Materiales compuestos con rendimiento mejorado.

Material compuesto que comprende al menos una resina polimérica y al menos un refuerzo fibroso,

en el que la resina polimérica comprende:

al menos una resina epoxi difuncional;

al menos una resina epoxi trifuncional que tiene al menos un anillo fenilo meta-sustituido en su estructura; y

partículas termoplásticas insolubles seleccionadas entre poliamidas.

Materiales compuestos con rendimiento mejorado La presente invención se refiere a materiales compuestos con rendimiento mejorado, y particularmente, pero no exclusivamente, a materiales compuestos reforzados con fibras.

Los materiales compuestos pre-impregnados (prepreg) basados en refuerzos de fibras comprenden dos constituyentes primarios; una matriz continua, y fibras de refuerzo. Con frecuencia se requieren materiales compuestos para actuar en entornos exigentes, tales como en el campo de la aeronáutica, y por lo tanto, los límites y características físicas del compuesto son de gran importancia. En particular, al determinar cuán ligeras pueden hacerse ciertas partes del material compuesto, son factores importantes la resistencia y el módulo de tracción del compuesto.

La resistencia a la tracción de un material compuesto se dicta en gran medida por las propiedades de la fibra de refuerzo y la proporción en volumen fibra-resina. Además, los compuestos que están en tensión tienden a fallas a través de un mecanismo de daño acumulado que surge de múltiples roturas de tensión de los filamentos del remolque individuales en el refuerzo. Una vez que los niveles de tensión en la resina adyacente a los extremos de filamentos agrietados se vuelven demasiado grandes, todo el compuesto puede fallar. Por lo tanto, la resistencia de las fibras, la resistencia de la matriz y la eficacia de la disipación de la tensión en la proximidad de los extremos de los filamentos agrietados contribuirá a la resistencia a la tracción de un material compuesto.

En muchas aplicaciones, es deseable maximizar la propiedad de la resistencia a la tracción del material compuesto. Sin embargo, los intentos por maximizar la resistencia a la tracción a menudo pueden dar como resultado efectos negativos con respecto a otras propiedades deseables, tales como el rendimiento de compresión y la tolerancia a daños del material compuesto.

El procedimiento más común para aumentar el rendimiento de la tracción del compuesto es cambiar la superficie de la fibra con el fin de debilitar la resistencia del enlace entre la matriz y la fibra. Esto puede conseguirse reduciendo la cantidad de tratamiento superficial electro-oxidativo de la fibra después de la grafitización. La reducción de la resistencia al enlace de la matriz y la fibra presenta un mecanismo para la disipación de la tensión en los extremos de los filamentos expuestos mediante desligación interracial, que proporciona un aumento de la cantidad de daño a la tracción que un compuesto puede soportar antes de fallar en tensión.

Como alternativa, puede aplicarse un revestimiento o "tamaño" a la fibra que disminuye la resistencia del enlace resina-fibra. Este procedimiento es bien conocido en compuestos de fibra de vidrio, pero también puede aplicarse a compuestos reforzados con carbono. Usando estas estrategias, es posible conseguir aumentos significativos en la resistencia a la tracción. Sin embargo, desafortunadamente las mejoras se acompañan por un descenso de las propiedades, tales como la resistencia de la compresión después de un impacto (CAI) , que requiere una alta resistencia de enlace de matriz-fibra.

Un procedimiento alternativo es usar una matriz de módulo inferior. Al tener una resina de módulo inferior se reduce el nivel de tensión que se constituye en la proximidad inmediata de los filamentos agrietados. Esto se consigue normalmente seleccionando resinas con un módulo intrínsecamente inferior (por ejemplo, cianato ésteres) , o 45 incorporando un ingrediente, tal como un elastómero (butadieno-acrilonitrilo terminado con carboxi [CTBN], butadieno-acrilonitrilo terminado con amina [ATBN], etc.) . También se conocen combinaciones de estos diversos enfoques.

La selección de resinas de módulo inferior puede ser eficaz en el aumento de la resistencia a la tracción del 50 compuesto. Sin embargo, esto puede dar como resultado una tendencia a disminuir las propiedades de compresión que requieren una resina rígida, tal como una resistencia a la compresión con entalladura o resistencia a la compresión a 0 º C.

