ES2908846T3

ES2908846T3 - Composición estructural y método

Info

Publication number: ES2908846T3
Application number: ES16867110T
Authority: ES
Inventors: Guerry Green; James Kronberg
Original assignee: Marhaygue LLC
Current assignee: Marhaygue LLC
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2022-05-04
Anticipated expiration: 2036-11-17
Also published as: JP6843443B2; BR112018009748A2; CN110625962B; ZA201803863B; IL259098B; IL259098A; EP3377307A4; US20180036921A1; EP3377307B1; IL259098B2; MX2018006104A; AU2016355662A1; EP3377307A1; HK1259277A1; AU2016355662B2; CN108472881B; US9981411B2; NZ742475A; KR102419963B1; JP2018533514A

Abstract

Un método para elaborar un compuesto estructural (68), dicho método comprendiendo los pasos de: desenrollar un primer soporte (10) que es una tela; dispersar un relleno (18) sobre dicho primer soporte para formar una estera (38); aplicar un aglutinante (50) a la estera; desenrollar un segundo soporte (58) sobre la parte superior de dicho relleno, en donde dicho primer soporte, dicho relleno y dicho segundo soporte forman dicha estera; calentar dicho primer soporte, dicho aglutinante y dicho segundo soporte para licuar dicho primer soporte, dicho aglutinante y dicho segundo soporte; prensar dicha estera, dicho aglutinante, dicho primer soporte y dicho segundo soporte entre sí a medida que dichos soportes se enfrían para formar por lo menos una capa de rigidez (63); y extruir un polímero (72, 76) sobre dicha por lo menos una capa de rigidez para formar un compuesto estructural (68).

Description

DESCRIPCIÓN

Composición estructural y método

CAMPO TÉCNICO

La divulgación se refiere a métodos para elaborar compuestos estructurales.

ANTECEDENTES

En muchas aplicaciones que requieren miembros estructurales como montantes, vigas, cubiertas, miembros de marcos, piezas de moldura y barandillas, los materiales poliméricos han reemplazado a la madera. Los marcos de las ventanas y las persianas están hechos de perfiles de vinilo huecos. Las molduras interiores y, más recientemente, las puertas mosquiteras están hechas de cloruro de polivinilo espumado.

Los plásticos tienen ventajas sobre la madera, que incluyen menor costo y menor mantenimiento, pero a menudo no tienen la resistencia inherente de la madera sin incorporar otros materiales, como insertos de madera o metal, como refuerzos secundarios para aumentar la rigidez. Añadir estos tipos de refuerzos secundarios aumenta el coste del material y la mano de obra e introduce complejidad debido al tipo adicional de material requerido.

Los compuestos estructurales son conocidos. Por ejemplo, la US 4910067 divulga un material compuesto estructural que comprende un núcleo de espuma con una capa termoplástica en un lado y una capa de material fibroso en el otro. La espuma se forma a partir de una resina líquida que cura en contacto con el material fibroso, impregnándolo y uniéndolo en una estructura reforzada con fibras. En esta referencia también se enseña un proceso para fabricar el compuesto.

La US 5700555 enseña un artículo compuesto que comprende una primera zona hecha completamente de plástico y una segunda zona hecha de plástico más de un 10% a un 55% de fibra natural, ambas formadas por coextrusión. La zona que contiene fibra incluye relieves para parecerse a la veta de la madera y es lo suficientemente porosa para aceptar pintura o tinte para simular la apariencia de la madera natural.

La US 5738935 y la US 5858522, están relacionadas entre sí y con la US 5700555, descrita anteriormente, y divulgan un proceso para la preparación de un compuesto de fibra natural y termoplástico y los productos resultantes del mismo. El proceso incluye los pasos de mezclar la fibra natural y el termoplástico en una mezcladora con un ayudante de porosidad y un agente interfacial para formar una mezcla; añadir la mezcla a una extrusora calentada; extruir la mezcla como un compuesto; y dar forma al compuesto en un dispositivo de calibración de vacío a un perfil deseado. El proceso incluye además el paso de coextruir un segundo termoplástico sobre el compuesto de fibra natural/termoplástico para algunas aplicaciones (por ejemplo, ventanas, puertas y revestimientos).

La EP 0599404 divulga un proceso para preparar compuestos termoplásticos reforzados con fibras continuas. El proceso incluye los pasos de: (a) desenrollar un filamento continuo, constituido por un haz de fibras, de una bobina; (b) abrir el filamento continuo, esencialmente desmontándolo en sus fibras continuas individuales; (c) sumergir y conducir el filamento abierto a través de un lecho estacionario constituido por un polvo de polímero termoplástico contenido en un tanque sometido a vibración continua; y (d) volver a montar el filamento y disponer a su alrededor una funda flexible protectora hecha de un polímero termoplástico.

La EP 0653290, divulga un proceso continuo para producir un artículo reforzado con fibras termoplásticas moldeado que tiene una alta concentración de resina en por lo menos una superficie recubriendo la superficie de ese núcleo de estera de fibra calentado con una primera resina termoplástica fundida, y luego pasar el núcleo de estera de fibra a una zona de extrusión en donde se inyecta una segunda resina termoplástica fundida extruida sobre el mismo. Luego, el núcleo de estera de fibra y la resina termoplástica se moldean en un artículo terminado. El proceso continuo divulgado proporciona artículos acabados moldeados como tejas, paneles exteriores de automóviles, revestimientos de casas, etc.

