Resina endurecible sólida elaborada mediante el proceso que comprende las etapas de:

A. proporcionar una mezcla termoendurecible que incluye un componente de resina, un componente de endurecimiento y un componente particulado, teniendo dicha mezcla termoendurecible una temperatura de endurecimiento de modo tal que dicha mezcla termoendurecible forme una resina endurecida cuando se calienta a una temperatura igual o superior a la citada temperatura de endurecimiento y donde dicho componente particulado comprende partículas de un polímero tipo varilla rígida que tiene una temperatura de disolución, disolviéndose dichas partículas de polímero tipo varilla rígida en el citado componente de resina, estando presente dicho componente particulado en una cantidad tal que la citada mezcla resinosa termoendurecible forma una mezcla termoendurecida cuando se calienta dicha mezcla resinosa termoendurecible a una temperatura que es igual o superior a la temperatura de disolución de dicho polímero tipo varilla rígida y por debajo de la citada temperatura de endurecimiento de la mezcla termoendurecible; B. calentar la mezcla resinosa termoendurecible hasta una temperatura que es igual o superior a la temperatura de disolución del mencionado polímero tipo varilla rígida y por debajo de la temperatura de endurecimiento de la citada mezcla termoendurecible durante un tiempo suficiente para formar dicha mezcla termoendurecida; y C. enfriar dicha mezcla termoendurecida hasta una temperatura por debajo de la temperatura de disolución de dicho polímero tipo varilla rígida para formar la citada resina endurecible sólida

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Campo de la Invención

En general, la presente invención se refiere a materiales compuestos que se endurecen a alta temperatura y presión. Típicamente, dichos materiales compuestos se endurecen en autoclave donde se pueden controlar cuidadosamente la temperatura y la presión. Más en particular, la presente invención se refiere a resinas poliméricas que se utilizan en la fabricación de estos materiales compuestos. La invención implica la preparación y utilización de mezclas líquidas de resinas termoendurecibles. Las mezclas se convierten en resinas endurecibles sólidas que se pueden endurecer térmicamente para formar estructuras compuestas sin necesidad de autoclave o de aplicar altas presiones de consolidación.

Estado de la Técnica Anterior

Los materiales compuestos son ampliamente utilizados en situaciones donde es necesaria una alta resistencia y poco peso. En general, los materiales compuestos incluyen una o varias capas de fibras que están embebidas en una matriz de resina. Las fibras de vidrio y de grafito son particularmente habituales, junto con muchos otros tipos de fibras disponibles. Las fibras se encuentran en una variedad muy amplia de tamaño, forma y configuración. Tela tejida, fibras unidireccionales, esteras de fibras orientadas al azar y fibras cortadas son sólo unos ejemplos. Aunque se dispone de numerosos tipos de resinas matriciales, las resinas epoxi están ampliamente generalizadas.

Los materiales compuestos basados en la utilización de fibras de grafito o de vidrio en combinación con resinas poliméricas termoendurecibles se suelen encontrar en vehículos aeroespaciales y automóviles. Estos materiales son especialmente adecuados para su utilización en aviones, donde la combinación de alta resistencia y bajo peso es particularmente deseable. Se han empleado materiales compuestos para producir gran variedad de piezas para aviones, que van desde paneles y barquillas no estructurales hasta componentes estructurales, incluyendo superficies de control de vuelo y elementos estructurales del ala, fuselaje y cola.

Un proceso habitual para fabricar piezas de material compuesto implica en primer lugar la preparación de cierto número de capas individuales de fibras que están impregnadas con una mezcla resinosa adecuada, que incluye epoxi termoendurecible y uno o más agentes de endurecimiento. Las capas de fibras impregnadas con resina se denominan “prepreg”. Las capas prepreg están laminadas conjuntamente, típicamente en un molde, y endurecidas para formar la pieza de compuesto final. Es deseable utilizar prepregs para formar piezas compuestas porque permiten que se pueda controlar cuidadosamente la cantidad de resina presente en el material compuesto final. Otros procedimientos de laminación o apilamiento incluyen aquellos que implican la impregnación de la resina dentro de las capas de fibras secas a medida que se van colocando en el molde.

La práctica actual para endurecer materiales compuestos termoendurecibles exige que las capas de fibras impregnadas estén consolidadas bajo una alta presión de compactación mientras se calientan, con el fin de laminar las capas individuales conjuntamente para formar la pieza compuesta deseada. Tal como se ha mencionado anteriormente, el endurecimiento se lleva a cabo normalmente en un autoclave, donde se pueden controlar la presión y la temperatura. Incluso los pequeños autoclaves destinados en su utilización a endurecer piezas compuestas relativamente pequeñas pueden resultar muy caros. Los autoclaves más grandes y diseñados para tratar piezas compuestas que se encuentran en grandes aviones y vehículos de lanzamiento aeroespaciales son aún más caros.

