ES2297873T3

ES2297873T3 - Material de nucleo para sistemas de molde cerrado.

Info

Publication number: ES2297873T3
Application number: ES98204292T
Authority: ES
Inventors: Marinus Jacob Franciscus Cox; Dirk Albertus Bovenschen; Pieter Anjema
Original assignee: Lantor BV
Current assignee: Lantor BV
Priority date: 1998-12-16
Filing date: 1998-12-16
Publication date: 2008-05-01
Anticipated expiration: 2018-12-16
Also published as: US6607997B1; ATE385525T1; DE69839091D1; DE69839091T2; CA2292375C; EP1010793A1; CA2292375A1; EP1010793B1

Abstract

Material de núcleo adecuado para su utilización en sistemas de molde cerrado basado, como mínimo, en un elemento laminar de fibras conteniendo una estructura esponjosa que comprende celdas esponjosas de las que por lo menos una parte son celdas cerradas dentro del elemento laminar, comprendiendo dicha estructura esponjosa un material esponjoso aglomerante mecánicamente estable o microesferas y teniendo dicho material de núcleo características de adaptabilidad y una resistencia a la compresión superior a 90% a 1 bar de presión, y permeabilidad para la resina superior a 5 x 10 -9 m 2 , de manera que el volumen libre del elemento laminar es menor de 60% de volumen.

Description

Material de núcleo para sistemas de molde cerrado.

La presente invención se refiere a un material de núcleo para su utilización en la producción de materiales plásticos reforzados con fibras, más particularmente adecuados para su aplicación en sistemas de molde cerrado.

Los plásticos reforzados con elementos laminares fibrosos son utilizados frecuentemente para la fabricación de artículos conformados tales como piezas de automóvil o piezas industriales, por ejemplo depósitos, bañeras, señales para carreteras, paneles de recubrimiento, embarcaciones, caravanas, etc.

Los elementos laminares fibrosos, tales como telas de fibras naturales, fibra de vidrio, fibras metálicas, fibras cerámicas o fibras sintéticas, tales como fibras acrílicas, de polietileno, poliéster, poliamida (aramida), carbón o polipropileno, son adecuados como refuerzo para todo tipo de plásticos sintéticos curados tales como resina de poliéster o resina epoxi. De modo general la incorporación de un elemento laminar fibroso en un material de resina tiene como resultado una mayor resistencia, rigidez, vida frente a la fatiga, tenacidad frente a la fractura, resistencia medioambiental, mayor estabilidad frente a la temperatura, peso reducido y menores costes de fabricación de dicho material de resina.

La utilización de materiales de núcleo en plásticos reforzados con fibra ha sido conocida durante décadas. Su objetivo es, por una parte, disminuir la cantidad de resina necesaria, resultando ello en ahorros de costes y peso y por otra parte, mejorar algunas características mecánicas del material, más en particular la rigidez al doblado.

Un tipo bien conocido de material de núcleo es el Coremat de la solicitante, basado en géneros no tejidos impregnados con microesferas.

La solicitud de Patente USA nº 3.676.288 da a conocer la aplicación o incorporación de microesferas no expandidas en elementos laminares fibrosos mediante un aglomerante, por ejemplo un látex de poliacrilonitrilo. Al secarse el aglomerante y ser este reticulado, las esferas son fijadas al elemento laminar fibroso y expandidas.

La solicitud de Patente Europea nº 0 190 788 está dirigida a la utilización de un elemento laminar fibroso, por ejemplo, de fibra de vidrio, que incorpora microesferas, para la fabricación de objetos ajustados con este tipo de elemento laminar fibroso. De acuerdo con la invención de dicha solicitud de Patente, las microesferas están contenidas principalmente dentro del elemento laminar y dispuestas en un modelo en el que áreas del elemento laminar, que contienen microesferas, están separadas entre si por áreas que no contienen virtualmente microesferas.