La US 5565056 divulga un panel de construcción reforzado con fibra de vidrio elaborado mediante la extrusión de una primera y una segunda bandas fundida de compuestos poliméricos a través de aberturas de matriz espaciadas, colocando una estera de fibras de vidrio cortas orientadas aleatoriamente entre la primera y la segunda bandas, presionando las bandas y la estera entre sí, y enfriando el panel de construcción resultante.

La EP 0747213 divulga un panel que comprende una primera capa de polipropileno rellena con serrín, harina de madera o virutas de madera y por lo menos una capa adicional que consiste por lo menos parcialmente de material termoplástico fibroso que se unen a una cara de la primera capa por compresión y fusión parcial simultánea. Esta capa adicional retiene el patrón y la estructura fibrosa.

La US 6607798 divulga una estructura hueca compuesta de centro hueco, reforzada con fibra, en la que los núcleos centrales huecos hechos de resina termoplástica se unen en un cuerpo mediante capas intermedias que contienen fibras largas de refuerzo unidas entre sí con una resina termoendurecible. Luego la estructura se cubre con una capa exterior de resina termoplástica.

La US 9079380 divulga la coextrusión de cloruro de polivinilo (PVC) con un material compuesto, formando una tira continua que luego puede cortarse en longitudes convenientes. El PVC forma bridas de montaje y separadores de ventilación solo en la superficie posterior, y todas las partes en la parte frontal están formadas por un compuesto de fibra de celulosa y una resina termoplástica.

La WO 2011/015635 describe un proceso para fabricar un perfil reforzado que comprende la fabricación de por lo menos una cinta secundaria que contiene un primer polímero termoplástico y fibras troceadas largas. La US 2003/0096096 describe una forma consolidada de filamentos continuos combinados de fibras de vidrio y fibras poliméricas como refuerzo.

Una composición polimérica que tiene niveles estructurales de rigidez y bajo coste de fabricación sería particularmente ventajosa si conserva los recursos naturales mediante el reciclaje de materiales usados con anterioridad.

SUMARIO

La presente invención se define por las reivindicaciones.

En la presente se divulga un compuesto estructural hecho principalmente de material polimérico pero que incorpora por lo menos una capa de refuerzo y rigidez en un proceso de fabricación continuo que da como resultado un material compuesto no homogéneo bien unido. Por lo tanto, la apariencia del compuesto resultante y su durabilidad conservan las ventajas de los materiales poliméricos y proporcionan la resistencia de un compuesto reforzado para aplicaciones estructurales y con un bajo coste de fabricación.

El presente método puede usarse para formar un perfil polimérico que ha sido diseñado mediante el diseño de la localización y la composición de una o más capas de rigidez dentro o sobre el perfil para que el compuesto tenga la rigidez requerida para su aplicación particular. Además, el método y los materiales son tales que el coste de fabricación del compuesto puede ser bajo porque la capa de rigidez puede estar hecha de materiales reciclados fácilmente disponibles, incluyendo fibras cortas, y no comprometer la resistencia ni afectar adversamente a la apariencia exterior del compuesto estructural.

El método divulgado para elaborar el material compuesto estructural incluye dispersar el relleno sobre un soporte para formar una estera. También se dispersa un agente aglutinante sobre la estera. Luego, la estera del soporte se calienta y se presiona para hacer que el soporte y el aglutinante se licúen y penetren por toda la estera formando de este modo una capa de rigidez. La capa de rigidez puede modificarse adicionalmente dándole forma de perfil que tenga tres dimensiones o modificando su superficie con orificios o punzones para promover la acción del compuesto con una capa de polímero. Luego, la capa de polímero se extruye sobre la capa de rigidez para crear el producto terminado. El polímero es químicamente compatible con el soporte; es decir, se forman enlaces químicos entre el polímero y el soporte que resisten la delaminación.

El agente aglutinante también se selecciona para unirse químicamente con el soporte, mecánicamente y también preferiblemente químicamente con la estera, y químicamente con el perfil de polímero extruido. La unión de las capas añade resistencia y evita la delaminación. Puede aplicarse un adhesivo al soporte para hacer que el relleno se adhiera mejor al soporte.

Una característica de la divulgación es que los pasos de prensado y calentamiento se realizan usando por lo menos un par de rodillos de camisa calentados, y cuando se usa un segundo par de rodillos de camisa calentados, el par de rodillos subsiguiente puede estar espaciado más cerca que el primer par para aumentar el flujo de aglutinante licuado en todo el relleno de la estera. El segundo par de rodillos también puede rotarse más rápido que el primero para estirar la estera antes de que se enfríe. Estirar la estera ayuda a alinear las fibras y puede dar como resultado una capa de rigidez más fuerte.

Otra característica de la divulgación es el uso de fibras de carbono troceadas recicladas o cinta de fibra de carbono; fibras de fibra de vidrio troceadas; fibras de anhidrita derivadas de residuos de yeso; fibras de desechos textiles o productos de tela reciclados, incluyendo algodón, seda y sintéticos; fibras de celulosa de desechos de madera, papel, cartón o bambú; alambre metálico u otras fibras metálicas; o cualquier combinación de los anteriores, así como normalmente residuos de componentes minerales como cenizas volantes, zeolitas y puzolanas. Las fibras no tienen que ser largas, pero pueden ser cortas, por ejemplo, más cortas que el ancho de la estera.

Otra característica más de la divulgación es que el soporte, el aglutinante y el polímero extruido sobre ellos también pueden estar hechos de materiales reciclados como tereftalato de polietileno o polietileno de alta densidad para el soporte y el aglutinante y cloruro de polivinilo para el polímero extruido. Estos materiales son químicamente compatibles en cuanto a que tienden a formar enlaces químicos entre ellos.