Con el fin de reducir sustancialmente el coste de fabricación de grandes piezas compuestas, sería deseable proporcionar materiales compuestos termoendurecibles que se pudieran utilizar para fabricar grandes piezas sin necesidad de autoclave u otro equipo de procesamiento caro. Se llevaron a cabo intentos para eliminar el autoclave del proceso de fabricación. Estos procedimientos “sin autoclave” no han tenido ningún éxito. Un proceso se basa en tratar de conseguir un endurecimiento total durante la etapa de asentamiento. En este proceso, las capas se calientan y consolidan contra las capas subyacentes para formar un producto finalmente endurecido. En otro proceso, se consolidan las capas conjuntamente en la etapa de asentamiento con poca o ninguna reacción de endurecimiento. Ambas aproximaciones son difíciles de llevar a cabo y no han tenido éxito total debido a las dificultades para conseguir propiedades uniformes y consistentes.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

De acuerdo con la presente invención, se proporcionan mezclas resinosas termoendurecibles que se pueden utilizar para formar materiales compuestos no endurecidos sólidos, que luego se pueden endurecer térmicamente fuera de autoclave, a presiones ambiente, para formar piezas de materiales compuestos de todos los tamaños y formas. La presente invención es particularmente adecuada para su utilización en la realización de estructuras compuestas grandes y complejas, tales como fuselajes de aviones y carcasas de cohetes. Las mezclas resinosas termoendurecibles se pueden utilizar también para formar ligantes de tejidos con una vida útil extremadamente larga a temperatura ambiente y otros adhesivos con resistencia verde mejorada.

La invención implica una mezcla resinosa termoendurecible que incluye un componente de resina, un componente de endurecimiento y un componente particulado. El componente de resina contiene una o más resinas no endurecidas. El componente de endurecimiento incluye uno o más agentes de endurecimiento para el componente de resina. El componente de resina y el componente de endurecimiento combinados forman una mezcla resinosa endurecible que tiene una temperatura de endurecimiento tal que la mezcla resinosa endurecible forma una resina endurecida cuando se calienta a una temperatura igual o superior a la temperatura de endurecimiento. El componente particulado se dispersa en el seno de la mezcla resinosa endurecible para formar la mezcla resinosa termoendurecible. El componente particulado se compone de partículas de polímero tipo varilla rígida, disolviéndose el polímero tipo varilla rígida en la mezcla resinosa endurecible a una temperatura inferior a la temperatura de endurecimiento de la mezcla resinosa endurecible.

Como una característica de la presente invención, el componente de resina, el componente de endurecimiento y el componente particulado se seleccionan de modo tal que la mezcla resinosa termoendurecible forma una mezcla endurecida más viscosa cuando se calienta la mezcla resinosa termoendurecible a una temperatura suficiente como para disolver el polímero tipo varilla rígida, pero que se encuentra por debajo de la temperatura de endurecimiento de la mezcla resinosa endurecible, y luego se vuelve a enfriar a temperatura ambiente. La temperatura a la que las partículas de polímero tipo varilla rígida empiezan primero a disolverse en la mezcla resinosa endurecible es la “temperatura de disolución”. El rango de temperaturas entre la temperatura de disolución de las partículas de polímero tipo varilla rígida y la temperatura de endurecimiento de la mezcla resinosa endurecible se denomina aquí “ventana de procesamiento” o “región de procesamiento” para el termoendurecido. La mezcla termoendurecida de la presente invención se forma mediante calentamiento de la mezcla termoendurecible a una temperatura que se encuentra dentro de la región de procesamiento, durante un tiempo suficiente para formar la mezcla termoendurecida. Una vez formada, la mezcla termoendurecida se enfría a una temperatura por debajo de la temperatura de disolución de las partículas de polímero tipo varilla rígida para formar una resina sólida endurecible de muy alta viscosidad. La resina sólida endurecible se puede almacenar indefinidamente a temperatura ambiente. El producto endurecido final se obtiene mediante calentamiento de la resina sólida endurecible a una temperatura igual o superior a la temperatura de endurecimiento de la mezcla resinosa endurecible.