En la producción de materiales plásticos reforzados con fibras se conocen dos métodos destacados, uno basado en la impregnación manual de los materiales de fibras (colocación manual; rociado) y otro basado en la utilización de moldes cerrados. En este último que es un sistema automatizado, el material de refuerzo de fibras es colocado en un molde que es cerrado y posteriormente es llenado con resina. Una importante ventaja de estos sistemas de molde cerrado consiste, entre otras, en la capacidad de reproducción de las características del producto (mejores tolerancias) en consideraciones ambientales, en características superficiales mejoradas y en características mecánicas mejoradas. También es posible aplicar fracciones volumétricas de fibras más elevadas.

La utilización de los materiales de núcleo que se han descrito en sistemas de molde cerrado no se ha extendido debido a las dificultades en conciliar las diferentes exigencias a cumplir por el material de núcleo para su utilización en los mismos.

Estas características son entre otras:

-: buena resistencia a la compresión,

-: flujo rápido de la resida a través del material de núcleo en todas las direcciones,

-: baja absorción de la resina,

-: retrocción reducida (es decir, compensación de la retracción de la resina), y

-: buena caída (es decir, baja rigidez al doblado).

En particular, las dos primeras exigencias son muy difíciles de conciliar. Se comprenderá que la estructura abierta necesaria para obtener un buen flujo de la resina en el plano del material de núcleo, tenderá a tener lugar a expensas de la resistencia a la compresión. Además, una baja absorción de resina, que se puede obtener por un gran volumen de parte esponjosa en el elemento laminar, será incompatible con un flujo satisfactorio de la resina.

Asimismo las características de caída no son fácilmente compatibles con la resistencia a la compresión y la baja absorción de resina.

De acuerdo con ello, los inventores se han aplicado a la tarea de conciliar como mínimo alguna de estas exigencias proporcionando de esta manera un material de núcleo adecuado para su utilización en sistemas de molde cerrado.

La invención se basa en lo indicado, que los inventores han descubierto que al equilibrar cuidadosamente las características de los diferentes componentes, fibras, aglomerante, estructura esponjosa y otros, se obtiene un equilibrio óptimo entre las características contrapuestas. La invención es dirigida por lo tanto a un material de núcleo adecuado para su utilización en sistemas de moldes cerrados, basado como mínimo en un elemento laminar fibroso que contiene una estructura esponjosa dentro del elemento laminar, teniendo dicho material de núcleo una resistencia a la compresión de más de 90%, preferentemente más de 95% a una presión de 1 bar y una permeabilidad con respecto a la resina de más de 5 x 10^{-9} m^{2}. En materiales de núcleo que contienen canales abiertos, la permeabilidad (k) es definida de acuerdo con la ley de Darcy para flujo permanente como q = \frac{k \ . \ A}{\eta} \cdot \frac{\Delta p}{\Delta x}, en la que q es el flujo de la resina en m^{3}/s, A es la superficie total en sección transversal a través del que la resina fluye en m^{2}, \eta es la viscosidad de la resina en Ns/m^{2}, \Deltap es el diferencial de presión en N/m^{2} y \Deltax es la distancia sobre la que existe la diferencia de presión y fluye la resina, en metros. La permeabilidad se define en el plano del material que no es perpendicular al material, pero que es paralelo a su superficie superior e inferior.

El elemento laminar fibroso que contiene la estructura esponjosa tiene el volumen libre menor de 60% del volumen. A este respecto el volumen libre se comprende que significa el volumen del material al cual puede acceder la resina. El resto del volumen será una estructura esponjosa de celdas cerradas (y algunas fibras). La estructura esponjosa de celdas cerradas puede ser preparada a partir de una espuma aglomerante mecánicamente estable impresa en el elemento laminar o a partir de microesferas (opcionalmente expansibles) que son introducidas en el elemento laminar utilizando un material aglomerante opcionalmente esponjoso. Dependiendo del enfoque escogido, se utilizarán diferentes métodos de producción.