Otra característica de la divulgación es que la capa de rigidez puede comprender una pluralidad de tipos de fibras, por lo menos un soporte y más de una capa de relleno.

Otra característica más de la divulgación es que las fibras pueden dispersarse agitándolas sobre el soporte mientras el soporte rueda sobre una cinta transportadora, la orientación aleatoria resultante proporcionando aproximadamente la misma fuerza a través del soporte y paralela a su longitud.

Otra característica más de la divulgación es que el polímero puede extruirse sobre una o más capas de rigidez a medida que se extraen a través de un troquel de cabezal transversal de acuerdo con una configuración diseñada para el producto que se está fabricando.

Otra característica más de la divulgación es que las capas de rigidez pueden comprender una o más capas planas convenientemente espaciadas, formadas en uno o más perfiles tridimensionales dentro de la matriz polimérica extruida, o una combinación de estos, como puede ser conveniente de fabricar a la vez que proporciona niveles estructurales de resistencia al corte y a la flexión.

Estas y otras características y sus ventajas serán evidentes para los expertos en la técnica de las extrusiones poliméricas a partir de una lectura cuidadosa de la descripción detallada acompañada de los dibujos. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

En las figuras,

La FIG. 1 es un dibujo esquemático de un aparato para elaborar el presente compuesto estructural;

La FIG. 2 es un diagrama de flujo del método para elaborar el presente compuesto estructural;

Las FIGS. 3A-3H ilustran ejemplos de configuraciones de refuerzo y posiciones para una rigidez y resistencia a la flexión mejoradas;

La FIG. 4 es un ejemplo de un producto compuesto estructural, concretamente, una jamba de puerta, hecho de acuerdo con el presente método y aparato; y,

La FIG. 5 muestra un método simple para analizar la distribución de refuerzo dentro de un producto compuesto estructural, usando la jamba de la puerta de la FIG. 4 como ejemplo, proporcionando una predicción conservadora de su rigidez y resistencia a la flexión.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

El compuesto estructural descrito en la presente es una composición no homogénea de materia que tiene tanto resistencia a la compresión como rigidez que permite su uso como sustituto de la madera en una amplia variedad de aplicaciones, incluyendo aquellas en las que se aplican los requisitos del código de construcción. Además, el presente compuesto estructural puede sustituir a otros materiales con un módulo de resistencia mayor que la madera, como el aluminio. El término no homogéneo significa que por lo menos algunos de los constituyentes están concentrados dentro del compuesto estructural en lugar de estar dispersos homogéneamente. La presente composición puede diseñarse, lo que significa que su forma exterior y la elección de sus componentes y sus localizaciones y formas pueden seleccionarse para cumplir con la resistencia y rigidez requeridas para las tareas específicas a las que se destina esa composición. Como un ejemplo simple, el presente compuesto estructural puede diseñarse con refuerzo espaciado del eje neutro, análogo a las bridas de una viga en I, proporcionando una resistencia y una rigidez aumentadas en uno o ambos ejes perpendiculares a la sección transversal. Como tal compuesto estructural puede diseñarse para soportar carga, se hace referencia en la presente a la composición como compuesto estructural.

En referencia ahora a las FIGS. 1 y 2, la presente composición tiene por lo menos una capa de rigidez que aumenta la rigidez del material compuesto estructural terminado. Se incorpora una capa de rigidez en una extrusión polimérica, ya sea extruyendo el polímero sobre la capa de rigidez de manera que la capa de rigidez esté en un lado y el polímero en el otro y, por lo tanto, la capa de rigidez sea visible desde el exterior, o extruyéndola de manera que el polímero rodee parcial o completamente la capa de rigidez, en cuyo caso la capa de rigidez puede no ser visible desde el exterior.

La capa de rigidez incluye un primer soporte 10. Como se usa en la presente, el término soporte significa una tela o película que es una lámina continua de un material flexible, que puede, por ejemplo, enrollarse en un carrete o núcleo 14 de tal manera que pueda implementarse para su uso como parte de un proceso de fabricación continuo. El soporte 10 puede estar hecho de polietileno de alta densidad (HDPE) o tereftalato de polietileno (PET), u otros materiales que se unan química o mecánicamente con el polímero seleccionado, como el tereftalato de polietileno modificado con glicol (PETG), que tiene propiedades útiles en la presente método, como una baja temperatura de fusión. La densidad de HDPE en la presente composición puede variar de 0,93 a 0,97 g/cm3 o 970 kg/m3

La tela se usa como soporte 10. La tela puede ser tejida o no tejida y puede servir como una superficie sobre la cual depositar otros componentes de la capa de rigidez, como se describirá en la presente, y para unirse mecánicamente y también puede unirse químicamente con el polímero y un aglutinante.

El relleno 18 se dispersa sobre el soporte 10. El relleno 18 puede incluir fibras naturales y artificiales, materia orgánica y minerales. Si se usan fibras como relleno 18, pueden ser fibras de carbono troceadas recicladas o cintas de fibra de carbono; fibras de fibra de vidrio de desechos; fibras de anhidrita derivadas de residuos de yeso; fibras de desechos textiles o productos de tela reciclados, incluyendo algodón, seda y sintéticos; fibras de celulosa de desechos de madera, papel, cartón o bambú; alambre metálico u otras fibras metálicas; o cualquier combinación de los anteriores. También pueden usarse como relleno minerales como zeolitas, puzolanas y cenizas volantes, que son un desecho de la quema de carbón, y otras sustancias que alteran las características de la capa de rigidez, facilitan el proceso de fabricación o simplemente añaden volumen. El polímero puede ser cloruro de polivinilo.

