BRPI0808075A2 - Método de processamento de um material compósito - Google Patents

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Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MÉTODO DE PROCESSAMENTO DE UM MATERIAL COMPÓSITO".
CAMPO DA INVENÇÃO
A presente invenção refere-se a um método e aparelho para processar um material compósito, e uma camada de carga e porosa para uso em um tal método. O método é particularmente adequado para modificar um material compósito de resina de epóxi, mas não é limitado a um tal material.
ANTECEDENTES DA INVENÇÃO Um problema com materiais compósitos de resina de epóxi é
que a resina pode ser muito quebradiça. Uma solução conhecida para esse problema é adicionar modificadores específicos na resina, tais como polissulfona (PSu) ou polietersulfona (PES).
Esses modificadores são convencionalmente adicionados na re15 sina na forma de um pó. Isso tende a produzir um aumento muito marcante na viscosidade da resina. Embora esse aumento de viscosidade possa ser benéfico se o material compósito for provido como uma parte préimpregnada (convencionalmente conhecida como um "prepreg"), torna-se difícil ou impossível transportar a resina para o material de reforço sob pres20 são do vácuo, como requerido por muitos processos de infusão da resina.
Um tal processo de infusão de resina é o assim chamado processo SCRIMP (processo de moldagem por infusão da resina de compósitos Seeman). Esse envolve o uso de um meio de distribuição de resina (RDM) que conduz a resina sobre e através de uma pré-forma de fibra seca monta25 da suportada em uma ferramenta de molde de lado único. Depois que o RDM foi usado, ele é descartado.
SUMÁRIO DA INVENÇÃO
Um primeiro aspecto da invenção proporciona um método de processamento de um material compósito, o método compreendendo aquecer uma camada porosa em contato com o material compósito acima do seu ponto de fusão por meio do que ela derrete e é incorporada no material compósito. Um segundo aspecto da invenção proporciona uma camada porosa termoplástica adequada para uso no método do primeiro aspecto da invenção.
A natureza porosa da camada possibilita que ela seja usada em 5 uma etapa de processamento prévia na qual os volumes intersticiais na camada porosa são evacuados, e a camada porosa transporta a matriz em um estado fluido ou age como uma camada respiradora. A camada porosa tipicamente modifica uma propriedade física do material compósito depois que ela foi incorporada. Por exemplo, a camada porosa pode modificar a dureza, 10 resistência de compressão e/ou módulo do material compósito.
A camada porosa pode ser incorporada completamente no material compósito ou pode ser incorporada somente parcialmente deixando parte da camada intacta. A camada porosa pode dissolver no material compósito para formar uma mistura homogênea ou pode dispersar no material compósito como uma fase separada.
Em certas modalidades da invenção, o método também compreende formar o material compósito por:
evacuar um material de reforço em contato com a camada porosa e
infundir o material de reforço evacuado com uma matriz em um
estado fluido, a matriz fluindo através da camada porosa e para dentro do material de reforço.
Nesse caso, a camada porosa executa funções duplas:
- ela age como uma camada de distribuição que transporta a matriz do fluido durante o processo de infusão (isto é, ela executa uma função similar ao RDM no processo SCRIMP) e
- ela modifica uma propriedade (por exemplo, dureza, resistência de compressão e/ou módulo) do material compósito depois que ela foi incorporada no material compósito.
O material de reforço pode ser evacuado entre um par de ferra
mentas de molde rígidas (por exemplo, como parte de um processo de moldagem por transferência de resina), mas mais preferivelmente o material de reforço é evacuado sob um saco de vácuo flexível.
Um terceiro aspecto da invenção proporciona uma carga para fabricar um material compósito, a carga compreendendo um material de reforço seco em contato com uma camada porosa termoplástica.
Em outras modalidades da invenção, o método também com
preende formar o material compósito depositando uma pilha de porções do material de reforço pré-impregnado (geralmente conhecido como "prepreg"). Nesse caso, nenhuma etapa de infusão é geralmente requerida. De preferência, o método também compreende evacuar o material compósito em 10 contato com a camada porosa, tipicamente sob um saco de vácuo flexível. Nesse caso, a camada porosa pode agir como uma camada "respiradora" durante a evacuação.
