MATERIALES COMPUESTOS PREIMPREGNADOS CON RENDIMIENTO MEJORADO.

Materiales compuestos preimpregnados con rendimiento mejorado Antecedentes de la invención 1. Campo de la invención La presente invención se refiere, en general, a material compuesto preimpregnado (prepeg) que se usa para fabricar piezas de materiales compuestas de alto rendimiento. Más particularmente, la invención está dirigida a proporcionar prepreg que pueden curarse/moldearse para formar piezas de materiales compuestas que tengan mejor resistencia y mejor tolerancia a los daños. 2. Descripción de la técnica relacionada ES 2 365 573 T3 Los materiales compuestos están generalmente compuestos de una matriz de resina y fibras de refuerzo en como los dos constituyentes principales. Los materiales compuestos a menudo son necesarios en entornos exigentes, tales como en el campo de la industria aeroespacial, y, por tanto, los límites físicos y las características del compuesto son de una importancia crucial. En particular, al determinar lo ligero que se pueden fabricar ciertas piezas de materiales compuestas son factores importantes la resistencia a la tracción y el módulo. El material compuesto preimpregnado (prepreg) se usa ampliamente en la fabricación de piezas de materiales compuestas. El prepreg es una combinación de una matriz de resina sin curar y de fibras de refuerzo, que está en una forma lista para el moldeo y el curado en la parte compuesta final. Preimpregnando la fibra de refuerzo con resina, el fabricante puede controlar cuidadosamente la cantidad y la localización de la resina que impregna la red de fibras y garantizar que la resina se distribuye en la red tal como se desea. Es bien sabido que la cantidad relativa de las fibras y la resina en una parte compuesta y la distribución de la resina dentro de la red de fibras tiene un gran efecto sobre las propiedades estructurales de la parte. El prepreg es un material preferido para su uso en la fabricación de piezas estructurales de soporte de cargas y, particularmente, en piezas de materiales compuestas del sector aeroespacial. Es importante que estas piezas tengan suficiente resistencia, tolerancia a los daños y otros requisitos que se establecen de forma rutinaria para tales piezas. Las fibras de refuerzo de uso habitual en los prepreg aeroespaciales son telas tejidas multidireccionales o cinta unidireccional que contiene fibras que se extienden en paralelo entre sí. Normalmente, las fibras están en forma de haces de numerosas fibras o filamentos individuales que se denominan estopas. Las fibras o estopas también se pueden cortar en trozos pequeños y orientar de forma aleatoria en la resina para formar una estera no tejida. Estas diversas configuraciones de las fibras de refuerzo se impregnan con una cantidad cuidadosamente controlada de resina no curada. El prepreg resultante normalmente se coloca entre las capas protectoras y se enrolla para almacenamiento o transporte al centro de fabricación. Los prepreg también pueden estar en forma de segmentos cortos de cinta unidireccional troceada que están orientados al azar para formar una estera no tejida de cinta unidireccional troceada. Este tipo de prepreg se denomina prepreg troceado cuasi-isotrópico. El prepreg troceado cuasi-isotrópico es similar al prepreg de estera de fibras no tejidas más tradicional, a excepción de que fragmentos cortos de cinta unidireccional troceada (trozos) están orientados aleatoriamente en la estera en lugar de fibras troceadas. La resistencia a la tracción de un material compuesto curado viene dictada en gran medida por las propiedades individuales de la fibra de refuerzo y de la matriz de resina, así como la interacción entre estos dos componentes. Además, la proporción en volumen entre la fibra y la resina es un factor importante. Los compuestos curados que están bajo tensión tienden a fallar a través de un mecanismo de daños acumulados que se producen por múltiples roturas por tensión de los filamentos de fibras individuales localizados en las estopas de refuerzo. Una vez que los niveles de tensión en la resina adyacente a los extremos del filamento roto se hacen demasiado grandes, la totalidad del compuesto puede fallar. Por tanto, la resistencia de la fibra, la resistencia de la matriz y la eficiencia de la disipación del esfuerzo en las proximidades de los extremos del filamento roto contribuirán a la resistencia a la tracción de un material compuesto curado. En muchas aplicaciones es deseable maximizar la propiedad de la resistencia a tracción del material compuesto curado. No obstante, los intentos para maximizar la resistencia a la tracción a menudo pueden tener como resultado efectos negativos sobre otras propiedades deseables, tales como el rendimiento de compresión y la tolerancia a los daños de la estructura del compuesto. Además, los intentos para maximizar la resistencia a la tracción