Cuando se usan fibras como relleno 18, las fibras pueden ser de cualquier longitud. Las fibras de fibra de vidrio y de fibra de carbono troceadas funcionan bien y pueden ser más rentables para la mayoría de las aplicaciones que las fibras largas, particularmente si son un producto de desecho de otras operaciones de fabricación. De manera similar, pueden fabricarse pelos de anhidrita económicamente a partir de yeso, que es un producto de desecho de muchos procesos industriales, son extremadamente fuertes y se unirán químicamente al cloruro de polivinilo (PVC), especialmente si se tratan previamente con alcohol polivinílico y glutaraldehído. También puede usarse una mezcla de fibras largas y cortas como relleno 18. En un aspecto, el relleno 18 formará una capa que casi llena el primer soporte 10 de lado a lado y es tan larga como el soporte 10.

La dispersión del material del relleno 18 puede lograrse mediante cualquier método que produzca una distribución de material sobre gran parte del primer soporte 10, como agitando o extendiendo el relleno 18 sobre el primer soporte 10 a medida que se desenrolla el primer soporte 10. Por ejemplo, puede colocarse una cantidad de relleno 18 en una tolva 22. A medida que el relleno 18 desciende al fondo de la tolva 22, un rodillo 26 mueve el relleno más bajo pasando una pala 30 que controla la cantidad de relleno 18 que pasa hacia adelante. El relleno luego cae sobre un rodillo de brocha 34. El rodillo de brocha 34 cepilla el relleno 18 sobre el primer soporte 10 a medida que se mueve el primer soporte 10.

Para ayudar en el establecimiento de una estera 38 de relleno 18 en el primer soporte 10, puede aplicarse un adhesivo 40 al primer soporte 10 antes de la dispersión del relleno 18. Puede rociarse el adhesivo 40 en una tolva 42 a través de una boquilla 46 sobre el soporte 10 antes de que se disperse el relleno 18. Si la estera 38 se construye en capas, quizás usando una secuencia de tolvas 22, puede realizarse una pulverización de adhesivo adicional para formar la capa de relleno con una profundidad y uniformidad diseñadas.

La cantidad de relleno 18 que puede usarse para formar la estera 38 depende del propósito del producto compuesto, incluyendo sus propiedades mecánicas, y la elección del relleno o rellenos que están disponibles y sus características y precio. Por consiguiente, la cantidad de relleno 18 dispersada sobre el primer soporte 10 puede tener un espesor de por lo menos un centímetro.

Puede aplicarse un aglutinante 50 a la estera 38 sobre el primer soporte 10. El aglutinante 50 puede estar en forma de un líquido o de un polvo que, cuando se calienta, forma un líquido. El aglutinante 50 se dispersa sobre la estera 38 de tal manera que caiga en los huecos y espacios de la superficie de la estera 38 que está formada por el relleno 18 depositado. El aglutinante 50 puede aplicarse de cualquier manera que sea adecuada para su distribución como pulverización, inmersión, goteo o soplado desde una tolva 54. El aglutinante 50 puede ser un material seleccionado para que sea compatible con el primer soporte 10, como HDPE o PET (PETG o PETE) y puede estar en forma de neblina, líquido, polvo, o gránulos como PETG triturado y reciclado.

Se aplica un segundo soporte 58 sobre la parte superior de la estera 38 desde un segundo núcleo 48. El segundo soporte 58 puede estar hecho del mismo material que el primer soporte 10, como HDPE o PET (PETG o PETE). El primer soporte 10 y el relleno 18, y el aglutinante 50 y opcionalmente con el adhesivo 40 se combinan para formar una capa de rigidez 62.

La capa de rigidez 62 se pasa a través de los rodillos de camisa calentados 60, 64, que aplican calor y presión para ablandar y licuar el primer soporte 10, el aglutinante 50 y el segundo soporte 58 para que fluyan a través del relleno 18 de la estera 38. Los rodillos de camisa 60, 64, pueden usarse tanto para calentar como para prensar o el calentamiento puede realizarse primero por un medio separado, como calentadores infrarrojos, seguido de prensado. Puede usarse más de un juego de rodillos de camisa 60, 64. Los rodillos de camisa 60, 64 pueden estar separados de tal manera que la estera 38 con los soportes 10 se comprima por etapas cuando pasa entre ellos. Los rodillos de camisa 64 pueden estar separados más juntos que los rodillos de camisa 60 para aplicar más presión incrementalmente para infundir el aglutinante 50 a lo largo de la estera 38 para que el aglutinante 50 penetre en la estera 38 y se una con el primer y el segundo soportes 10, 58.

Opcionalmente, conjuntos sucesivos de rodillos de camisa 60, 64 pueden rotar a velocidades sucesivamente más rápidas, estirando de este modo la capa de rigidez 62 mientras aún se está enfriando, alineando parcialmente de este modo las fibras del relleno 18, especialmente si son fibras troceadas, en la dirección del estiramiento de una manera análoga a las fibras de la madera, impartiendo por tanto una mayor resistencia a la capa 62 comparable a la que puede alcanzarse con fibras largas.

El aglutinante 50 se une al relleno 18 y puede unirse mecánica o químicamente al primer y al segundo soportes 10, 58, dependiendo de la elección de los materiales del primer y el segundo soporte 10, 58. El soporte 10 es una tela, por lo que la unión puede ser mecánica a medida que el aglutinante penetra entre los hilos y las fibras de la tela.