La mezcla resinosa termoendurecible es útil en la fabricación de un prepreg que contiene la mezcla resinosa termoendurecible en combinación con una capa de fibra. Se ha descubierto que la prepreg termoendurecible se puede convertir en cuerpos termoendurecidos mediante el calentamiento de las capas a temperaturas incluidas en la ventana de procesamiento y mediante la aplicación de presiones... [Seguir leyendo]

1. Resina endurecible sólida elaborada mediante el proceso que comprende las etapas de:

A. proporcionar una mezcla termoendurecible que incluye un componente de resina, un componente de endurecimiento y un componente particulado, teniendo dicha mezcla termoendurecible una temperatura de endurecimiento de modo tal que dicha mezcla termoendurecible forme una resina endurecida cuando se calienta a una temperatura igual o superior a la citada temperatura de ednurecimiento y donde dicho componente particulado comprende partículas de un polímero tipo varilla rígida que tiene una temperatura de disolución, disolviéndose dichas partículas de polímero tipo varilla rígida en el citado componente de resina, estando presente dicho componente particulado en una cantidad tal que la citada mezcla resinosa termoendurecible forma una mezcla termoendurecida cuando se calienta dicha mezcla resinosa termoendurecible a una temperatura que es igual o superior a la temperatura de disolución de dicho polímero tipo varilla rígida y por debajo de la citada temperatura de endurecimiento de la mezcla termoendurecible;

B. calentar la mezcla resinosa termoendurecible hasta una temperatura que es igual o superior a la temperatura de disolución del mencionado polímero tipo varilla rígida y por debajo de la temperatura de endurecimiento de la citada mezcla termoendurecible durante un tiempo suficiente para formar dicha mezcla termoendurecida; y

C. enfriar dicha mezcla termoendurecida hasta una temperatura por debajo de la temperatura de disolución de dicho polímero tipo varilla rígida para formar la citada resina endurecible sólida.

2. Cuerpo compuesto de una resina endurecible sólida que comprende fibras y una resina endurecible sólida según la reivindicación 1.

3. Resina endurecible sólida según la reivindicación 1, caracterizada porque dicho polímero tipo varilla rígida tiene un esqueleto de 1,4-fenileno.

4. Resina endurecible sólida según la reivindicación 1, caracterizada porque la temperatura de endurecimiento de dicha mezcla termoendurecible se sitúa por encima de 120ºC.

5. Resina endurecible sólida según la reivindicación 1, caracterizada porque la temperatura de disolución del citado polímero tipo varilla rígida se encuentra entre 75ºC y 125ºC.

6. Método para elaborar una resina endurecible sólida que comprende las etapas de:

A. proporcionar una mezcla termoendurecible que incluye un componente de resina, un componente de endurecimiento y un componente particulado, teniendo dicha mezcla termoendurecible una temperatura de endurecimiento de modo tal que dicha mezcla termoendurecible forme una resina endurecida cuando se calienta a una temperatura igual o superior a la citada temperatura de endurecimiento y donde el mencionado componente particulado comprende partículas de un polímero tipo varilla rígida que tienen una temperatura de disolución, disolviéndose dichas partículas de polímero tipo varilla rígida en dicho componente de resina, estando presente dicho componente particulado en una cantidad tal que dicha mezcla resinosa termoendurecible forme una mezcla termoendurecida cuando se calienta dicha mezcla resinosa termoendurecible a una temperatura que es igual o superior a la temperatura de disolución del citado polímero tipo varilla rígida y por debajo de la citada temperatura de endurecimiento de la mezcla termoendurecible;

B. calentar la mezcla resinosa termoendurecible hasta una temperatura que es igual o superior a la temperatura de disolución del citado polímero tipo varilla rígida y por debajo de la temperatura de endurecimiento de dicha mezcla termoendurecible durante un tiempo suficiente para formar la citada mezcla termoendurecida; y

C. enfriar dicha mezcla termoendurecida hasta una temperatura por debajo de la temperatura de disolución del citado polímero tipo varilla rígida para formar dicha resina endurecible sólida.

7. Método para elaborar un prepreg endurecible sólido que comprende las etapas de:

A. combinar fibras con una mezcla resinosa termoendurecible para formar una capa de prepreg termoendurecible, comprendiendo dicha mezcla resinosa termoendurecible un componente de resina, un componente de endurecimiento y un componente particulado, teniendo dicha mezcla termoendurecible una temperatura de endurecimiento de modo tal que dicha mezcla termoendurecible forme una resina endurecida cuando se calienta a una temperatura igual o superior a la citada temperatura de endurecimiento y donde dicho componente particulado comprende partículas de un polímero tipo varilla rígida que tienen una temperatura de disolución, disolviéndose dichas partículas de polímero tipo varilla rígido en dicho componente de resina, estando presente dicho componente particulado en una cantidad tal que dicha mezcla resinosa termoendurecible forme una mezcla termoendurecida cuando se calienta dicha mezcla resinosa termoendurecible a una temperatura que es igual o superior a la temperatura de disolución de dicho polímero tipo varilla rígida y por debajo de la citada temperatura de endurecimiento de la mezcla termoendurecible;

