BRPI0619264A2 - mangueira de direção hidráulica termoplástico resistente à alta temperatura - Google Patents

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Jeffrey L Rader
Jimmy Hensley
Michael R Swails
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Abstract

MANGUEIRA DE DIREçAO HIDRAULICA TERMOPLASTICA RESISTENTE à ALTA TEMPERATURA A invenção se refere a uma mangueira compreendendo um tubo núcleo, uma camada de reforço envolvendo o tubo núcleo, e uma cobertura envolvendo a camada de reforço, em que pelo menos um entre tubo do núcleo e cobertura são feitos de um material termoplástico compreendendo um ou mais copolimeros termoplásticos em blocos de poliéter-poliéster, e o referido material termoplástico possui uma dureza Shore D de não menos que cerca de 60.

Description

"MANGUEIRA DE DIREÇÃO HIDRÁULICA TERMOPLÁSTICO RESISTENTE À ALTA TEMPERATURA"
Pedidos Relacionados
O presente pedido reivindica o beneficio do Pedido Provisório do U.S. No. 60/740.942 depositado em 30 de novem- bro de 2005, que está por meio desta incorporado aqui em sua totalidade.
Campo da Invenção
A presente invenção se refere amplamente a man- gueiras termoplásticas e particularmente mangueiras reforça- das termoplásticas para aplicações de alta temperatura, tal como uma mangueira de direção hidráulica.
Antecedentes da Invenção
As mangueiras reforçadas termoplásticas têm sido empregadas em uma variedade de aplicações de transferência de fluido. Tais mangueiras incluíram um núcleo tubular cir- cundado por um ou mais cursos de reforço de fibra natural ou sintética e/ou arame de aço. Os cursos de reforço, sucessi- vamente, são protegidos por uma bainha ou cobertura externa circundante que pode ser do mesmo ou material diferente como o tubo de núcleo. A cobertura pode também fornecer a man- gueira com resistência a abrasão aumentada. Ao mesmo tempo em que sendo fácil para formar, as mangueiras de reforço termoplásticas não foram adequadas para uso em altas tempe- raturas sob condições de desempenho elevadas para durações prolongadas de tempo. Isto é, mangueiras termoplásticas con- vencionais não foram consideradas para uso em temperaturas acima de 121,11°C e durante períodos prolongados de tempo na ordem de 1000 horas ou mais.
Os sistemas de direção hidráulica até agora usado, formaram mangueiras de conector flexível e tubulação de me- tal feitas de materiais de termocura (borracha) que podem suportar temperaturas operacionais elevadas de 148,88°C du- rante um período de tempo. As mangueiras de borracha, en- tretanto, são propensas as deteriorações com o passar do tempo e desse modo requerem substituição antes ou ao falhar.
As mangueiras de alto desempenho também foram fei- tas de outro material de termocura, porém tais mangueiras freqüentemente são caras, difíceis de formar e/ou muito du- ras e/ou rígidas.
Sumário da Invenção
A presente invenção fornece uma mangueira termo- plástica, e particularmente uma mangueira reforçada termo- plástica que tem resistência elevada à degradação por tempe- ratura bem como resistência química, e ainda é facilmente formável quando comparada a mangueiras de direção hidráulica da técnica anterior e outras mangueiras de alto desempenhos que são capazes de operar em altas temperaturas, tal como 148, 88°C ou mais elevado, e pelo menos acima de 121, 11°C ou 126,66°C, durante períodos prolongados de tempo, tal como 1000 horas ou mais tempo. Uma mangueira de acordo com a pre- sente invenção é caracterizada pelo uso de material compre- endendo um ou mais copolímeros de bloco de poliéter- poliéster termoplástico, isto é, copolímeros de bloco de segmentos duros e macios alternantes conectados por ligação de éster e éter, cujo material é caracterizado por uma dure- za de durômetro Shore D de pelo menos cerca de 60. Os graus diferentes de copolímeros (termoplásticos em bloco de polié- ter-poliéster) podem ser misturados para exibir uma combina- ção de propriedades de material individuais incluindo, porém não limitado a retenção de resistência à tração em alta tem- peratura, retenção de propriedades de alongamento e tração após exposição a alta temperatura durante longos períodos de tempo, flexibilidade e formabilidade.