Unión química en la presente significa que los enlaces químicos se forman entre los átomos o moléculas de dos materiales diferentes. La unión mecánica, o acción compuesta, se usa para indicar que un material fluido fluye alrededor de un material sólido y, cuando se enfría, captura el material sólido en la matriz del material enfriado.

La capa de rigidez 62, como se ha descrito anteriormente, puede elaborarse en un proceso por lotes o en un proceso de extrusión continua.

Una vez que el primer y el segundo soportes 10, 58 y el aglutinante 50 se ha enfriado, la capa de rigidez 62 avanza hacia un troquel de cabezal transversal 66 donde una o más capas de polímero 72, 76 se extruyen sobre ella para formar un compuesto estructural 68. Las capas de polímero 72, 76 pueden ser de cloruro de polivinilo extruido con o sin un agente espumante.

Puede incluirse más de una capa de rigidez 62 en el compuesto estructural 68 formando una pluralidad de capas de rigidez 62 o formando una capa de rigidez 62 y cortándola en tiras más estrechas. La capa de rigidez 62 puede usarse como una capa delgada y plana (tal como está hecha), o puede deformarse si se desea para tener una tercera dimensión para proporcionar rigidez multidimensional. La capa de rigidez 62 puede cortarse en dos o más tiras o porciones que preferiblemente se separan por parejas o grupos para impartir una mayor resistencia a la flexión que la que se lograría si se usara la misma capa de rigidez 62 en una sola pieza o incluso si las tiras cortadas de la capa de rigidez 62 se hubiesen colocado más cerca.

La capa de rigidez 62 puede modificarse antes de pasar a través del troquel de cabezal transversal 66 para proporcionar unión mecánica entre la capa de rigidez 62 y las capas de polímero 72, 76. Formando orificios en la capa de rigidez 62 o punzones, ambos de los cuales impulsan las partes de la capa de rigidez 62 fuera del plano definido de otro modo por la capa de rigidez 62, el polímero puede fluir hacia y a través del plano definido por la capa de rigidez 62 y aumentar de este modo la interconexión entre la capa de rigidez 62 y las capas de polímero 72, 76. Estas modificaciones pueden realizarse mediante rodillos, troqueles, punzonadoras o cortadores adicionales a través de los cuales se hace pasar la capa de rigidez 62.

Después de que se ha extruido el compuesto estructural 68, se corta en las longitudes deseadas con sierras itinerantes, láser, chorros de agua u otros dispositivos de corte.

En la FIG. 2 se ilustra esquemáticamente un método para elaborar un compuesto estructural. El método incluye el paso de desplegar el primer soporte 10, que puede estar hecho de tela plástica. El relleno 18 se dispersa sobre el primer soporte 10 para formar una estera 38. Puede aplicarse un adhesivo 40 al primer soporte 10 para mantener el material que comprende el relleno 18 en su sitio sobre el primer soporte 10. También puede dispersarse un aglutinante 50 sobre la estera 38.

Una vez que se ha formado la estera 38, se somete a calor para fundir el primer soporte 10 y el aglutinante 50 para que fluyan hacia el relleno 18. Para instar al primer soporte 10 licuado y al aglutinante 50 a fluir hacia el relleno 18, se presiona la estera 38. Estos dos pasos pueden realizarse al mismo tiempo usando pares de rodillos de camisa calentados 60, 64, que tanto calientan como presionan la estera 38. Además, los rodillos de camisa calentados 60, 64 pueden estirar la estera 38 si se hace que los rodillos de camisa 64 roten ligeramente más rápido que los rodillos de camisa precedentes 60. Estirar la estera 38 mientras se solidifica el aglutinante 50 tiende a alinear el relleno 18 para mejorar la rigidez. La velocidad incremental de los rodillos calentadores de camisa 64 puede determinarse mediante una cantidad modesta de experimentación.

La capa de rigidez completada 62 puede luego formarse para tener un perfil que proporcione rigidez en más de una dirección. El término perfil significa que la capa de rigidez se dobla o se forma a partir de una capa bidimensional para extenderse también en una tercera dimensión, como una forma de U, una forma de W o una forma de L. La capa de rigidez completada 62 también puede cortarse en tiras o segmentos que se colocan para mejorar la rigidez general en diferentes direcciones. Las tiras pueden separarse y alejarse del eje neutro del elemento estructural compuesto antes de añadir el polímero. Puede usarse un troquel de cabezal transversal para extruir el polímero alrededor de las tiras de la capa de rigidez 62.

Con referencia ahora a las FIGS. 3A-3H, se muestran algunas maneras representativas mediante las cuales puede distribuirse una capa o capas de rigidez dentro de un producto compuesto. Para simplificar, cada compuesto estructural se muestra como una sección transversal rectangular simple en la que se muestra una capa o capas de rigidez en el polímero. Por convención en el análisis de ingeniería, la carga externa se muestra con una flecha que apunta hacia abajo.

En el ejemplo mostrado en la FIG. 3A, una capa de rigidez 80 discurre generalmente paralela y a medio camino entre las superficies superior e inferior de un artículo compuesto 84 terminado relativamente delgado. Para aumentar la rigidez de la capa de rigidez 80, se perfora con orificios 88 a través de los cuales el polímero 92 puede fluir para fijarse a la capa de rigidez 80 por acción compuesta, que es el efecto de unión que se produce cuando la capa de rigidez 80 se incorpora a la matriz del polímero 92.

