ES2874150T3 - Material compuesto reforzado con fibra discontinua - Google Patents
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Abstract
Un material compuesto reforzado con fibra discontinua que comprende un agregado de fibras de refuerzo discontinuas de fibras de refuerzo discontinuas que tienen una longitud de fibra promedio en número de 3 a 100 mm y una resina de matriz, incluyendo el agregado de fibra de refuerzo discontinua una pluralidad de haces de fibras de refuerzo discontinuas (1, 21, 22, 23, 36) que tienen un número predeterminado de hilos individuales agrupados unidireccionalmente de la fibra de refuerzo discontinua, en donde cada uno de los haces de fibras de refuerzo discontinuas tiene una superficie de corte inclinada en un ángulo predeterminado con respecto a una dirección de orientación de los hilos individuales y los haces de fibras de refuerzo discontinuas tienen diferentes longitudes de haces de fibras, caracterizado por que cuanto más corta sea la longitud del haz de fibras discontinuas, que se define como una distancia entre ambos extremos a lo largo de la dirección de orientación de los hilos individuales es, menor es el ángulo de la punta definido como un ángulo agudo en un extremo de una proyección plana bidimensional del haz de fibras de refuerzo discontinuas.
Description
DESCRIPCIÓN
Material compuesto reforzado con fibra discontinua
Campo técnico de la invención
La presente invención se refiere a un material compuesto reforzado con fibra que contiene al menos una fibra de refuerzo discontinua y una resina matriz, y se refiere específicamente a un material compuesto reforzado con fibra discontinua que es excelente en uniformidad y características mecánicas porque la fibra de refuerzo discontinua tiene una forma de haz de fibra específica y diferentes longitudes de haz de fibra y que pueden lograr alta fluidez y características mecánicas al mismo tiempo para producir productos conformados.
Antecedentes de la invención
Un material compuesto reforzado con fibra que comprende resina de matriz y fibras de refuerzo se ha utilizado para producir diversos productos conformados en diversos campos cada vez más año tras año debido a sus elevadas propiedades mecánicas.
Un material compuesto que comprende fibras de carbono que tienen específicamente un rendimiento excelente entre las fibras de refuerzo generalmente se puede formar mediante un método de moldeo en autoclave en el que se laminan materiales de base intermedios semiendurecidos denominados "preimpregnados" hechos impregnando fibras de carbono continuas con resina de matriz para calentar y presurizar con recipiente de alta temperatura y alta presión para endurecer la resina de matriz de un material compuesto reforzado con fibra continua. Recientemente, con el fin de mejorar la eficiencia de la producción, se ha empleado el método RTM (Moldeo por Transferencia de Resina) en el que el material de base de fibra continua preformado en una forma de miembro con antelación se impregna con resina de matriz para curado. Los materiales compuestos de fibra de carbono proporcionados por estos métodos de moldeado tienen excelentes propiedades mecánicas derivadas de las fibras continuas. La fibra continua que tiene un diseño regular y una pequeña variación de propiedades mecánicas puede diseñarse de modo que tenga las propiedades mecánicas necesarias colocando el material de base. Sin embargo, una forma complicada que tiene una forma tridimensional o similar no puede formarse fácilmente con fibras continuas mientras que un miembro de forma plana puede formarse fácilmente.
Las formas complicadas, tales como las formas tridimensionales, se pueden formar con un SMC (Compuesto de Moldeo de Láminas) o una lámina estampable. El producto con forma de SMC se puede preparar calentando y presurizando un material de base en forma de lámina semiendurecido (SMC) mediante el uso de una máquina de prensado del tipo de calentamiento, en donde el material de base en forma de lámina se fabrica impregnando las hebras cortadas hechas cortando hebras de fibra de carbono en 25 mm de longitud de fibra con resina de matriz termoendurecible. El producto en forma de lámina estampable se puede preparar enfriando y presurizando un material de base en forma de lámina (lámina estampable) en un molde a una temperatura predeterminada después de calentar el material de base en forma de lámina usando un calentador de infrarrojos o similar por encima del punto de fusión de la resina termoplástica, en donde el material de base en forma de lámina se fabrica impregnando hebras cortadas cortadas en aproximadamente 25 mm o una estera de tela no tejida o similar con resina termoplástica.
En muchos casos, el SMC y la lámina estampable cortado a un tamaño menor que el de la forma del producto antes de la presurización se colocan en un molde y se estiran (como en un flujo) en forma de producto conformado mediante presurización para realizar el moldeado. Por tanto puede seguir una forma complicada, tal como formas tridimensionales mediante el flujo. Sin embargo, la estera de tela no tejida o la hebra cortada pueden tener una distribución desigual y una orientación desigual en el proceso de hacer una lámina de SMC o una lámina estampable para disminuir o variar la propiedad mecánica. La distribución desigual y la orientación desigual pueden causar marcas de hundimiento, deformación o similar, específicamente para un miembro delgado.
Para reducir los defectos del material descrito anteriormente, por ejemplo, el documento de patente 1 desvela un haz de fibras cortadas y su material de moldeado que tiene una sección en la que el número de fibras de refuerzo aumenta en la dirección de orientación de las fibras de refuerzo hacia el centro del haz de fibras cortadas desde los puntos de partida en ambos extremos de las fibras de refuerzo en el dirección de orientación, aunque no se han realizado suficientes estudios sobre el cambio arbitrario del ángulo de corte de acuerdo con la longitud del haz de fibras de refuerzo.
Documentos de la técnica anterior
Documentos de patente
Documento de patente 1: WO08/149615
Sumario de la invención
Problemas que ha de resolver la invención
Por consiguiente, podría ser útil proporcionar un material compuesto reforzado con fibra que pueda lograr características tanto de alta fluidez como mecánicas durante el moldeado a un nivel más alto que el que podría lograrse con un material compuesto reforzado con fibra convencional que comprenda fibra de refuerzo y resina de matriz de modo que sea excelente uniformidad del material compuesto reforzado con fibra, se logran una excelente fluidez de moldeado por flujo y excelentes características mecánicas.
Medios para resolver los problemas
Para resolver los problemas descritos anteriormente, el material compuesto reforzado con fibra discontinua de la presente es el siguiente.
[1] Un material compuesto reforzado con fibras discontinuas que comprende un agregado de fibras de refuerzo discontinuas de una fibra de refuerzo discontinua que tiene una longitud de fibra promedio en número de 3 a 100 mm y una resina de matriz, incluyendo el agregado de fibra de refuerzo discontinua una pluralidad de haces de fibras de refuerzo discontinuas que tienen un número predeterminado de hilos individuales agrupados unidireccionalmente de la fibra de refuerzo discontinua, en donde el haz de fibras de refuerzo discontinuas tiene una superficie de corte inclinada en un ángulo predeterminado con respecto a una dirección de orientación del hilo individual del haz de fibras de refuerzo discontinuas y tiene diferentes longitudes de haz de fibras definidas como una distancia entre ambos extremos a lo largo de la dirección de orientación del hilo individual del haz de fibras de refuerzo discontinuas, caracterizado por que cuanto más corta es la longitud del haz de fibras del haz de fibras de refuerzo discontinuas, menor es el ángulo de la punta definido como un ángulo agudo en un extremo de una proyección plana bidimensional del haz de fibras de refuerzo discontinuas.
Preferiblemente, la invención se configura como sigue.
[2] El material compuesto reforzado con fibra discontinua de acuerdo con [1], en donde un ángulo agudo promedio en número (A) y un ángulo agudo promedio en número (B) satisfacen las siguientes fórmulas (1) y (2), en donde el ángulo agudo promedio en número (A) se define como un promedio en número del ángulo de la punta de cada haz de fibras de refuerzo discontinuas incluido en el haz de fibras de refuerzo (1) que comprende un haz de fibras de refuerzo discontinuas que tiene una longitud de haz de fibras discontinuas de más de una longitud de haz de fibras discontinuas promedio en número (L) de una longitud de haz de fibras en número del haz de fibras de refuerzo discontinuas incluido en la agregación del haz de fibras discontinuas y en donde el ángulo agudo promedio en número (B) se define como un promedio en número del ángulo de la punta de cada haz de fibras de refuerzo discontinuas incluido en el haz de fibras de refuerzo (2) que comprende un haz de fibras de refuerzo discontinuas que tiene una longitud de haz de fibras discontinuas de una longitud de haz de fibras discontinuas promedio en número (L) o menos.
Fórmula (1): Ángulo agudo promedio en número (A) > ángulo agudo promedio en número (B) x 1,3
Fórmula (2): Ángulo agudo promedio en número (B) <60°
[3] El material compuesto reforzado con fibras discontinuas de acuerdo con [1] o [2], en donde la longitud de haz de fibras promedio en número (L) es de 3 mm o más y menos de 100 mm.