Uma mangueira de acordo com a invenção pode ser uma mangueira de monocamada, ou uma mangueira de multicamada que pode ser não reforçada ou reforçada. Uma mangueira de multicamada pode incluir um tubo de núcleo e uma cobertura com ou sem reforço interposto entre ela.
A mangueira ou camada de mangueira pode ser feita de um único grau de copolímero (termoplástico em bloco de poliéter-poliéster) ou uma mistura de graus diferentes de copolímeros (termoplásticos em blocos de poliéter- poliéster) . Em particular, a mangueira ou camada de manguei- ra pode ser feita de uma mistura de um primeiro copolímero (termoplástico em bloco de poliéter-poliéster) caracteri- zado por uma dureza Shore D não menor do que cerca de 65 e um segundo copolímero (termoplástico em bloco de polié- ter-poliéster) caracterizado por uma dureza Shore D' me- nor do que o primeiro copolímero porém não menor do que cerca de 55, desse modo o material misturado re- sultante do qual a mangueira ou camada de mangueira é formada tem um valor de dureza Shore D entre os valores dos copolímeros constituintes. Ainda mais particularmen- te a mangueira ou camada de mangueira pode ser formada de uma mistura de cerca de 5% a cerca de 95% em peso do pri- meiro copolimero e 5% a cerca de 95% em peso do segundo co- polimero, ou de cerca de 25% a cerca de 75% em peso do pri- meiro copolimero e de cerca de 25% a cerca de 75% em peso do segundo copolimero, ou de cerca de 30% a cerca de 40% em pe- so do primeiro copolimero e de cerca de 60% a cerca de 70% em peso do segundo copolimero.
Uma mangueira de acordo com a invenção pode com- preender uma camada tubular interna e uma camada tubular ex- terna circundando o tubo de núcleo, onde pelo menos um den- tre o tubo de núcleo e cobertura é feito de material termo- plástico compreendendo um ou mais copolimeros (termoplásti- cos em blocos de poliéter-poliéster) , e o referido material termoplástico tem uma dureza Shore D não menor do que cerca de 60. 0 membro tubular interno pode ser feito do referido primeiro material termoplástico formulado para ter uma dure- za Shore D de não menos do que cerca de 65, e mais preferi- velmente não menos do que cerca de 70, e o membro tubular externo pode ser feito de um segundo material termoplástico compreendendo um ou mais copolimeros de bloco de poliéter- poliéster termoplásticos, o segundo material termoplástico do referido membro tubular externo tendo uma dureza Shore D menor do que a dureza Shore D do material termoplástico for- mando o membro tubular interno porém não menos do que cerca de 64.
Tanto a camada tubular interna, tal como um tubo de núcleo, quanto a camada tubular externa, tal como uma co- bertura, podem ser extrusadas, incluindo co-extrusada. Uma camada de reforço pode circundar o membro tu- bular interno, e a camada tubular externa pode circundar a camada de reforço. A camada de reforço pode incluir um ou mais filamentos helicoidalmente enrolados ao redor da camada tubular interna, o um ou mais filamentos preferivelmente sendo selecionados de um grupo compreendendo fibras de ná- lion, fibras de poliéster, fibras de aramida, fibras de ál- cool polivinilico, fibras de acetato de polivinila, fibras de poliolefina, fibras de bezobisoxazol de polifenileno, a- rame de metal, e combinações destes.
O material termoplástico do qual a camada interna e/ou externa é formado pode compreender de cerca de 1% a cerca de 5% de um estabilizador térmico.
Um ou mais copolimeros em bloco podem ter uma tem- peratura de fusão de pelo menos 200°C e uma temperatura de amolecimento Vicat de pelo menos 125°C. Mais preferivelmen- te, o membro tubular interno e/ou membro tubular externo po- dem ter uma temperatura de fusão de pelo menos 215°C e uma temperatura de amolecimento Vicat de pelo menos 140°C, e mais preferivelmente pelo menos 150°C, ou uma temperatura de fusão de pelo menos 200°C e uma temperatura de amolecimento Vicat de pelo menos 125°C.
