BR112016010087B1

BR112016010087B1 - Método para impregnação de um material fibroso com uma resina termocurável

Info

Publication number: BR112016010087B1
Application number: BR112016010087-5A
Authority: BR
Inventors: Shawn Junker; Larry Reynolds
Original assignee: Cytec Industries Inc.
Priority date: 2013-11-22
Filing date: 2014-10-27
Publication date: 2021-09-08
Also published as: CA2927942C; ES2931957T3; CA2927942A1; JP2016539824A; MX2016006487A; US9782930B2; EP3071399A1; US10155344B2; RU2016124564A; CN106103057B; JP6403771B2; KR102167574B1; US20170361542A1; TW201529307A; WO2015076981A1; MY183218A; CN106103057A; RU2680505C1; EP3071399B1; AU2014353437A1

Abstract

MÉTODO PARA IMPREGNAÇÃO DE UM MATERIAL FIBROSO COM UMA RESINA TERMOCURÁVEL, E, SISTEMA PARA FABRICAÇÃO DE MATERIAL PRÉ-IMPREGNADO. A presente invenção concerne um método para impregnação de um material fibroso com uma resina curável para formar um material pré-impregnado (22). O método inclui conduzir um material de trama através de pelo menos um elemento de pressionamento em movimento, formado entre um rolo de pressão em movimento e uma superfície de suporte em movimento, em que o rolo de pressão em movimento (54) e a superfície de suporte em movimento se deslocam em diferentes velocidades relativamente entre si, proporcionando uma velocidade relativa (vrel) entre o material de trama e o elemento de pressionamento. O referido pelo menos um elemento de pressionamento em movimento se desloca na mesma direção do material de trama, ao mesmo tempo em que se aplica suficiente pressão para comprimir o material de trama e efetuar a impregnação do material fibroso com a resina termocurável. Também é divulgado um sistema para implementação do método de impregnação divulgado.

Description

ANTECEDENTES DA INVENÇÃO

[001] Os materiais compósitos pré-impregnados têm sido amplamente usados em diversas estruturas de alto desempenho, tais como, componentes de aeronaves e de automóveis, e equipamento esportivos (por exemplo, varas de pescar, tacos de golfe, raquetes de BADMINTON, raquetes de tênis, etc.). Um material pré-impregnado se constitui de um reforço de fibra que é pré-impregnado com uma resina matriz, tipicamente, uma resina termocurável. As fibras reforçam a resina matriz, suportando a maior parte da carga suportada pelo material pré-impregnado, enquanto a resina matriz suporta uma menor parte da carga suportada pelo material pré-impregnado e também transfere carga de fibras rompidas para fibras intactas. Desse modo, o material pré-impregnado pode suportar uma maior quantidade de carga, se comparado com a resina matriz ou com as fibras isoladas. Além disso, ao se dimensionar as fibras de reforço em uma específica geometria ou orientação, um material compósito pode ser eficientemente projetado para minimizar o peso e volume, ao mesmo tempo em que maximiza a resistência.

[002] Os materiais pré-impregnados podem ser fabricados mediante impregnação de um tecido de fibras contínuas ou um tecido com uma resina matriz, criando uma folha de material maleável e pegajosa. Durante a impregnação, as fibras de reforço são impregnadas com a resina matriz de uma forma controlada. A precisa especificação das fibras, a sua origem e a formulação da resina matriz podem ser especificadas para se obter um ótimo desempenho para o uso pretendido dos materiais pré-impregnados. A massa de fibras por metro quadrado pode ser também especificada de acordo com as necessidades.

[0001] O termo “impregnado” se refere à introdução de uma resina matriz para reforçar as fibras, de modo a que parcial ou totalmente, as fibras sejam encapsuladas pela resina. O processo de impregnação controla a quantidade de resina no interior do leito fibroso e na superfície do leito fibroso. Além disso, o nível de impregnação de resina afeta os métodos usados para montar a parte compósita acabada e a qualidade da mesma. A resina matriz para fabricação de materiais pré-impregnados pode tomar a forma de películas ou líquidos de resina. Tipicamente, a impregnação é facilitada pela aplicação de calor e/ou pressão. Os resultantes materiais pré- impregnados produzidos a partir do processo de fabricação de materiais pré- impregnados se encontram em um estado não curado ou curável (isto é, não endurecido) e podem ser congelados para inibir a polimerização da resina. Para a fabricação de partes componentes dos materiais pré-impregnados, os pré-impregnados congelados são descongelados para a temperatura ambiente, cortados de tamanho e montados com uma ferramenta de moldagem através de diversos métodos, tais como, armazenamento manual, Automated Tape Layup -Armazenamento de Fibra Automatizado (ATL), e Advanced Fiber Placement- Colocação de Fibra Antecipada (AFP). O material pré- impregnado para cada método de montagem exige diferentes níveis de impregnação e diferentes níveis de pegajosidade. O nível de “pegajosidade” se refere ao satisfatório grau de aderência que ocorre nos materiais pré- impregnados entre si e também em uma superfície de ferramenta. Por exemplo, para um método de armazenamento manual, há menos necessidade de um alto nível de impregnação e maior necessidade de pegajosidade, enquanto que no método AFP, o leito de fibras exige níveis mais altos de impregnação. Uma vez no local, os materiais pré-impregnados são consolidados e curados sob pressão, para se obter a exigida fração de volume de fibra, com mínimas porções de vazios.

