Materiales compuestos polímeros reforzados con fibras y endurecidos con partículas.

Un material pre-impregnado, que comprende:

una primera región (región de fibras),

que comprende:

una pluralidad de fibras; y

una primera composición polimérica, que comprende:

un primer material polímero que rodea al menos a una parte de las fibras; y

una primera pluralidad de partículas situadas dentro del primer material polímero; y

una segunda región (región de capa intermedia), que comprende:

una segunda composición polimérica, que comprende

un segundo material polímero; y

una segunda pluralidad de partículas situadas dentro del segundo material polímero;

en donde los primero y segundo materiales polímeros comprenden una o más resinas de bismaleimida, la primera pluralidad de partículas comprende cauchos de núcleo-envoltura, y la segunda pluralidad de partículas comprende uno o más materiales termoplásticos seleccionados de: poliimida, poliéter-cetona (PEK), poliéter-éter-cetona (PEEK), poliéter-cetona-cetona (PEKK), poliéter-imida, poliéter-sulfona y poli(óxido de fenileno) (PPO), y en donde la primera pluralidad de partículas no está situada dentro de la región de la capa intermedia.

Materiales compuestos polímeros reforzados con fibras y endurecidos con partículas.

ANTECEDENTES

Campo Realizaciones de la presente descripción pertenecen a composiciones poliméricas, adecuadas para servicio a alta temperatura y, en particular, a composiciones poliméricas endurecidas con partículas que comprenden una pluralidad de partículas endurecedoras y materiales pre-impregnados y materiales compuestos formados a partir de los mismos.

Descripción de la técnica relacionada Estructuras compuestas con matriz polimérica (PMCs – siglas en inglés) laminadas se utilizan ampliamente en un cierto número de aplicaciones. Por ejemplo, las estructuras compuestas se están utilizando de manera creciente en aplicaciones aeroespaciales de alto rendimiento. Las PMCs combinan fibras orientadas selectivamente que están envueltas en un material de matriz polimérico que las rodea. Estas estructuras compuestas exhiben buenas propiedades mecánicas por su peso (p. ej., resistencia mecánica, rigidez, tenacidad) , así como una amplia ventana de temperaturas de servicio y una facilidad de fabricación, haciéndolas bien adecuadas para aplicaciones aeroespaciales.

La mayoría de los materiales compuestos poliméricos emplean resinas epoxídicas debido a la buena combinación de propiedades mecánicas, amplia gama de temperaturas y facilidad de fabricación de piezas proporcionadas por componentes epoxi.

Sin embargo, algunas aplicaciones de materiales compuestos requieren una elevada durabilidad térmica en el material compuesto acabado, y piezas de PMC utilizadas en entornos extremos tales como aplicaciones a alta temperatura, pueden carecer de una durabilidad térmica adecuada. Por ejemplo, los componentes epoxi pueden exhibir una importante pérdida de peso después de largos períodos a altas temperaturas. Actualmente no existen materiales compuestos con matriz polimérica económicos que puedan resistir estos entornos extremos.

Polímeros tales como bismaleimidas (BMIs) están ganando aceptación en aplicaciones aeroespaciales que requieren temperaturas de servicio más allá de la capacidad de las resinas epoxídicas. Las BMIs poseen temperaturas de transición vítrea, Tg, superiores a las de los componentes epoxi y exhiben una pérdida de peso relativamente baja durante el envejecimiento térmico. Las BMIs también pueden exhibir propiedades de procesamiento similares a los componentes epoxi y una durabilidad a alta temperatura. Como resultado, materiales compuestos basados en resinas de BMI poseen buenas propiedades mecánicas a temperaturas dentro del intervalo de aproximadamente 149 a 232ºC.

Sin embargo, aun cuando las temperaturas de transición vítrea de BMIs son mayores que las de los componentes epoxi, las BMIs son también relativamente rígidas. Como resultado, los materiales compuestos de BMI tienden a exhibir una deficiente tolerancia a los daños y una deficiente resistencia de ciclo de temperaturas al microagrietamiento.

Además de ello, intentos para endurecer BMIs a través de aditivos han demostrado ser relativamente infructuosos. Por ejemplo, se ha observado que agentes de endurecimiento típicamente empleados en composiciones epoxi tales como cauchos del tipo de butadieno-acrilonitrilo terminado en carboxilo (CTBN – siglas en inglés) , de butadieno y de estireno, reducen la Tg o fomentan una elevada pérdida de peso durante el envejecimiento térmico. La exposición térmica también puede reducir la eficacia de estos tipos de cauchos.

De lo que antecede existe, por lo tanto, una necesidad permanente de materiales compuestos tenaces, capaces de operar a temperaturas elevadas durante un período prolongado.

SUMARIO

Realizaciones de la descripción proporcionan composiciones poliméricas endurecidas con partículas y materiales pre-impregnados, adecuados para servicio a temperatura elevada. En una realización, las composiciones poliméricas comprenden un material polímero y primera y segunda partículas de endurecimiento. En determinadas realizaciones, el material polímero comprende una bismaleimida.

