Procedimiento para la fabricación de gránulos de materiales compuestos de fibras.

Procedimiento para la fabricación de gránulos de materiales compuestos de fibra adecuados para su posterior procesamiento en un procedimiento de fabricación de la técnica de plásticos

, en el que los gránulos contienen fibras de carbono y al menos un material de matriz termoplástico, en el que se emplean para ello fibras de carbono, haces de fibras de carbono, o una mezcla de ellos aislados de desechos o piezas viejas que contienen fibras de carbono, los cuales son depositados planos junto con el material de matriz termoplástico, prensados bajo la influencia del calor para formar un material de placa, después son enfriados y fragmentados para formar gránulos, plaquitas o virutas, caracterizado por que en primer lugar es generada al menos una capa de fibras de carbono definitivas por depósito plano de fibras de carbono definitivas en un proceso neumático de formación de material no tejido aleatorio, un proceso de cardado, un proceso de formación del material no tejido por vía húmeda, un proceso de fabricación de papel o como carga suelta

Tipo: Patente Internacional (Tratado de Cooperación de Patentes). Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: PCT/EP2011/000485.

Solicitante: SGL Automotive Carbon Fibers GmbH & Co. KG.

Nacionalidad solicitante: Alemania.

Dirección: Anton-Ditt-Bogen 5 80939 München ALEMANIA.

Inventor/es: REUSSMANN,THOMAS, ORTLEPP,GERALD, LÜTZKENDORF,RENATE.

Fecha de Publicación: .

Clasificación Internacional de Patentes:

  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > COMPUESTOS MACROMOLECULARES ORGANICOS; SU PREPARACION... > PRODUCCION; PROCESOS GENERALES PARA FORMAR MEZCLAS;... > Procesos para el tratamiento de sustancias macromoleculares... > C08J3/12 (Pulverización o granulación)
  • SECCION C — QUIMICA; METALURGIA > COMPUESTOS MACROMOLECULARES ORGANICOS; SU PREPARACION... > UTILIZACION DE SUSTANCIAS INORGANICAS U ORGANICAS... > Utilización de ingredientes caracterizados por su... > C08K7/06 (Elementos)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > TRABAJO DE LAS MATERIAS PLASTICAS; TRABAJO DE SUSTANCIAS... > PREPARACION O PRETRATAMIENTO DE MATERIAS A CONFORMAR;... > B29B17/00 (Recuperación de plásticos o de otros constituyentes de materiales de desecho que contengan plástico (recuperación química C08J 11/00))
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > TRABAJO DE LAS MATERIAS PLASTICAS; TRABAJO DE SUSTANCIAS... > PREPARACION O PRETRATAMIENTO DE MATERIAS A CONFORMAR;... > Fabricación de gránulos (en general B01J; aspectos... > B29B9/14 (Reforzadas con fibras)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > TRABAJO DE LAS MATERIAS PLASTICAS; TRABAJO DE SUSTANCIAS... > PREPARACION O PRETRATAMIENTO DE MATERIAS A CONFORMAR;... > Fabricación de gránulos (en general B01J; aspectos... > B29B9/04 (en placas o en hojas)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > TRABAJO DE LAS MATERIAS PLASTICAS; TRABAJO DE SUSTANCIAS... > SISTEMA DE INDEXACION ASOCIADO A LAS SUBCLASES B29B,... > Presentación, forma o estado de la materia moldeada > B29K105/06 (que contienen elementos de refuerzo, cargas o elementos insertos)
  • SECCION B — TECNICAS INDUSTRIALES DIVERSAS; TRANSPORTES > TRABAJO DE LAS MATERIAS PLASTICAS; TRABAJO DE SUSTANCIAS... > SISTEMA DE INDEXACION ASOCIADO A LAS SUBCLASES B29B,... > Uso de elementos no metálicos como refuerzo > B29K307/04 (Carbono)

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Fragmento de la descripción:

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DESCRIPCIÓN

Procedimiento para la fabricación de gránulos de materiales compuestos de fibras La presente invención se refiere a un procedimiento para la fabricación de gránulos de materiales compuestos de fibras adecuado para su posterior procesamiento en un procedimiento de fabricación de la técnica de plásticos, en el que los gránulos contienen fibras de carbono y al menos un material de matriz termoplástico.