Em uma modalidade preferida, os copolimeros são Arnitel® EM740 e Arnitel® EM630.
A invenção também fornece um método de formar uma mangueira extrusando-se uma ou mais camadas desta de um ma- terial termoplástico compreendendo um ou mais copolimeros (termoplásticos em blocos de poliéter-poliéster), com o material cia em vez de em qualquer sentido limitante.
Uma modalidade preferida de uma construção de man- gueira de compósito de acordo com a invenção tem aplicação particular como uma mangueira de direção hidráulica ou outra mangueira de alto desempenho capaz de operar em altas tempe- raturas, tal como cerca de 148, 88°C ou mais elevada, durante periodos prolongados de tempo, tal como cerca de 1000 horas ou mais tempo. Além disso, uma modalidade preferida da cons- trução de mangueira de compósito é capaz de operar a pres- sões elevadas, tal como cerca de 10,3 MPa ou mais elevada. Será apreciado, entretanto, que aspectos da presente inven- ção possam encontrar uso em outras construções de mangueira para uma variedade de aplicações hidráulicas em geral ou ou- tras aplicações de transferências de fluido. O uso dentro de tais outras aplicações conseqüentemente deveria ser conside- rado, estar expressamente dentro do escopo da presente in- venção.
Uma mangueira de acordo com a invenção pode ser uma mangueira de monocamada, ou uma mangueira de multicamada que pode ser não reforçada ou reforçada. Uma mangueira de multicamada pode incluir um tubo de núcleo e uma cobertura com ou sem reforço interposto entre ela.
Referindo-se agora a Figura 1, uma mangueira de multicamada exemplar de acordo com a presente invenção é ge- ralmente mostrada em 1. A mangueira 1 compreende uma camada interna tal como tubo de núcleo 2, uma camada de reforço 3 circundando o tubo de núcleo, e uma camada externa tal como cobertura 4 circundando a camada de reforço. Como descrito também abaixo, um adesivo 5 pode ser empregado entre o tubo de núcleo e camada de reforço e/ou um adesivo 6 pode ser em- pregado entre a camada de reforço e cobertura, respectiva- mente. A mangueira pode ter camadas adicionais sem desviar dos princípios gerais da invenção, tal como uma camada de revestimento interno do tubo de núcleo como pode ser deseja- do para algumas aplicações. A camada de revestimento pode ser formada, por exemplo, de uma poliamida tal como náilon.
A mangueira 1 pode ser fabricada a qualquer com- primento desejado empregando qualquer procedimento de forma- ção de mangueira adequado, particularmente onde o tubo de núcleo interno 2 é extrusado para formar um tubo sem costura contínuo, a camada de reforço 3 é formada por um ou mais fi- lamentos sendo helicoidalmente envolvidos ao redor do tubo interno 2, e a cobertura é extrusada sobre a camada de re- forço para formar uma cobertura sem costura contínua. A man- gueira pode ser formada em qualquer comprimento desejado, e a mangueira, particularmente para uso como uma mangueira de direção hidráulica, tipicamente terá um diâmetro interno de cerca de'0,63cm a cerca de 5,08cm, e um diâmetro externo de cerca de l,27cm a cerca de 5,08cm. A mangueira pode também ter uma densidade de parede total típica na faixa de cerca de 0,12cm a cerca de 0,50cm, com densidades de camada vari- ando, por exemplo, de 0,05cm a 0,50cm. As camadas termoplás- ticas podem ser extrusadas, incluindo co-extrusada, de uma maneira conhecida.