pueden tener efectos impredecibles sobre la pegajosidad y la duración antes del curado del prepreg. La pegajosidad o adhesividad del prepreg no curado normalmente se denomina pegajosidad. La pegajosidad de los prepreg no curados es una consideración importante durante las operaciones de apilamiento y de moldeo. Los prepreg con poca o ninguna pegajosidad son difíciles de conformar en laminados que se puedan moldear para formar piezas de materiales compuestas estructuralmente fuertes. Por el contrario, los prepreg con demasiada pegajosidad pueden ser difíciles de manipular y también difíciles de introducir en el molde. Es deseable que los prepreg tengan la cantidad exacta de pegajosidad para asegurar una fácil manipulación y buenas características de laminado/moldeo. En cualquier intento de incrementar la resistencia y/o la tolerancia a los daños de un material compuesto curado 2 dado, es importante que la pegajosidad del prepreg no curado permanezca dentro de límites aceptables para asegurar una manipulación y moldeo adecuados del prepreg. El tiempo de vida útil del prepreg es el tiempo durante el cual el prepreg puede estar expuesto en condiciones ambientales antes de sufrir un grado aceptable de curado. El tiempo de vida útil del prepreg puede variar ampliamente en función de diversos factores, pero principalmente está controlado por la formulación de la resina que se esté usando. El tiempo de vida útil del prepreg debe ser lo suficientemente largo como para permitir la realización de operaciones normales de manipulación, apilamiento y moldeo sin que el prepreg sufra niveles inaceptables de curado. En cualquier intento de incrementar la resistencia y/o la tolerancia a los daños de un material compuesto curado dado, es importante que el tiempo de vida útil del prepreg no curado permanezca lo más prolongado posible para dejar tiempo suficiente para el procesamiento, manipulación y apilamiento del prepreg antes del curado. El procedimiento más frecuente de incrementar el rendimiento de elasticidad del material 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 se puede conseguir reduciendo la cantidad de tratamiento de superficie electro-oxidante de la fibra tras la grafitización. La reducción de la fuerza de la unión entre la matriz y las fibras introduce un mecanismo de disipación del esfuerzo en los extremos de los filamentos expuestos por desunión interfacial. La desunión interfacial proporciona un incremento de la cantidad del daño por tracción que una parte de material compuesto puede resistir antes de fallar por la tensión. Como alternativa, la aplicación de una película, o encolar, a la fibra puede reducir la fuerza de la unión resina-fibra. Este enfoque es bien conocido en los materiales compuestos de fibra de vidrio, pero también se puede aplicar a materiales compuestos reforzados con fibras de carbono. Usando estas estrategias, es posible conseguir incrementos significativos en la resistencia a la tracción. No obstante, las mejoras se acompañan de una disminución de las propiedades, tales como la resistencia a la compresión tras impacto (CTI), que requiere una elevada fuerza de la unión entre la matriz de resina y las fibras. Otro enfoque alternativo es usar una matriz de módulo menor. Tener un módulo bajo reduce el nivel de tensión que se acumula en las proximidades inmediatas de los filamentos rotos. Esto normalmente se consigue seleccionado resinas con un módulo intrínsecamente menor (p. ej., 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). También se conocen combinaciones de estos diversos enfoques. La selección de resinas con módulos menores puede ser eficaz para incrementar la resistencia a la tracción del material compuesto. No obstante, esto puede dar como resultado una tendencia a la tolerancia a los daños, que normalmente se mide mediante una disminución... [Seguir leyendo]

a) una resina epoxi difuncional: b) una resina epoxi aromática multifuncional con una funcionalidad superior a dos, teniendo dicha resina epoxi aromática multifuncional al menos un grupo fenilo que está meta-sustituido. c) materiales termoplásticos insolubles; d) un agente de endurecimiento termoplástico; y e) un agente de curado, en el que "partículas termoplásticas insolubles significa un material termoplástico que está en forma de polvo, forma atomizada o forma de partícula y que permanezca sustancialmente en forma particulada en la matriz de resina prepreg antes del curado y en el que el prepreg está cubierto por ambos lados con una película protectora. 2. Un material compuesto preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la cantidad de dicha matriz en dicho material compuesto preimpregnado está entre 25 por ciento en peso y 45 por ciento en peso. 3. Un material compuesto preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichas fibras de refuerzo se seleccionan del grupo que consiste en vidrio, carbono y aramida. 