En el ejemplo mostrado en la FIG. 3B, una única capa de rigidez 96 discurre generalmente paralela y a medio camino entre las superficies superior e inferior de un artículo compuesto 100 terminado relativamente delgado. Para aumentar la rigidez de la capa de rigidez 96, puede perforarse desde uno o dos lados, como se muestra, para tener depresiones 104 que también resultan en acción compuesta entre la capa de rigidez 96 y la matriz de polímero 108.

La FIG. 3C muestra una distribución de refuerzo simple y altamente eficaz de las capas de rigidez 112, 116 en una matriz polimérica 120, de acuerdo con un aspecto de la divulgación. Las capas de rigidez 112, 116 se colocan horizontalmente, paralelas entre sí y perpendiculares a la dirección de la carga, y separadas en esa dirección dentro de la sección transversal de un artículo compuesto 124. El resultado se comporta de manera muy similar a una viga en I de acero, en el que las alas horizontales gruesas en la parte superior e inferior están separadas por un alma de acero vertical típicamente más delgada. Cuando se carga desde arriba, el ala superior de la viga en I, la capa de rigidez 112, se coloca en compresión perpendicular a la sección transversal de la viga, mientras que el ala inferior, la capa de rigidez 116, se coloca en tensión. Como cada punto a lo largo de la anchura ^{de las capas de rigidez 112,}116 ^{experimenta una tensión o compresión similar, la anchura total puede cargarse}hasta casi la tensión de rotura de la composición del artículo compuesto 124 antes de que se produzca la rotura.

La FIG. 3D muestra otra distribución simple, aquí con una pluralidad de miembros de rigidez 128, 132, 136, colocados verticalmente, paralelos a la dirección de la carga. Aunque esta configuración aprovecha menos la geometría, como solo los bordes de cada miembro de rigidez 128, 132, 136, en un polímero 138, pueden cargarse cerca de la tensión de fallo mientras que las partes más cercanas al centro experimentan menos carga, aún puede ser útil en muchos casos.

El ejemplo de la FIG. 3E muestra una combinación de capas de rigidez verticales y horizontales 140, 144, 148, 152, que forman un artículo compuesto en forma de caja 156 capaz de resistir la carga desde una variedad de direcciones antes de fallar.

La FIG. 3F muestra una única capa de rigidez 158 en un artículo compuesto 162. La capa de rigidez 158 se ha plegado en una forma tridimensional que comprende los planos de refuerzo superior e inferior 166, 170, unidos por una red vertical 174. En algunos casos, puede ser conveniente para un fabricante deformar una única capa de rigidez 158 de esta manera en lugar de cortarla.

Las FIG. 3G y 3H muestran maneras alternativas de plegar una única capa de rigidez 178, 178' en un perfil tridimensional que tiene una simetría horizontal mayor que la configuración mostrada en la FIG. 3F. Además, como el refuerzo que contiene fibra es típicamente más fuerte en tensión que en compresión, donde, si no se sujeta adecuadamente, tiende a arrugarse, estos perfiles colocan una mayor cantidad de material de rigidez en la parte superior para soportar la compresión, mientras que se coloca una cantidad menor en la parte inferior para aceptar la tensión. Los ingenieros mecánicos pueden reconocer especialmente la distribución mostrada en la FIG. 3G ya que, cuando se fabrica en acero, con modificaciones menores, forma la estructura de canales para UNI-STRUT (una marca comercial de Atkore International) y sistemas de estructuras de acero similares.

En referencia ahora a la FIG. 4, se muestra un producto compuesto 180 para una jamba de puerta, formado usando el presente método e incorporando una pluralidad de capas de rigidez 182, 184, 186, 188, 190, 192 y 194, cada una de las cuales comprende una tira estrecha potencialmente separada de una capa de rigidez originalmente más ancha. Las capas de rigidez 182, 184, 186, 188 y 190 y la separación de las capas de rigidez 192 y 194 proporcionan rigidez principalmente en la dirección horizontal, mientras que las capas de rigidez 192, 194 y la separación de las capas de rigidez 182, 190 y 184, 186, 188 proporcionan rigidez en la dirección vertical. Las capas de rigidez 182, 184, 186, 188, 180, 192 y 194 no tienen que ser planas, como se muestra, y pueden estar curvadas o formadas en cualquier otra forma como pueda ser conveniente para la fabricación a la vez que proporcionan la resistencia a la flexión y el cizallamiento requerida para una aplicación dada.

Existe un método simple para estimar la rigidez y la resistencia a la flexión de un artículo hecho usando aspectos de la divulgación, de manera que pueda evaluarse cualquier distribución de capa o capas de rigidez y seleccionarse una configuración óptima. El método se basa en uno que se encuentra a menudo en los libros de texto de ingeniería para calcular la flexión de las vigas, y específicamente en E. P. Popov, Mechanics of Materials, Segunda Edición, © 1976 por Prentice-Hall, Inc, aunque aquí simplificado por conveniencia. Las simplificaciones son conservadoras, y tienden ligeramente a subestimar la rigidez y la resistencia por un mayor factor de seguridad.

Con propósitos de ilustración, se muestra de nuevo en la FIG. 5 una sección transversal del miembro estructural mostrado en la FIG. 4. Se supone que la carga proviene de arriba y se estimará la rigidez y la resistencia a la flexión en esta dirección. Para la rigidez y la resistencia a la flexión al resistir una fuerza desde cualquier otra dirección, la sección transversal puede simplemente rotarse colocando la dirección de la fuerza de nuevo en la parte superior.