Un elemento laminar preferente comprende como mínimo 20% en peso de fibras, hasta 80% en peso de material aglomerante, conteniendo también de manera opcional microesferas expansibles, teniendo una temperatura de activación mínima de 120ºC, de manera que el volumen libre del elemento laminar es como máximo 60% en volumen. El elemento laminar puede ser unido mecánica, física o químicamente.

El material de núcleo tiene una rigidez al doblado que permite su doblado fácil alrededor de esquinas con un radio menor de 10 mm. Esto prevé por lo tanto que el material pueda ser colocado de forma adecuada en el molde, posibilitando por lo tanto la producción de productos de formas suaves.

El material de núcleo objeto de la presente invención puede ser preparado utilizando técnicas conocidas para fabricación de los materiales de núcleo anteriormente conocidos para la fabricación manual de materiales plásticos reforzados con fibras.

Tal como se ha indicado en lo anterior la fabricación depende por lo menos parcialmente de la realización escogida. Haciendo referencia en primer lugar al sistema sin microesferas, el material de núcleo puede ser fabricado disponiendo un género no tejido adecuado, preparado a partir de fibras útiles tales como fibras de vidrio, fibras de poliéster, fibras bicomponentes de poliéster-polietileno y combinaciones de las mismas. También se pueden utilizar sustratos tales como géneros tejidos, tricotados y materiales esponjosos de plástico. El material, poseyendo el debido grosor, es dotado de una estructura esponjosa preferentemente por serigrafía de un material esponjoso mecánicamente estable, transformándolo en un material no tejido. Esta técnica se describe, entre otros documentos, en la solicitud de Patente Europea nº 184.596. El material esponjoso mecánicamente estable puede ser preparado por esponjado de un material aglomerante en solución o por dispersión en un disolvente adecuado tal como agua. La cantidad de aglomerante en el material esponjoso debe ser tal que se mantenga la estructura esponjosa durante la serigrafía y secado, resultando en la presencia de una estructura esponjosa en el material no tejido, como mínimo con una parte de las celdas esponjosas en forma de celdas cerradas. De esta manera se puede preparar un material de núcleo de acuerdo con la presente invención.

En un método alternativo, el género no tejido puede ser dotado de impresión con un aglomerante esponjoso o sin esponjar, conteniendo también microesferas expandidas tales como microesferas de material polímero, de vidrio o cerámica. Por selección cuidadosa del tipo y cantidad de aglomerante se puede producir el tipo y cantidad de microesferas y se pueden conseguir las características requeridas del material de núcleo no tejido (grosor, rigidez de fibras y similares), con las características ventajosas requeridas. El material esponjoso en si mismo puede ser también mecánicamente estable.

En el caso de utilización de microesferas expandibles es preferible utilizar el proceso siguiente. En primer lugar se prepara una dispersión de microesferas expandibles en un material aglomerante, cuya dispersión puede ser opcionalmente esponjada. La temperatura inicial de expansión de las microesferas es preferentemente inferior a la temperatura de curado del material aglomerante. A continuación el género no tejido, con un grosor menor que el grosor final requerido, es sometido a serigrafiado con la dispersión. Después de ello, el material es secado y calentado a la temperatura de expansión de las microesferas. Con la expansión la temperatura se eleva adicionalmente, con el resultado de que el material aglomerante efectúa su curado y estabiliza las microesferas en el elemento laminar. De esta manera se puede preparar un material de núcleo según la invención.

La temperatura inicial de expansión de las microesferas se encuentra preferentemente entre 120 y 190ºC. La temperatura de curado del aglomerante se encontrará preferentemente por encima de 170ºC.