[4] El material compuesto reforzado con fibras discontinuas de acuerdo con uno cualquiera de [1] a [3], en donde el haz de fibras de refuerzo (2) tiene un ángulo agudo promedio en número (B) de 5° a 45°.
[5] El material compuesto reforzado con fibras discontinuas de acuerdo con uno cualquiera de [1] a [4], en donde el haz de fibras de refuerzo (2) tiene una longitud de haz de fibras promedio en número (L2) de 3 mm o más y menos de 30 mm.
Efecto según la invención
La presente invención puede proporcionar un material compuesto reforzado con fibra discontinua capaz de lograr una excelente fluidez durante el moldeado y altas características mecánicas del producto conformado al mismo tiempo, especialmente excelente en pequeñas variaciones de características mecánicas y formativa incluso para formas complicadas.
Breve explicación de los dibujos
[Fig. 1] La figura 1 muestra un ejemplo de una vista de proyección plana bidimensional de nuestro haz de fibras de refuerzo discontinuas, donde (A) muestra una posición para medir la longitud de haz de un haz de fibras de refuerzo discontinuas y ángulos agudos 01 y 02 como ángulos de la punta, mientras que (B) muestra una posición para medir una anchura del haz de fibras de refuerzo discontinuas.
[Fig. 2] La figura 2 muestra un ejemplo de nuestro haz de fibras de refuerzo discontinuas.
[Fig. 3] La figura 3 muestra un ejemplo de dispositivo para cortar y esparcir una fibra de refuerzo discontinua. [Fig. 4] La figura 4 muestra un ejemplo de medios de separación que se colocan en una hebra de fibra que se extiende para preparar un haz de fibras parcialmente separadas, donde (a) es una vista en planta esquemática mientras que (b) es una vista lateral esquemática.
Realizaciones para llevar a cabo la invención
En primer lugar, se explicará la presente invención y sus ejemplos deseables.
El material compuesto reforzado con fibra discontinua de la invención comprende un agregado de fibra de refuerzo discontinua de una fibra de refuerzo discontinua que tiene una longitud de fibra promedio en número de 3 a 100 mm y una resina de matriz, incluyendo el agregado de fibra de refuerzo discontinua una pluralidad de haces de fibras de refuerzo discontinuas que tienen un número predeterminado de hilos individuales agrupados unidireccionalmente de la fibra de refuerzo discontinua, en donde el haz de fibras de refuerzo discontinuas se corta en un ángulo predeterminado con respecto a una dirección de orientación del hilo individual del haz de fibras de refuerzo discontinuas y tiene diferentes longitudes de haz de fibras definidas como una distancia más larga entre ambos extremos a lo largo de la dirección de orientación del hilo individual del haz de fibras de refuerzo discontinua, caracterizado por que cuanto más corta es la longitud del haz de fibras del haz de fibras de refuerzo discontinuas, menor es el ángulo de la punta definido como un ángulo agudo en un extremo de una proyección plana bidimensional del haz de fibras de refuerzo discontinuas.
Aunque el material compuesto reforzado con fibra discontinua de la invención puede tener una fluidez disminuida cuando las fibras de refuerzo se colocan en la resina de matriz durante el moldeado, la disminución de la fluidez puede suprimirse aumentando el contenido de formación de haces de fibras que consta de hilos individuales en la fibra de refuerzo discontinua para lograr una buena fluidez. Sin embargo, una forma de lengüeta de la proyección plana bidimensional del haz de fibras de refuerzo discontinuas tiende a tener defectos estructurales y características mecánicas deficientes como origen de la fractura alrededor de las partes extremas del haz de fibras o la parte superpuesta donde los haces de fibras se superponen en el material compuesto reforzado con fibras. Cuanto más larga sea la longitud de la fibra de refuerzo discontinua, mayores se vuelven las características mecánicas, aunque la fluidez podría ser deficiente debido a un mayor entrelazado entre las fibras. Por el contrario, cuanto más corta sea la longitud de la fibra de refuerzo discontinua, mayor será la fluidez en el material compuesto reforzado con fibra, aunque las características mecánicas podrían ser malas. Concretamente, la estructura del material compuesto reforzado con fibras discontinuas se puede optimizar mediante un buen equilibrio entre la fluidez y las características mecánicas desde un punto de vista general de que una optimización de la fluidez no siempre corresponde a una optimización de las características mecánicas.
Para desarrollar una fluidez y características mecánicas, es preferible que un solo hilo que constituye el haz de fibras de refuerzo discontinuas incluido en el material compuesto reforzado con fibras discontinuas esté hecho de una fibra de refuerzo discontinua que tenga una longitud de fibra promedio en número de 3 a 100 mm. Es, preferentemente, de 3 mm o más y menos de 50 mm y, más preferiblemente, es de 3 mm o más y menos de 25 mm. La longitud de fibra promedio en número de menos de 3 mm podría conducir a un deterioro de la resistencia del material compuesto reforzado con fibra, mientras que la longitud de fibra promedio en número de más de 100 mm podría aumentar el número de puntos de contacto entre fibras de refuerzo para deteriorar la fluidez.
Para desarrollar una excelente fluidez, es preferible que el agregado de fibras de refuerzo discontinuas incluya una pluralidad de haces de fibras de refuerzo discontinuas, que consiste, preferiblemente, en una pluralidad de hilos individuales de fibra de refuerzo discontinua. La formación de haces de fibras del agregado discontinuo de fibras de refuerzo puede suprimir el aumento de los puntos de entrelazado entre las fibras.
Es preferible que el haz de fibras de refuerzo discontinuas se corte en un ángulo predeterminado con respecto a una dirección de orientación del hilo individual. También es preferible que los haces de fibras de refuerzo discontinuas incluidos en el agregado de fibras de refuerzo discontinuas tengan una longitud de haz de fibras discontinuas diferente entre sí. Cada longitud de haz diferente del haz de fibras de refuerzo discontinuas incluido en el agregado de fibras de refuerzo discontinuas facilita que los haces de fibras de refuerzo discontinuas se llenen densamente para suprimir la generación de defectos estructurales.
Es preferible que cuanto más corta sea la longitud del haz de fibras del haz de fibras de refuerzo discontinuas, menor es el ángulo de la punta definido como un ángulo agudo en un extremo de una proyección plana bidimensional del haz de fibras de refuerzo discontinuas. La relación entre la longitud más corta del haz de fibras del haz de fibras de refuerzo discontinuas y el ángulo de punta más pequeño puede asegurar una cierta longitud del haz para desarrollar altas características mecánicas, mientras que los hilos individuales que constituyen el haz de fibras discontinuas que tienen una longitud más corta que la longitud del haz pueden hacer que la fluidez sea excelente. Además, es preferible que un ángulo agudo promedio en número (A) y un ángulo agudo promedio en número (B) satisfagan las siguientes fórmulas (1) y (2), en donde el ángulo agudo promedio en número (A) se define como un
promedio en número del ángulo de la punta de cada haz de fibras de refuerzo discontinuas incluido en el haz de fibras de refuerzo (1) que comprende un haz de fibras de refuerzo discontinuas que tiene una longitud de haz de fibras discontinuas de más de una longitud de haz de fibras discontinuas promedio en número (L) de una longitud de haz de fibras en número del haz de fibras de refuerzo discontinuas incluido en la agregación de haz de fibras discontinuas y en donde el ángulo agudo promedio en número (B) se define como un promedio en número del ángulo de la punta de cada haz de fibras de refuerzo discontinuas incluido en el haz de fibras de refuerzo (2) que comprende un haz de fibras que tiene una longitud de haz de fibras discontinuas de una longitud de haz de fibras discontinuas promedio en número (L) o menos.
Fórmula (1): Ángulo agudo promedio en número (A) > ángulo agudo promedio en número (B) x 1,3
Fórmula (2): Ángulo agudo promedio en número (B) <60°
Aunque los hilos individuales que constituyen el haz tienen longitudes de fibra cortas, el ángulo pequeño de la punta del haz de fibras de refuerzo (2) menor que la longitud (L) del haz de fibras discontinuas promedio en número puede asegurar una cierta longitud del haz para desarrollar altas características mecánicas mientras que el ángulo grande de la punta del haz de fibras de refuerzo (1) de la longitud (L) del haz de fibras discontinuas promedio en número o más facilita el llenado de los haces de fibras discontinuas densamente, de modo que se consiguen al mismo tiempo fluidez y características mecánicas. Es más preferible satisfacer la fórmula de "el ángulo agudo promedio en número (A) > el ángulo agudo promedio en número (B) x 1,5". Además, es preferible satisfacer la fórmula de "el ángulo agudo promedio en número (A) > ángulo agudo promedio en número (B) x 1,7". Los ángulos agudos promedio en número (B) de más de 60 °C puede tener dificultades para llenar densamente los haces de fibras discontinuas, así como el deterioro de la resistencia en el material compuesto reforzado con fibras.
