de una resina tipo epoxi alifática, de una resina tipo epoxi alinina, o de la combinación de cualquiera de las anteriores de acuerdo a la siguiente proporción. Resina tipo epoxi diane (20 a 80%)
Resina tipo epoxi alinina (20 a 80%)
Resina tipo epoxi alifática (20 a 40%)
Una selección de compuestos poliméricos con refuerzo de fibra, tratado con un agente de curado altamente compatible puede seleccionarse como un anhidro entre el 1 y 20% de la composición en peso de la mezcla total. Una selección de compuestos poliméricos con refuerzo de fibra, donde el aglutinante retardante antiestático puede ser seleccionado como una base de Mannich entre el 1 y 20% de la composición en peso de la mezcla total.
Otra de las realizaciones preferidas para esta invención se encuentra descrita a continuación:
Una selección de compuestos poliméricos con refuerzo de fibra, donde la fibra puede ser seleccionada como fibra de vidrio entre el 50 y 90% de la composición en peso de la mezcla total, combinada con trazas de óxido de Silicio.
Una selección de compuestos poliméricos con refuerzo de fibra, donde la resina polimérica aglutinante de composición antiestática puede ser seleccionada como una resina termoplástica entre el 5 y 30 % de la composición en peso de la mezcla total.
Una selección de compuestos poliméricos con refuerzo de fibra, tratado con un agente de curado altamente compatible puede seleccionarse como un anhidro entre el 1 y 20% de la composición en peso de la mezcla total. Una selección de compuestos poliméricos con refuerzo de fibra, donde el aglutinante retardante antiestático puede ser seleccionado como una base de Mannich entre el 1 y 20% de la composición en peso de la mezcla total. Un proceso de fabricación preferido para la elaboración del elemento estructural es el proceso de pultrusión, el cual corresponde a un proceso de conformado de componentes plásticos, en el cual las fibras son arrastradas e impregnadas antes de realizarles un proceso de curado preferiblemente realizado en un troquel a alta temperatura.
Durante este proceso, se selecciona la adición de un arreglo de fibras especiales o la combinación de al menos dos o más tipos de fibras de refuerzo de manera que le brinden una serie de características mecánicas especiales al material conformado, de acuerdo a las necesidades de la construcción.
Un proceso de fabricación preferido para la elaboración del elemento estructural se inicia mediante la conducción de los hilos de los conos de la fibra de vidrio a través de un orificio que los capta todos a la vez y los trenza para dirigirlos al túnel de tratamiento térmico. Dicho orificio se gradúa para dar paso a más o menos hilos y así dar el calibre definitivo de la varilla.
Previo a la entrada al túnel del tratamiento térmico las fibras trenzadas son humedecidas pasando por un recipiente que contiene la mezcla de la selección de compuestos poliméricos, el agente de curado altamente compatible y el aglutinante retardante antiestático. Esta mezcla tiene la propiedad de promover la adhesión y compactación de las fibras al estar expuesta al efecto térmico. Las fibras de refuerzo entran impregnadas a la cámara de tratamiento térmico sin que escurra la mezcla de polímeros para evitar averías en las cámaras térmicas. Para ello, las fibras al salir del recipiente rozan un medio de absorción que seca el material sobrante. La corruga que lleva la varilla es formada también por hilos de fibra de vidrio que pasan trenzados a través de una bobina la cual se halla entre el recipiente humectante y la entrada al túnel de tratamiento térmico. La bobina realiza un movimiento circular alrededor de lo que es el futuro cuerpo de la varilla o el manojo de hilos de fibra de vidrio trenzados. El movimiento de la bobina y el avance del manojo de hilos de fibra de vidrio hacen que se forme el espiral de la corruga. La distancia de los anillos del corrugado se gradúa por medio de la regulación de la velocidad del movimiento circular de la bobina.
El conjunto de hilos de fibra de vidrio trenzados entra al túnel u horno de tratamiento térmico el cual está dividido en cuatro fases en las cuales entra en contacto con una temperatura diferente por cada fase:
- fase 1 200°C
- fase 2 275 °C
- fase 3 350°C
- fase 4 400°C.
Al salir del túnel el conjunto recibe un baño refrigerante para enfriar el producto y darle la solidez definitiva. Se trata de un chorro de agua a temperatura que puede ir de 10 a 20 °C. Esta agua es filtrada después de que se usa en el proceso de refrigeración y se vuelva a utilizar para esta función.
En el momento en que el elemento estructural se encuentra fabricado con sus propiedades definitivas. Prosigue su paso a través de un medidor de longitud que indica la longitud del elemento estructural que ha pasado por este. De acuerdo a la medida que se ha programado, un disco afilado corta el elemento estructural en el lugar preciso.
En el caso de calibres pequeños el elemento estructural pasa a un carrete que por medio de su movimiento giratorio va formando rollos. La cantidad de metros de los rollos la indica el dispositivo medidor anteriormente mencionado. Los elementos estructurales derivados de los compuestos poliméricos con refuerzo en fibra (FRP) pueden poseer una forma distinta a los a los refuerzos estructurales derivados de elementos metálicos, ya que su forma puede ser seleccionada entre figuras como varillas, barras, perfiles alargados e inclusive elementos elaborados con estructuras flexibles.