Las fibras de carbono son empleadas como refuerzo de fibra de materiales compuestos de fibra (FVW) ligados a termoplásticos o durómeros. Para conseguir efectos de refuerzo máximos esto se realiza hasta ahora principalmente en forma de material de fibras de carbono sin fin, como por ejemplo hilos de filamentos, hilos multifilamento o las llamadas mechas. Las fibras de carbono, sin embargo, son conocidas como fibras cortadas con longitudes definitivas de fibra por ejemplo en el rango de 20 mm a 80 mm, como son conocidas en el campo del procesamiento textil clásico, aunque no son ofrecidas en el mercado, también porque su procesamiento es más problemático.

Los materiales de fibra de carbono se han utilizado desde hace algunos años cada vez a mayor escala como reforzamiento del material de fibra de altas prestaciones. Las principales aplicaciones se encuentran, por ejemplo, en la construcción de aviones, la construcción naval, la construcción de vehículos y en instalaciones de energía eólica. Por la aplicación masiva cada vez más extendida, la cantidad de desechos de producción que contienen fibra de carbono aumenta, así como la acumulación de piezas viejas usadas. Las fibras de carbono son muy caras debido a su complicado proceso de fabricación. Los precios oscilan entre alrededor de 15 â¬/kg hasta alrededor de 300 â¬/kg para tipos especiales. Por motivos económicos y de política medioambiental, es por tanto deseable proporcionar posibilidades para el tratamiento de desechos y piezas viejas y destinar las partes de fibras de carbono contenidas en ellos a nuevas aplicaciones, en las que puedan sustituir al menos parcialmente a las fibras de carbono primarias caras.

Aunque en la industria ya ha habido intentos de reutilizar los desechos de producción que contienen fibras de carbono, en los que los desechos son cortados y/o molidos y empleados por ejemplo para el reforzamiento de plásticos o materiales de construcción, hasta ahora en realidad solo una pequeña parte de estos desechos es recogida y comercializada. Para grandes cantidades de desechos que contengan fibra de carbono no existe hasta ahora un reciclado de alta calidad, por lo que deben ser eliminados como basura.

Si se emplean materiales compuestos de fibras en la técnica de extrusión o moldeo por inyección, los materiales de partida tienen que ser dosificados en una relación de masas siempre constante de fibras y polímero termoplástico. Una buena dosificación y mezclado solo se pueden conseguir si los dos componentes de la mezcla son idénticos o al menos muy similares en cuanto a sus dimensiones geométricas, superficie de las partículas y sus volúmenes aparentes. Sin embargo, las fibras cortas y el polvo molido tienen diferencias muy grandes respecto a estos parámetros en comparación con los granos del granulado de plástico utilizados, que por lo general con un diámetro de aproximadamente 3 mm a 5 mm, tienen una superficie lisa y por lo tanto una buena susceptibilidad de corrimiento. En cargas de fibras cortas, las fibras individuales se entrelazan entre sí en una orientación aleatoria, forman puentes de fibras y conglomerados de material que obstruyen la abertura de las tolvas de carga a extrusoras y máquinas de moldeo por inyección y solo permiten una entrada en la máquina esporádica no controlable. Además de las consiguientes interrupciones de una corriente continua de material para la alimentación de la máquina, puede conducir a variaciones considerables en la proporción de mezcla deseada de fibras de refuerzo y de matriz de plástico en el producto final, lo que implica que las propiedades mecánicas de componentes no puedan ser aseguradas.

