Un procedimiento para formar una estructura de fibras orientadas unidireccionalmente que comprende fibras con gran tenacidad,

comprendiendo dicho procedimiento: (a) suministrar una pluralidad de hilos que comprenden una pluralidad de dichas fibras con gran tenacidad, estando dispuestos dichos hilos unidireccionalmente con respecto a cada uno de los otros; (b) revestir dichos hilos con un líquido que tiene una viscosidad de 5 a 600 centipoises (0,005 a 0,600 Pa.s), (c) aplicar tensión a dichos hilos; (d) hacer pasar dichos hilos a través de un dispositivo distribuidor de fibras; y (e) secar dichos hilos; con lo que dichos hilos se reducen en grosor y aumentan en anchura después de hacerlos pasar a través de dicho dispositivo distribuidor de fibras tras dicha etapa de revestimiento (b) y antes de dicha etapa de secado (e), y dichas fibras que forman dichos hilos se separan para proporcionar una estructura de fibras orientadas unidireccionalmente que tiene un grosor de 9 a 76 μm

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Campo de la Invención

Esta invención se refiere a un procedimiento para formar estructuras fibrosas que incluyen fibras orientadas unidireccionalmente, así como estructuras de materiales compuestos basadas en tales estructuras fibrosas.

Descripción de la Técnica Relacionada

Se conocen diversas estructuras de fibras orientadas unidireccionalmente. Estas estructuras comprenden una pluralidad de fibras alineadas normalmente que se extienden en una relación coplanar general. Tales estructuras formadas de fibras de tenacidad elevada han encontrado un uso significativo en aplicaciones balísticas, estructurales y en otras aplicaciones. En una estructura típica, una pluralidad de estructuras de fibras orientadas se conforman en un material compuesto de múltiples capas, en el que las capas contiguas se orientan formando un ángulo con respecto a cada una de las otras. Dos o más de las capas adyacentes se pueden laminar entre sí, y una pluralidad de tales capas laminadas se conforman en una estructura compuesta.

Las estructuras de fibras orientadas se revisten o impregnan típicamente con una resina matriz, que puede ser un material termoplástico, termoendurecible o elastomérico. Tales estructuras de material compuesto se han usado con éxito en productos resistentes balísticos tales como chalecos para el cuerpo, paneles estructurales, y similares.

El documento JP1139837 describe un método para expandir de forma discontinua haces de fibras a la vez que evita la generación de pelusas y la ruptura de filamentos individuales impregnando una sustancia viscosa en los haces de fibras alimentados continuamente bajo una tensión, expandiendo a presión los haces de fibras impregnados, y eliminando después la sustancia viscosa.

El documento WO 02/14408 A2 describe un material compuesto rígido resistente a impactos y un método para su producción, comprendiendo el método impregnar una primera y una segunda láminas de red fibrosa de filamentos de gran resistencia con una resina matriz, seguido de la aplicación de un material elastomérico a al menos una superficie de las láminas de la red fibrosa, y combinar después las láminas primera y segunda para formar un material compuesto de dos capas y subsiguientemente formar capas de múltiples materiales compuestos de dos capas curando la resina matriz.

El documento GB-A-2086444 describe un procedimiento para la producción de láminas dispuestas unidireccionalmente, que comprende las etapas de distribuir una pluralidad de haces de fibras unidireccionalmente en paralelo entre sí, en el que los haces están en un disolvente o en un estado humedecido, y se aplica tensión a los haces mientras están en contacto con una superficie curva de un cuerpo distribuidor para distribuir los haces de fibras, y después secar las fibras distribuidas.

Sería deseable proporcionar una estructura de fibras orientadas unidireccionalmente que tenga uniformidad mejorada, que pueda dar como resultado propiedades balísticas o estructurales mejoradas.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

Según esta invención, se proporciona un procedimiento para formar una estructura de fibras orientadas unidireccionalmente que comprende fibras de gran tenacidad, comprendiendo el procedimiento:

(a) suministrar una pluralidad de hilos que comprenden una pluralidad de las fibras de tenacidad elevada, estando dispuestos los hilos unidireccionalmente entre sí;

(b) revestir los hilos con un líquido que tiene una viscosidad de 5 a 600 centipoises;

(c) aplicar tensión a los hilos;

(d) hacer pasar los hilos a través de un dispositivo distribuidor de fibras; y

(e) secar los hilos;

con lo que los hilos se reducen en grosor y aumentan en anchura después de hacerlos pasar a través del dispositivo distribuidor de fibras tras dicha etapa de revestimiento (b) y antes de dicha etapa de secado (e), y las fibras que forman los hilos se separan para proporcionar una estructura de fibras orientadas unidireccionalmente que tiene un grosor de 9 a 76 m.

Se ha encontrado que la viscosidad del líquido es un factor clave para lograr una distribución mejorada de las fibras en los hilos. Al distribuir las fibras, la estructura de fibras orientadas unidireccionalmente es más delgada, puesto que hay menor número de fibras que descansan sobre otra fibra en un hilo. El resultado es un producto de cinta de fibras que tiene un número reducido de fibras que no son coplanares, y de este modo se proporciona un producto más delgado.