Es preferible que el haz de fibras discontinuas tenga una longitud (L) de haz de fibras promedio en número de 3 mm o más y menos de 100 mm y una anchura de haz de fibras de 0,2 mm o más. La longitud del haz de fibras de menos de 3 mm podría tener un deterioro de la resistencia del material compuesto reforzado con fibras. La longitud del haz de fibras de más de 100 mm podría tener la dificultad de llenar densamente los haces de fibras discontinuas para deteriorar la resistencia y la fluidez aumentando los puntos de entrelazado entre los haces de fibras discontinuas. Para lograr con seguridad características tanto mecánicas como de alta fluidez, es preferible que el haz de fibras de refuerzo (2) tenga un ángulo agudo promedio en número (B) de 5° a 45°. El ángulo de corte de menos de 5° podría causar una mala trabajabilidad de corte.
El agregado de fibras de refuerzo discontinuas puede incluir fibras de refuerzo discontinuas abiertas incluso a un nivel de hilo individual que se ha generado cuando se prepara la lámina de fibras de refuerzo discontinuas.
Para asegurar una alta fluidez y características mecánicas, es preferible que el haz de fibras de refuerzo (2) tenga una longitud (L2) de haz de fibras promedio en número de 3 mm o más y menos de 50 mm. La longitud (L2) de haz de fibras promedio en número de menos de 3 mm podría tener una longitud de haz corta de haz de fibras de refuerzo (2) y un deterioro de la resistencia en el material compuesto reforzado con fibra. La longitud (L2) de haz de fibras promedio en número de más de 50 mm podría tener un deterioro de la fluidez al aumentar los puntos de entrelazado entre los haces de fibras discontinuas.
La fibra de refuerzo no está limitada en particular y puede ser fibra de carbono, fibra de vidrio, fibra de aramida, fibra de alúmina, fibra de carburo de silicio, fibra de boro, fibra de metal, fibra natural, fibra mineral o mezcla de las mismas.
Para lograr altas características mecánicas, se prefiere que la fibra de refuerzo sea una fibra de carbono. La fibra de carbono no está limitada en particular y puede ser una fibra de carbono que tenga alta resistencia y alto módulo elástico, o una mezcla de los mismos. La fibra de carbono puede estar basada en poliacrilonitrilo (PAN), resina, rayón o similar. Desde el punto de vista del equilibrio entre la resistencia y el módulo elástico en el producto conformado, es preferible emplear una fibra de carbono a base de poliacrilonitrilo (PAN). Es preferible que la fibra de carbono tenga una densidad de 1,65 a 1,95 g/cm3, preferentemente de 1,7 a 1,85 g/cm3. La fibra de carbono que tiene demasiada densidad podría tener un rendimiento ligero deficiente mientras que la fibra de carbono que tiene muy poca densidad puede tener características mecánicas bajas en el material compuesto de fibra de carbono. Desde el punto de vista de la productividad, es preferible que la fibra de carbono forme una hebra de fibra de carbono formada por hilos individuales convergentes, y también es preferible que la fibra de carbono incluya muchos hilos individuales en la hebra de fibra de carbono. Es posible que la hebra de fibra de carbono incluya entre 1.000 y 100.000 piezas de hilos individuales. Es preferible que la hebra de fibra de carbono incluya de 10.000 a 70.000 piezas de hilos individuales. La hebra de fibra de carbono puede separarse con una cortadora de separación de hebras o similar en una hebra de fibra de carbono separada que tenga un número de hebra deseable y la hebra de fibra de carbono separada puede cortarse en una longitud predeterminada según sea necesario. Es preferible una hebra separada de este tipo que tenga un número de hebras deseable debido a sus excelentes características mecánicas y uniformidad mejorada en el material compuesto de fibra de carbono en comparación con una hebra sin
tratar.
Es particularmente preferible emplear un haz de fibras parcialmente separado capaz de cortarse de forma continua y estable.
Dicho haz de fibras parcialmente separado significa un haz de fibras que tiene formaciones alternas de una sección separada que incluye haces separados y una sección no separada a lo largo de una dirección longitudinal de hebra de fibra que consiste en hilos individuales. El haz de fibras parcialmente separado puede incluir una parte entrelazada en la que el hilo individual se entrelaza en un terminal de la sección separada. También puede incluir una parte entrelazada acumulada.
Se hará referencia a la figura 4 mediante la siguiente explicación. La figura 4 muestra un ejemplo de medios de separación que se colocan en una hebra de fibra que se extiende para preparar un haz de fibras parcialmente separado, donde (a) es una vista en planta esquemática mientras que (b) es una vista lateral esquemática. En la figura, la dirección A de recorrido de la hebra de fibra (flecha) indica una dirección longitudinal de la hebra 100 de fibra, mostrando que la hebra 100 de fibra se alimenta desde un equipo alimentador de hebras de fibra de forma continua, lo que no se ilustra.
Los medios 200 de separación de fibras provistos de una proyección 210 que tiene una forma sobresaliente para facilitar su colocación en la hebra 100 de fibra se colocan en la hebra 100 de fibra en recorrido para proporcionar la parte 150 de procesamiento de separación de fibras aproximadamente en paralelo con la dirección longitudinal de la hebra 100 de fibra. Es preferible que el medio 200 de separación de fibras se coloque en el lado de la hebra de fibra 100. Dicho lado de la hebra de fibra significa una cara horizontal (correspondiente a la cara lateral de la hebra 100 de fibra mostrada en la figura 4, por ejemplo), suponiendo que la sección transversal de la hebra de fibra tiene una forma aplanada tal como una elipse aplanada y un rectángulo orientado al paisaje. Cada medio 200 de separación de fibras puede estar provisto de uno o más salientes 210. Cuando el medio 200 de separación de fibras está provisto de una pluralidad de salientes 210, la frecuencia de intercambio de la proyección 210 se puede reducir debido a la reducción de la frecuencia de abrasión. Es posible que se utilicen una pluralidad de medios 200 de separación de fibras al mismo tiempo según el número de hebras de fibras a separar. Los salientes 210 se pueden colocar disponiendo arbitrariamente los medios 200 de separación de fibras con una configuración de cambio de fase paralelo, alternativa, o similar.
Cuando la hebra 100 de fibra que consiste en hilos individuales se separa mediante un medio 200 de separación de fibras en un haz de fibras separadas menos entrelazadas, incluyendo la hebra 100 de fibra sustancialmente muchos hilos individuales entrelazados sin estar orientados pueden formar una parte 160 entrelazada donde los hilos individuales se entrelazan alrededor de la parte 211 de contacto durante el proceso de separación de las fibras. Dicha parte 160 entrelazada puede formarse transfiriendo a la parte 211 de contacto una parte entrelazada entre hilos individuales que existen preliminarmente en la sección separada, o preparando un agregado en el que los hilos individuales se entrelazan mediante medios 200 de separación de fibras.
Después de haber generado la parte 150 de procesamiento de separación de fibras en un intervalo arbitrario, el medio 200 de separación de fibras se retira d la hebra 100 de fibra. La sección separada 110 que ha sido sometida a un proceso de separación de fibras se genera quitándola mientras se genera la parte 120 entrelazada acumulada que acumula la parte 160 entrelazada. Además, la pelusa que se ha desprendido de los haces de fibras durante un proceso de separación de fibras genera una pelusa 140 a la deriva cerca de la parte 120 entrelazada acumulada durante el proceso de separación de fibras.
Después de eso, el medio 200 de separación de fibras se colocan de nuevo en la hebra 100 de fibras para generar la sección 130 no separada.
El haz de fibras parcialmente separado se puede utilizar como la hebra de fibra de carbono separada, de modo que el material compuesto de fibra de carbono es excelente en productividad continua así como en características mecánicas al tiempo que mejora la uniformidad en comparación con la hebra sin tratar.
Es preferible que la hebra de fibra de carbono se someta a un procesamiento superficial con el fin de mejorar la adhesión a la resina de matriz. El procesamiento de la superficie puede ser un procesamiento electrolítico, procesamiento de ozonización, procesamiento ultravioleta o similar. Es posible añadir un agente de encolado con el fin de evitar que la hebra de fibra de carbono se esponje, mejorando la convergencia de la hebra de fibra de carbono o mejorando la adhesión a la resina matriz. El agente de encolado no está limitado en particular, y puede ser un compuesto que tenga un grupo funcional tal como un grupo epoxi, grupo uretano, grupo amino y grupo carboxilo. Se pueden añadir juntos uno o más tipos del compuesto.