Por las razones anteriores, hasta ahora los materiales de partida que contienen las fibras de carbono primarias para la extrusión o el moldeo por inyección son fabricados a partir de madejas de fibras sin fin. Para poder hacer estas fáciles de procesar, las fibras sin fin son agrupadas en haces y antes de cortarlas en longitudes desde 3 mm hasta 12 mm son pegadas con una fuerte capa de ligante muy adhesivo, también denominado apresto o ensimaje, formando un haz de fibras sin fin grueso. También se pueden formar haces de fibras sin fin y a continuación envolverlos o impregnarlos con una masa fundida de polímero, enfriarlos para que solidifiquen y cortar con la longitud deseada. En estos procedimientos como material de partida solo pueden ser empleadas fibras de carbono sin fin primarias. Las fibras definitivas, resultantes de procesos de tratamiento de desechos o del reciclado de materiales de componentes viejos de plásticos reforzados con fibra, por los motivos indicados, no pueden ser agregadas como fibras directamente a los materiales de partida para la extrusión o el moldeo por inyección. Solo cuando es posible llevarlas a una forma fácil de dosificar y susceptible al corrimiento, se tiene vía libre para destinar a una reutilización económicamente rentable las fibras de carbono procedentes de desechos o piezas viejas, que se producen en cantidades cada vez mayores y que siguen teniendo propiedades de gran valor.

La fabricación de fibras de carbono primarias se lleva a cabo de acuerdo con el estado de la técnica por lo general, o bien a partir de fibras precursoras orgánicas apropiadas, tales como por ejemplo el poliacrilonitrilo (PAN) o fibras de viscosa, por pirólisis controlada o brea, siendo fabricada en este caso mediante hilatura por fusión en primer lugar una fibra de brea que luego es oxidada y carbonizada. Un procedimiento correspondiente es conocido por ejemplo

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por el documento EP 1 696 057 A1. Allí, las fibras primarias fabricadas a partir de brea son procesadas para formar esteras de fibras cortadas, en las que las fibras tienen una orientación en una dirección preferida. El procedimiento conocido comprende, entre otras cosas, un proceso de peinado para la paralelización de las fibras. Aquí, sin embargo, a partir de un velo de fibras de carbono es fabricado finalmente un hilo, y por tanto un producto final en forma de línea.

Esencialmente por el estado de la técnica es conocido fabricar un producto semiacabado consolidado en forma de banda a partir de una banda híbrida en la que están contenidas fibras de refuerzo de longitud definitiva y fibras de matriz termoplástica. En el documento DE 101 51 761 A1 está descrito un procedimiento de este tipo, en el que en primer lugar es fabricado un torzal de fibras de matriz termoplástica y fibras naturales, que a continuación pasa por un depósito, una guía y, finalmente, a una unidad plegadora. Tras el calentamiento en un tramo de calentamiento y la consolidación se obtiene un producto semiacabado con forma de banda. En este documento, se menciona también que en lugar de las fibras naturales pueden ser empleadas también fibras de carbono como fibras de refuerzo.

En el documento DE 10 2008 002 846 A1 está descrito un procedimiento de recuperación de desechos en el que son reciclados productos semiacabados reforzados con fibra o que contienen fibra. En él, las fibras ligadas en un material de matriz son separadas del material de matriz y las fibras libres obtenidas son rociadas inmediatamente a continuación con un ligante. La separación... [Seguir leyendo]

 


Reivindicaciones:

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1. Procedimiento para la fabricación de gránulos de materiales compuestos de fibra adecuados para su posterior procesamiento en un procedimiento de fabricación de la técnica de plásticos, en el que los gránulos contienen fibras de carbono y al menos un material de matriz termoplástico, en el que se emplean para ello fibras de carbono, haces de fibras de carbono, o una mezcla de ellos aislados de desechos o piezas viejas que contienen fibras de carbono, los cuales son depositados planos junto con el material de matriz termoplástico, prensados bajo la influencia del calor para formar un material de placa, después son enfriados y fragmentados para formar gránulos, plaquitas o virutas, caracterizado por que en primer lugar es generada al menos una capa de fibras de carbono definitivas por depósito plano de fibras de carbono definitivas en un proceso neumático de formación de material no tejido aleatorio, un proceso de cardado, un proceso de formación del material no tejido por vía húmeda, un proceso de fabricación de papel o como carga suelta.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado por que las fibras de carbono, haces de fibras de carbono

o su mezcla utilizados presentan una longitud media desde 3 mm hasta 150 mm.