O tubo de núcleo 2 pode ser formado de um ou mais copolímeros (termoplásticos em blocos de poliéter-poliéster) , em particular TPE-E (ou COPE) consistindo em copolimeros em bloco de segmentos duros e macios alternantes conectados por ligação de éster e éter. Os polímeros de TPE-E e COPE, e também copolimeros de TPE-P, são elastômeros termoplásticos de alto desempenho que têm resistência excelente sobre uma ampla faixa de temperaturas, propriedades dinâmicas excelen- tes, por exemplo, deformação e fadiga, resistência de calor elevada, boa resistência às substâncias químicas, óleos e graxas, e estabilidade dimensional.
Os copolimeros em bloco de poliéster/poliéter pre- feridos são polímeros de tereftalato de poli(butileno)- bloco-óxido de poli(tetrametileno) tal como Arnitel® EM 740, vendido por DSM Engineering Plastic. Os polímeros Hytrel®, vendido por DuPont que atende às especificações físicas e químicas apresentadas aqui, podem também- ser empregado.
A cobertura e/ou núcleo feitos do referido materi- al termoplástico possuem retenção de tensão em alta tempera- tura e retenção de tensão e propriedades de alongamento após exposição a altas temperaturas durante períodos longos de tempo. As vantagens adicionais de uma modalidade preferida de mangueira de acordo com a invenção incluem formabilidade, propriedades de expansão desejadas, coloração, resistência à abrasão, comprimentos de mangueira longa, e entrançamento de mangueira nela mesma.
Preferivelmente, um ou mais copolimeros (termoplás- ticos em bloco de poliéter-poliéster) têm uma temperatura de fusão de pelo menos 200°C (ISO 11357-1/3) e uma temperatura de amolecimento Vicat de pelo menos 125°C (ISO 306). Em uma modalidade, o tubo de núcleo e cobertura podem ter uma tem- peratura de fusão de pelo menos 215°C e uma temperatura de amolecimento Vicat de pelo menos 140°C, ou pelo menos 150° C. Um ou mais copolimeros (termoplásticos em bloco de poli- éter-poliéster) preferivelmente também têm uma dureza Shore D maior do que 55, e desse modo o tubo de núcleo tem uma du- reza Shore D maior do que 55.
Em uma modalidade preferida, o tubo é feito de uma mistura de um primeiro copolimero (termoplástico em bloco de poliéter-poliéster) tendo uma dureza Shore D de não menos do que cerca de 65 e um segundo copolimero (termoplástico em bloco de poliéter-poliéster) tendo uma dureza Shore D menor do que o primeiro copolimero (termoplástico em bloco de po- liéter-poliéster) porém não menos do que cerca de 55. Mais preferivelmente, o tubo de núcleo é feito de uma mistura de um primeiro copolimero (termoplástico em bloco de poliéter- poliéster) tendo uma dureza Shore D de não menos do que cer- ca de 70 e um segundo copolimero (termoplástico em bloco de poliéter-poliéster) tendo uma dureza Shore D menor do que do primeiro copolimero (termoplástico em bloco de poliéter- poliéster) , porém não menos do que cerca de 60.
A mistura pode compreender de cerca de 30% a 80% em peso do primeiro copolimero (termoplástico em bloco de poliéter-poliéster) e de cerca de 10% a cerca de 50% em peso do segundo copolimero (termoplástico em bloco de poliéter- poliéster) . A mistura pode compreender de cerca de 20% a cerca de 40% em peso do primeiro copolimero (termoplástico em bloco de poliéter-poliéster) e de cerca de 55% a cerca de 75% em peso do segundo copolimero (termoplástico em bloco de poliéter-poliéster), ou vice-versa. A mistura pode compreen- der cerca de 32% ± 5% em peso do primeiro copolimero (termo- plástico em bloco de poliéter-poliéster) e cerca de 65% ± 5% em peso do segundo copolimero (termoplástico em bloco de po- liéter-poliéster), ou vice-versa.
A mistura pode também compreender de cerca de 1% a cerca de 5%, tal como 3%, em peso de um estabilizador térmi- co. A mistura pode também compreender outros aditivos inclu- indo corantes, aditivos de proteção UV, aditivos resistentes a hidrólise e retardantes de chama. Os estabilizadores de calor podem ser selecionados daqueles conhecidos por alguém versado na técnica, os exemplos incluindo estabilizadores térmicos disponibilizados por DSM Engineering Plastic para uso com Amitel® TPE, iodeto de cobre (1) ou estabilizadores orgânicos, N-isopropil-N'-difen-il-p-fenilenodiamina (IPPD) ou Ν,N1-difenil-p-fenilenodiamina (DPPD) .
