Malla aleatoria y material compuesto reforzado con fibra.

Una malla aleatoria que comprende: fibras de carbono que tienen una longitud de fibra promedio de 5 a 100 mm;

y una resina termoplástica,

donde el peso por área de fibra de las fibras de carbono es de 25 a 3.000 g/m2,

caracterizada por que la malla aleatoria comprende un haz de fibras de carbono (A) en una relación del

30 % en volumen a menos del 90 % en volumen respecto a una cantidad total de las fibras de carbono, incluyendo el haz de fibras de carbono (A) fibras de carbono de un número de fibra individual crítico definido por la fórmula (1) o mayor, y

un número promedio (N) de fibras de carbono individuales en el haz de fibras de carbono (A) satisface la fórmula (2):

Número de fibra individual crítico ≥ 600/D (1)

0,7 x 104/D2

Malla aleatoria y material compuesto reforzado con fibra

Campo técnico

La presente invención se refiere a una malla aleatoria utilizable como una preforma de un material compuesto reforzado con fibra para un producto conformado y un material compuesto reforzado con fibra obtenido a partir de la misma.

Técnica anterior Los materiales compuestos reforzados con fibra en los que se usan fibras de carbono, fibras de aramida, fibras de vidrio o similares como fibras de refuerzo se han utilizado ampliamente para los materiales estructurales tales como aviones y automóviles, y para uso general en la industria o el deporte tal como raquetas de tenis, palos de golf y cañas de pescar que utilizan módulos de alta resistencia específica y elasticidad específica de los mismos. Como las formas de las fibras de refuerzo, hay materiales textiles tejidos que se producen usando fibras continuas, láminas UD en las que las fibras están alineadas unidireccionalmente, láminas aleatorias producidas usando fibras cortadas, materiales textiles no tejidos y similares.

En general, en el caso de los tejidos fabricados de las fibras continuas, las láminas UD y similares, existen etapas de estratificado complicadas como el estratificado a diversos ángulos, por ejemplo a 0/+45/-45/90 debido a la anisotropía de las fibras, y un estratificado simétrico respecto al plano adicional para evitar el alabeo de los productos conformados, se han convertido en uno de los factores que aumentan el coste de los materiales compuestos reforzados con fibra.

Por consiguiente, puede obtenerse un material compuesto reforzado con fibra relativamente barato usando una malla aleatoria previamente isotrópica. Esta malla aleatoria puede obtenerse por un método de pulverización (método de producción en seco) en el que se pulverizan fibras de refuerzo cortadas en solitario o se pulverizan las fibras cortadas junto con una resina termoestable que se realiza al mismo tiempo en un molde o un método de fabricación de papel (método en húmedo) que consiste en añadir las fibras de refuerzo previamente cortadas en una suspensión acuosa que contiene un aglutinante, seguido de un proceso de fabricación de papel. El uso del método de producción en seco puede proporcionar la malla aleatoria de forma más económica, porque el aparato empleado es de tamaño relativamente pequeño.

Como el método de producción en seco, normalmente se usa una técnica de corte de fibras continuas y pulverización simultánea de las fibras cortadas, y se usa una cortadora rotatoria en muchos casos. Sin embargo, cuando la distancia entre las cuchillas de la cortadora aumenta para aumentar la longitud de las fibras, la frecuencia de corte disminuye y, de esta manera, da como resultado una descarga discontinua de las fibras desde la cortadora. Por esta razón, ocurre un peso por área de fibra no uniforme de la malla de forma local. En particular, cuando se prepara una malla que tiene un peso por área de fibra bajo de fibras, la falta de uniformidad en el espesor resulta significativa, lo que ha causado un problema de deterioro del aspecto de la superficie.

Por otro lado, otro factor que aumenta el coste de los materiales compuestos reforzados con fibras es que el tiempo 45 de moldeo es largo. Normalmente, el material compuesto reforzado con fibra se obtiene por calentamiento y presurización de un material denominado preimpregnado en el que un material base de fibra de refuerzo se impregna previamente con una resina termoestable, usando una autoclave durante 2 horas o más. En los últimos años, se ha propuesto un método de moldeo RTM en el que un material base de fibras de refuerzo no impregnadas con una resina se introduce en un molde y posteriormente una resina termoestable se vierte en el mismo, y el tiempo de moldeo se ha reducido sustancialmente. Sin embargo, incluso cuando se adopta el método de moldeo RTM, tarda 10 minutos o más hasta que se moldea una pieza.

Por esta razón, está atrayendo la atención un material compuesto que usa una resina termoplástica como matriz, en lugar de la resina termoestable convencional. Sin embargo, la resina termoplástica generalmente tiene una alta 55 viscosidad en comparación con la resina termoestable, por lo que el tiempo para impregnar la resina fundida en el material base de fibra resulta largo. Como resultado, ha habido un problema de que el tiempo hasta el moldeo aumenta.

Como una técnica para resolver estos problemas se propone una técnica denominada moldeo por estampado termoplástico (TP-SMC) . Este es un método de moldeo en el que las fibras troceadas previamente impregnadas con una resina termoplástica se calientan hasta un punto de fusión o mayor o una temperatura fluida o mayor de la resina y se pone en una parte de un molde, posteriormente inmediatamente el molde se cierra y las fibras y la resina se dejan fluir en el molde, obteniendo de esta manera una forma de producto seguido del enfriamiento para formar un producto conformado. De acuerdo con esta técnica, el moldeo es posible durante un periodo de tiempo tal como 65 aproximadamente 1 minuto usando las fibras impregnadas previamente con la resina. Existen Documentos de Patente 1 y 2 con respecto a los métodos para producir haces de fibras troceados y materiales de moldeo. Sin

embargo, estos son métodos que usan materiales de moldeo denominados SMC o láminas estampables. En tal moldeo por estampado termoplástico, las fibras y las resinas se dejan fluir en el molde de manera que ha habido problemas de fallo para producir una pared fina y la orientación de la fibra se ve alterada puesto que la orientación queda fuera de control.