Um quarto aspecto da invenção proporciona uma carga para fabricar um material compósito, a carga compreendendo uma ou mais porções, cada porção compreendendo um material de reforço pré-impregnado com uma matriz, pelo menos uma das porções ficando em contato com uma camada porosa termoplástica.
O método tipicamente também compreende evacuar o material compósito ao mesmo tempo em que a camada porosa é incorporada no ma20 terial compósito. Nesse caso, o vácuo ajuda a incorporação da camada porosa no material compósito. O material compósito pode ser evacuado entre um par de ferramentas de molde rígidas, porém mais preferivelmente o material compósito é evacuado sob um saco de vácuo flexível.
Tipicamente o material compósito compreende uma fase de matriz termorrígida com uma temperatura de cura acima do ponto de fusão da camada porosa e o método também compreende curar a fase da matriz.
De preferência, o método também compreende resfriar o material compósito depois que a camada porosa foi incorporada, por meio do que o material incorporado solidifica em uma formação de partículas.
Tipicamente a camada porosa é formada de uma rede tridimen
sional de fibras: por exemplo, uma rede tecida ou entrelaçada.
Tipicamente, o material que forma a camada porosa compreende uma polissulfona ou polietersulfona.
A camada porosa pode compreender uma camada externa que contata uma superfície externa do material compósito ou uma camada interna que contata uma superfície interna do material compósito. Duas ou mais 5 camadas externas e/ou internas podem ser providas e, nesse caso, as camadas ficam preferivelmente em contato em um ou mais pontos de contato que podem estar fora do material compósito.
Um quarto aspecto da invenção proporciona aparelho para fabricar um material compósito, o aparelho compreendendo:
uma ferramenta de molde,
uma camada porosa termoplástica e
um saco de vácuo flexível para formar um envoltório vedado, o saco de vácuo tendo um orifício de vácuo para evacuar o envoltório vedado. BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS Modalidades da invenção serão agora descritas com referência
aos desenhos acompanhantes, nos quais:
a figura 1 é uma vista da seção transversal esquemática de um primeiro método de fabricação de um material compósito,
a figura 2 é uma vista da seção transversal esquemática de um segundo método de fabricação de um material compósito e
a figura 3 é uma vista da seção transversal esquemática de um terceiro método de fabricação de um material compósito, utilizando uma carga de "prepreg".
DESCRIÇÃO DETALHADA DA(S) MODALIDADE(S)
A figura 1 mostra uma primeira variação de um método de fabri
cação de um material compósito. Uma pré-forma 1 é depositada sobre uma ferramenta de molde de lado único 2. A pré-forma 1 compreende uma pilha de camadas de fibra de carbono seca, ou qualquer outro material de reforço adequado. Uma camada de distribuição de resina 3 é então depositada sobre a pré-forma 1.
A camada 3 é formada de um tecido entrelaçado ou tecido de fibras de monofilamento, as fibras sendo formadas de uma qualidade específica de polissulfona (PSu) funcionalmente reativa, polietersulfona (PES) ou qualquer outro material termoplástico adequado. Um exemplo de um polímero adequado é Radel A105P, disponível de Solvay Advanced Polymers. Tipicamente, o material é hidróxi, amina ou carbóxi funcionalizado.
As fibras são tipicamente de 0,1 a 0,2 mm de diâmetro, o peso
da camada é tipicamente da ordem de 120 gsm e a espessura da camada fica tipicamente na faixa de 1,6 mm a 1,8 mm.
Um tecido adequado é "N1031", disponível de Newbury Engineered Textiles Limited, de Newbury, Reino Unido.
O depósito é então concluído por uma película de libertação ou
porção de cobertura (não-mostrada).