Em uma mistura particular, o primeiro copolimero (termoplástico em bloco de poliéter-poliéster) pode ser Ar- nitel® EM740 (72 Shore D) e o segundo copolimero (termoplás- tico em bloco de poliéter-poliéster) pode ser Arnitel® EM630 (60 Shore D), ambos vendidos por DSM Engineering Plastic. As durezas destes materiais tipicamente variam em ± 3%. Certa- mente será apreciado que outros materiais possam ser empre- gados, tal como copolimeros em bloco Hytrel® TPE-E similares vendidos por DuPont, por exemplo Hytrel® 7246, e misturas destes, os quais reúnam as características apresentadas a- qui. A cobertura 4 pode ser formada de um diferente ou o mesmo copolímero em bloco ou copolímeros termoplásticos de poliéter-poliéster. A descrição acima de materiais úteis pa- ra formar o tubo de núcleo é igualmente aplicável à cobertu- ra.
A camada de reforço 3, como acima mencionado, pode incluir um ou mais filamentos helicoidalmente envolvidos ao redor do tubo de núcleo. Os filamentos podem ser seleciona- dos de um grupo que compreende fibras náilon, fibras de po- liéster, fibras de aramida, fibras de álcool polivinilico, fibras de acetato de polivinila, fibras de poliolefina, fi- bras de bezobisoxazol de polifenileno, arame de metal, e combinações destes.
Mais geralmente, a camada de reforço pode incluir duas ou mais camadas de reforço. Cada camada de reforço pode ser convencionalmente formada como trançado, tricotado, em- balado, ou, quando for mostrada, espiral, isto é, helicoi- dalmente, enrolada de, por exemplo, 1 a cerca de 60 extremi- dades de monofilamento, multi-filamento continuo, isto é, fio, filamento, corda, fibra, linha, fita, ou dobra, ou fi- lamentos de "fibra têxtil" curtos de um material de fibra. O material de fibra, que pode ser igual ou diferente nas cama- das, pode ser um material polimérico natural ou sintético tal como uma fibra de náilon, algodão, poliéster, poliamida, aramid, poliolefina, álcool polivinilico (PVA), acetato de polivinila, ou bezobisoxazol de polifenileno (PBO), ou mis- turas, um aço, que pode ser inoxidável ou galvanizado, la- tão, zinco ou placa de zinco, ou outro arame de metal, ou

Claims (13)

1. Mangueira, CARACTERIZADA pelo fato de compreender uma ou mais camadas tubulares, pelo menos uma camada sendo feita de um primeiro material termoplástico compreendendo um ou mais copolimeros termoplásticos em bloco de poliéter-poliéster, e o referido material termoplástico possui uma dureza Shore D de não menos que cerca de 60, onde o referido primeiro material termoplástico compreende uma mistura de um primeiro copolimero termoplástico em bloco de poliéter-poliéster possuindo uma dureza Shore D de não menos que cerca de 65 e um segundo copolimero termoplástico em bloco de poliéter-poliéster possuindo uma dureza Shore D menor que a do primeiro copolimero termoplástico em bloco de poliéter-poliéster , mas não menos do que cerca de 55.
2. Mangueira, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADA pelo fato do referido primeiro material termoplástico compreender uma mistura de um primeiro copolimero termoplástico em bloco de poliéter-poliéster possuindo uma dureza Shore D de não menos que cerca de 70 e um segundo copolimero termoplástico em bloco de poliéter- poliéster possuindo uma dureza Shore D menor que a do primeiro copolimero termoplástico em bloco de poliéter- poliéster, mas não menos do que cerca de 60.
