Composición de resina epoxi para material compuesto reforzado con fibra, impregnado previamente, y material compuesto reforzado con fibra.

Una composición de resina epoxi para materiales compuestos reforzados con fibra que comprende al menos los elementos componentes [A],

[B] y [C] descritos a continuación, en la que los elementos componentes [A] y [B] representan de un 5 a un 60 % en masa y de un 40 a un 80 % en masa, respectivamente, por el 100 % en masa, es decir la cantidad total, de la resina epoxi contenida, en donde

[A]: una resina epoxi que comprende dos o más estructuras anulares cada una de las cuales consiste en cuatro o más miembros, y al menos un grupo glicidilo de tipo amina o de tipo éter conectado directamente a las estructuras anulares,

[B]: una resina epoxi tri- o polifuncional, y

[C]: un agente de curado,

en donde dicha resina epoxi [A] tiene una estructura tal como se representa con la fórmula general:**Fórmula**

en la que cada uno de R1 y R2 indica al menos uno seleccionado entre el grupo de un grupo hidrocarburo alifático con un número de carbonos de 1 a 4, un grupo hidrocarburo alicíclico con un número de carbonos de 3 a 6, un grupo hidrocarburo aromático con un número de carbonos de 6 a 10, un átomo de halógeno, un grupo acilo, un grupo trifluorometilo, y un grupo nitro. Si hay más de un R1 o más de un R2, pueden ser idénticos o diferentes entre sí, y n y m representan un número entero de 0 a 4 y un número entero de 0 a 5, respectivamente. X es uno seleccionado entre el grupo de -O-, -S-, -CO-, -C(≥O)O- y -SO2-.

Composición de resina epoxi para material compuesto reforzado con fibra, impregnado previamente, y material compuesto reforzado con fibra Campo técnico La invención se refiere a una composición de resina epoxi para material compuesto reforzado con fibra (en lo sucesivo en el presente documento, en ocasiones denominado simplemente composición de resina epoxi) , impregnado previamente, y material compuesto de fibras. Más específicamente, la invención se refiere a una composición de resina epoxi útil para producir un material compuesto reforzado con fibra que mantiene una resistencia mecánica elevada en un entorno de funcionamiento riguroso, tal como una temperatura baja, y sirve de forma eficaz como un miembro estructural, y un material impregnado previamente, así como material compuesto reforzado con fibra.

Antecedentes de la técnica Con alta resistencia específica y módulo específico elevado, los materiales compuestos reforzados con fibras que contienen fibra de carbono o fibra de aramida como fibra de refuerzo se han usado en los últimos años para la fabricación de elementos estructurales de aviones y automóviles, raquetas de tenis, palos de golf, cañas de pescar y otros artículos de deporte, así como productos industriales en general.

Los procesos de producción usados habitualmente para estos materiales compuestos reforzados con fibras incluyen el curado de un material impregnado previamente, es decir, un material intermedio en forma de lámina producido por impregnación de fibra de refuerzo con resina de matriz no curada, y el método de moldeo por transferencia de resina que consiste en colocar fibra de refuerzo en un molde, inyectar una resina líquida en ella para preparar un material intermedio, y a continuación curarlo. De estos procesos de producción, el método basado en material impregnado previamente comprende habitualmente el apilamiento de varias láminas de material impregnado previamente y calentamiento y prensado de las mismas para moldear un material compuesto reforzado con fibra. Desde el punto de vista de la productividad, tal como procesabilidad, se han usado habitualmente resinas termoendurecibles, resina epoxi en particular, comúnmente como la resina de matriz para estos materiales impregnados previamente.

A medida que crece la demanda, se han producido muchas peticiones en los últimos años de materiales con un peso reducido y mayor resistencia para los miembros estructurales de aviones y automóviles en particular. Por consiguiente, se requiere que la resina epoxi usada como resina de matriz tenga una resistencia al calor elevada.

En general, las composiciones de resina con una temperatura de transición vítrea elevada, Tg, curan a una temperatura elevada, y estas composiciones de resina normalmente contienen muchos componentes volátiles que se volatilizan cuando se exponen a una temperatura elevada durante los procesos de curado o de moldeo. Si se volatiliza una gran cantidad de materia volátil durante el curado, la materia volátil se gasificará cuando se use el material, por ejemplo, tal como las capas superficiales de los paneles de nido de abeja. En consecuencia, quedará atrapado en los espacios cerrados de las placas de nido de abeja, y se expandirá allí para causar daño a la adhesión entre la capa superficial y el núcleo de nido de abeja. Dicha materia volátil también puede formar huecos cuando las láminas impregnadas previamente laminadas se curan en un autoclave, lo que conduce a materiales compuestos reforzados con fibra con una resistencia menor.