Um saco de vácuo flexível 4 é então depositado sobre a película de libertação para formar um envoltório sobre o depósito. O envoltório é vedado contra a ferramenta de molde 4 por um elemento de vedação 5 que estende-se em volta do perímetro do depósito.
O saco de vácuo 4 tem um orifício de vácuo 7 conectado em um dispositivo de vácuo 6 através de uma armadilha de resina (não mostrada) e um orifício de infusão 10 para introduzir uma matriz de resina de epóxi 9 armazenada em um banho de resina 8 no envoltório.
A pré-forma é então infundida e curada pelas etapas seguintes:
1. O dispositivo de vácuo 6 é operado para evacuar parcialmente o envoltório vedado. Isso faz com que o saco de vácuo 4 pressione contra o depósito e comprima a pré-forma 1. Entretanto, a camada de distribuição da resina 3 (sendo formada de uma rede de fibras tridimensional relativa
mente rígida) pode suportar pelo menos 1 atmosfera de pressão, então é comprimida até uma menor extensão e retém a sua natureza porosa.
2. O depósito e a resina de epóxi 9 são aquecidos até uma temperatura de infusão de aproximadamente 50°C.
3. A pré-forma é infundida introduzindo a resina de epóxi 9 no envoltório evacuado. A resina flui através dos volumes intersticiais evacuados da estrutura porosa da camada de distribuição de resina 3 e umedece a pré-forma 1 por cima. Quando a parte frontal da resina alcança o orifício de vácuo 7, ela é liberada na armadilha de resina (não mostrada).
4. A infusão está completa quando a resina isenta de ar está sendo continuamente liberada no orifício de vácuo 7.
5. Depois que a infusão está completa, a camada de distribuição 5 de resina 3 é aquecida acima do seu ponto de fusão (tipicamente aproximadamente 150°C) por meio do que ela derrete e dissolve na pré-forma infundida da matriz. A pressão de vácuo é mantida durante essa etapa e o vácuo (auxiliado pelo calor) força o material dissolvido a ficar incorporado na parte. O material dissolvido será distribuído de maneira relativamente uniforme a
través da espessura da parte. Qualquer não-uniformidade é provável de resultar em uma concentração aumentada para a superfície superior da parte, o que pode ser benéfico se a dureza aumentada for requerida nessa superfície.
6. A temperatura é aumentada mais para aproximadamente
180°C, em cujo ponto a resina cura. O material dissolvido precipita para fora
da resina para formar uma formação de gotículas líquidas finas. Esse material é quimicamente resistente à resina na temperatura de cura.
7. O compósito é resfriado para baixo do ponto de fusão do PSu ou PES que é dissolvido na resina. Como um resultado, ele solidifica em
uma formação de partículas que aumentam a dureza da resina.
8. O vácuo é liberado e o saco de vácuo removido da parte do compósito curado.
9. A parte do compósito é lançada para fora da ferramenta do
molde 2.
No exemplo da figura 1, somente uma camada de distribuição
de resina única 3 é usada, que é depositada em contato com a superfície externa superior da pré-forma 1.
Em uma segunda variação mostrada na figura 2, o depósito é formado com duas camadas de distribuição de resina adicionais 3a, 3b. E
Iementos comuns são fornecidos com os mesmos numerais de referência como nas figuras 1 e 2.
A camada de distribuição de resina inferior 3a é, primeiro, depositada sobre a ferramenta do molde 4 e a metade inferior da pré-forma 1a é depositada no topo dela. Observe que a pré-forma 1a é mais grossa do que a pré-forma 1 na figura 1. Em comum com a camada superior 3, a camada inferior 3a contata uma superfície externa da pré-forma 1a. Além das cama5 das externas 3, 3a, uma camada de distribuição de resina interna 3b é embutida no interior da pré-forma 1a. Essa camada 3b é depositada quando a metade inferior da pré-forma foi depositada sobre a ferramenta do molde, a metade superior da pré-forma sendo depositada no topo da camada 3b.