[004] Atualmente, diversos métodos convencionais para impregnação contínua de material fibroso envolvem o uso de mecanismo de aplicação de pressão estática. Rolos de aperto ou pressionamento, por exemplo, têm sido usados para fornecer pressão a partir de uma posição fixa no espaço, enquanto um tecido contínuo se move através dos elementos de pressionamento estáticos. Esses processos convencionais são geralmente limitados a uma velocidade de tecido de 1 a 4 m/min, para alta impregnação de películas de resina aderente e materiais fibrosos. Esses processos são também limitados às temperaturas de operação, na medida em que temperaturas mais altas tendem a causar problemas com uma prematura cura da resina ou expansão da mesma, no caso de resinas termoplásticas. Essencialmente, o que domina o mercado mundial do material pré- impregnado são as limitações físicas fundamentais descritas na Lei de Darcy: a velocidade do fluxo de fluido é uma função da pressão fornecida, da espessura do corpo, da permeabilidade do corpo de interesse e da viscosidade do fluido. No caso de tecidos de fibras de carbono, o corpo apresenta uma permeabilidade dinâmica e o fluido apresenta uma viscosidade dinâmica, isto é, a viscosidade que se modifica com a velocidade de cisalhamento e a temperatura. Essa lei não pode ser ignorada. Diferentes materiais fibrosos, diferentes resinas, diferentes pressões e velocidades de tecido, ou seja, todos esses fatores modificam o formato e o movimento do funcionamento, porém, não modificam a lei. Desse modo, um elemento de pressionamento estático ou uma correia sob determinadas pressões e temperaturas sempre irão limitar a velocidade de produção do material. Se o tecido se mover de um modo demasiadamente rápido, o elemento de pressionamento não poderá comprimir de forma suficiente a resina dentro do material fibroso. Se a temperatura aplicada à resina for demasiadamente quente, o material será distorcido e arruinado, e se for demasiadamente fria, haverá uma insuficiente força para pressionar a resina dentro do tecido fibroso.

[005] Diante do exposto acima, permanece a necessidade para a obtenção de uma aperfeiçoada técnica de impregnação de resina, que possa aumentar a velocidade de produção do pré-impregnado, sem sacrificar o controle do nível de impregnação.

BREVE DESCRIÇÃO DOS DESENHOS

[006] A figura 1 ilustra o conceito geral da técnica de Impregnação de Velocidade Relativa, de acordo com a presente divulgação.

[007] A figura 2 ilustra uma técnica convencional de aplicação por meio de um elemento de pressionamento estático, para obter a impregnação.

[008] A figura 3 representa um gráfico mostrando a relação entre a pressão no curso do tempo e a velocidade relativa (Vrel), entre um material de trama em movimento e um aperto por compressão, durante a impregnação.

[009] A figura 4 mostra uma modalidade de um sistema paa fabricação de material pré-impregnado.

[0010] A figura 5 mostra uma modalidade de um aplicador de pressionamento estático, para pressionar um rolo livre contra um material de trama.

[0011] A figura 6 mostra outra modalidade de um aplicador de pressionamento estático, para pressionar um rolo livre contra um material de trama.

[0012] A figura 7 ilustra a progressão da cadeia de rolos sob os aplicadores de pressão estática, de acordo com uma modalidade de aplicação de pressão, contra um material de trama em movimento.

DESCRIÇÃO DETALHADA DA INVENÇÃO

[0013] A matéria aqui divulgada refere-se a um método de fabricação de um material pré-impregnado, através de uma aperfeiçoada técnica de impregnação de resina - aqui referida como impregnação de velocidade relativa (RSI). A técnica de impregnação aqui divulgada é correlacionada a uma impregnação de película de resina, na qual pelo menos uma película de resina é pressionada contra cada superfície superior e inferior de um tecido fibroso contínuo, para produzir um pré-impregnado contínuo, no qual o material fibroso é incorporado dentro de uma resina matriz. O tecido fibroso é composto de fibras de reforço e pode se apresentar na forma de fibras unidirecionais ou de um tecido (do tipo feito por tecelagem ou do tipo não tecido). O termo “impregnar”, conforme aqui usado, refere-se à introdução de uma resina matriz curável para reforçar as fibras, de modo a encapsular parcial ou totalmente as fibras com a resina matriz.