3. Mangueira, de acordo com a reivindicação 1 ou -2, CARACTERIZADA pelo fato da mistura compreender de cerca de 5% a cerca de 95% em peso do primeiro copolimero e de cerca de 5% a cerca de 95% em peso do segundo copolimero; preferencialmente a mistura compreende de cerca de 25% a cerca de 75% em peso do primeiro copolimero e de cerca de 25% a cerca de 75% em peso do segundo copolimero; e ainda preferencialmente, a mistura compreende de cerca de 30% a cerca de 40% em peso do primeiro copolimero e de cerca de 60% a cerca de 70% em peso do segundo copolimero.
4. Mangueira, de acordo com qualquer reivindicação precedente, CARACTERIZADA pelo fato do primeiro copolimero ser Arnitel® EM740 e o segundo polímero ser Arnitel® EM630.
5. Mangueira, de acordo com qualquer reivindicação precedente, CARACTERIZADA pelo fato de que compreende uma camada tubular interna e uma camada tubular externa cercando a camada tubular interna, onde pelo menos uma entre a camada tubular interna e a camada tubular externa são feitas do referido material termoplástico.
6. Mangueira, de acordo com a reivindicação 8, CARACTERIZADA pelo fato de que o membro tubular interno é feito do referido material termoplástico formulado para ter uma dureza Shore D não menor que cerca de 65, e mais pref erivelmente não menor que cerca de 70; e/ou o membro tubular externo é feito de um segundo material termoplástico que compreende um ou mais copolímeros termoplásticos em blocos de polieter-poliéster, e o referido segundo material termoplástico do referido membro tubular externo tem uma dureza Shore D menor que a dureza Shore D do primeiro material termoplástico formando o membro tubular interior mas não menor que cerca de 64.
7. Mangueira, de acordo com a reivindicação 5 ou reivindicação 6, CARACTERIZADA pelo fato de que ambas as camadas tubulares interna e externa são extrusadas.
8. Mangueira, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5-7, CARACTERIZADA pelo fato de que adicionalmente compreende uma camada de reforço cercando o membro tubular interno, e onde o membro tubular externo cerca a camada de reforço; e a camada de reforço inclui um ou mais filamentos helicoidalmente enrolados ao redor da camada tubular interna, o um ou mais filamentos preferivelmente sendo selecionados a partir de um grupo compreendendo fibras de nylon, fibras de poliéster, fibras de aramida, fibras de álcool polivinilico, fibras de acetato polivinilico, fibras de poliolefinas, fibras de polifenileno bezobisoxazol, fios de metal e combinações destes.
9. Mangueira, de acordo com qualquer uma das reivindicações 5-8, CARACTERIZADA pelo fato de que a camada tubular externa tem uma superfície externa definindo uma superfície ultraperiférica da mangueira, e a camada tubular interna tem uma superfície interna definindo uma superfície intraperiférica da mangueira.
10. Mangueira, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADA pelo fato de que o primeiro material termoplástico compreende de cerca de 1% a cerca de 5% em peso do estabilizador de calor, e/ou o primeiro material termoplástico tem um ponto de fusão de pelo menos 200°C e um ponto de amolecimento Vicat de pelo menos 125°C.
11. Mangueira, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADA pelo fato de que o primeiro material termoplástico tem um ponto de fusão de pelo menos 215°C e uma temperatura de amolecimento Vicat de pelo menos 140°C, e mais preferivelmente de pelo menos 150°C.
12. Mangueira, de acordo com qualquer uma das reivindicações precedentes, CARACTERIZADA pelo fato de que é capaz de operar em uma temperatura de pelo menos 300°F por 1000 horas ou mais.
13. Método para fabricar uma mangueira, CARACTERIZADO pelo fato de compreender as etapas de extrusão do núcleo do tubo, aplicar uma camada de reforço ao redor do núcleo do tubo, e extrusão da cobertura ao redor da camada de reforço, onde pelo menos um entre o núcleo do tubo e a cobertura são feitos de um material termoplástico compreendendo um ou mais copolimeros termoplásticos em blocos de polieter-poliéster, e o referido material termoplástico tendo uma dureza Shore D não menor que cerca de 60.
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