Material compuesto con mezcla de partículas termoplásticas.

Un material compuesto pre-impregnado que comprende:

A) fibras de refuerzo,

y

B) una matriz que comprende:

a) un componente de resina que comprende una resina epoxi difuncional y al menos una resina epoxi aromática multifuncional con una funcionalidad superior a dos, en la que la resina epoxi multifuncional es una combinación de epoxies trifuncionales y tetrafuncionales;

b) un componente de partículas termoplásticas que comprende entre 20% y el 80% de partículas termoplásticas de alto punto de fusión, que tienen un punto de fusión superior a una temperatura, siendo dicha temperatura de entre 140ºC y 200ºC, y entre el 20% y el 80% en peso de partículas termoplásticas de bajo punto de fusión igual o inferior a dicha temperatura;

d) un agente de endurecimiento termoplástico; y

e) un agente de curado.

Material compuesto con mezcla de partículas termoplásticas Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención La presente invención se refiere, en general, a un material compuesto pre-impregnado (prepreg) que se usa en la fabricación de piezas de material compuesto de alto rendimiento. Más particularmente, la invención está dirigida a proporcionar un prepreg que pueda ser curado/moldeado para formar piezas de material compuesto que tienen alta resistencia, tolerancia a daños y resistencia a la fractura interlaminar.

2. Descripción de la técnica relacionada Los materiales compuestos se componen típicamente de una matriz continua de resina y fibras de refuerzo como los dos componentes principales. Frecuentemente, los materiales compuestos se requieren para entornos exigentes, tales como en el campo de la industria aeroespacial, donde los límites físicos y las características de las piezas de material compuesto son de importancia crítica.

El material compuesto pre-impregnado (prepreg) se usa ampliamente en la fabricación de piezas de material compuesto. El prepreg es una combinación de una matriz de resina no curada y un refuerzo de fibras, que está en una forma que está preparada para ser moldeada y curada en la pieza de material compuesto final. Al pre-impregnar el refuerzo de fibras con resina, el fabricante puede controlar cuidadosamente la cantidad y la ubicación de resina que se impregna en la red de fibras y puede asegurar que la resina se distribuye en la red según se desea. Es bien sabido que la cantidad relativa de fibras y resina en una pieza de material compuesto y la distribución de la resina dentro de la red de fibras tienen un gran efecto sobre las propiedades estructurales de la pieza. El prepreg es un material preferente para su uso en la fabricación de piezas estructurales que soportan cargas y, particularmente, piezas de material compuesto para aplicaciones aeroespaciales, tales como alas, fuselajes, mamparos y superficies de control. Es importante que estas piezas tengan suficiente resistencia, tolerancia a daños y otros requisitos establecidos de manera rutinaria para dichas piezas.

Los refuerzos de fibra que se usan comúnmente en el prepreg usado en la industria aeroespacial son telas tejidas multidireccionales o cinta unidireccional que contiene fibras que se extienden paralelas entre sí. Típicamente, las fibras están en forma de haces de numerosas fibras o filamentos individuales, que se conocen como "estopas". Las fibras o estopas también pueden estar troceadas y orientadas aleatoriamente en la resina para formar una estera no tejida. Estas diversas configuraciones de refuerzo de fibras se impregnan con una cantidad cuidadosamente controlada de resina no curada. Típicamente, el material prepreg resultante se coloca entre capas protectoras y se enrolla para su almacenamiento o transporte a la planta de fabricación.

El prepreg puede estar también en forma de segmentos cortos de cinta unidireccional troceada que están orientados aleatoriamente para formar una estera no tejida de cinta unidireccional troceada. Este tipo de prepreg se conoce como prepreg "troceado cuasi-isotrópico". El prepreg troceado cuasi-isotrópico es similar al prepreg de estera de fibra no tejida más tradicional, excepto que las cortas longitudes de la cinta unidireccional troceada (chips) están orientadas aleatoriamente en la estera en lugar de fibras cortadas.

La resistencia a la tracción de un material compuesto curado viene determinada, en gran medida, por las propiedades individuales de la fibra de refuerzo y la resina de la matriz, así como por la interacción entre estos dos componentes. Además, la proporción de volumen de fibra-resina es un factor importante. Los compuestos curados que están bajo tensión tienden a fallar a través de un mecanismo de daños acumulados debidos a múltiples roturas por tracción de los filamentos de fibras individuales situados en las estopas de refuerzo. Una vez que los niveles de estrés en la resina contigua a los extremos de los filamentos rotos se hacen demasiado grandes, el compuesto completo puede fallar. Por lo tanto, la resistencia de la fibra, la resistencia de la matriz y la eficiencia de la disipación de la tensión en las proximidades de los extremos de los filamentos rotos contribuirá a la resistencia a la tracción de un material compuesto curado.