Los materiales pre-impregnados pueden comprender primera y segunda regiones. En determinadas realizaciones, una primera región puede comprender una pluralidad de fibras, una primera composición polimérica que incluye un primer material polímero y una primera pluralidad de partículas, mientras que la segunda región comprende una segunda composición polimérica que incluye un segundo material polímero y una segunda pluralidad de partículas. En realizaciones adicionales, la primera pluralidad de partículas también puede estar presente en la segunda composición polimérica, con la condición de que la primera pluralidad de partículas no interfiera sustancialmente con una o más interacciones entre el segundo material polímero y la segunda pluralidad de partículas. En realizaciones adicionales, los materiales pre-impregnados se pueden emplear para formar materiales compuestos.

En una realización, se proporciona una composición polimérica endurecida con materiales en partículas. La composición comprende una formulación polimérica base, una primera pluralidad de partículas que comprenden cauchos con núcleo y envoltura y una segunda pluralidad de partículas.

En otra realización se proporciona un método para producir una composición endurecida con materiales en partículas. El método comprende proporcionar una formulación polimérica base, añadir una primera pluralidad de partículas a la formulación polimérica base, comprendiendo la primera pluralidad de partículas cauchos con núcleo y envoltura, y añadir una segunda pluralidad de partículas a la formulación polimérica base.

En otra realización se proporciona un material pre-impregnado. El material pre-impregnado comprende una primera región y una segunda región. La primera región comprende una pluralidad de fibras y una primera composición polimérica. La primera composición polimérica comprende un primer material polímero que rodea al menos a una parte de las fibras, y una primera pluralidad de partículas situadas dentro del primer material polímero. La segunda región comprende una segunda composición polimérica. La segunda composición polimérica comprende un segundo material polímero y una segunda pluralidad de partículas situadas dentro del segundo material polímero. La primera pluralidad de partículas no está sustancialmente situada dentro de la segunda región.

En una realización adicional, se proporciona un material pre-impregnado. El material pre-impregnado comprende una primera región y una segunda región. La primera región comprende una pluralidad de fibras y una primera composición polimérica. La primera composición polimérica comprende un primer material polímero que rodea al menos a una parte de las fibras y una primera pluralidad de partículas situadas dentro de la primera composición polimérica. La segunda composición polimérica comprende un segundo material polímero, estando situada la primera pluralidad de partículas dentro del segundo material polímero, y una segunda pluralidad de partículas situada dentro del segundo material polímero. La primera pluralidad de partículas no interfiere sustancialmente con una interacción que se produce entre la segunda pluralidad de partículas y el segundo material polímero.

En una realización adicional, se proporciona un método para producir un material pre-impregnado. El método comprende formar una primera región y una segunda región del material pre-impregnado. La primera región comprende una pluralidad de fibras y una primera composición polimérica. La primera composición polimérica comprende un primer material polímero que rodea al menos a una parte de las fibras y una primera pluralidad de partículas situadas dentro del primer material polímero. La segunda región del material compuesto comprende una segunda composición polimérica que comprende un segundo material polímero y al menos una de la primera pluralidad de partículas y una segunda pluralidad de partículas dentro del segundo material polímero.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS

La Figura 1 es una ilustración esquemática de una realización de una composición endurecida con partículas, adecuada para servicio a alta temperatura;

la Figura 2 es una realización de un método para producir la composición polimérica de la Figura 2;

las Figuras 3A-3B son ilustraciones esquemáticas de realizaciones de materiales compuestos poliméricos endurecidos con partículas y reforzados con fibras que comprenden partículas endurecedoras primarias y secundarias; (A) las partículas endurecedoras primarias están presentes en la región de las fibras del material... [Seguir leyendo]

1. Un material pre-impregnado, que comprende:

una primera región (región de fibras) , que comprende:

una pluralidad de fibras; y

una primera composición polimérica, que comprende:

un primer material polímero que rodea al menos a una parte de las fibras; y

una primera pluralidad de partículas situadas dentro del primer material polímero; y una segunda región (región de capa intermedia) , que comprende:

una segunda composición polimérica, que comprende un segundo material polímero; y

una segunda pluralidad de partículas situadas dentro del segundo material polímero; en donde los primero y segundo materiales polímeros comprenden una o más resinas de bismaleimida, la primera pluralidad de partículas comprende cauchos de núcleo-envoltura, y la segunda pluralidad de partículas comprende uno o más materiales termoplásticos seleccionados de: poliimida, poliéter-cetona (PEK) , poliéter-éter-cetona (PEEK) , poliéter-cetona-cetona (PEKK) , poliéter-imida, poliéter-sulfona y poli (óxido de fenileno) (PPO) , y en donde la primera pluralidad de partículas no está situada dentro de la región de la capa intermedia.

2. El material pre-impregnado de la reivindicación 1, en donde al menos uno de los primero y segundo materiales polímeros comprende una bismaleimida alifática.