Puesto que muchos productos hechos a partir de materiales preimpregnados unidireccionales están hechos de múltiples capas del material preimpregnado que se colocan en capas cruzadas a diversos ángulos, la uniformidad del producto acabado está relacionada con la uniformidad de la cinta revestida o impregnada unidireccional. Además, algunos productos acabados se potencian mediante más estratificación en el producto de material compuesto acabado. Cuanto mayor sea la distribución de las fibras, más delgadas son las capas, lo que aumenta el número de capas en el producto de material compuesto acabado de un peso dado. Este factor es importante en aplicaciones tales como aplicaciones balísticas, a fin de mejorar el comportamiento balístico de estructuras de materiales compuestos de múltiples capas.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

Esta invención se entenderá mejor y serán manifiestas ventajas adicionales con referencia a la siguiente descripción detallada de las realizaciones preferidas de la invención y los dibujos que se acompañan, en los que:

la FIG. 1 es una representación esquemática de un procedimiento para obtener una estructura de fibras orientadas unidireccionalmente;

la FIG. 2 es una gráfica de la distribución de las fibras frente a la viscosidad de un hilo de aramida;

la FIG. 3 es una gráfica de la distribución de las fibras frente a la viscosidad para un hilo de polietileno de peso molecular elevado; y

la FIG. 4 es una gráfica de la distribución de las fibras frente a la viscosidad para un hilo de PBO.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Y REALIZACIONES PREFERIDAS

Para los fines de la presente invención, una fibra es un cuerpo alargado cuya dimensión longitudinal es mucho mayor que las dimensiones transversales de anchura y grosor. En consecuencia, el término “fibra” incluye monofilamento, multifilamento, cinta, tira, mecha y otras formas de fibra picada, cortada o discontinua, y similar, que tiene secciones transversales regulares o irregulares. El término “fibra” incluye una pluralidad de cualquiera de los anteriores, o una combinación de los mismos.

Un hilo es una hebra continua que comprende muchas fibras o filamentos. Preferiblemente, los hilos usados en esta invención no están retorcidos, y no están enmarañados de ninguna manera.

Las secciones transversales de las fibras útiles aquí pueden variar ampliamente. Pueden tener una sección transversal circular, plana u oblonga. También pueden tener una sección transversal multilobular irregular o regular, que tiene uno o más lóbulos regulares o irregulares que se proyectan desde el eje lineal o longitudinal de las fibras. Se prefiere que las fibras sean de sección transversal sustancialmente circular, plana u oblonga, más preferiblemente sustancialmente circular.

Como se usa aquí, la expresión “fibras de gran tenacidad” significa fibras que tienen tenacidades iguales o mayores que 7 g/d. Preferiblemente, estas fibras tienen módulos de tracción iniciales de al menos 150 g/d y energías en la ruptura de al menos 8 J/g, según se mide mediante ASTM D2256. Como se usa aquí, las expresiones “módulo de tracción inicial”, “módulo de tracción” y “módulo” significan el módulo de elasticidad según se mide mediante ASTM 2256 para un hilo, y mediante ASTM D638 para un material matriz o elastomérico.

Preferiblemente, las fibras de gran tenacidad tienen tenacidades iguales o mayores que 10 g/d, más preferiblemente iguales o mayores que 16 g/d, incluso más preferiblemente iguales o mayores que 22 g/d, y lo más preferible igual o mayor que 28 g/d.

Los hilos útiles en las capas fibrosas pueden ser de cualquier denier adecuado, tales como de 50 denier a 3000 denier, más preferiblemente de 75 a 2000 denier. Todavía más... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento para formar una estructura de fibras orientadas unidireccionalmente que comprende fibras con gran tenacidad, comprendiendo dicho procedimiento:

(a) suministrar una pluralidad de hilos que comprenden una pluralidad de dichas fibras con gran tenacidad, estando dispuestos dichos hilos unidireccionalmente con respecto a cada uno de los otros;

(b) revestir dichos hilos con un líquido que tiene una viscosidad de 5 a 600 centipoises (0,005 a 0,600 Pa.s),

(c) aplicar tensión a dichos hilos;

(d) hacer pasar dichos hilos a través de un dispositivo distribuidor de fibras; y

(e) secar dichos hilos;

con lo que dichos hilos se reducen en grosor y aumentan en anchura después de hacerlos pasar a través de dicho dispositivo distribuidor de fibras tras dicha etapa de revestimiento (b) y antes de dicha etapa de secado (e), y dichas fibras que forman dichos hilos se separan para proporcionar una estructura de fibras orientadas unidireccionalmente que tiene un grosor de 9 a 76 m.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende además la etapa de bobinar dichos hilos después de secar dichos hilos.

3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dichas fibras con gran tenacidad comprenden fibras de aramida.

4. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dichas fibras con gran tenacidad se seleccionan del grupo que consiste en fibras de polietileno de peso molecular elevado, fibras de aramida, fibras de polibenzazol, y sus mezclas.

5. El procedimiento de la reivindicación 1, que incluye la etapa de aplicar retrotensión a dichos hilos durante las etapas (b) a (e).

6. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha viscosidad oscila desde 10 hasta 300 centipoises (0,010 a 0,300 Pa.s).

7. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha tensión oscila de 100 a 1000 gramos.

8. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicho líquido comprende sólidos que forman una resina matriz para dichas fibras en dicha estructura de fibras orientadas unidireccionalmente.

9. El procedimiento de la reivindicación 1, que comprende además las etapas de colocar en capas cruzadas al menos dos capas de dicha estructura de fibras orientadas unidireccionalmente.

10. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicho dispositivo distribuidor de fibras comprende una pluralidad de barras distribuidoras de fibras.