Para proporcionar una composición de resina epoxi muy resistente al calor con un contenido de materia volátil pequeño, se ha propuesto una técnica para combinar una resina epoxi polifuncional y poliisocianato u otros polímeros apropiados (véase el documento de Patente 1) . Esta propuesta, sin embargo, no se refiere a la resistencia del material compuesto de fibra producido mediante curado de placas de impregnadas previamente laminadas.

Para proporcionar materiales compuestos reforzados con fibra con resistencia llevada, es necesario que la fibra de refuerzo tenga mayor resistencia y un aumento de la fracción de volumen (Vf elevado) de fibra. Se ha propuesto convencionalmente un método para producir una fibra de refuerzo de resistencia elevada (véase el documento de Patente 2) . Esta propuesta, sin embargo, no se refiere a la resistencia del material compuesto reforzado con fibra resultante. En general, dado que la fibra de refuerzo usada tiene una resistencia más elevada, tiende a ser más difícil permitir que la fibra componente muestre su resistencia inherente. Si la fibra de refuerzo presentada un aumento de la resistencia de la hebra, por ejemplo, será difícil producir material con una resistencia a la tracción suficientemente elevada. En su lugar, la tasa de contribución a la resistencia a la tracción, que se define como (resistencia a la tracción del material compuesto reforzado con fibra) / (resistencia de la hebra de la fibra de refuerzo x contenido del volumen de fibra) x 100, tiende a disminuir. Si hay disponibilidad de fibra de carbono con resistencia elevada, por lo tanto, aún quedan problemas técnicos por resolver para permitir que la resistencia contribuya a la producción de materiales compuestos reforzados con fibra con mayor resistencia.

Se ha sabido que incluso si se usan fibras de refuerzo con el mismo nivel de resistencia, la tasa de contribución a la resistencia a la tracción puede variar significativamente dependiendo de la resina de matriz a combinar y las

condiciones de moldeo a usar. Si se va a realizar curado a una temperatura elevada de 180 º C o superior, en particular, se produce tensión térmica durante el proceso de curado y permanece en el material compuesto reforzado con fibra resultante, evitando que éste desarrolle resistencia elevada. Por lo tanto, se han realizado estudios para proporcionar mejores resinas de matriz que pueden servir para desarrollar resistencia a la tracción adecuada incluso cuando se cura a una temperatura de 180 º C.

Se ha sabido que el uso de una resina de matriz con una elongación a la tracción mayor en la rotura sirve para producir un material compuesto reforzado con fibra con un aumento de la tasa de contribución a la resistencia a la tracción. La elongación a la tracción en la rotura de una resina de matriz se puede aumentar de forma eficaz disminuyendo la densidad de reticulación de la resina de matriz, pero una disminución en la densidad de reticulación puede reducir la resistencia al calor del material compuesto reforzado con fibra resultante. Esto limita el intervalo eficaz de la relación de mezcla, planteando un problema. Para resolver el problema, se propone que se puede conseguir una tasa de constitución a la resistencia a la tracción elevada cuando la elongación a la tracción en la rotura y la tenacidad a la fractura, KIc, encuentran una relación específica (véase el documento de Patente 3) . Si se añade una gran cantidad de resina termoplástica o un componente de caucho a la resina de matriz con el objetivo de mejorar la tenacidad a la fractura, KIc, sin embargo, la viscosidad por lo general aumentará, conduciendo al deterioro de la capacidad de procesamiento y manipulación en el proceso de producción de material impregnado previamente.

