Una composición que contiene fibras, adecuada para ser formulada con un polímero de matriz en un procedimiento de mezcla para formar un compuesto polimérico reforzado con fibras,

dicha composición comprende una masa de haces de fibras cortadas, dicha masa tiene una densidad aparente media de al menos 0,26 g/cm3 y en la que substancialmente la totalidad de dichos haces de fibras cortadas tienen una longitud de entre 3 y 15 mm y comprenden una pluralidad de fibras sintéticas o naturales de base celulósica de substancialmente la misma longitud, orientadas substancialmente en paralelo entre sí y que tienen sus extremos substancialmente coextensivos entre sí, y en la que substancialmente la totalidad de los haces de fibras cortadas comprenden una composición de acabado que recubre las fibras dentro de los haces y forma enlaces fugitivos inter-fibra dentro de cada haz de fibras cortadas para proporcionar coherencia entre las fibras, dichos enlaces fugitivos inter-fibra pueden romperse después de la composición de dichos haces en un procedimiento de mezcla de manera que dichos haces de fibras cortadas puedan desintegrarse en fibras separadas individuales para su dispersión dentro del polímero de matriz durante dicho procedimiento

Haces de fibras de refuerzo para fabricar compuestos poliméricos reforzados con fibras.

Campo de la invención

La presente invención se refiere a haces de fibras orgánicas de refuerzo cortadas cortas, adecuadas para la dosificación volumétrica o gravimétrica en un procedimiento de mezcla utilizado para producir compuestos poliméricos reforzados con fibras.

Antecedentes de la invención

Fibras inorgánicas, tales como el vidrio, se utilizan comúnmente como fibras de refuerzo en compuestos poliméricos tanto termoplásticos como termoendurecibles. Las fibras de refuerzo de vidrio mejoran el módulo, la resistencia y la temperatura de reflexión por calor del compuesto. Sin embargo, estas fibras quebradizas tienden a tener una menor elongación de ruptura y una baja resistencia al impacto, especialmente a bajas temperaturas. En operaciones típicas de composición de resinas para polímeros termoplásticos, la fibra de vidrio (cortada entre 1,5 y 3 mm o hiladas en filamentos continuos) se mezcla con el polímero termoplástico en un extrusor de composición. En el caso de filamentos continuos, el extrusor actúa como medio para romper el hilo de vidrio quebradizo en pequeñas longitudes.

También se pueden utilizar fibras poliméricas orgánicas sintéticas y/o fibras naturales de base celulósica como refuerzo en compuestos poliméricos y servir para mejorar la resistencia al impacto en frío del compuesto. Por ejemplo, la solicitud de patente publicada PCT WO 02/053629 describe compuestos poliméricos extruibles o moldeables que contienen una matriz de poliolefina termoplástica en la cual se dispersan fibras de refuerzo de PET y talco. La inclusión de fibras de PET parece que mejora la resistencia al impacto en frío del compuesto moldeado. Las mejoras en la resistencia al impacto no necesitan la adhesión entre las fibras de refuerzo y el polímero de matriz de poliolefina.

Las fibras poliméricas de alta resistencia cortadas cortas pueden producirse cortando hilos industriales de alta resistencia y comprimiendo éstos en una bala. Sin embargo, cuando un procesador intenta dosificar estas fibras cortadas dentro de un extrusor de composición, existe la tendencia de que las fibras se agrupen entre sí dando un contenido de fibras no uniforme y una pobre distribución de fibras en la resina compuesta. La pobre distribución da como resultado unas propiedades físicas y una apariencia superficial más pobre de los compuestos moldeados.

Por ejemplo, la patente de EE.UU. núm. 3.639.424 describe mezclas moldeables de polipropileno y de polietileno en las cuales están dispersas fibras de refuerzo de tereftalato de polietileno (PET) cortadas cortas. La patente 3.639.424 observa que a diferencia de las fibras de vidrio, otras fibras poliméricas sintéticas no se dispersan bien en el polímero sino que tienden a agruparse entre sí en agregados de fibras, dando como resultado la dispersión no uniforme de las fibras en el producto moldeado.