Como un medio para producir una pared fina sin permitir que las fibras fluyan, se propone una técnica de preparar una lámina fina a partir de fibras de refuerzo mediante un método de fabricación de papel y posteriormente impregnar la lámina con una resina para preparar un preimpregnado (Documento de Patente 3) . En el método de fabricación de papel, las fibras de refuerzo se dispersan homogéneamente en una dispersión acuosa de manera que las fibras de refuerzo están en una única forma de fibra.

El documento de Patente 4 divulga un cuerpo de junta que comprende: un miembro de refuerzo que tiene al menos una capa aleatoria en la que una fibra de carbono troceada está orientada aleatoriamente en una resina termoplástica, y al menos una capa de material unidireccional en la que una fibra de carbono continua está dispuesta unidireccionalmente en una resina termoplástica; y un miembro reforzado con una forma de sección abierta que tiene al menos uno seleccionado del grupo que consiste en una capa aleatoria y una capa de material unidireccional, en la que el miembro de refuerzo y el miembro reforzado se sueldan por vibración para formar una sección cerrada hueca.

El documento de Patente 5 divulga una composición de resina termoplástica reforzada con fibra que comprende de 0, 1 a 10 % en masa de un polímero basado en (met) acrílico, del 1 al 70 % en masa de fibra de refuerzo y del 20 al 98, 9 % en masa de resina termoplástica, donde el polímero basado en (met) acrílico tiene, en una cadena lateral al menos un grupo funcional seleccionado de un grupo hidroxilo, un grupo carboxilo, un grupo amida y un grupo urea y tiene una densidad de energía cohesiva (CED) de 385 a 550 MPa. La presente invención proporciona, particularmente en el caso de usar una resina basada en poliolefina como resina de matriz, una composición de resina termoplástica reforzada con fibra y un haz de fibra de refuerzo que tiene una alta adhesividad y buenas características mecánicas.

El documento de Patente 6 divulga una lámina para moldeo por estampado en la que de 5 a 300 partes en peso de fibras inorgánicas discontinuas abiertas que tienen una longitud de 3 mm o mayor se dispersan sustancialmente de forma uniforme basado en 100 partes en peso de un polvo de resina sintética termoplástica.

El documento de Patente 7 divulga un artículo moldeado de resina termoplástica reforzada con fibra, que es un artículo moldeado que comprende una resina termoplástica (del 20 % al 65 % en peso) y fibras de carbono (del 35 %

al 80 % en peso) , en el que las fibras de carbono son fibras monofilamentosas, la longitud de fibra promedio en peso (Lw) de las fibras de carbono es de 0, 5 a 10 mm y el parámetro de orientación definido en este documento (fp) de las fibras de carbono es de -0, 25 a 0, 25.

El documento de Patente 8 divulga la producción de un producto formado por fibra para un material compuesto de carbono reforzado con fibra de carbono, en el que las fibras de carbono y el material de matriz en polvo se soplan desde un tubo de Venturi junto con el flujo de aire para soltar las fibras... [Seguir leyendo]

1. Una malla aleatoria que comprende: fibras de carbono que tienen una longitud de fibra promedio de 5 a 100 mm; y una resina termoplástica, 5 donde el peso por área de fibra de las fibras de carbono es de 25 a 3.000 g/m2, caracterizada por que la malla aleatoria comprende un haz de fibras de carbono (A) en una relación del 30 % en volumen a menos del 90 % en volumen respecto a una cantidad total de las fibras de carbono, incluyendo el haz de fibras de carbono (A) fibras de carbono de un número de fibra individual crítico definido por la fórmula (1) o mayor, y un número promedio (N) de fibras de carbono individuales en el haz de fibras de carbono (A) satisface la fórmula (2) :

Número de fibra individual crítico = 600/D (1) 0, 7 x 104/D2<N<1 x 105/D2 (2) 15 donde D es un diámetro de fibra promedio (m) del haz de fibras de carbono (A) .

2. La malla aleatoria de acuerdo con la reivindicación 1, donde una cantidad existente de la resina termoplástica en la malla aleatoria es de 50 a 1.000 partes en peso basado en 100 partes en peso de las fibras de carbono. 20

3. La malla aleatoria de acuerdo con la reivindicación 1, donde la resina termoplástica está presente en forma fibrosa o particulada.

4. La malla aleatoria de acuerdo con la reivindicación 1, que tiene isotropía en el plano. 25

5. Un método para producir la malla aleatoria de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, que comprende: cortar un haz de fibras de carbono; introducir el haz de fibras de carbono cortadas en un tubo y abrir el haz de fibras de carbono soplando aire al mismo en el tubo; dispersar y succionar de forma simultánea las fibras de carbono abiertas, junto con una resina termoplástica fibrosa o particulada, y pulverizar las fibras de carbono y la resina termoplástica sobre una parte de fijación y; fijar las fibras de carbono cortadas y la resina termoplástica que se pulveriza para formar una malla aleatoria. 35

6. Un material compuesto reforzado con fibra de carbono obtenido moldeando la malla aleatoria de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3.

7. El material compuesto reforzado con fibra de carbono de acuerdo con la reivindicación 6, donde las fibras de 40 carbono están orientadas aleatoriamente de forma bidimensional.

8. El material compuesto reforzado con fibra de carbono de acuerdo con la reivindicación 6, donde la relación obtenida dividiendo un valor mayor por un valor menor del módulo de tracción en dos direcciones a ángulos rectos entre sí no supera una cifra de 2.