Documentos de la técnica anterior

Documento de patente [Documento de patente 1] Publicación de Patente Japonesa Sin Examinar (Kokai) Nº 2001-31838

[Documento de patente 2] Publicación de Patente Japonesa Sin Examinar (Kokai) Nº HEI-11-241230

[Documento de patente 3] Publicación de Patente Japonesa Sin Examinar (Kokai) Nº HEI-9-235397

Sumario de la invención Problemas a resolver por la invención La invención tiene como objetivo proporcionar una composición de resina epoxi útil para producir un material compuesto reforzado con fibra de carbono que tiene un contenido bajo de componentes que se volatilizan durante el curado, resistencia al calor y resistencia mecánica elevadas en condiciones de funcionamiento rigurosas, tal, temperatura baja, y adecuada para producir miembros estructurales, y un material impregnado previamente, así como materiales compuestos reforzados con fibra de carbono.

Medios para resolver los problemas Para satisfacer los objetivos mencionados anteriormente, la invención tiene cualquiera de las siguientes constituciones. De forma específica, una composición de resina epoxi que comprende al menos los elementos componentes [A], [B], y [C] descritos anteriormente, en la que los elementos componentes [A] y [B] representan de un 10 a un 60 % en masa y de un 40 a un 80 % en masa, respectivamente, por 100 % en masa, es decir la cantidad total, de la resina epoxi contenida, en la que [A]: una... [Seguir leyendo]

1. Una composición de resina epoxi para materiales compuestos reforzados con fibra que comprende al menos los elementos componentes [A], [B] y [C] descritos a continuación, en la que los elementos componentes [A] y [B]

representan de un 5 a un 60 % en masa y de un 40 a un 80 % en masa, respectivamente, por el 100 % en masa, es decir la cantidad total, de la resina epoxi contenida, en donde [A]: una resina epoxi que comprende dos o más estructuras anulares cada una de las cuales consiste en cuatro o más miembros, y al menos un grupo glicidilo de tipo amina o de tipo éter conectado directamente a las estructuras anulares, [B]: una resina epoxi tri-o polifuncional, y [C]: un agente de curado,

en donde dicha resina epoxi [A] tiene una estructura tal como se representa con la fórmula general: 15

en la que cada uno de R1 y R2 indica al menos uno seleccionado entre el grupo de un grupo hidrocarburo alifático con un número de carbonos de 1 a 4, un grupo hidrocarburo alicíclico con un número de carbonos de 3 a 6, un grupo hidrocarburo aromático con un número de carbonos de 6 a 10, un átomo de halógeno, un grupo acilo, un grupo trifluorometilo, y un grupo nitro. Si hay más de un R1 o más de un R2, pueden ser idénticos o diferentes entre sí, y n y m representan un número entero de 0 a 4 y un número entero de 0 a 5, respectivamente. X es uno seleccionado entre el grupo de -O-, -S-, -CO-, -C (=O) O-y -SO2-.

2. Una composición de resina epoxi para materiales compuestos reforzados con fibra de acuerdo con la reivindicación 1 en la que X en dicha resina epoxi [A] es un grupo éter.

3. Una composición de resina epoxi para materiales compuestos reforzados con fibra de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 o 2 en la que dicha resina epoxi [A] representa de 25 a 50 partes en masa para la cantidad 30 total, es decir 100 partes en masa, de dicha resina epoxi [A] y dicha resina epoxi [B].

4. Una composición de resina epoxi para materiales compuestos reforzados con fibra de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 en la que n = 0 y m = 0 en la Fórmula (1) .

5. Una composición de resina epoxi para materiales compuestos reforzados con fibra de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4 en la que dicho agente de curado [C] es una amina aromática.

6. Una composición de resina epoxi para materiales compuestos reforzados con fibra de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5 que comprende adicionalmente partículas de resina termoplástica [D]. 40

7. Una composición de resina epoxi para materiales compuestos reforzados con fibra de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6 que comprende adicionalmente una resina termoplástica [E] que se puede disolver en dicha resina epoxi [A] o resina epoxi [B].

8. Un material impregnado previamente que comprende fibra de refuerzo impregnada con una composición de resina epoxi para materiales compuestos reforzados con fibra de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7.

9. Un material impregnado previamente de acuerdo con la reivindicación 8 en el que dicha fibra de refuerzo es fibra de carbono. 50

10. Un material compuesto reforzado con fibra producido por curado de un material impregnado previamente de acuerdo con la reivindicación 9.

11. Una resina curada producida por curado de una composición de resina epoxi para materiales compuestos reforzados con fibra de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 10.

12. Un material compuesto reforzado con fibra de carbono que comprende una resina curada de acuerdo con la reivindicación 11 así como fibra de carbono.