La solicitud de patente publicada de EE.UU. núm. 2006/0261509 de Lustiger ilustra la dificultad de medir las fibras de poliéster cortadas dentro de un extrusor de composición. Tal como se observó en esta solicitud, típicamente se utilizan alimentadores gravimétricos o vibracionales para dosificar y transportar los polímeros, los rellenos y los aditivos al interior del extrusor de composición. Estos alimentadores son efectivos en el transporte de pastillas o polvo, pero no son particularmente adecuados para el transporte de fibras poliméricas cortadas, ya que la fibra cortada tiende a agruparse o a formar puentes, dando como resultado una velocidad de alimentación inconsistente en los procedimientos de mezcla. Para vencer este problema, esta solicitud propone dosificar hebras continuas de poliéster directamente dentro del extrusor de composición donde las hebras se romperán por la acción del tornillo del extrusor. Mientras esta aproximación se utiliza con éxito con fibras quebradizas tales como el vidrio, la alta dureza (es decir, la alta resistencia y elongación de la fibra) de las fibras de refuerzo de poliéster presentan dificultades, ya que el tornillo del extrusor puede que no rompa ni completa ni uniformemente las hebras de fibra durante un procedimiento de mezcla de alto rendimiento.

La patente de EE.UU. núm. 6.202.947 de Matsumoto y colaboradores suministra otra aproximación a la dosificación de las fibras de refuerzo en la que se sitúa una cortadora de estopa en el puerto de alimentación del extrusor de composición. La velocidad de la cortadora se regula para suministrar la cantidad necesaria de fibra al extrusor. Sin embargo se requieren modificaciones en la tolva de alimentación y en el dispositivo de descarga para adaptarse a dichas fibras.

Resumen de la invención

De acuerdo con la presente invención, se suministra una fibra de refuerzo orgánica sintética o natural de base celulósica cortadas cortas para un compuesto polimérico de forma que alimente uniformemente un procedimiento de mezcla usando un equipo convencional de dosificación volumétrica o gravimétrica. En el procedimiento de mezcla que puede incluir el uso de un extrusor de tornillo simple o doble o una mezcladora de lotes doble armada, dicha fibra de refuerzo se dispersa y se distribuye uniformemente en una resina de matriz durante el procedimiento de mezcla. Tal como aquí se utiliza, fibras sintéticas quiere decir fibras sintéticas producidas o derivadas de un polímero orgánico y específicamente incluyen fibras de carbono. Además, tal como aquí se utiliza, las fibras de refuerzo naturales de base celulósica incluyen fibras líber natural para la formación de hilos, de hojas o de pelos de semillas.

Las fibras de refuerzo se suministran en forma de haces de fibras cortadas con una composición de acabado que recubre las fibras y forma enlaces fugitivos inter-fibra entre las fibras dentro de cada haz de fibras cortadas. El acabado suministra coherencia entre las fibras y eleva la densidad aparente de los haces de forma que una masa de los haces de fibras cortadas pueda ser suministrada uniformemente por un dispositivo alimentador de tornillo volumétrico (pérdida en volumen) o gravimétrico (pérdida en peso) y fluyan desde este dispositivo alimentador de tornillo a un procedimiento de mezcla. Después del mezclado en el procedimiento de mezcla con un polímero de matriz, los enlaces fugitivos se romperán y los haces de fibras cortadas se desintegrarán en fibras individuales separadas y dispersas en el polímero de matriz.

En una realización ventajosa de la presente invención, se suministra una composición para hacer un compuesto polimérico reforzado con fibras. Dicha composición comprende una masa de haces de fibras cortadas, substancialmente todas los cuales tienen una longitud de entre 3 y 15 mm y poseyendo la masa de haces una densidad aparente media de al menos 0,26 g/cm³ (16 libras por pie cúbico). Substancialmente todos los haces de fibras cortadas comprenden una pluralidad de fibras sintéticas o naturales de base celulósica de la misma longitud orientadas substancialmente en paralelo entre sí y que tienen sus extremos coextensivos entre sí. Substancialmente todos los haces comprenden también una composición de acabado que recubre las fibras y forma enlaces fugitivos inter-fibra dentro de cada haz de fibras cortadas suministrando coherencia entre las fibras. Dicho enlace fugitivo inter-fibra, debido a la composición de acabado, permite que la masa de haces de fibras cortadas sea suministrada uniformemente por un dispositivo alimentador de tornillo volumétrico (pérdida en volumen) o gravimétrico (pérdida en peso) al interior de un extrusor de tornillo de composición que también contiene un polímero de matriz. Después de mezclarse en el extrusor de tornillo de composición con el polímero de matriz, los enlaces fugitivos pueden romperse y los haces de fibras cortadas pueden desintegrarse en fibras individuales separadas y dispersas en el polímero termoplástico de matriz. La masa de haces de fibras cortadas es con fluidez y suministrable a través de un dispositivo alimentador de tornillo volumétrico (pérdida en volumen) o gravimétrico (pérdida en peso) con una uniformidad tal que el dispositivo alimentador de tornillo preferiblemente no requiere más que un cambio del pm 10% en las RPM del tornillo o una variación de peso de pm 10% en la tasa de alimentación.