Como pode ser visto na figura 2, as camadas 3, 3a, 3b são separadas pelo material de reforço, mas convergem para os pontos de contato
11 fora da pré-forma. Isso garante um vácuo consistente e uniforme para transportar a resina igualmente através das três camadas 3, 3a, 3b.
Em comparação com a figura 1, o maior número de camadas de distribuição de resina na disposição da figura 2 resulta em uma concentração mais alta do material dissolvido e distribuição mais uniforme através da espessura da pré-forma.
A terceira variação da figura 3 utiliza uma carga de compósito 1b formada de uma pilha de camadas de fita de "prepreg", em contraste com as cargas de pré-forma de fibra seca 1,1a utilizadas nas figuras 1 e 2. Elementos comuns são fornecidos com os mesmos numerais de referência como nas figuras 1 e 2.
Observe que o orifício de infusão e o banho de resina são omitidos na figura 3, embora o saco de vácuo 4 (e sistema de vácuo associado) seja incluído para consolidar a carga durante a cura. Em um depósito de 25 "prepreg" convencional, uma camada respiradora (por exemplo, pano Airweave®) é colocada entre o "prepreg" e o saco de vácuo para prover uma trajetória de fluxo de gás permitindo a remoção do ar e outros gases durante o processo de cura. Na variação da figura 3, a camada respiradora é substituída por uma camada 3c tendo características similares como a camada de 30 distribuição de resina 3 mostrada nas figuras 1 e 2; isto é, um tecido entrelaçado ou tecido de fibras de monofilamento, as fibras sendo formadas de uma qualidade específica de polissulfona (PSu) funcionalmente reativa, polietersulfona (PES) ou qualquer outro material termoplástico adequado.
A carga 1b é então curada pelas etapas seguintes:
1. O dispositivo de vácuo 6 é operado para evacuar o envoltório vedado. Isso faz com que o saco de vácuo 4 pressione contra o depósito e
comprima a carga 1b.
2. A camada 3c age como uma camada respiradora, permitindo que os gases fluam para fora do depósito através dos seus volumes intersticiais evacuados.
3. A camada 3c é aquecida acima do seu ponto de fusão (tipicamente aproximadamente 150°C) por meio do que ela derrete e dissolve na
carga do "prepreg". A pressão do vácuo auxiliada pelo calor força o material dissolvido a ficar incorporado na parte.
4. A temperatura é aumentada mais para aproximadamente 180°C, em cujo ponto a resina cura. O material dissolvido precipita para fora
da resina para formar uma formação de gotículas líquidas finas. Esse material é quimicamente resistente à resina até a temperatura de cura.
5. O compósito é resfriado para abaixo do ponto de fusão do PSu ou PES que é dissolvido na resina. Como um resultado, ele solidifica em uma formação de partículas que aumentam a dureza da resina.
6. O vácuo é liberado e o saco de vácuo removido da parte do
compósito curado.
7. A parte do compósito é lançada para fora da ferramenta do
molde 2.
Observe que o processo não envolve uma etapa de infusão: portanto, a camada 3c não executa a função de distribuição de resina das camadas equivalentes 3 nas figuras 1 e 2. Entretanto, a natureza porosa da camada 3c a torna um substituto adequado para uma camada respiradora convencional.
Embora a invenção tenha sido descrita acima com referência a uma ou mais modalidades preferidas, será verificado que várias mudanças ou modificações podem ser feitas sem se afastar do escopo da invenção como definido nas reivindicações anexas.

Claims (26)

1. Método de processamento de um material compósito, o método compreendendo aquecer uma camada porosa em contato com o material compósito acima do seu ponto de fusão, por meio do que ela derrete e é incorporada no material compósito.
2. Método de acordo com a reivindicação 1, também compreendendo formar o material compósito por: evacuar um material de reforço em contato com a camada porosa e infundir o material de reforço evacuado com uma matriz em um estado fluido, a matriz fluindo através da camada porosa e para dentro do material de reforço.
3. Método de acordo com a reivindicação 2, em que o material de reforço e a camada porosa são evacuados sob um saco de vácuo flexível.