3. El material pre-impregnado de la reivindicación 2, en donde la bismaleimida alifática está presente en una concentración que oscila entre alrededor de 5 y 10% en peso sobre la base del peso de la primera o segunda composición polimérica.

4. El material pre-impregnado de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el diámetro de la primera pluralidad de partículas es menor que aproximadamente la distancia de la separación media entre las fibras.

5. El material pre-impregnado de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde el diámetro de la primera pluralidad de partículas es menor que 1 μm, y el diámetro de la segunda pluralidad de partículas oscila entre 1 μm y 75 μm.

6. El material pre-impregnado de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en donde el módulo elástico de la primera pluralidad de partículas es menor que el módulo elástico del primer material polímero cuando está curado.

7. El material pre-impregnado de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, en donde la concentración de la primera pluralidad de partículas oscila entre alrededor de 2 y 7% sobre la base del peso de la primera composición polimérica.

8. El material pre-impregnado de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en donde la segunda pluralidad de partículas está situada sólo dentro de la segunda región del material pre-impregnado.

9. El material pre-impregnado de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8, en donde el material termoplástico de la segunda pluralidad de partículas tiene una temperatura de transición vítrea mayor que alrededor de 200ºC.

10. El material pre-impregnado de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9, en donde la concentración de la segunda pluralidad de partículas oscila entre alrededor de 15 y 25% sobre la base del peso de la segunda composición polimérica.

11. El material pre-impregnado de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10, en donde el módulo elástico de la segunda pluralidad de partículas es menor que el módulo elástico del segundo material polimérico cuando está curado 12. Un material pre-impregnado, que comprende:

una primera región (región de fibras) , que comprende:

una pluralidad de fibras; y

una primera composición polimérica, que comprende:

un primer material polímero que rodea al menos a una parte de las fibras; y una primera pluralidad de partículas situadas dentro de la primera composición polimérica; y una segunda región (región de capa intermedia) , que comprende: una segunda composición polimérica, que comprende un segundo material polímero; y

la primera pluralidad de partículas y una segunda pluralidad de partículas situadas dentro del

segundo material polímero;

en donde los primero y segundo materiales polímeros comprenden una o más resinas de bismaleimida, la primera pluralidad de partículas comprende cauchos de núcleo-envoltura, y la segunda pluralidad de partículas endurecedoras comprende un material termoplástico seleccionado de: poliéter-éter-cetona (PEEK) , poliéter-cetona (PEK) , poli (óxido de fenileno) (PPO) , poliéter-imida y poliéter-sulfona,

en donde la segunda pluralidad de partículas está situada sólo dentro de la región de la capa intermedia del material compuesto, y

en donde la primera pluralidad de partículas no interfiere con una interacción que se produce entre la segunda pluralidad de partículas y el segundo material polímero.

13. Un método para producir un material pre-impregnado, que comprende:

formar una primera región (región de fibras) , que comprende:

una pluralidad de fibras; y

una primera composición polimérica, que comprende:

un primer material polímero que rodea al menos a una parte de las fibras; y

una primera pluralidad de partículas situadas dentro del primer material polímero; formar una segunda región (región de capa intermedia) , que comprende:

una segunda composición polimérica, que comprende:

un segundo material polímero; y

una segunda pluralidad de partículas situadas dentro del segundo material polímero;

en donde los primero y segundo materiales polímeros comprenden una o más resinas de bismaleimida, la primera pluralidad de partículas comprende cauchos de núcleo-envoltura, y la segunda pluralidad de partículas comprende uno o más materiales termoplásticos seleccionados de: poliimida, poliéter-cetona (PEK) , poliéter-étercetona (PEEK) , poliéter-cetona-cetona (PEKK) , poliéter-imida, poliéter-sulfonas y poli (óxido de fenileno) , y

en donde la primera pluralidad de partículas está situada sólo dentro de la región de fibras y la segunda pluralidad de partículas está situada sólo dentro de la región de la capa intermedia.

14. Un método para producir un material pre-impregnado, que comprende:

formar una primera región (región de fibras) , que comprende:

una pluralidad de fibras; y

una primera composición polimérica, que comprende:

un primer material polímero que rodea al menos a una parte de las fibras; y

una primera pluralidad de partículas situadas dentro del primer material polímero; formar una segunda región (región de capa intermedia) , que comprende:

una segunda composición polimérica, que comprende:

un segundo material polímero; y

la primera pluralidad de partículas y una segunda pluralidad de partículas situadas dentro del

segundo material polímero;

en donde los primero y segundo materiales polímeros comprenden una o más resinas de bismaleimida, la primera pluralidad de partículas comprende cauchos de núcleo-envoltura, y la segunda pluralidad de partículas comprende un material termoplástico seleccionado de: poliéter-éter-cetonas (PEEK) , poliéter-cetonas (PEK) , poli (óxidos de fenileno) (PPO) , poliéter-imidas y poliéter-sulfonas, y

en donde la primera pluralidad de partículas está situada dentro de la región de fibras y la región de la capa intermedia del material compuesto, y la segunda pluralidad de partículas está situada sólo dentro de la región de la capa intermedia del material compuesto.