Primero se dibuja la sección transversal, ya sea en tamaño real o en alguna fracción integral conveniente (1/2, 1/5, etc.) o múltiplo (2, 5, etc.) de la misma, ya sea en papel cuadriculado o, más preferiblemente, en una pantalla de ordenador ejecutando una aplicación de diseño como CAD. Esto puede hacerse, por ejemplo, calcando sobre una fotografía o un dibujo como se muestra en la FIG. 5A, seguido de ajuste de escala.

El polímero que lo encierra luego se "elimina" del dibujo (en otras palabras, y conservadoramente, no se toma ningún crédito por la fuerza o rigidez que pueda aportar). Se dibuja un eje cero 200, en cualquier parte del dibujo, aunque más convenientemente en la parte inferior, como se muestra en la FIG. 5B.

La anchura, W, de cada capa de rigidez (aquí, 182 a 194) y su la distancia Y desde el eje cero se mide, se expresa en pulgadas reales (sin escala) y se registra en formato tabular, por ejemplo en una hoja de cálculo, junto con una "h" o "v" que muestra si la capa de rigidez está orientada horizontal o verticalmente ya que en una etapa posterior de análisis los dos serán tratados de manera diferente. Al usar una hoja de cálculo, "h" se reemplaza convenientemente por "0" y "v", por "1".

Para cada capa, W e Y se multiplican entre sí. Las anchuras también se suman, los productos de W e Y se suman, luego la suma de los productos se divide por la suma de las anchuras para encontrar la localización del eje neutro 216 sobre el eje cero 200:

como se muestra en la tabla a la derecha de la FIG. 5C.

Para el ejemplo, el eje neutro 216 está localizado 12,2 mm (0,482 pulgadas) por encima del eje cero. Luego, se añade al dibujo una línea que representa el eje neutro 216. Se encuentra la distancia Y-Y' de cada capa de rigidez desde el eje neutro, se eleva al cuadrado y luego se multiplica por la anchura:

Esta expresión representa la contribución relativa de cada capa a la rigidez general y a la resistencia a la flexión.

Como es obvio a partir de la tabla de la FIG. 5C, aquellas capas más alejadas del eje neutro contribuyen desproporcionadamente, mientras que las contribuciones de los que están cerca pueden ser tan pequeñas que resultan insignificantes. Esta característica de la divulgación demuestra una ventaja sobre el estado de la técnica conocida, en la que la colocación del material de rigidez puede variarse para lograr la mayor rigidez y resistencia a la flexión incluso cuando se usan fibras cortas, mezclas de fibras largas y cortas y mezclas de diferentes tipos de fibras. Además, debido a que el miembro de rigidez puede cortarse, una única anchura de miembro de rigidez puede proporcionar varias capas de rigidez en una sola extrusión a través de un troquel de cabezal transversal.

Solamente para las capas de rigidez verticales, como su resistencia se distribuye sobre un intervalo de distancias desde el eje neutro, es necesario un paso adicional. La anchura de dicha capa se eleva al cubo, luego se divide por 12. Los ingenieros estructurales reconocerán esto como la fórmula para el momento de inercia de una viga en I rectangular I = bh3/12, sin su término base ya que, de manera conservadora y por simplicidad, todas las capas de rigidez se tratan aquí como planos simples. El uso de "1" en la hoja de cálculo para representar una capa de rigidez vertical invoca este paso adicional, mientras que para una capa de rigidez horizontal, el "0" hace que se omita.

Todos los términos (Y-Y')2*W, y para capas verticales solo los términos W3/122, se suman para obtener el momento de inercia total:

I total = E (Y-Y’)2*W Zvert W 3/12.

El resultado se da en unidades de longitud al cubo. Para el ejemplo analizado, el resultado es de 9650 mm cúbicos (0,589 pulgadas cúbicas). Los momentos de inercia se expresan normalmente en dimensiones de longitud a la cuarta potencia. La diferencia aquí se debe al uso de libras por pulgada de anchura, en lugar de libras por pulgada cuadrada, para la resistencia y elasticidad de la capa de rigidez.

Puede encontrar una estimación conservadora de la rigidez del elemento estructural multiplicando Itotal por el módulo elástico E del material de la capa de rigidez, de nuevo expresado en libras por pulgada de anchura. Para las muestras producidas de acuerdo con el método divulgado, E es de aproximadamente 3,8 GPa (550.000 libras por pulgada cuadrada). Un espesor típico de 2,03 mm (0,08 pulgadas) produce entonces 7,7 MN/m (44.000 libras por pulgada) de anchura. Por consiguiente, la rigidez del miembro estructural recién analizado se estima de manera conservadora en 7,7 MN/m * 9,65 pm3 = 74 m2N (44.000 Ib/in * 0,589 in3 = 25.916 in2lbf, lo que reemplaza el habitual El (I = momento de inercia en in4) en la mayoría de los cálculos estructurales.

Por ejemplo, la deflexión máxima de una viga con carga central apoyada en los extremos (despreciando el peso de la propia viga) normalmente se calcula como

^Vmax= PL3/48EI,

donde P es la carga en libras, L la longitud de la viga en pulgadas, y E e I son como se han definido anteriormente. Tomando P como 4,5 N (1 libra) y L como 2,4 m (96 pulgadas), y reemplazando El con 74 m2N (25.916 in2lbf) se obtiene una desviación, vmax, igual a 4,5 * 2,43/48*74= 0,018 (1 * 643/25.916 = 0,711 pulgadas), un valor razonable.