De acuerdo con un método muy conveniente, el género no tejido se basará en una combinación de fibras de poliéster y fibras bicomponente de polietileno-poliéster (u otras fibras o materiales en polvo con baja temperatura de fusión). Estos tipos de elementos laminares han sido térmicamente unidos por las fibras bicomponente. Por calentamiento del elemento laminar a la temperatura de extensión inicial de las microesferas, que se encuentran por encima del punto de fusión del aglomerante de polietileno, el elemento laminar queda libre y se expansionará fácilmente. Después de la expansión y curado, el material final tiene nuevamente sus características de unión satisfactorias, resultando en la combinación ventajosa de características de la invención. Al mismo tiempo, el material laminar es muy fácil de manipular en las etapas iniciales del proceso gracias a la unión térmica.

El elemento laminar fibroso a utilizar de acuerdo con la invención será habitualmente un material no tejido, que puede ser reforzado, basado en fibras convencionales. La fabricación de materiales no tejidos adecuados ha sido descrita, por ejemplo, por Dr. H. Jörder, Textilien auf Vliesbasis (D.V.R. Fachbuch, P. Kepper Verlag). También es posible utilizar una combinación de un elemento laminar fibroso no tejido con una tela de refuerzo, uno dentro de otro o uno encima del otro.

Las fibras del elemento laminar son seleccionadas preferentemente a partir del grupo de las fibras naturales, fibras de vidrio, fibras de metales, fibras cerámicas o fibras sintéticas tales como acrílicas, de polietileno, polipropileno, poliéster, poliamida (aramida), carbono o polipropileno y combinaciones de dichas fibras. De acuerdo con una realización más preferente las fibras son seleccionadas entre el grupo de las fibras de vidrio, fibras de poliéster, fibras bicomponentes de poliéster-polietileno y combinaciones de las mismas.

Las microesferas que pueden ser dispuestas en un elemento laminar fibroso, de acuerdo con la invención, consisten preferentemente en un material de resina sintética termoplástico sólido a temperatura ambiente. Se incluyen entre las resinas adecuadas el poliestireno, copolímeros de estireno, cloruro de polivinilo, copolímeros de cloruro de vinilo, copolímeros de cloruro de vinilideno y otros.

En las microesferas se ha incorporado un agente hinchante. La presencia de este agente hinchante es responsable de la expansión de las microesferas cuando se efectúa el curado de un elemento laminar fibroso que comprende las microesferas. Por lo tanto, las microesferas son prensadas dentro del elemento laminar fibroso en forma no expandida, por ejemplo por medio de una pasta, tal como una pasta esponjosa. El agente hinchante puede ser un agente hinchante químico o físico tal como azodicarbonamida, isobutano, freon y otros.

Las microesferas tienen ventajosamente un diámetro de 4-20 \mum en estado sin expansionar y un diámetro preferentemente de 10-100 \mum en estado expandido. Después de expansión de las microesferas, la cantidad de las mismas en el elemento laminar es en general de 10 a 60% en volumen. Esta cantidad depende de la cantidad de microesferas utilizadas y el grado de expansión de las mismas.

De acuerdo con una realización, las microesferas son distribuidas de forma homogénea en la totalidad del elemento laminar fibroso. De acuerdo con esta realización las microesferas pueden quedar dispuestas en el elemento laminar por técnicas de impregnación.

En otra realización, que es preferente con vistas a la accesibilidad para la resina (características de flujo de la resina), las microesferas son dispuestas principalmente dentro del elemento laminar y dispuestas en una forma tal que áreas del elemento laminar que contienen microesferas están separadas entre si por áreas que pueden no contener virtualmente microesferas. En un elemento laminar fibroso de acuerdo con la presente realización las microesferas pueden estar dispuestas a efectos de constituir un dibujo de "islas" que están separadas entre si por áreas (canales) que no contienen microesferas, sino solamente fibras. Preferentemente las microesferas están dispuestas en forma de un dibujo regular.