La presente invención busca proporcionar un material compuesto que tenga propiedades físicas mejoradas, tales 55 como resistencia a la tracción y resistencia CAI, en comparación con los intentos anteriores que se describen en este documento. La presente invención busca además proporcionar un procedimiento de preparación del material compuesto que tenga propiedades físicas mejoradas.

La presente invención también busca mejorar la resistencia a la tracción sin causar impactos negativos sustanciales 60 sobre otras características físicas del material compuesto.

De acuerdo con un primer aspecto de la presente invención se proporciona un material compuesto que comprende al menos una resina polimérica y opcionalmente al menos un refuerzo fibroso, en el que la resina polimérica

comprende:

al menos una resina epoxi difuncional; y al menos una resina epoxi trifuncional que tiene al menos un anillo fenilo meta-sustituido en su estructura.

De acuerdo con un segundo aspecto de la presente invención se proporciona un procedimiento de preparar un material compuesto que comprende las etapas de:

proporcionar una resina polimérica y al menos un refuerzo fibroso; y aplicar la resina polimérica al refuerzo fibroso;

en el que la resina polimérica comprende al menos una resina epoxi difuncional, y al menos una resina epoxi trifuncional que tiene al menos un anillo fenilo meta-sustituido en su estructura.

De acuerdo con un tercer aspecto de la presente invención se proporciona una resina polimérica, en la que la resina polimérica comprende:

al menos una resina epoxi difuncional; y al menos una resina epoxi trifuncional que tiene al menos un anillo fenilo meta-sustituido en su estructura.

Se ha descubierto que la selección y combinación de los componentes de la presente invención da como resultado un material compuesto que tiene una resistencia a la tracción y una resistencia CAI mejoradas en comparación con los sistemas convencionales.

Además, se ha descubierto sorprendentemente que los beneficios de una resistencia a la tracción y resistencia CAI mejoradas pueden obtenerse sin afectar sustancialmente a otras propiedades físicas deseables del material compuesto resultante (por ejemplo unión matriz-fibra, tolerancia a los daños, disipación de la tensión, rendimiento en la compresión, etc.) .

El aumento observado tanto en la resistencia CAI como en la resistencia a la tracción es sorprendente y forma una base de esta invención.

Específicamente, el uso de una resina epoxi trifuncional que tiene al menos un anillo fenilo meta-sustituido en su estructura en lugar de las resinas glicidil amina para-sustituidas, usadas convencionalmente en matrices prepreg aeroespaciales, imparte una mayor dureza al material compuesto, así como un aumento del módulo de la resina base. Esto da lugar a un cambio de etapa en el rendimiento CAI. Sorprendentemente, las resinas seleccionadas de la presente invención también imparten una resistencia a la tracción muy alta al material compuesto. Sin desear quedar ligada a teoría alguna, se ha asumido que los beneficios de la invención se atribuyen debido a las estupendas características de traslación.

El término resina polimérica, como se usa en este documento, se refiere a un sistema polimérico.

La expresión "resina polimérica" y "sistema polimérico" se usan de forma intercambiable en la presente solicitud, y se entiende que se refieren a mezclas de longitudes de cadena de resinas que tienen longitudes de cadena variables. Por lo tanto, el término polimérica incluye una realización en la que las resinas presentes están en forma de una mezcla de resina que comprende cualquiera de monómeros, dímeros, trímeros o resina epoxi, que tenga una longitud de cadena mayor de 3. La resina polimérica resultante cuando está curada forma una matriz reticulada de resina.

Por lo tanto, la resina polimérica puede estar compuesto de resina al 50-90% en peso en forma de monómero, al 305% en peso en forma de un dímero, al 20-0, 5% en peso en forma de un trímero, y menos del 20% en peso en forma de polímeros de longitud de cadena mayor de 3.

La resina epoxi difuncional puede ser cualquier resina epoxi difuncional adecuada. Se entenderá que ésta incluirá cualquier resina epoxi adecuada que tenga dos grupos... [Seguir leyendo]

1. Material compuesto que comprende al menos una resina polimérica y al menos un refuerzo fibroso, en el que la resina polimérica comprende:

al menos una resina epoxi difuncional;

al menos una resina epoxi trifuncional que tiene al menos un anillo fenilo meta-sustituido en su estructura; y partículas termoplásticas insolubles seleccionadas entre poliamidas.