Dicho agente de encolado puede estar contenido en un líquido de encolado, que se une a una hebra después de secar una hebra de fibra de carbono húmeda que tiene una humedad del 20 al 80 % a través del proceso de procesamiento y lavado de la superficie.
El agente de encolado se puede unir a la hebra mediante cualquier método, tal como inmersión de un rodillo en el agente de encolado, poner en contacto un rodillo húmedo con el líquido de encolado y rociar el líquido de encolado. Desde puntos de vista de variabilidad reducida y buena productividad, es preferible que el proceso de fijación, que puede ser un proceso por lotes o un proceso continuo, en un proceso continuo. Es preferible controlar la concentración del líquido de encolado, la temperatura, la tensión del hilo o similar de modo que la cantidad del ingrediente activo del agente de encolado se adhiera a la hebra de fibra de carbono uniformemente en un intervalo adecuado. Es preferible que la hebra de fibra de carbono sea vibrada por ondas ultrasónicas en el momento de añadir el agente de encolado.
La temperatura de secado y el tiempo de secado se pueden ajustar de acuerdo con la cantidad de deposición del compuesto. Desde el punto de vista de la eliminación completa del disolvente utilizado para unir el agente de encolado, el tiempo de secado reducido, la prevención del deterioro térmico del agente de encolado y la prevención del endurecimiento de la hebra de fibra de carbono para deteriorar la dispersión de los haces, es preferible que la temperatura de secado sea de 150 °C a 350 °C, y, preferiblemente, de 180 °C a 250 °C.
Es preferible que el agente de encolado se adhiera a la hebra de fibra de carbono en una proporción del 0,01 % en masa al 10 % en masa, donde el denominador es la masa de la hebra de fibra de carbono únicamente. Es preferible que la velocidad sea del 0,05 % en masa al 5 % en masa, preferiblemente del 0,1 % en masa al 5 % en masa. La velocidad de menos del 0,01 % en masa podría no lograr una mejora suficiente en la adhesión. La velocidad de más del 10 % en masa podría deteriorar las propiedades físicas del producto conformado.
El material compuesto reforzado con fibra contiene una resina matriz que comprende una resina termoplástica o/y una resina termoendurecible. La resina termoplástica no está limitada en particular y puede seleccionarse en la medida en que las características mecánicas del producto conformado no se deterioren sustancialmente. La resina termoplástica puede ser una resina a base de poliolefina tal como resina de polietileno y resina de polipropileno, una resina a base de poliamida tal como la resina de nailon 6 y la resina de nailon 6,6, una resina a base de poliéster, tal como resina de tereftalato de polietileno, resina de tereftalato de polibutileno, resina de polisulfuro de fenileno, resina de poliétercetona, resina de poliétersulfona, resina de poliamida aromática o similares. Por encima de todo, es preferible emplear cualquiera de resina de poliamida, resina de polipropileno y resina de sulfuro de polifenileno.
La resina termoendurecible no está limitada en particular y puede seleccionarse en la medida en que las características mecánicas del producto conformado no se deterioren sustancialmente. La resina termoendurecible puede ser resina epoxi, resina de poliéster insaturado, resina de éster vinílico, resina fenólica, resina de acrilato epoxi, resina de acrilato de uretano, resina fenoxi, resina alquídica, resina de uretano, resina de maleimida, resina de cianato o similares. Por encima de todo, es preferible emplear resina epoxi, resina de poliéster insaturado, resina de éster vinílico, resina fenólica o mezclas de las mismas. Es preferible que las resinas termoendurecibles que constituyen la mezcla tengan compatibilidad o alta afinidad entre sí.
Es preferible que la resina termoendurecible tenga una viscosidad de 100 a 100.000 mPas a temperatura normal (25 °C), aunque no se limita en particular.
La resina de matriz puede ser una resina termoplástica y/o resina termoendurecible que contenga un aditivo según sea necesario en la medida en que se logre el propósito de la presente invención. El aditivo puede ser un relleno tal como mica, talco, caolín, hidrotalcita, sericita, bentonita, xonotlita, sepiolita, esmectita, montmorillonita, wollastonita, sílice, carbonato de calcio, perla de vidrio, escamas de vidrio, microglobo de vidrio, arcilla, disulfuro de molibdeno, óxido de titanio, óxido de cinc, oxidato de antimonio, polifosfato de calcio, grafito, sulfato de bario, sulfato de magnesio, borato de cinc, borato de calcio, bigote de borato de aluminio, bigote de titanato de potasio y compuesto polimérico, un agente que imparte conductividad a base de metal, óxido metálico, negro de humo o polvo de grafito o similares, un retardante de llama a base de halógeno, tal como resina bromada, un retardante de llama a base de antimonio, tal como trióxido de antimonio y pentóxido de antimonio, un retardante de llama a base de fosfato, tal como polifosfato de amonio, fosfato aromático y fósforo rojo, un retardante de llama a base de una sal metálica de ácido orgánico, tal como una sal metálica de ácido bórico orgánico, sal metálica de ácido carboxílico y sal metálica de imida de sulfona aromática, un retardante de llama inorgánico, tal como borato de cinc, cinc, óxido de zinc y compuesto de circonio, un retardante de llama a base de nitrógeno, tal como ácido cianúrico, ácido isocianúrico, melamina, cianurato de melamina, fosfato de melamina y guanidina de nitrógeno, un retardante de llama a base de flúor, tal como PTFE, un retardante de llama a base de silicona, tal como poliorganosiloxano, un retardante de llama a base de hidróxido metálico tal como hidróxido de aluminio e hidróxido de magnesio o similares, un retardante de llama auxiliar, tal como óxido de cadmio, óxido de cinc, hidróxido cuproso, hidróxido cúprico, hidróxido ferroso, hidróxido férrico, óxido de cobalto, óxido de manganeso, óxido de molibdeno, óxido de estaño y óxido de titanio, pigmento, colorante, lubricante, agente desmoldeante, compatibilizador, dispersante, un agente nucleante, tal como mica, talco y caolina, un plastificante, tal como éster fosfato, un estabilizante térmico, un antioxidante, un agente de protección del color, un agente de absorción ultravioleta, un agente mejorador de la fluidez, un agente espumante, un agente antimicrobiano, un agente de bola de masa, un desodorante, agente mejorador de la deslizabilidad, un agente antiestático, tal como poliéter éster amida o similares.
La resina termoendurecible, tal como una resina de matriz, puede contener un aditivo tal como la resina termoplástica antes descrita y un agente reductor de la contracción, en la medida en que se logre el propósito de la presente invención.
El agregado de fibras de refuerzo discontinuas puede fabricarse mediante cualquier proceso, en la medida en que se logre el propósito de la presente invención. Tal como se muestra en la figura 3, es preferible que el dispositivo de fabricación esté provisto de un rodillo transportador 31 para transportar la hebra de fibra de refuerzo, cortador 32 para cortar la hebra de fibra de refuerzo en un ángulo predeterminado en un tamaño predeterminado, distribuidor 33 para dispersar los haces de fibra de refuerzo discontinua mientras los haces de fibra de refuerzo discontinua se acumulan para hacer una lámina y transportador 34 para acumular los haces de fibra de refuerzo discontinuas para hacer una lámina.
El rodillo 31 transportador puede tener un mecanismo para pinzar entre rodillos para transportar la hebra, aunque no se limita en particular. Es preferible que el rodillo sea un rodillo de metal o un rodillo de caucho, aunque no se limita en particular.
La hebra de fibra de refuerzo se puede cortar en un ángulo predeterminado inclinando el hilo que se está alimentando al cortador 32 o el cortador en relación con el hilo.
Es preferible que cuanto más corto sea el haz de fibra de refuerzo discontinua, menor es el ángulo agudo. Es preferible cortar en el ángulo de la punta de menos de 60°. Es más preferible que el ángulo de punta sea de 3° a 45°. El cortador 32 puede ser del tipo de una cuchilla de guillotina o un tipo de cortador rotatorio, aunque no se limita en particular. Como se ha descrito anteriormente, la dirección de la cuchilla cortadora es arbitraria con respecto a la dirección para transportar la hebra de fibra de refuerzo y puede estar inclinada, como el mecanismo para transportar la hebra de fibra de refuerzo.
La hebra de fibra de refuerzo se puede cortar con una pluralidad de cortadores en diferentes longitudes de haces de fibras de refuerzo discontinuas. Es preferible que el ángulo de la cuchilla de corte o el ángulo de transporte del hilo se ajuste para hacer que el ángulo de corte sea más pequeño para la longitud más larga del haz.
Es preferible que el haz de fibras de refuerzo discontinuas se corte y se disperse uniformemente con el distribuidor 33 o similar, y luego se acumule para formar una lámina.