De manera similar, la resistencia a la flexión de una viga, el momento de flexión máximo que puede soportar sin daño, normalmente se encuentra como

M max = C max* I total / C,

donde amax es la tensión máxima permitida en libras por pulgada cuadrada y c es la distancia desde el eje neutro 216 hasta el elemento de soporte de carga más distante.

En este enfoque simplificado, amax es la resistencia a la tracción o compresión de la capa de rigidez en libras por pulgada de anchura. Esta se reduce deseablemente en un 20% para proporcionar un factor de seguridad conocido. l[subtotal] se encuentran en la FIG. 5C reemplaza a I. Un amax esperado para PET reforzado con fibra de carbono de acuerdo con el método divulgado es de 690 MPa (100.000 lb/in2), que con un espesor de 2,03 mm (0,08 pulgadas) se traduce en 1,1 MN/m (6400 libras por pulgada) de anchura. La mayor distancia Y-Y' para el ejemplo de la Figura 5 es de 11,1 mm (0,438 pulgadas). De nuevo usando Itotal = 7,39 x 10-6m3 (0,451 in3) proporciona un valor de Mmax igual a 1,1 MN/m * 9,68 x 10-6 m3/11,1 mm = 972 Nm (6400 Ibf/in * 0,589 in3/0,438 in = 8606 pulgadaslibras) de momento de flexión permitido. Este es un valor sorprendentemente alto para un pequeño artículo compuesto reforzado como la jamba de una puerta, ciertamente más alto de lo que se esperaría para la madera natural, pero realista en base al rendimiento de las muestras probadas.

Por lo tanto, se aclara una ventaja de la composición y el método divulgados sobre todo el estado de la técnica conocida: la flexibilidad de la colocación de la capa de rigidez que se hace posible es manejable usando matemáticas simples, implementadas fácilmente a través de una hoja de cálculo, para evaluar y optimizar la colocación dentro de un artículo compuesto o miembro estructural para lograr prácticamente cualquier rigidez o resistencia a la flexión deseadas con una gran economía de materiales. Esta ventaja es tanto más evidente a la luz del hecho de que el método divulgado puede llevarse a cabo con materiales reciclados.

Cuando se introducen elementos de la presente divulgación o aspectos ejemplares o realizaciones de los mismos, se pretende que los artículos "un", "uno", "el" y "dicho" signifiquen que hay uno o más de los elementos. Los términos "que comprende", "que incluye" y "que tiene" se pretende que sean ser inclusivos y significan que puede haber elementos adicionales además de los elementos enumerados. Aunque esta divulgación se ha descrito con respecto a realizaciones específicas, los detalles de estas realizaciones no deben interpretarse como limitaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un método para elaborar un compuesto estructural (68), dicho método comprendiendo los pasos de: desenrollar un primer soporte (10) que es una tela;

dispersar un relleno (18) sobre dicho primer soporte para formar una estera (38);

aplicar un aglutinante (50) a la estera;

desenrollar un segundo soporte (58) sobre la parte superior de dicho relleno, en donde dicho primer soporte, dicho relleno y dicho segundo soporte forman dicha estera;

calentar dicho primer soporte, dicho aglutinante y dicho segundo soporte para licuar dicho primer soporte, dicho aglutinante y dicho segundo soporte;

prensar dicha estera, dicho aglutinante, dicho primer soporte y dicho segundo soporte entre sí a medida que dichos soportes se enfrían para formar por lo menos una capa de rigidez (63); y extruir un polímero (72, 76) sobre dicha por lo menos una capa de rigidez para formar un compuesto estructural (68).

2. El método como se enumera en la reivindicación 1, que comprende además el paso de extruir dicho polímero sobre dicha por lo menos una capa de rigidez a través de un troquel de cabezal transversal (66).

3. El método como se enumera en la reivindicación 1, en donde dicho relleno se selecciona del grupo que consiste de fibras de carbono troceadas, fibras de fibra de vidrio troceadas, pelos de anhidrita, y mezclas de los mismos.

4. El método como se enumera en la reivindicación 1, que comprende además el paso de estirar dicha estera.

5. El método como se enumera en la reivindicación 1, en donde dicho paso de calentamiento y dicho paso de prensado comprenden además el paso de enrollar dicho soporte con dicha estera sobre el mismo entro por lo menos un par de rodillos de camisa calentados (60, 64).

6. El método como se enumera en la reivindicación 4, en donde dicho paso de estiramiento comprende además el paso de enrollar dicho soporte con dicha estera sobre el mismo entre un primer conjunto de rodillos (60) y luego un segundo conjunto de rodillos (64) en donde dicho segundo conjunto de rodillos es más rápido que dicho primer conjunto de rodillos.

7. El método como se enumera en la reivindicación 1, en donde dicha por lo menos una capa de rigidez comprende una primera capa de rigidez y una segunda capa de rigidez, y en donde dicho método comprende además el paso de separa dicha primera capa de rigidez de dicha segunda capa de rigidez antes de extruir dicha primera capa de rigidez y dicha segunda capa de rigidez con dicho polímero.

8. El método como se enumera en la reivindicación 1, en donde dicho primer soporte y dicho polímero son químicamente compatibles.

9. El método como se enumera en la reivindicación 1, que comprende además el paso de aplicar un adhesivo (40) a dicho primer soporte antes de dispersar dicho relleno.

10. El método como se enumera en la reivindicación 1, en donde dicho polímero es cloruro de polivinilo.

11. El método como se enumera en la reivindicación 1, que comprende además el paso de formar orificios (88) o depresiones (104) en dicha por lo menos una capa de rigidez (80, 96).