En un aspecto adicional de la presente invención, se suministra un procedimiento para hacer una mezcla con contenido de fibras para su composición...

1. Una composición que contiene fibras, adecuada para ser formulada con un polímero de matriz en un procedimiento de mezcla para formar un compuesto polimérico reforzado con fibras, dicha composición comprende una masa de haces de fibras cortadas, dicha masa tiene una densidad aparente media de al menos 0,26 g/cm³ y en la que substancialmente la totalidad de dichos haces de fibras cortadas tienen una longitud de entre 3 y 15 mm y comprenden una pluralidad de fibras sintéticas o naturales de base celulósica de substancialmente la misma longitud, orientadas substancialmente en paralelo entre sí y que tienen sus extremos substancialmente coextensivos entre sí, y en la que substancialmente la totalidad de los haces de fibras cortadas comprenden una composición de acabado que recubre las fibras dentro de los haces y forma enlaces fugitivos inter-fibra dentro de cada haz de fibras cortadas para proporcionar coherencia entre las fibras, dichos enlaces fugitivos inter-fibra pueden romperse después de la composición de dichos haces en un procedimiento de mezcla de manera que dichos haces de fibras cortadas puedan desintegrarse en fibras separadas individuales para su dispersión dentro del polímero de matriz durante dicho procedimiento.

2. La composición de la reivindicación 1, en la que dicha masa de fibras cortadas es con fluidez hasta el extremo de que dicha masa de haces pueda ser uniformemente suministrada a un procedimiento de mezcla a través de un dispositivo alimentador de tornillo volumétrico o gravimétrico.

3. La composición de la reivindicación 2, en la que la masa de haces de fibras cortadas es con fluidez hasta el extremo de que pueda ser uniformemente suministrada a través de un dispositivo alimentador de tornillo volumétrico no requiriendo cambios mayores del pm 10% en las RPM del tronillo del alimentador o suministrada a través de un dispositivo alimentador de tornillo gravimétrico no requiriendo cambios mayores del pm 10% en la variación de peso durante el suministro.

4. La composición de la reivindicación 1, en la que las fibras de los haces de fibras cortadas tienen una masa lineal de entre 5 y 22 dtex.

5. La composición de la reivindicación 4, en la que la masa de haces de fibras cortadas contiene una media de entre 100 y 400 fibras por haz de fibras cortadas.

6. La composición de la reivindicación 1, en la que las fibras de los haces de fibras cortadas se adhieren entre sí con una forma de la sección de corte oval o aplanada en forma de cinta.

7. La composición de la reivindicación 1, en la que dos o más de dichos haces de fibras cortadas dentro de dicha masa de haces están unidos entre sí.

8. La composición de la reivindicación 1, en la que la composición de acabado comprende entre el 0,5 y el 10 de porcentaje en peso, en base al peso total de las fibras recubiertas dentro de dichos haces de fibras cortadas.

9. La composición de la reivindicación 1, en la que la composición de acabado comprende entre el 2 y el 6 de porcentaje en peso, en base al peso total de las fibras recubiertas dentro de dichos haces de fibras cortadas.

10. La composición de la reivindicación 9, en la que la composición de acabado comprende una emulsión de polímero termoplástico de base acuosa.

11. La composición de la reivindicación 10, en la que la composición de acabado se selecciona entre el grupo que consta de alcoholes de polivinilo, esteres acrílicos, ácidos poliacrílicos, poliésteres, poliamidas, poliuretanos termoplásticos, almidones, ceras, acetatos de polivinilo, mezclas de silicona, fluoroquímicos, promotores de la adhesión y sus combinaciones.

12. La composición de la reivindicación 1, en la que las fibras dentro de los haces son fibras sintéticas hechas de un material seleccionado entre el grupo que consta de poliésteres, polímeros de cristal líquido, poliamidas, poliquetonas, polieterquetonas, carbono, poliacrilonitrilo parcialmente oxidado, acrílicos, arámidos y sus mezclas.

13. La composición de la reivindicación 1, en la que las fibras dentro de los haces comprenden fibras de polímeros termoplásticos que comprenden un poliéster seleccionado entre el grupo que consta de tereftalato de polietileno, naftalato de polietileno, tereftalato de politrimetileno, tereftalato de polibutileno, bibenzoato de polietileno, ácido poliláctico y sus mezclas.

14. La composición de la reivindicación 1, en la que las fibras dentro de los haces son fibras naturales de base celulósica seleccionadas entre el grupo que consta de fibras de líber, fibras de hojas, pelo de semillas y sus combinaciones.