El transportador 34 para acumular los haces de fibras de refuerzo discontinuas para hacer una lámina puede ser un alambre de metal que es capaz de correr libremente en el plano X-Y y atrapa los haces caídos, aunque no se limita en particular. Es posible que se haya una caja de succión provista bajo el alambre de metal de modo que el aire para dispersar las fibras de refuerzo discontinuas cortadas es succionado para reducir el volumen de la lámina. Además, es posible que se proporcionen una pluralidad de cortadores 32 a lo largo de la dirección X mientras que el alambre de metal corre a lo largo de la dirección Y en lugar del alambre de metal descrito anteriormente capaz de correr libremente en el plano X-Y.
El agregado de fibras de refuerzo discontinuas puede consistir únicamente en fibras de refuerzo discontinuas, aunque puede contener un material aglutinante hecho de resina termoplástica y/o resina termoendurecible desde el punto de vista del mantenimiento de la forma. Es preferible que el material aglutinante hecho de la resina termoplástica y/o la resina termoendurecible sean del mismo tipo que la resina de matriz que constituye el material compuesto reforzado con fibra. También es preferible que el material aglutinante sea una resina que sea compatible o adhesiva a la resina matriz.
Para impregnar el agregado de fibras de refuerzo discontinuas con la resina matriz, es posible que se prepare el agregado de fibras de refuerzo discontinuas que incluye la resina de matriz como material aglutinante. Como alternativa, el agregado de fibras de refuerzo discontinuas preparado sin incluir un material aglutinante puede impregnarse con la resina de matriz en cualquier etapa del proceso de fabricación de material compuesto reforzado con fibras. Incluso el agregado de fibras de refuerzo discontinuas que incluye un material aglutinante puede impregnarse con la resina de matriz en cualquier etapa del proceso de fabricación de material compuesto reforzado con fibras.
En el proceso de fabricación de material compuesto reforzado con fibra, el agregado de fibras de refuerzo discontinuas descrito anteriormente se puede impregnar con la resina de matriz empleando un método general. Una máquina de prensado provista de función de calentamiento puede impregnar el agregado con la resina de matriz hecha de resina termoplástica. La máquina de prensado puede ser una máquina de prensado ordinaria provista de una placa plana que se mueve verticalmente o la denominada máquina de prensado de doble correa que tiene un mecanismo con un par de correas de acero sin fin en funcionamiento, aunque no se limita en particular al grado en que la máquina de prensado puede alcanzar la temperatura y la presión requeridas para la impregnación de la resina de matriz. En tal proceso de impregnación, es posible que la resina de matriz en forma de lámina, tal
como una película, tela no tejida y tela tejida se lamina con el agregado de fibras de refuerzo discontinuas y luego la máquina de prensado impregna el laminado como un todo con resina de matriz fundida. Como alternativa, es posible que láminas integradas preliminarmente del agregado de fibras de refuerzo discontinuas y resina de matriz se laminen para fundirlas para la impregnación, o láminas integradas preliminarmente del agregado de fibras de refuerzo discontinuas y resina de matriz se laminen adicionalmente con resina de matriz en forma de lámina para fundir para impregnación.
Cuando la resina de matriz está hecha de resina termoendurecible, la máquina de prensado puede ser una máquina de prensado ordinaria provista de una platina plana que se mueve verticalmente, la llamada máquina de prensado de doble correa que tiene un mecanismo con un par de correas de acero sin fin en funcionamiento, o rodillos de presión para intercalar una lámina, aunque no se limita en particular al grado en que la máquina de prensado puede alcanzar la temperatura y la presión requeridas para la impregnación de la resina de matriz. En tal proceso de impregnación, es posible que la hoja de fibra de carbono discontinua esté intercalada por láminas de resina de matriz unidas a una película desprendible y se presurice e impregne con la resina de matriz. Para realizar con seguridad la impregnación, es posible que el aire se succione para despresurizar el interior de la lámina al vacío y luego se presurice.
Es posible que el agregado de fibras de refuerzo discontinuas constituya una estructura en sándwich con un agregado de fibras de refuerzo continuo u otro agregado de fibras de refuerzo discontinuas para hacer un material compuesto reforzado con fibras, en la medida en que no se perturbe el objeto de nuestra invención. La estructura intercalada puede estar provista del agregado de fibras de refuerzo discontinuas como capa superficial o capa central. Es preferible que la capa superficial comprenda el agregado de fibras de refuerzo continuo mientras que la capa central comprenda el agregado de fibras de refuerzo discontinuas de modo que el material compuesto reforzado con fibras tenga excelentes características mecánicas y calidad superficial. La fibra de refuerzo, que constituye el agregado de fibras de refuerzo continuas o dicho otro agregado de fibras de refuerzo discontinuas, no está limitado en particular, y puede estar hecho de fibra de carbono, fibra de vidrio, fibra de aramida, fibra de alúmina, fibra de carburo de silicio, fibra de boro, fibra de metal, fibra natural, fibra mineral o similares. Se pueden usar juntos uno o más tipos de estas fibras. La fibra de refuerzo de agregado de fibras de refuerzo continuas se puede formar generalmente, en la medida en que no se perturbe el objeto de nuestra invención. Puede formarse como un agregado de fibras de refuerzo unidireccional en el que las fibras de refuerzo se orientan unidireccionalmente, un agregado laminado de fibras de refuerzo en el que las fibras de refuerzo unidireccionales se laminan multidireccionalmente, un agregado de fibras de refuerzo tejidas hecho de fibras de refuerzo tejidas o similares. La fibra de refuerzo de dicho otro agregado de fibras de refuerzo discontinuas puede formarse generalmente, en la medida en que no se perturbe el objeto de nuestra invención. Puede formarse como una hoja de hebras cortadas en la que se dispersan hebras cortadas en una longitud predeterminada, una lámina seca de fibra de refuerzo discontinua preparada por una máquina de cardar o una máquina de tendido de aire, una lámina de fibra de refuerzo discontinua húmeda preparada por una máquina de papel o similar.
El material compuesto reforzado con fibra así obtenido se puede utilizar como SMC (compuesto de moldeado de láminas) cuando la resina de matriz está hecha de resina termoendurecible, mientras que se puede utilizar como lámina estampable cuando la resina de matriz está hecha de resina termoplástica.
El producto con forma de SMC se puede proporcionar calentando y presurizando un material base en forma de lámina (SMC) semiendurecida mediante el uso de una máquina de prensado del tipo de calentamiento, en donde el material base en forma de lámina se fabrica impregnando el agregado de fibras de refuerzo discontinuas con resina de matriz termoendurecible. El producto en forma de lámina estampable se puede preparar enfriando y presionando un material base (hoja estampable) en un molde a una temperatura predeterminada después de calentar el material base en forma de hoja usando un calentador infrarrojo o similar por encima del punto de fusión de la resina termoplástica, en donde el material base en forma de lámina se fabrica impregnando el agregado de fibras de refuerzo discontinuas con resina termoplástica.
El producto conformado así obtenido se puede aplicar adecuadamente a componentes de automóviles, partes de aviones, electrodomésticos, aparatos eléctricos de trabajo de oficina, carcasas para PC o similares.
[Ejemplos]
Se explicarán los Ejemplos y Ejemplos comparativos de la presente invención.
Primero, se explicarán las características y sus métodos de medición empleados en Ejemplos y Ejemplos comparativos.
(1) Medición de la anchura del haz (Wn) del haz de fibras de refuerzo discontinuas
El material compuesto reforzado con fibra cortada en una muestra de 100 mm x 100 mm se calienta durante de 2 a 3 horas en un horno eléctrico a 550 °C para quemar sustancias orgánicas, tal como la resina de matriz. El agregado de fibras de refuerzo discontinuas se extrae de la muestra calcinada y luego la fibra de refuerzo discontinua se extrae
cuidadosamente del agregado de fibras de refuerzo discontinuas utilizando pinzas para no colapsar la forma completa del haz. Todos los haces de fibras de refuerzo discontinuas extraídos y colocados en un soporte plano están sujetos a mediciones con un calibre nonio cuya precisión de medición es de 0,1 mm para medir las anchuras de los haces de fibras de refuerzo en ambos extremos ((w-i) y (w3) que se muestran en las figuras 1 y 2) y en el centro ((W2) mostrado en las figuras 1 y 2) del haz de fibras de refuerzo discontinuas ortogonal a la dirección de orientación de las fibras cuando el haz de fibras de refuerzo discontinuas se proyecta sobre un plano bidimensional. Dichos ambos extremos ((wi) y (W3) mostrados en las figuras 1 y 2) del haz de fibras de refuerzo discontinuas significan ambos extremos de una sección en la que el número de fibras es constante en la sección transversal del haz de fibras direccional de ancho ortogonal a la dirección de orientación de la fibra cuando el haz de fibras de refuerzo discontinuas se proyecta sobre el plano bidimensional.