En muchas aplicaciones, es deseable maximizar la propiedad de resistencia a la tracción del material compuesto curado. Sin embargo, los intentos para maximizar la resistencia a la tracción pueden resultar, frecuentemente, en efectos negativos sobre otras propiedades deseables, tales como la resistencia a la compresión y la tolerancia a daños de la estructura compuesta. Además, los intentos para maximizar la resistencia a la tracción pueden tener efectos impredecibles sobre la pegajosidad y el tiempo de vida a temperatura ambiente del prepreg. La pegajosidad o adhesividad del prepreg no curado se conoce comúnmente como "pegajosidad". La pegajosidad del prepreg no curado es de considerable importancia durante las operaciones de estratificación y moldeo. El prepreg con poca o ninguna pegajosidad es difícil de formar en laminados que se puedan ser moldeados para formar piezas de material compuesto estructuralmente fuertes. Por el contrario el prepreg con demasiada pegajosidad puede ser difícil de manipular y también difícil de colocar en el molde. Es deseable que el prepreg tenga la cantidad correcta de pegajosidad para asegurar una

manipulación sencilla y buenas características de laminado/moldeo. En cualquier intento de aumentar la resistencia y/o la tolerancia a daños de un material compuesto curado determinado, es importante que la pegajosidad del prepreg no curado permanezca dentro de límites aceptables para asegurar una manipulación y un moldeo adecuados del prepreg.

El "tiempo de vida a temperatura ambiente" del prepreg es el periodo de tiempo que el prepreg puede estar expuesto a condiciones ambiente antes de ser sometido a un grado inaceptable de curado. El tiempo de vida a temperatura ambiente de un prepreg puede variar ampliamente dependiendo de una diversidad de factores, pero está controlado, principalmente, por la formulación de la resina usada. El tiempo de vida a temperatura ambiente del prepreg debe ser suficientemente largo para permitir una manipulación normal y que se realicen las operaciones de estratificación y moldeo sin que el prepreg experimente niveles inaceptables de curado. En cualquier intento de aumentar la resistencia y/o la tolerancia a daños de un material compuesto curado determinado, es importante que el tiempo de vida a temperatura ambiente del prepreg no curado se mantenga tan largo como sea posible, para permitir suficiente tiempo de procesamiento, manipulación y colocación del prepreg antes del curado.

El procedimiento más común de aumentar la resistencia a la tracción del compuesto es cambiar la superficie de la fibra con el fin de debilitar la fuerza de la unión entre la matriz y la fibra. Esto puede conseguirse reduciendo la cantidad de tratamiento de electro-oxidación de la superficie de la fibra después de la grafitización. La reducción de la fuerza de la unión de la matriz de fibra introduce un mecanismo para la disipación de la tensión en los extremos de filamento expuestos mediante desunión interfacial. Esta desunión interfacial proporciona un aumento en la cantidad de daños debido a la tracción que puede soportar una pieza de material compuesto antes de fallar debido a la tensión.

Como alternativa, la aplicación de un revestimiento o "cola" a la fibra puede reducir la fuerza de la unión resina-fibra. Este enfoque es bien conocido en compuestos de fibra de vidrio, pero también puede aplicarse a materiales compuestos reforzados con fibras de carbono. Usando estas estrategias, es posible conseguir aumentos significativos en la resistencia a la tracción. Sin embargo, las mejoras vienen acompañadas de una disminución en las propiedades, tales como la resistencia a la compresión después de impacto (CAI) , lo que requiere una alta fuerza de unión entre la matriz de resina y las fibras.

Otro enfoque alternativo es usar una matriz de módulo más bajo. Una resina de módulo bajo reduce el nivel de estrés que se acumula en la proximidad inmediata de los filamentos rotos. Esto se consigue normalmente seleccionando resinas con un módulo intrínsecamente más bajo (por ejemplo ésteres de cianato) , o incorporando un ingrediente, tal como un elastómero (butadieno-acrilonitrilo terminado en carboxi [CTBN], butadieno-acrilonitrilo terminado en amina [ATBN] y similares) . Las combinaciones de estos diversos enfoques son también conocidas.

La selección de resinas de módulo más bajo puede ser efectiva... [Seguir leyendo]

1. Un material compuesto pre-impregnado que comprende:

A) fibras de refuerzo, y B) una matriz que comprende:

a) un componente de resina que comprende una resina epoxi difuncional y al menos una resina epoxi aromática multifuncional con una funcionalidad superior a dos, en la que la resina epoxi multifuncional es una combinación de epoxies trifuncionales y tetrafuncionales; b) un componente de partículas termoplásticas que comprende entre 20% y el 80% de partículas termoplásticas de alto punto de fusión, que tienen un punto de fusión superior a una temperatura, siendo dicha temperatura de entre 140º C y 200º C, y entre el 20% y el 80% en peso de partículas termoplásticas de bajo punto de fusión igual o inferior a dicha temperatura; d) un agente de endurecimiento termoplástico; y e) un agente de curado.