2. Material compuesto de acuerdo con la reivindicación 1, en el que la resina epoxi difuncional se selecciona entre al menos una de resinas epoxi difuncionales saturadas, insaturadas, cicloalifáticas, aromáticas, alicíclicas o heterocíclicas.

3. Material compuesto de acuerdo con la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en el que la resina epoxi difuncional incluye cualquier resina basada en: diglicidil éter de Bisfenol F, Bisfenol A (opcionalmente bromado) , fenol y cresol epoxi novolacs, glicidil éteres de aductos de fenol-aldehído, glicidil éteres de dioles alifáticos, diglicidil éter, dietilenglicol diglicidil éter, epoxi aromática, poliglicidil éteres alifáticos, olefinas epoxidadas, glicidil aminas bromadas, aromáticas, glicidil imidinas y amidas heterocíclicas, glicidil éteres, epoxi fluoradas, o cualquier combinación de las mismas.

4. Material compuesto de acuerdo con la reivindicación 3, en el que la resina epoxi difuncional se selecciona entre cualquier resina basada en diglicidil éter de Bisfenol F, diglicidil éter de Bisfenol A, diglicidil dihidroxi naftaleno, o cualquier combinación de las mismas.

5. Material compuesto de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que la resina epoxi trifuncional incluye cualquier resina basada en: fenol y cresol epoxi novolacs, glicidil éteres de aductos de fenol-aldehído, epoxi aromática, triglicidil éteres dialifáticos, poliglicidil éteres alifáticos, olefinas epoxidadas, resinas bromadas, triglicidil aminofenilos, glicidil aminas aromáticas, glicidil imidinas y amidas heterocíclicas, glicidil éteres, epoxi fluoradas, o cualquier combinación de las mismas.

6. Material compuesto de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que la resina epoxi trifuncional que tiene al menos un anillo fenilo meta-sustituido en su estructura está presente en el intervalo del 80% en peso al 5% en peso del material compuesto.

7. Material compuesto de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el material compuesto incluye al menos una resina epoxi multifuncional adicional que tiene una funcionalidad epoxi de al menos tres, y no tiene un anillo fenilo en la estructura que tiene grupos epoxi meta-sustituidos.

8. Material compuesto de acuerdo con la reivindicación 7, en el que la resina epoxi multifuncional adicional incluye cualquier resina basada en: fenol y cresol epoxi novolacs, glicidil éteres de aductos de fenol-aldehído, glicidil éteres de dioles dialifáticos, dietilenglicol diglicidil éter, epoxi aromática, triglicidil éteres dialifáticos, poliglicidil éteres alifáticos, olefinas epoxidadas, glicidil aminas bromadas, aromáticas, triglicidil amino fenoles, glicidil imidinas y amidas heterocíclicas, glicidil éteres, epoxi fluoradas, o cualquier combinación de las mismas.

9. Material compuesto de acuerdo con la reivindicación 7 u 8, en el que la resina epoxi multifuncional está presente en el intervalo del 80% en peso al 0, 1% en peso del material compuesto.

10. Material compuesto de acuerdo con cualquier reivindicación anterior, en el que el material compuesto incluye al menos un agente de curado.

11. Sistema polimérico, en el que el sistema polimérico comprende:

al menos una resina epoxi difuncional; y al menos una resina epoxi trifuncional que tiene al menos un anillo fenilo meta-sustituido en su estructura; y partículas termoplásticas insolubles seleccionadas entre poliamidas.

12. Procedimiento de preparación de un material compuesto que comprende las etapas de:

proporcionar una resina polimérica, al menos un refuerzo fibroso, y partículas termoplásticas insolubles seleccionadas entre poliamidas;

aplicar la resina polimérica y partículas termoplásticas insolubles al refuerzo fibroso;

en el que la resina polimérica comprende al menos una resina epoxi difuncional, y al menos una resina epoxi 5 trifuncional que tiene al menos un anillo fenilo meta-sustituido en su estructura.

13. Procedimiento de preparación de un material compuesto curado que comprende las etapas de la reivindicación 12, y de curado del material compuesto. 10 14. Procedimiento de preparación de un material compuesto curado que contiene un artículo que comprende las etapas de:

preparar un material compuesto curado de acuerdo con la reivindicación 13; y 15 usando el material compuesto curado para producir un artículo aeroespacial.