15. La composición de la reivindicación 14, en la que las fibras dentro de los haces se seleccionan entre el grupo que consta de fibras de lino, cáñamo, yute, ramio, sisal, abacá, algodón y miraguano.

16. Una composición que contiene fibras adecuada para mezclarse con un polímero de matriz termoplástico o termoendurecible en un procedimiento de mezcla para formar un compuesto polimérico reforzado con fibras, dicha composición comprende una masa de haces de fibras cortadas, dicha masa tiene una densidad aparente media de al menos 0,26 g/cm³ y en la que substancialmente la totalidad de dichos haces de fibras cortadas tienen una longitud de entre 3 y 15 mm y comprenden por haz entre 100 y 400 fibras de tereftalato de polietileno de substancialmente la misma longitud, orientadas substancialmente en paralelo entre sí y que tienen sus extremos substancialmente coextensivos entre sí, y en la que substancialmente la totalidad de los haces de fibras cortadas comprende además entre un 0,5 y un 10 de porcentaje en peso de dicho haz de una composición de acabado seleccionada entre el grupo que consta de alcoholes de polivinilo, esteres acrílicos, ácidos poliacrílicos, poliuretanos termoplásticos, almidones, ceras, acetatos de polivinilo, mezclas de silicona, fluoroquímicos, promotores de la adhesión y sus combinaciones, dicha composición de acabado recubre las fibras dentro de los haces.

17. La composición de la reivindicación 16, en la que la composición de acabado comprende una emulsión de polímero termoplástico de base acuosa y está presente en cada haz en una cantidad de entre el 2 y el 6 de porcentaje en peso, en base al peso total de las fibras recubiertas.

18. Un procedimiento de fabricación de haces de fibra de refuerzo adecuados para suministrar fibras para su eventual dispersión en un compuesto polimérico reforzado con fibras, dicho procedimiento comprende:

el recubrimiento de una pluralidad de hebras de múltiples filamentos producidas o derivadas fibras poliméricas orgánicas sintéticas o naturales de base celulósica, con una composición de acabado que forma enlaces fugitivos inter-filamento dentro de las hebras;

el corte de las hebras de filamentos enlazados en haces de fibras cortadas que tienen una longitud de entre 3 y 15 mm, conteniendo cada haz de fibras cortadas una pluralidad de fibras fugitivamente enlazadas; y

la formación de una masa con fluidez de haces de fibras cortadas individuales de manera que dicha masa de haces tanga una densidad aparente media de al menos 0,26 g/cm³.

19. El procedimiento de la reivindicación 18, en el que dicho paso de recubrir una pluralidad de hebras de múltiples filamentos comprende el avance de una pluralidad de hebras de múltiples filamentos, conteniendo cada hebra entre 100 y 400 filamentos continuos y teniendo una masa lineal de entre 5 y 22 dtex por hebra, más allá de una estación de recubrimiento que contiene una composición líquida de acabado, la aplicación de dicha composición líquida de acabado a las hebras de múltiples filamentos continuos en la estación de recubrimiento y la impregnación de dichas hebras con la composición de acabado, y el secado de la composición de acabado para formar enlaces fugitivos inter-fibra dentro de las hebras.

20. El procedimiento de la reivindicación 19, en el que el paso de secado comprende dirigir las hebras de múltiples filamentos ya recubiertas a través de un horno o sobre una serie de tambores calientes, y en el que dicho paso de corte comprende el avance de las hebras de múltiples filamentos continuos directamente desde dicha serie de tambores calientes hasta un dispositivo cortador y el corte de las hebras para formar dichos haces de fibras cortadas.

21. El procedimiento de la reivindicación 18, en el que el paso de recubrimiento comprende la aplicación de la composición de acabado en una cantidad de entre un 0,5 y un 10 de porcentaje en peso, en base al peso total de las hebras de múltiples filamentos recubiertas.

22. Un procedimiento para suministrar fibra de refuerzo para un compuesto polimérico reforzado con fibras, suministrándose dichas fibras de refuerzo en la forma de una masa de haces de fibras cortadas, dicho procedimiento comprende:

la extracción de un dispositivo de fileta de una pluralidad de hebras de múltiples filamentos de polímero de tereftalato de polietileno, teniendo cada una de las hebras una masa lineal de entre 5 y 22 dtex por filamento y conteniendo entre 100 y 400 filamentos continuos por hebra;