4. Un material compuesto preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 2, en el que dichas fibras de refuerzo están en forma de tela tejida, fibras unidireccionales, fibras orientadas al azar o cinta de fibras unidireccionales troceadas cuasi-isotrópicas. 5. Un material compuesto preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha resina epoxi difuncional se selecciona del grupo que consiste en diglicidiléter de bisfenol F, diglicidiléter de bisfenol A, diglicidildihidroxinaftaleno y combinaciones de los mismos. 6. Un material compuesto preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha resina epoxi aromática multifuncional se selecciona del grupo que consiste en triglicidil meta-aminofenol y N,N,N,N-tetraglicidil-mxilendiamina. 7. Un material compuesto preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dichas partículas termoplásticas consisten esencialmente en poliamida. 8. Un material compuesto preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 1, en el que el agente de endurecimiento se selecciona del grupo que consiste en poliéter sulfona, poliéter étersulfona, polifenil sulfona, polisulfona, poliimida, poliéterimida, aramida, poliéster, policetona, poliéteretercetona, poliuretano, poliurea, poliariléter, poliarilsulfuro, policarbonato y óxido de polifenileno. 9. Un material compuesto preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicho agente de curado es una amina aromática. 10. Un material compuesto preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 1, en el que dicha matriz comprende: de 22 a 28 por ciento en peso de dicha tesina epoxi difuncional; de 25 a 30 por ciento en peso de dicha resina epoxi aromática multifuncional; de 10 a 15 por ciento en peso de dichas partículas termoplásticas insolubles; de 13 a 17 por ciento en peso de dicho agente de endurecimiento termoplástico; y de 15 a 17 por ciento en peso de dicho agente de curado. 11. Un material compuesto preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 10, en el que dicha resina epoxi multifuncional es triglicidil meta-aminofenol. 12. Un material compuesto preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 11, en el que dicha resina epoxi difuncional es diglicidiléter de bisfenol F. 13. Un material compuesto preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 12, en el que dichas partículas termoplásticas insolubles consisten esencialmente en poliamida. 14. Un material compuesto preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 13, en el que dicho agente de endurecimiento termoplástico es poliéter sulfona. 15. Un material compuesto preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 14, en el que dicho agente de curado es 14 4,4-diaminodifenilsulfona. ES 2 365 573 T3 16. Un material compuesto preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 13, en el que dichas partículas de poliamida comprenden partículas de poliamida de fusión baja que tienen una temperatura de fusión inferior a la temperatura de curado del material compuesto preimpregnado y partículas de poliamida de fusión alta que tienen una temperatura de fusión superior a la temperatura de curado del material compuesto preimpregnado. 17. Un material compuesto preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 15, en el que dicha matriz comprende del 22 al 28 por ciento en peso de diglicidiléter de bisfenol F; del 25 al 30 por ciento en peso de triglicidil meta-aminofenol; del 10 al 15 por ciento en peso de partículas de poliamida; del 13 al 17 por ciento en peso de polietersulfona; y del 15 al 17 por ciento en peso de 4,4-diaminodifenilsulfona. 18. Una parte de material compuesto que comprende material compuesto preimpregnado de acuerdo con la reivindicación 1, en la que dicha matriz se ha curado. 19. Un procedimiento para fabricar materiales compuestos preimpregnados que comprende las etapas de: A) proporcionar una fibra de refuerzo; y B) impregnar dicha fibra de refuerzo con una matriz, en la que dicha matriz comprende: a) una resina epoxi difuncional; b) una resina epoxi aromática multifuncional con una funcionalidad superior a dos, teniendo dicha resina epoxi aromática multifuncional al menos un grupo fenilo que está meta-sustituido. c) materiales termoplásticos insolubles; d) un agente de endurecimiento termoplástico; y e) un agente de curado, en el que "partículas termoplásticas insolubles significa un material termoplástico que está en forma de polvo, forma atomizada o forma de partícula y que permanezca sustancialmente en forma particulada en la matriz de resina prepreg antes del curado y en el que el prepreg está cubierto por ambos lados con una película protectora. 20. Un procedimiento para fabricar una pieza de materiales compuestos que comprende la etapa de curar un material compuesto preimpregnados de acuerdo con la reivindicación 1.