Se debe entender que aunque la presente invención ha sido específicamente divulgada por una forma de realización preferida y unas características opcionales, cualquier modificación, mejora y/o variación de la invención en el presente documento divulgado puede derivar de la deducción de expertos en la técnica. Además, tales modificaciones, mejoras y variaciones se consideran que están dentro del alcance de esta invención. La composición y método proporcionados aquí son representativos de realizaciones preferidas y se exponen para ejemplificar el concepto inventivo de la tecnología, es decir, son a modo de ejemplo y no están destinados como limitaciones del alcance de la invención; se sobreentiende que una persona versada en la materia podrá suponer algunos cambios obvios con respecto a la descripción anterior.

Claims

REIVINDICACIONES
1. Una composición de elementos estructurales de construcción caracterizada porque comprende una selección de compuestos poliméricos con refuerzo de fibra que comprende una fibra y una resina polimérica aglutinante de composición antiestática, tratado con un agente de curado altamente compatible, provista de un aglutinante retardante antiestático para formar una composición termoestable.
2. La composición de acuerdo a la reivindicación 1 caracterizada porque la selección de compuestos poliméricos con refuerzo de fibra comprende trazas de óxido de Silicio.
3. La composición de acuerdo a la reivindicación 1 caracterizada porque la fibra puede ser seleccionada entre fibra de vidrio, fibra de carbono, fibra de aramida o una combinación de las mismas; y representa entre el 50 y 90% de la composición en peso de la mezcla total.
4. La composición de acuerdo a la reivindicación 1 caracterizada porque la resina polimérica aglutinante de composición antiestática comprende una resina termoestable que representa entre el 5 y 30 % de la composición en peso de la mezcla total.
5. La composición de acuerdo a la reivindicación 4 caracterizada porque la resina termoestable se compone de una resina epóxica, compuesta de una resina tipo epoxi diane, de una resina tipo epoxi alifática, de una resina tipo epoxi alinina o de la combinación de cualquiera de las anteriores de acuerdo a la siguiente proporción: · Resina tipo epoxi diane (20 a 80%);
• Resina tipo epoxi alinina (20 a 80%) y; • Resina tipo epoxi alifática (20 a 40%).
6. La composición de acuerdo a la reivindicación 1 caracterizada porque el agente de curado comprende un grupo anhídrido alicíclico seleccionado entre un anhídrido metil tetrahidroftalico, un anhídrido tetra hidroftalico, un anhídrido metil nadico, un anhídrido hexahidroftalico, un anihidrido metil hexahidroftalico o un anhídrido isometil tetrahidroftalico, y representa entre el 1 y 20% de la composición en peso de la mezcla total.
7. La composición de acuerdo a la reivindicación 1 caracterizada porque el aglutinante retardante antiestático es una molécula tipo base de Mannich de formula IV:
Figure imgf000020_0001
En donde Ri es un radical compuesto por un grupo alcano de 1 a 20 átomos de carbono y/o por un átomo de hidrogeno. R2 es una alquilamina compuesta de 0 a 20 átomos de carbono.
8. La composición de acuerdo a la reivindicación 8 caracterizada porque el aglutinante retardante antiestático representa entre el 1 y 20% de la composición en peso de la mezcla total.
9. Un método de elaboración de elementos estructurales de construcción caracterizado porque incluye las siguientes etapas:
• Conducción y trenzado de los hilos de fibra de vidrio a través de un orificio; • Humectación a partir de la mezcla de componentes que incluye la selección de compuestos poliméricos, el agente de curado altamente compatible, y el aglutinante retardante antiestático;
• Secado del material sobrante;
· Corrugado característico del elemento estructural;
• Tratamiento térmico del material;
• Enfriamiento del material resultante, a partir de un baño refrigerante y;
• Corte.
10. El método de la reivindicación 9, caracterizado porque la conducción de los hilos se hace a través del orificio que se gradúa para dar paso a los hilos y así dar un calibre definitivo de la varilla.
11. El método de la reivindicación 9 caracterizado porque el secado se efectúa a partir de un medio de absorción.
12. El método déla reivindicación 9 caracterizado porque el corrugado se hace a través de una bobina, la cual realiza un movimiento circular alrededor del manojo de hilos de fibra de vidrio trenzados; cuya distancia de los anillos del corrugado se gradúa por medio de la regulación de la velocidad del movimiento circular de la bobina.
13. El método de la reivindicación 9 caracterizado porque el tratamiento térmico del material está dividido en al menos cuatro fases en las cuales el material entra en contacto con temperaturas de 200, 275, 350 y 400 °C.
14. El método de la reivindicación 9 caracterizado porque el enfriamiento del material resultante ocurre a temperaturas entre 10 y 20 °C.
15. El método de la reivindicación 9 caracterizado porque el corte se efectúa de acuerdo a la medida programada por un medidor de longitud a través de un elemento de corte preciso.
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