Para medir las anchuras con mayor precisión, es posible medir los anchos del haz de fibras de refuerzo en ambos extremos y el centro del haz de fibras de refuerzo discontinuas proyectado sobre el plano bidimensional, utilizando un microscopio digital (fabricado por KEYENCE Corporation). Las anchuras del haz fibras de refuerzo discontinuas medidas en ambos extremos (W1) y (W3) y en el centro (W2) se registran en un papel de registro, y la anchura del haz de fibras de refuerzo discontinuas se define como el promedio de las anchuras del haz (W1) a (W3). En este caso, los haces de fibras de refuerzo discontinuas que tienen una anchura de haz de fibras de refuerzo discontinuas de menos de 0,2 mm no se cuentan como una fibra de refuerzo discontinua sino como un haz de fibras de refuerzo discontinuas abierto. Para definir la dirección de la anchura del haz, la anchura corresponde al lado largo de la sección transversal direccional de la fibra en el centro del haz de fibras de refuerzo discontinuas mientras que el grosor corresponde al lado corto de la misma. En caso de que el agregado de fibras de refuerzo discontinuas no se pueda extraer fácilmente del material compuesto reforzado con fibras, es posible que el agregado de fibras de refuerzo discontinuas que no está impregnado con resina de matriz esté sujeto a medición.
(2) Medición de la longitud (Ln) del haz de fibras de refuerzo discontinuas y del ángulo (0n) agudo del haz de fibras de refuerzo discontinuo
Todos los haces de fibras de refuerzo discontinuas que tienen una anchura de haz de fibras de refuerzo discontinuas de 0,2 mm o más están sujetos a la medición de la longitud ((Ln) del haz de fibras de refuerzo discontinuas mostrada en las figuras 1 y 2) y las longitudes ((h) y (h) mostradas en las figuras 1 y 2).
El ángulo (0n) de la punta como ángulo agudo del haz de fibras de refuerzo discontinuas así obtenido se calcula mediante las siguientes fórmulas (3), (4) y (5) a partir de la longitud (Ln) del haz de fibras de refuerzo discontinuas y las longitudes (h) y (h), cuando la forma del haz de la fibra de refuerzo discontinua es una forma del tipo I que se muestra en la figura 1.
Fórmula (3): Ángulo de la punta 01 = tan-1 {Wn/(Ln - h)}
Fórmula (4): Ángulo de la punta 02 = tan-1 {Wn/(Ln - h)}
Fórmula (5): Ángulo de la punta (0n) = (ángulo agudo 01 ángulo agudo 02)/2
Cuando la forma del haz de la fibra de refuerzo discontinua es una forma del tipo A que se muestra en la Figura 2 (A), el ángulo agudo 01 y el ángulo agudo 02 se aproximan mediante las fórmulas (6) y (7), mientras que el ángulo de la punta (0n) del haz de fibras de refuerzo se calcula mediante la fórmula (5).
Fórmula (6): Ángulo de la punta 01 = 2tan-1 {(1/2) Wn/(h)}
Fórmula (7): Ángulo de la punta 02 = 2tan-1 {(1/2) Wn/(h)}
Cuando la forma del haz de la fibra de refuerzo discontinua es una forma de tipo V que se muestra en la figura 2 (B), tipo W que se muestra en la figura 2 (C) o similar, en el que un extremo lateral está provisto de una pluralidad de ángulos de punta, el ángulo de la punta 01 y el ángulo de la punta 02 se aproximan mediante las fórmulas (8) y (9), mientras que el ángulo de la punta (0n) del haz de fibras de refuerzo se calcula mediante la fórmula (5).
Fórmula (8): Ángulo de la punta 01 = tan-1 {(1/ ith) Wn/(h)}
Fórmula (9): Ángulo de la punta 02 = tan-1 {(l/m2) Wn/(h)}
En este caso, th indica el número de ángulos de la punta en el extremo lateral para la medición de h mientras que m2 indica el número de ángulos de la punta en el extremo lateral para la medición de h. El cálculo descrito anteriormente proporciona th = 2 y m2 = 2 en el caso de la forma de tipo V que se muestra en la figura 2 (B) mientras que proporciona th = 3 y m2 = 3 en el caso de la forma de tipo W que se muestra en la figura 2 (C).
(3) Clasificación del haz de fibras de refuerzo (1) y haz de fibras de refuerzo (2)
La longitud (L) de haz de fibras discontinuas promedio en número se calcula a partir de las longitudes (Ln) de haz de fibras de refuerzo discontinuas obtenidas mediante la fórmula (10). Todos los haces de fibras de refuerzo discontinuas que tienen una anchura de haz de fibras de refuerzo discontinuas de 2 mm o más se clasifican en haz de fibras de refuerzo discontinuas (1) y haz de fibras de refuerzo discontinuas (2), donde el haz (1) es discontinuo y tiene una longitud (Ln) de haz de fibras discontinuas de más de una longitud (L) de haz de fibras discontinuas promedio en número mientras que el haz (2) tiene una longitud (Ln) de haz de fibras discontinuas de haz de fibras discontinuas en número igual o menor que la longitud (L) de haz de fibras discontinuas promedio en número.
Después de la clasificación, la longitud del haz de fibras discontinuas (L2) promedio en número se calcula mediante la fórmula (11).
Fórmula (10): L = I (Ln)/n
El número de haces de fibras de refuerzo sujetos a medición se indica como n.
Fórmula (11): L2 = I (Ln2)/n2
El número de haces de fibras de refuerzo (2) sujetos a medición se indica como n2.
(4) Cálculo del ángulo (A) agudo promedio en número y del ángulo (B) agudo promedio en número
El ángulo (A) agudo promedio en número del haz de fibras de refuerzo discontinuas (1) se calcula mediante la fórmula (12) mientras que el ángulo agudo (B) promedio en número del haz de fibras de refuerzo discontinuas (2) se calcula mediante la fórmula (13).
Fórmula (12): Ángulo agudo promedio en número (A) = I (ángulo de la punta (9n1))/n1 El ángulo de la punta (9m) es un ángulo de la punta del haz de fibras de refuerzo discontinuas (1) mientras que n es el número de haces de fibras de refuerzo discontinuas (1).
Fórmula (13): Ángulo agudo promedio en número (B) = I (ángulo de la punta (9n2))/n2 El ángulo de la punta (9n2) es un ángulo de la punta del haz de fibras de refuerzo discontinuas (2) mientras que n2 es el número de haces de fibras de refuerzo discontinuas (2).
(5) Vf (contenido de fibra de refuerzo en lámina estampable)
Se corta una muestra de aproximadamente 2 g del material compuesto reforzado con fibra y se mide su masa. La muestra se calienta durante 2 horas en un horno eléctrico de 500 a 600 °C para quemar sustancias orgánicas tales como la resina de matriz. El peso residual de la fibra de refuerzo discontinua se mide después de enfriar a temperatura ambiente. Se mide la relación entre el peso de la muestra antes de quemar las sustancias orgánicas, como la resina de matriz, y el peso de la fibra de refuerzo discontinua, y luego se calcula el contenido de volumen Vf a partir de la gravedad específica y el contenido de peso de la fibra de refuerzo.
(6) Resistencia a la flexión y módulo elástico a la flexión
La resistencia a la flexión se mide de acuerdo con JIS-K7171 (2008). Además, se calcula el valor de CV (coeficiente de variación [%]) de la resistencia a la flexión. La resistencia a la flexión se determina como buena (o) o no buena (x), donde la determinación de "buena" corresponde a un valor de CV menor de menos del 7 % mientras que la determinación de "no buena" corresponde a un valor de CV mayor de 7 % o más.
La muestra de la prueba de flexión está sujeta a medición en una dirección arbitraria (dirección 0°) y la segunda dirección (dirección 90°) para determinar la isotropía, donde la determinación "isotrópica (o)" corresponde a la relación de (valor promedio en la dirección 0°/valor promedio en la dirección 90°) dentro del intervalo de 1,3 a 0,77 mientras que la determinación "anisotrópica (x)" corresponde al exterior del intervalo.
(7) Evaluación de la fluidez
<Caja de resina de matriz termoplástica>
Una lámina de material compuesto reforzado con fibra discontinua cuya dimensión es de 100 mm x 100 mm x 2 mm de espesor se coloca sobre una placa de prensado calentada a una temperatura del punto de fusión de la resina termoplástica 40 °C y la superficie de 100 mm x 100 mm se presuriza a 10 MPa durante 300 segundos. La placa de prensado se enfría a una temperatura de la temperatura de solidificación - 50 °C como presurización y luego se saca la muestra. Se miden el área A1 de la lámina antes de la presurización y el área A2 de la lámina después de la
presurización para calcular la fluidez [%/mm] definida como A2/AI/2 mm de espesor.