2. Material compuesto pre-impregnado según la reivindicación 1, en el que dichas fibras de refuerzo son seleccionados de entre el grupo que consiste en vidrio, carbono y aramida.

3. Material compuesto pre-impregnado según la reivindicación 1, en el que dicha resina epoxi difuncional es seleccionada de entre el grupo que consiste en diglicidil éter de bisfenol F, diglicidil éter de bisfenol A, diglicidil-dihidroxi naftaleno y sus combinaciones.

4. Material compuesto pre-impregnado según la reivindicación 1, en el que dicho agente de endurecimiento es seleccionado de entre el grupo que consiste en poli éter sulfona, polieteretersulfona, polifenil sulfona, polisulfona, poliimida, polieterimida, aramida, poliamida, poliéster, policetona, polieteretercetona, poliuretano, poliurea, poliariléter, poliarilsulfuro, policarbonato y óxido de polifenileno.

5. Material compuesto pre-impregnado según la reivindicación 1, en el que dicho agente de curado es una amina aromática.

6. Material compuesto pre-impregnado según la reivindicación 1, en el que dicha matriz comprende:

del 40 al 65 por ciento en peso de dicho componente de resina; del 3 al 10 por ciento en peso de dichas partículas termoplásticas de alto punto de fusión; del 3 al 10 por ciento en peso de dichas partículas termoplásticas de bajo punto de fusión; del 10 al 20 por ciento en peso de dicho agente de endurecimiento termoplástico; y del 15 al 25 por ciento en peso de dicho agente de curado.

7. Material compuesto pre-impregnado según las reivindicaciones 1 o 6, en el que dicho componente de resina comprende una meta-glicidil amina trifuncional y una para-glicidil amina tetrafuncional.

8. Material compuesto pre-impregnado según la reivindicación 7, en el que dicha resina epoxi difuncional es diglicidil éter de bisfenol F.

9. Material compuesto pre-impregnado según las reivindicaciones 1 u 8 , en el que dichas partículas termoplásticas de alto punto de fusión son seleccionadas de entre el grupo que consiste en poliamida 6 y dichas partículas termoplásticas de bajo punto de fusión son seleccionadas de entre el grupo que consiste en copolímeros de poliamida 6 y poliamida 12.

10. Material compuesto pre-impregnado según la reivindicación 9, en el que dicho agente de endurecimiento termoplástico es poliéter sulfona.

11. Material compuesto pre-impregnado según la reivindicación 10, en el que dicho agente de curado es 4, 4diaminodifenilsulfona.

12. Material compuesto pre-impregnado según las reivindicaciones 1 o 10, en el que la cantidad de dichas partículas termoplásticas de alto punto de fusión en dicho componente termoplástico es aproximadamente igual a la cantidad de partículas termoplásticas de bajo punto de fusión en dicho componente termoplástico.

13. Material compuesto pre-impregnado según la reivindicación 11, en el que dicha matriz comprende

del 15 al 20 por ciento en peso de diglicidil éter de bisfenol F; del 20 al 30 por ciento en peso de glicidil meta-amina trifuncional; del 5 al 15 por ciento en peso de glicidil para-amina tetrafuncional;

del 3 al 10 por ciento en peso de partículas de poliamida 6; del 3 al 10 por ciento en peso de partículas de copolímero de poliamida 6/12; del 10 al 20 por ciento en peso de polietersulfona; y del 15 al 25 por ciento en peso de 4, 4-diaminodifenilsulfona.

14. Una pieza de material compuesto que comprende un material compuesto pre-impregnado según la reivindicación 1, en la que dicha matriz ha sido curada a una temperatura de entre 140º c y 200º C.

15. Un procedimiento de fabricación de un material compuesto pre-impregnado, comprendiendo dicho procedimiento las etapas de:

A) proporcionar una fibra de refuerzo; y 10 B) impregnar dicha fibra de refuerzo con una matriz, en la que dicha matriz comprende:

a) un componente de resina que comprende una resina epoxi difuncional y al menos una resina epoxi aromática multifuncional con una funcionalidad superior a dos; b) un componente de partículas termoplásticas que comprende entre el 20% y el 80% de partículas termoplásticas de alto punto de fusión, que tienen un punto de fusión superior a una temperatura, siendo dicha temperatura de entre 140º C y 200º C y de entre el 20% y el 80% de partículas termoplásticas de bajo punto de fusión, que tienen un punto de fusión igual o inferior a dicha temperatura; d) un agente de endurecimiento termoplástico; y e) un agente de curado.

16. Un procedimiento de fabricación de una pieza de material compuesto que comprende la etapa de curar un material compuesto pre-impregnado según la reivindicación 1 a dicha temperatura de curado de entre 140º C y 200º C.