Son aglomerantes adecuados a este respecto, por ejemplo un polímero de alquil acrilato de cadena corta, goma de estireno-butadieno, polímero de acrilonitrilo, poliuretano, resinas de epoxi, cloruro de polivinilo, cloruro de polivinilideno y copolímeros de cloruro de vinilideno con otros monómeros, acetato de polivinilo, acetato de polivinilo parcialmente hidrolizado, alcohol polivinílico, polivinil pirrolidona, resinas de poliéster y otros. Opcionalmente estos aglomerantes pueden ser dotados de grupos ácidos, por ejemplo, por carboxilación de los aglomerantes. Un agente carboxilante adecuado es, por ejemplo, el anhídrido maleico. Además el aglomerante, un compuesto de tipo pasta, contiene opcionalmente agua, tensoactivos, estabilizantes esponjosos, cargas y/o espesantes tal como se ha descrito en el documento EP-A-0 190 788.

Desde luego, la invención comprende también un método para la fabricación de un artículo conformado en el que un elemento laminar fibroso del tipo que se ha descrito en lo anterior, es impregnado con una resina líquida y un endurecedor para la misma.

Son resinas líquidas adecuadas para la impregnación de un elemento laminar fibroso de acuerdo con la invención los materiales plásticos sintéticos que pueden ser aplicados en forma líquida y curados. Son ejemplos las resinas de poliéster, resinas fenólicas, resinas de melamina formaldehído y resinas epoxi. Dadas las especificaciones de un artículo conformado a fabricar, los técnicos en la materia serán capaces de seleccionar de manera adecuada una resina apropiada.

Son endurecedores adecuados para su utilización en un método según la invención cualesquiera endurecedores que pueden ser utilizados para el curado de la resina líquida escogida. Estos sistemas son conocidos por los técnicos en la materia. Corresponde a los conocimientos habituales de los técnicos en la materia, la capacidad de combinar resina y endurecedor a efectos de conseguir los resultados óptimos.

La presente invención se explicará a continuación mediante un ejemplo no restrictivo.

Ejemplo

Se preparó una combinación de fibras no tejidas basado en una capa central de fibras de vidrio y capas superiores no tejidas de fibras bicomponente poliéster/PES-PE.

Se preparó una mezcla de aglomerante acuoso consistiendo aproximadamente en 45 kilos de dispersión de acrilato, aproximadamente 1 kg Solvitose y unos 2 kg de microesferas expandibles (todos los pesos basados en materia seca; contenido de sólidos secos de 53,6%).

La mezcla aglomerante fue aplicada en una distribución hexagonal a las fibras situadas por encima utilizando impresión por rotograbado.

Después de secar las fibras aproximadamente a 100ºC, se expansionaron hasta un grosor de 3 mm y se efectuó el curado a una temperatura de unos 180ºC.

El material resultante muestra una porosidad muy buena en combinación con elevada resistencia a la compresión. La resistencia a la comprensión era de 95% a una presión de 1 bar, y la permeabilidad para la resina era de 1 x
10^{-8} m^{2}.

Claims

1. Material de núcleo adecuado para su utilización en sistemas de molde cerrado basado, como mínimo, en un elemento laminar de fibras conteniendo una estructura esponjosa que comprende celdas esponjosas de las que por lo menos una parte son celdas cerradas dentro del elemento laminar, comprendiendo dicha estructura esponjosa un material esponjoso aglomerante mecánicamente estable o microesferas y teniendo dicho material de núcleo características de adaptabilidad y una resistencia a la compresión superior a 90% a 1 bar de presión, y permeabilidad para la resina superior a 5 x 10^{-9} m^{2}, de manera que el volumen libre del elemento laminar es menor de 60% de volumen.

2. Material de núcleo, según la reivindicación 1, en el que el elemento laminar fibroso contiene microesferas, preferentemente microesferas de vidrio, cerámica o de material termoplástico.