<Caja de resina de matriz termoendurecible>
Una lámina de precursor de material compuesto reforzado con fibra discontinua con resina de matriz sin curar cuya dimensión es de 100 mm x 100 mm x 2 mm de espesor se coloca sobre una placa de prensado calentada a una temperatura para terminar el curado dentro de los 300 a 400 segundos del tiempo de curado de la resina de matriz desde el inicio del flujo hasta el curado, y la superficie de 100 mm x 100 mm se presuriza a 10 MPa durante 600 segundos. Se miden el área A1 de la lámina antes de la presurización y el área A2 de la lámina después de la presurización para calcular la fluidez [%/mm] definida como A2/Al/2 mm de espesor.
(8) Medición de la longitud de fibra promedio en número
El material compuesto reforzado con fibra cortada en una muestra de 100 mm x 100 mm se calienta durante de 2 a 3 horas en un horno eléctrico a 550 °C para quemar sustancias orgánicas, tal como la resina de matriz. Los hilos individuales de 400 piezas de fibra de refuerzo discontinua se extraen arbitrariamente usando pinzas del agregado de fibra de refuerzo discontinua que queda después de enfriar a temperatura ambiente. Los hilos individuales extraídos se observan con un microscopio óptico o un microscopio electrónico de barrido para medir la longitud con una precisión de medición de 0,1 mm, de modo que la longitud de fibra promedio en número de las fibras de refuerzo se calcula mediante la fórmula de "longitud de fibra promedio en número = I Li/400. En este caso, la Li indica la longitud de la fibra medida.
Se explicarán las fibras de refuerzo y las resinas de matriz empleadas en los ejemplos y ejemplos comparativos de la presente invención.
Hebra de fibra de refuerzo (1):
La hebra de fibra de carbono continua tiene un diámetro de fibra de 7 pm, un módulo elástico de tracción de 230 GPa y un número de filamentos de 12.000.
Hebra de fibra de refuerzo (2):
La hebra de fibra de carbono continua tiene un diámetro de fibra de 7,2 pm, un módulo elástico de tracción de 242 GPa y un número de filamentos de 50.000.
Resina matriz (1):
Resina de nailon (fabricada por Toray Industries, Inc., CM1001, se emplea el nombre de producto "AMILAN" (marca registrada)).
Resina matriz (2):
Se mezclan resina de éster vinílico (VE) (fabricada por The Dow Chemical Company, "DERAKANE" 790 (marca registrada)) de 100 partes en masa, peroxil benzoato de ferc-butilo (fabricado por NOF CORPORATION, "PERBUTYL Z" (marca registrada)) de 1 parte en masa, estearato de cinc (fabricado por Sakai Chemical Industry Co., Ltd., SZ-2000) de 2 partes en masa y óxido de magnesio (fabricado por Kyowa Chemical Industry Co., Ltd., MgO # 40) de 4 partes en masa.
[Ejemplo 1]
El agregado de fibras de refuerzo discontinuas se preparó utilizando un dispositivo que se muestra en la Figura 3. La hebra de fibra de refuerzo (1) se cortó mediante dos unidades de cortadores dispuestos en paralelo. El primer cortador (1) lo corta en una pieza con un ángulo de punta de 90° y una longitud de fibra de 20 mm, mientras que el segundo cortador (2) lo corta en una pieza con un ángulo de punta de 45° y una longitud de fibra de 10 mm. El cortador (1) y el cortador (2) descargaron fibras de refuerzo cortadas del mismo peso para depositar agregados de fibras de refuerzo discontinuas en un transportador. El agregado de fibras de refuerzo discontinuas así obtenido se formó en una lámina de fibras de refuerzo discontinuas que incluía uniformemente un haz de fibras de refuerzo discontinuas que tenía un ángulo de la punta de 90° y una longitud de fibra de 20 mm, así como otro haz de fibras de refuerzo discontinuas que tenía un ángulo de la punta de 45° y una longitud de fibra de 10 mm, en donde la longitud del haz promedio en número era de 18 mm, El ángulo agudo promedio en número (A) era de 90°, el ángulo agudo promedio en número (B) fue de 45° y la relación entre el ángulo agudo promedio en número (A)/el ángulo agudo promedio en número (B) fue 2,0.
La lámina de fibra de carbono discontinua así obtenida y una película de resina de matriz producida por una máquina para fabricar películas se laminaron y precalentaron durante 300 segundos en un molde de placa de la máquina de prensado calentado a 280 °C, que se presurizó a una presión de 10 MPa durante 600 segundos y se enfrió a 50 °C
mientras se enfriaba, de modo que se produjo una placa de material compuesto de fibra de carbono con un espesor de 2 mm y un Vf del 35 %.
La placa así obtenida no tenía alabeo y tenía 395 MPa de resistencia media a la flexión del material compuesto de fibra de carbono en direcciones de 0° y 90°, el valor CV de resistencia a la flexión en cada dirección de menos del 7 % y fluidez de 250 %/mm, mientras se determina como bidimensionalmente "isotrópico" según la relación de (valor promedio en la dirección 0°/valor promedio en la dirección 90°) dentro del intervalo de 1,3 a 0,77. La Tabla 1 muestra las condiciones y los resultados de la evaluación.
[Ejemplo 2]
La placa de material compuesto reforzado con fibra se produjo y evaluó con el mismo método que en el Ejemplo 1, excepto que el primer cortador (1) corta la hebra de fibra de refuerzo (1) en una pieza que tiene un ángulo de punta de 65° y una longitud de fibra de 20 mm, mientras que el segundo cortador (2) lo corta en una pieza que tiene un ángulo de punta de 45° y una longitud de fibra de 10 mm, y luego el cortador (1) y el cortador (2) descargaron fibras de refuerzo cortadas del mismo peso para depositar agregados de fibras de refuerzo discontinuas en un transportador. La Tabla 1 muestra los resultados de la evaluación.
[Ejemplo 3]
La placa de material compuesto reforzado con fibra se produjo y evaluó con el mismo método que en el Ejemplo 1, excepto que el primer cortador (1) corta la hebra de fibra de refuerzo (1) en una pieza que tiene un ángulo de punta de 65° y una longitud de fibra de 20 mm, mientras que el segundo cortador (2) lo corta en una pieza que tiene un ángulo de punta de 30° y una longitud de fibra de 5 mm, y luego el cortador (1) y el cortador (2) descargaron fibras de refuerzo cortadas del mismo peso para depositar agregados de fibras de refuerzo discontinuas en un transportador. La Tabla 1 muestra los resultados de la evaluación.
[Ejemplo 4]
Se empleó el mismo agregado de fibras de refuerzo discontinuas y resina de matriz (2) que en el Ejemplo 2. El contenido de resina se ajustó para lograr Vf = 35 % y la resina se aplicó a la película de liberación para intercalar el agregado de fibras de refuerzo discontinuas a impregnar durante la presurización, y luego se produjo la lámina de SMC sin curar. Después de espesar la lámina de SMC sin curar obtenida durante 12 horas en un horno calentado a 40 °C, el SMC sin curar se introdujo en un molde de placa de la máquina de prensado calentado a 140 °C para ajustar la cantidad de alimentación, que se presurizó a una presión de 10 MPa durante 300 segundos, de modo que se produjo una placa de material compuesto de fibra de carbono con un espesor de 2 mm.
La placa así obtenida no tenía alabeo y tenía 430 MPa de resistencia media a la flexión del material compuesto de fibra de carbono en direcciones de 0° y 90°, el valor CV de resistencia a la flexión en cada dirección de menos del 7 % y fluidez de 270 %/mm, mientras se determina como bidimensionalmente "isotrópico" según la relación de (valor promedio en la dirección 0°/valor promedio en la dirección 90°) dentro del intervalo de 1,3 a 0,77. La Tabla 1 muestra los resultados de la evaluación.
[Ejemplo 5]
La placa de material compuesto reforzado con fibra se produjo y evaluó con el mismo método que en el Ejemplo 4, excepto que se emplearon los mismos agregados de fibras de refuerzo discontinuas que en el Ejemplo 3. La Tabla 1 muestra los resultados de la evaluación.