B. calentar la capa de prepreg termoendurecible hasta una temperatura que es igual o superior a la temperatura de disolución del citado polímero tipo varilla rígida y por debajo de la temperatura de endurecimiento de dicha mezcla termoendurecible durante un tiempo suficiente para formar un prepreg termoendurecido; y

C. enfriar dicho prepreg termoendurecido hasta una temperatura por debajo de la temperatura de disolución del citado polímero tipo varilla rígida para formar el mencionado prepreg endurecible sólido.

8. Método para elaborar un prepreg endurecible sólido según la reivindicación 7, caracterizado porque dicho polímero tipo varilla rígida tiene un esqueleto de 1,4-fenileno.

9. Método para elaborar un prepreg endurecible sólido según la reivindicación 7, caracterizado porque la temperatura de endurecimiento de dicha mezcla termoendurecible se sitúa por encima de 120ºC.

10. Método para elaborar un prepreg endurecible sólido según la reivindicación 7, caracterizado porque la temperatura de disolución del citado polímero tipo varilla rígida se encuentra entre 75ºC y 125ºC.

11. Método para elaborar un cuerpo compuesto endurecible sólido que comprende las etapas de:

A. combinar fibras con una mezcla resinosa termoendurecible para formar al menos dos capas de prepreg termoendurecibles, comprendiendo dicha mezcla resinosa termoendurecible un componente de resina, un componente de endurecimiento y un componente particulado, teniendo dicha mezcla termoendurecible una temperatura de endurecimiento de modo tal que dicha mezcla termoendurecible forme una resina endurecida cuando se calienta a una temperatura igual o superior a dicha temperatura de endurecimiento y donde dicho componente particulado comprende partículas de un polímero tipo varilla rígida que tienen una temperatura de disolución, disolviéndose dichas partículas de polímero tipo varilla rígida en dicho componente de resina, estando presente dicho componente particulado en una cantidad tal que dicha mezcla resinosa termoendurecible forme una mezcla termoendurecida cuando se calienta la citada mezcla resinosa termoendurecible a una temperatura que es igual o superior a la temperatura de disolución del mencionado polímero tipo varilla rígida y por debajo de la citada temperatura de endurecimiento de la mezcla termoendurecible;

B. colocar dichas al menos dos capas de prepreg termoendurecibles juntas para formar un cuerpo de prepreg termoendurecible

C. calentar dicho cuerpo de prepreg termoendurecible a una temperatura igual o superior a la temperatura de disolución del citado polímero tipo varilla rígida y por debajo de la temperatura de endurecimiento de la mencionada mezcla termoendurecible durante un tiempo suficiente para endurecer dichas capas de prepreg y formar un cuerpo de prepreg termoendurecido; y

D. enfriar dicho cuerpo de prepreg termoendurecido hasta una temperatura por debajo del punto de fusión del citado polímero tipo varilla rígida para formar dicho cuerpo compuesto endurecible sólido.

12. Método para elaborar un cuerpo compuesto endurecible sólido según la reivindicación 11, caracterizado porque el citado polímero tipo varilla rígida tiene un esqueleto de 1,4-fenileno.

13. Método para elaborar un cuerpo compuesto endurecible sólido según la reivindicación 11, caracterizado porque la temperatura de endurecimiento de la citada mezcla termoendurecible se sitúa por encima de 120ºC.

14. Método para elaborar un cuerpo compuesto endurecible sólido según la reivindicación 11, caracterizado porque la temperatura de disolución del citado polímero tipo varilla rígida se encuentra entre 75ºC y 125ºC.

15. Método para elaborar una capa compuesta endurecida que comprende la etapa de calentamiento del prepreg endurecible sólido realizado según la reivindicación 7 a una temperatura igual o superior a dicha temperatura de endurecimiento bajo presión ambiente durante un tiempo suficiente para formar la citada capa compuesta endurecida.

16. Método para elaborar un cuerpo compuesto endurecido que comprende la etapa de calentamiento del cuerpo compuesto endurecible sólido realizado según la reivindicación 11 a una temperatura igual o superior a dicha

temperatura de endurecimiento bajo presión ambiente durante un tiempo suficiente para formar dicha capa compuesta endurecida.