el avance de dicha pluralidad de hebras de múltiples filamentos desde dicho dispositivo de fileta hacia y a través de una estación de recubrimiento y la aplicación, como un recubrimiento, a las hebras de múltiples filamentos dentro de dicha estación de recubrimiento de una composición de acabado en forma de una emulsión acuosa de un polímero termoplástico seleccionado entre el grupo que consta de alcoholes de polivinilo, esteres acrílicos, ácidos poliacrílicos, poliésteres, poliamidas, poliuretanos termoplásticos, almidones, ceras, acetatos de polivinilo y sus combinaciones;

el avance de las hebras de múltiples filamentos recubiertas desde la estación de recubrimiento hasta una estación de secado y el calentamiento de las hebras dentro de dicha estación de secado para provocar que la composición de acabado se seque y forme enlaces fugitivos inter-filamento dentro de cada hebra de múltiples filamentos;

el avance de dichas hebras de múltiples filamentos desde la estación de secado hasta una estación de corte y el corte de las hebras dentro de dicha estación de corte para formar haces de fibras cortadas que tienen una longitud de entre 3 y 15 mm, conteniendo cada haz de fibras cortadas una pluralidad de fibras fugitivamente enlazadas; y

la recogida de dichos haces de fibras cortadas en una masa que tiene una densidad aparente media de al menos 0,26 g/cm³.

23. El procedimiento de la reivindicación 22, en el que el paso de calentar las hebras de múltiples filamentos recubiertas comprende dirigir de las hebras de múltiples filamentos sobre una serie de tambores de secado calientes y el secado de la emulsión de polímero termoplástico mientras se conforman las hebras en aquellas que tienen una sección de corte de las hebras en forma de cinta.

24. El procedimiento de la reivindicación 23, en el que el paso de secar la emulsión de polímero termoplástico mientras se conforman las hebras en aquellas que tienen una sección de corte de hebra en forma de cinta comprende el secado de la emulsión mientras al menos algunas de las hebras están en contacto entre sí de manera que al menos algunas de las hebras se adhieran y se unan entre sí, y en el que el paso de cortar las hebras para formar los haces de fibras cortadas comprende el corte de las hebras unidas para formar haces de fibras cortadas que están unidas conjuntamente entre sí.

25. El procedimiento de la reivindicación 22, que incluye el paso adicional de introducir dicha masa de haces de fibras cortadas dentro de un dispositivo alimentador de tornillo volumétrico o gravimétrico y en el que dicha masa de haces de fibras cortadas es con fluidez hasta el extremo que pueda ser uniformemente suministrada a través de dicho dispositivo alimentador de tornillo volumétrico, no requiriendo cambios mayores del pm 10% en las RPM del tronillo del alimentador o suministrada a través de un dispositivo alimentador de tornillo gravimétrico no requiriendo cambios mayores del pm 10% en la variación de peso durante el suministro.

26. Un procedimiento de fabricación de un compuesto polimérico reforzado con fibras, dicho procedimiento comprende el suministro de un polímero de matriz a un procedimiento de mezcla; la deposición de una masa con fluidez de haces de fibras cortadas que comprende una composición de la reivindicación 1 dentro de una tolva de alimentación de un dispositivo alimentador de tornillo volumétrico o gravimétrico, estando dicho dispositivo alimentador de tornillo en comunicación de transporte de masa con dicho procedimiento de mezcla; el suministro de una masa con fluidez de haces de fibras cortadas al interior de dicho procedimiento de mezcla a través de dicho dispositivo alimentador de tornillo, realizando dicho procedimiento de mezcla de forma tal que los enlaces fugitivos entre las fibras de dichos haces de fibras se rompa y los haces de fibras cortadas se desintegren en fibras separadas individuales no mayores en longitud que la longitud de dichos haces, dispersándose dichas fibras individuales en el polímero de matriz.

27. El procedimiento de la reivindicación 26, en el que dicho paso de suministrar la masa con fluidez de haces de fibras cortadas a dicho procedimiento de mezcla a través de dicho dispositivo alimentador de tornillo se lleva a cabo uniformemente de manera que dicho dispositivo alimentador volumétrico de tornillo no requiera más de un pm 10% de cambio en la RPM del tornillo del alimentador o de manera que dicho dispositivo alimentador gravimétrico de tornillo no requiera más de un pm 10% de cambio en la variación de peso durante el suministro.

28. El procedimiento de la reivindicación 26, en el que dicho polímero de matriz es un polímero termoplástico y dicho procedimiento de mezcla se lleva a cabo en un extrusor de tornillo simple o doble.

29. El procedimiento de la reivindicación 26, en el que dicho polímero de matriz es un polímero termoendurecible y dicho procedimiento de mezcla se lleva a cabo en una mezcladora de lotes doble armada.