4. Método de acordo com a reivindicação 1, também compreendendo formar o material compósito depositando uma pilha de porções de material de reforço pré-impregnado.
5. Método de acordo com qualquer reivindicação precedente, também compreendendo evacuar o material compósito em contato com a camada porosa.
6. Método de acordo com a reivindicação 5, em que o material compósito e a camada porosa são evacuados sob um saco de vácuo flexível.
7. Método de acordo com qualquer reivindicação precedente, também compreendendo evacuar o material compósito ao mesmo tempo em que a camada porosa é incorporada no material compósito.
8. Método de acordo com qualquer reivindicação precedente, em que o material compósito compreende uma fase de matriz termorrígida com uma temperatura de cura acima do ponto de fusão da camada porosa e em que o método também compreende curar a fase de matriz.
9. Método de acordo com qualquer reivindicação precedente, também compreendendo resfriar o material compósito depois que a camada porosa derreteu, por meio disso o material disperso solidifica em uma formação de partículas que aumentam a dureza do material compósito.
10. Método de acordo com qualquer reivindicação precedente, em que a camada porosa é formada a partir de uma rede de fibras tridimensional.
11. Método de acordo com qualquer reivindicação precedente, em que o material que forma a camada porosa compreende uma polissulfona ou polietersulfona.
12. Método de acordo com qualquer reivindicação precedente, em que a camada porosa compreende uma camada externa que contata uma superfície externa do material compósito.
13. Método de acordo com qualquer reivindicação precedente, em que a camada porosa compreende uma camada interna que contata uma superfície interna do material compósito.
14. Método de acordo com qualquer reivindicação precedente, compreendendo aquecer duas ou mais camadas porosas separadas em contato com o material compósito acima do seu ponto de fusão por meio do que elas derretem e são incorporadas no material compósito.
15. Método de acordo com a reivindicação 14, em que as duas ou mais camadas porosas são separadas dentro do material compósito e convergem para um ou mais pontos de contato fora do material compósito.
16. Método de acordo com qualquer reivindicação precedente, também compreendendo evacuar os volumes intersticiais na camada porosa.
17. Material compósito fabricado pelo método como definido em qualquer reivindicação precedente, o material compreendendo uma polissulfona ou polietersulfona.
18. Camada porosa termoplástica adequada para uso no método como definido em qualquer reivindicação 1 a 16, em que o material que forma a camada compreende uma polissulfona ou polietersulfona.
19. Camada de acordo com a reivindicação 18, formada a partir de uma rede de fibras tridimensional.
20. Camada de acordo com a reivindicação 19, em que a rede é uma rede tecida ou entrelaçada.
21. Carga para fabricar um material compósito, a carga compreendendo um material de reforço seco em contato com duas ou mais camadas porosas termoplásticas, em que as duas ou mais camadas porosas termoplásticas ficam em contato uma com a outra em um ou mais pontos de contato.
22. Carga para fabricar um material compósito, a carga compreendendo: uma ou mais porções, cada porção compreendendo um material de reforço pré-impregnado com uma matriz; e duas ou mais camadas porosas termoplásticas que ficam em contato uma com a outra em um ou mais pontos de contato, cada camada porosa termoplástica ficando em contato com pelo menos uma das porções.
23. Carga de acordo com a reivindicação 21 ou 22, em que uma das camadas porosas termoplásticas compreende uma camada externa da carga.
24. Carga de acordo com a reivindicação 21 ou 22, em que uma das camadas porosas termoplásticas compreende uma camada interna da carga.
25. Carga de qualquer uma das reivindicações 21 a 24, em que as duas ou mais camadas porosas termoplásticas são separadas dentro da carga e convergem para o(s) ponto(s) de contato fora da carga.
26. Aparelho para fabricar um material compósito, o aparelho compreendendo: uma ferramenta de molde, uma camada porosa termoplástica compreendendo uma polissulfona ou polietersulfona e um saco de vácuo flexível para formar um envoltório vedado, o saco de vácuo tendo um orifício de vácuo para evacuar o envoltório vedado.
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