[Ejemplo 6]
La placa de material compuesto reforzado con fibra se produjo y evaluó con el mismo método que en el Ejemplo 2, excepto que el primer cortador (1) corta el hilo de fibra de refuerzo (1) en una pieza que tiene un ángulo de punta de 65° y una longitud de fibra de 20 mm, mientras que el segundo cortador (2) lo corta en una pieza que tiene un ángulo de punta de 45° y una longitud de fibra de 10 mm, y luego el cortador (1) y el cortador (2) descargaron las fibras de refuerzo cortadas en una relación en peso de 2:1 para depositar agregados de fibras de refuerzo discontinuas en un transportador. La Tabla 1 muestra los resultados de la evaluación.
[Ejemplo 7]
La placa de material compuesto reforzado con fibra se produjo y evaluó con el mismo método que en el Ejemplo 1, excepto que el primer cortador (1) corta la hebra de fibra de refuerzo (2) en una pieza que tiene un ángulo de punta de 65° y una longitud de fibra de 20 mm, mientras que el segundo cortador (2) lo corta en una pieza que tiene un ángulo de punta de 45° y una longitud de fibra de 5 mm, y luego el cortador (1) y el cortador (2) descargaron fibras de refuerzo cortadas del mismo peso para depositar agregados de fibras de refuerzo discontinuas en un transportador. La Tabla 1 muestra los resultados de la evaluación.
[Ejemplo 8]
La placa de material compuesto reforzado con fibra se produjo y evaluó con el mismo método que en el Ejemplo 4, excepto que se emplearon los mismos agregados de fibras de refuerzo discontinuas que en el Ejemplo 7. La Tabla 1 muestra los resultados de la evaluación.
[Ejemplo 9]
La placa de material compuesto reforzado con fibra se produjo y evaluó con el mismo método que en el Ejemplo 4, excepto que el primer cortador (1) corta la hebra de fibra de refuerzo (1) en una pieza que tiene un ángulo de punta de 30° y una longitud de fibra de 35 mm, mientras que el segundo cortador (2) lo corta en una pieza que tiene un ángulo de punta de 15° y una longitud de fibra de 12 mm, y luego el cortador (1) y el cortador (2) descargaron fibras de refuerzo cortadas en la proporción en peso de 1:6 para depositar agregados de fibras de refuerzo discontinuas en un transportador. La Tabla 1 muestra los resultados de la evaluación.
[Ejemplo comparativo 1]
La placa de material compuesto reforzado con fibra se produjo y evaluó con el mismo método que en el Ejemplo 1, excepto que el primer cortador (1) corta la hebra de fibra de refuerzo (1) en una pieza que tiene un ángulo de punta de 90° y una longitud de fibra de 20 mm, mientras que el segundo cortador (2) lo corta en una pieza que tiene un ángulo de punta de 90° y una longitud de fibra de 10 mm, y luego el cortador (1) y el cortador (2) descargaron fibras de refuerzo cortadas del mismo peso para depositar agregados de fibras de refuerzo discontinuas en un transportador.
La Tabla 2 muestra los resultados de la evaluación. El material compuesto reforzado con fibra así obtenido tenía poca resistencia a la flexión y un módulo elástico de flexión deficiente, así como mucha variación del valor del CV.
[Ejemplo comparativo 2]
La placa de material compuesto reforzado con fibra se produjo y evaluó con el mismo método que en el Ejemplo 1, excepto que el primer cortador (1) corta la hebra de fibra de refuerzo (1) en una pieza que tiene un ángulo de punta de 90° y una longitud de fibra de 30 mm, mientras que el segundo cortador (2) lo corta en una pieza que tiene un ángulo de punta de 90° y una longitud de fibra de 10 mm, y luego el cortador (1) y el cortador (2) descargaron fibras de refuerzo cortadas del mismo peso para depositar agregados de fibras de refuerzo discontinuas en un transportador.
La Tabla 2 muestra los resultados de la evaluación. El material compuesto reforzado con fibra así obtenido tenía un módulo elástico de flexión deficiente y una fluidez deficiente, así como mucha variación del valor del CV.
[Ejemplo comparativo 3]
La placa de material compuesto reforzado con fibra se produjo y evaluó con el mismo método que en el Ejemplo 1, excepto que el primer cortador (1) corta la hebra de fibra de refuerzo (1) en una pieza que tiene un ángulo de punta de 90° y una longitud de fibra de 20 mm, mientras que el segundo cortador (2) lo corta en una pieza que tiene un ángulo de punta de 65° y una longitud de fibra de 10 mm, y luego el cortador (1) y el cortador (2) descargaron fibras de refuerzo cortadas del mismo peso para depositar agregados de fibras de refuerzo discontinuas en un transportador.
La Tabla 2 muestra los resultados de la evaluación. El material compuesto reforzado con fibra así obtenido tenía poca resistencia a la flexión y un módulo elástico de flexión deficiente, así como mucha variación del valor del CV.
T l 21
Aplicaciones industriales de la invención
El material compuesto reforzado con fibra discontinua de la invención es aplicable a cualquier producto conformado de material compuesto reforzado con fibra discontinua que requiera alta fluidez, isotropía bidimensional y pequeña variación de características mecánicas que no se han logrado de manera convencional.
Explicación de los símbolos
1: Vista de proyección bidimensional de un haz de fibras de refuerzo discontinuas
21: Ejemplo de haz de fibras de refuerzo discontinuas
22: Ejemplo de haz de fibras de refuerzo discontinuas
23: Ejemplo de haz de fibras de refuerzo discontinuas
31: Rodillo de transporte
32: Cortador
33: Distribuidor
34: Transportador
35: Hebra de fibra de carbono
36: Haz de fibras de refuerzo discontinuas
100: Hebra de fibra
110: Sección separada
120: Porción entrelazada acumulada
130: Sección no separada
140: Pelusa desplazada
150: Pieza de procesamiento de separación de fibras
160: Parte entrelazada
170: Distancia de separación de fibras
200: Medios de separación de fibras
210: Saliente
211: Pieza de contacto
Claims (5)
1. Un material compuesto reforzado con fibra discontinua que comprende un agregado de fibras de refuerzo discontinuas de fibras de refuerzo discontinuas que tienen una longitud de fibra promedio en número de 3 a 100 mm y una resina de matriz, incluyendo el agregado de fibra de refuerzo discontinua una pluralidad de haces de fibras de refuerzo discontinuas (1, 21, 22, 23, 36) que tienen un número predeterminado de hilos individuales agrupados unidireccionalmente de la fibra de refuerzo discontinua, en donde cada uno de los haces de fibras de refuerzo discontinuas tiene una superficie de corte inclinada en un ángulo predeterminado con respecto a una dirección de orientación de los hilos individuales y los haces de fibras de refuerzo discontinuas tienen diferentes longitudes de haces de fibras, caracterizado por que
cuanto más corta sea la longitud del haz de fibras discontinuas, que se define como una distancia entre ambos extremos a lo largo de la dirección de orientación de los hilos individuales es, menor es el ángulo de la punta definido como un ángulo agudo en un extremo de una proyección plana bidimensional del haz de fibras de refuerzo discontinuas.
2. El material compuesto reforzado con fibras discontinuas de acuerdo con 1, en donde un ángulo agudo promedio en número (A) y un ángulo agudo promedio en número (B) satisfacen las siguientes fórmulas (1) y (2), en donde el ángulo agudo promedio en número (A) se define como un promedio en número del ángulo de la punta de cada haz de fibras de refuerzo discontinuas perteneciente a la clasificación (1) de haces de fibras de refuerzo discontinuas que tienen una longitud de haz de fibras discontinuas de más de una longitud (L) de haz de fibras discontinuas promedio en número de los haces de fibras de refuerzo discontinuos incluidos en el agregado de fibras de refuerzo discontinuas y en donde el ángulo agudo promedio en número (B) se define como un promedio en número del ángulo de la punta de cada haz de fibras de refuerzo discontinuas perteneciente a la clasificación (2) de haces de fibras de refuerzo discontinuas que tienen una longitud de haz de fibras discontinuas de la longitud de haz de fibras discontinuas promedio en número ( L) o menos:
Fórmula (1): Ángulo agudo promedio en número (A) > ángulo agudo promedio en número (B) x 1,3;
Fórmula (2): Ángulo agudo promedio en número (B) <60°.
3. El material compuesto reforzado con fibras discontinuas de acuerdo con 2, en donde los haces de fibras de refuerzo discontinuas pertenecientes a la clasificación (2) tienen un ángulo agudo promedio en número (B) de 5° a 45°.
4. El material compuesto reforzado con fibras discontinuas de acuerdo con la reivindicación 2 o 3, en donde los haces de fibras de refuerzo discontinuas pertenecientes a la clasificación (2) tienen una longitud de haz de fibras promedio en número (L2) de 3 mm o más y menos de 30 mm.
5. El material compuesto reforzado con fibras discontinuas de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, en donde la longitud de haz de fibras discontinuas promedio en número (L) es de 3 mm o más y menos de 100 mm.
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