3. Material de núcleo, según la reivindicación 2, en el que el las microesferas están dispuestas principalmente dentro del elemento laminar o sobre el mismo y dispuestas según el dibujo en el que áreas del elemento laminar que contienen microesferas están separadas entre si por áreas que no contienen virtualmente microesferas.

4. Material de núcleo, según las reivindicaciones 1-3, en el que el elemento laminar contiene una estructura esponjosa basada en una composición aglomerante esponjada mecánicamente estable.

5. Material de núcleo, según las reivindicaciones 1-4, que tiene una capacidad de adaptación que permite su curvado fácil alrededor de una arista con un radio menor de 10 mm.

6. Material de núcleo, según las reivindicaciones 1-5, que comprende como mínimo 30% en peso de fibras, hasta 70% en peso de material aglomerante, conteniendo también opcionalmente microesferas expandibles, con una temperatura de activación mínima de 120ºC, de manera que el volumen libre del elemento laminar es como máximo 60% en volumen.

7. Material de núcleo, según la reivindicación 6, en el que se encuentran presentes en el elemento laminar microesferas termoplásticas expandidas, poseyendo dichas microesferas una temperatura de expansión inicial inferior a la temperatura de curado del aglomerante.

8. Material de núcleo, según las reivindicaciones 1-7, en el que las fibras del elemento laminar son seleccionadas del grupo de elementos laminares fibrosos tales como elementos laminares de fibras naturales, fibra de vidrio, fibras metálicas, fibras cerámicas o fibras sintéticas, tales como fibras acrílicas, de polietileno, polipropileno, poliéster, poliamida (aramida), carbono o polipropileno y combinaciones de las mismas, preferentemente del grupo de las fibras de vidrio, fibras de poliéster, fibras bicomponente poliéster-polietileno y combinaciones de las mismas.

9. Material de núcleo, según la reivindicación 8, en el que el elemento laminar fibroso se basa en una combinación de fibras de poliéster y fibras bicomponentes de poliéster-polietileno.

10. Laminado que comprende por lo menos un material de núcleo, según las reivindicaciones 1-9, con la aplicación de capas de una o varias láminas de fibras.

11. Procedimiento para la preparación de un artículo conformado, cuyo procedimiento comprende la colocación de un material de núcleo, según las reivindicaciones 1-9, opcionalmente en combinación con una o varias láminas de material no tejido, en un molde cerrado, introduciendo una resina líquida en el molde y efectuando el curado de la resina para producir el artículo.

12. Procedimiento, según la reivindicación 11, en el que la resina es una resina de poliéster, una resina epoxi, una resina de poliuretano, una resina de melamina formaldehído o una resina de fenol.

13. Procedimiento para la fabricación de un material de núcleo, según la reivindicación 1, cuyo procedimiento comprende la introducción de un material esponjado o generador de masa esponjosa en un elemento laminar fibroso utilizando como mínimo un material aglomerante y efectuando el curado de una masa esponjosa en el elemento laminar por curado del material aglomerante.

14. Procedimiento, según la reivindicación 13, en el que se introducen microesferas expandibles en un elemento laminar fibroso utilizando un material aglomerante, seguido de la expansión de las microesferas y curado del aglomerante.

15. Procedimiento, según la reivindicación 14, en el que las microesferas empiezan a expandirse a una temperatura por debajo de la temperatura de curado del material aglomerante.

16. Procedimiento, según la reivindicación 14 ó 15, utilizando un elemento laminar fibroso basado en fibras bicomponentes de poliéster-polietileno unidas térmicamente o fibras con un punto de fusión por debajo de 80ºC, introduciendo las microesferas expandibles y el material aglomerante en el elemento laminar, calentando el material laminar a una temperatura superior al punto de fusión del polietileno, rompiendo de esta manera por lo menos parcialmente el sellado del elemento laminar, seguido de la expansión de las microesferas, curado del material aglomerante y solidificación de la estructura de masa esponjosa.

17. Artículo conformado que se puede obtener por un método, según las reivindicaciones 11 ó 12.