3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por que es procesada una capa de fibras que entra en una instalación de cardado directamente para formar un velo de fibras fino con distribución de masa uniforme.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado por que a la entrada de la instalación de cardado las fibras de carbono definitivas, los haces de fibras de carbono o su mezcla y fibras termoplásticas son alimentados, respectivamente, como capas separadas y son mezclados en la máquina de cardado.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado por que se pone en contacto al menos una capa termoplástica que comprende al menos una película termoplástica, una capa de velo de fibras o capa de material no tejido, eventualmente en forma de una masa fundida, con al menos una capa de fibras de carbono definitivas, haces de fibras de carbono o su mezcla.

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 ó 2, caracterizado por que es aplicado un componente termoplástico en forma de polvo o como partículas con un diámetro menor de aproximadamente 5 mm sobre al menos una capa de fibras de carbono definitivas, haces de fibras de carbono o su mezcla o introducido en tal capa, y la disposición es calentada, o bien se pone en contacto el componente termoplástico mencionado en forma de masa fundida con al menos una capa de fibras de carbono definitivas.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que un componente termoplástico en forma de fibras definitivas es mezclado íntimamente y de forma homogénea con las fibras de carbono, haces de fibras de carbono o su mezcla antes o durante una formación de capa.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que los componentes individuales, concretamente las fibras de carbono, haces de fibras de carbono o su mezcla, fibras de matriz termoplástica y eventualmente otras fibras de diferente composición, respectivamente, son dispuestas planas una sobre otra por separado en diferentes capas como velos de fibras o bandas de material no tejido y se toman medidas para conseguir una penetración suficiente de todas las capas a través del componente de matriz termoplástico y una unión compacta de las capas entre sí después de la solidificación térmica.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 8, caracterizado por que para el aislamiento de las fibras de carbono, los haces de fibras de carbono o su mezcla de desechos o piezas viejas, las substancias de matriz que estorban son eliminadas usando técnicas de pirólisis, o por tratamiento con un disolventes supercríticos.

10. Gránulo que contiene fibra de carbono, fabricado según una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que presenta una proporción de fibras de carbono, haces de fibras de carbono o su mezcla en el intervalo del 5 % al 95 %, preferiblemente en el intervalo del 10 % al 80 % y la máxima separación de los bordes del gránulo es de 3 a 25 mm, preferentemente de 5 a 10 mm.

11. Gránulo que contiene fibra de carbono según la reivindicación 10, caracterizado por que las fibras de carbono, haces de fibras de carbono o su mezcla contenidos en el gránulo no presentan una longitud de fibra uniforme y porciones de ellas no pasan a través de todo el cuerpo del gránulo sin interrupción.

12. Gránulo que contiene fibra de carbono según una de las reivindicaciones 10 u 11, caracterizado por que además de fibras de carbono, haces de fibras de carbono o su mezcla procedentes de desechos o piezas viejas que contienen fibras de carbono, puede contener también una proporción de fibras de carbono en forma de un producto primario definitivo (producto nuevo) .

13. Gránulo que contiene fibra de carbono según una de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado por que además de fibras de carbono, haces de fibras de carbono o su mezcla contiene proporciones de fibras con efecto de refuerzo

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en forma definitiva, en particular, para-aramida, fibras de vidrio, fibras naturales, fibras químicas que no se funden y/o fibras con punto de fusión superior al de las fibras de la matriz.