[0014] Um objetivo da técnica RSI é produzir a mais rápida velocidade de produção de pré-impregnado, com a mínima distorção de leito de fibra e mínima pressão, de modo a se obter um desejado nível de impregnação. Para tal fim, uma configuração de zona de impregnação é projetada, de modo que um tecido de material de resina-fibra se movimente a uma primeira velocidade (Vw), normalmente chamada de “velocidade da linha”, através de uma zona de impregnação, ao mesmo tempo em que uma pressão é aplicada mediante pelo menos um elemento de pressionamento em movimento se movimentando em uma segunda velocidade (Vn), e na mesma direção daquela do tecido em movimento. O elemento de pressionamento em movimento é formado entre um rolo de pressão em movimento e uma superfície em movimento que suporta o material de trama. A superfície em movimento é configurada para reduzir as forças de atrito correlacionadas à superfície de contato do material de trama. De acordo com uma modalidade preferida, a superfície em movimento é parte de um tambor rotativo, com um diâmetro de seção transversal relativamente grande. As velocidades (Vw) e (Vn) são as velocidades operacionais em relação a um ponto fixo no solo. A velocidade (Vw) é diferente de (Vn), pelo que, a diferença entre (Vw) e (Vn) é a velocidade relativa (Vrel) entre o material de trama e o elemento de pressionamento. O nível de impregnação é afetado pela velocidade relativa (Vrel).

[0015] A figura 1 ilustra o conceito geral da técnica (SRI). Nessa figura, o material de trama (W) (composto de uma camada de fibras de reforço ensanduichada entre películas de resina) está se movimentando a uma velocidade de linha de 21 m/min, ao mesmo tempo em que uma pressão é aplicada pelo elemento de pressionamento em movimento, formado entre os rolos (1) e (2), onde cada rolo gira em torno de seu próprio eixo central. O elemento de pressionamento se movimenta na mesma direção do material de trama (W), a uma velocidade de 18 m/min. Isso significa que a velocidade relativa (Vrel) entre o material de trama (W) e o elemento de pressionamento em movimento é de 3 m/min. Assim, a velocidade da linha (isto é, a velocidade de produção) do material de trama é 7 vezes aquela da velocidade relativa (Vrel). A velocidade de linha, conforme discutido na presente divulgação, pode ser medida usando dispositivos convencionais de detecção de velocidade, tais como, tacômetros.

[0016] De modo oposto, métodos convencionais de fabricação de pré- impregnados, tipicamente, envolvem a aplicação de pressão por meio de elementos estáticos de pressionamento, para implementar a impregnação, conforme ilustrado na figura 2. Na figura 2, o elemento de pressionamento formado pelos rolos (1) e (2) são estacionários (isto é, a velocidade é de 0 m/min), quando o material de trama está passando através do elemento de pressionamento. Nesse caso, a velocidade de linha do material de trama é a mesma que da velocidade relativa (Vrel) e, consequentemente, a velocidade de linha do material de trama é limitada à velocidade relativa (Vrel). Assim, a fim de se obter o mesmo nível de impregnação a uma velocidade de 3 m/min, como no caso da técnica SRI, a velocidade de linha do material de trama é limitada para 3 m/min.

[0017] A vantagem do processo RSI é que a propriedade física da impregnação é desacoplada da velocidade de linha do material de trama, desse modo, possibilitando uma velocidade de produção de pré-impregnado significativamente maior, em níveis idênticos de impregnação, quando comparado aos métodos convencionais de impregnação que utilizam elementos ou correias de pressionamento estáticas. Esses métodos convencionais, geralmente, exigem imensas forças e complicados sistemas de controle.

[0018] A fim de prover a impregnação, uma pressão no curso do tempo é exigida - a pressão aplicada ao material de trama (não tão alta ou não demasiadamente baixa) e o tempo provido pela baixa velocidade. A pressão no curso do tempo pode ser calculada como P/Vrel - a força linear (P) aplicada ao material de trama, dividido pela velocidade relativa (Vrel), podendo ser medida em unidades de Pascal-segundo (Pa^s), equivalente a kg/m/s. A força linear (P) é a força descendente por largura linear, por exemplo, libras por polegada (PLI), ou Newtons por metro (N/m), exercida pelo rolo de pressão (rolo superior (1), Figura 1), que é medida ao longo da largura do material de trama. A relação entre a pressão no curso do tempo e a velocidade relativa (Vrel) é hiperbólica, conforme ilustrado na Figura 3. Na medida em que a (Vrel) diminui, a pressão no curso do tempo aumenta de forma acentuada, e o nível de impregnação se eleva com a pressão aplicada no curso do tempo. Assim, é desejável manter (Vrel) a mais baixa possível. O valor ótimo de (Vrel) depende das propriedades da resina (por exemplo, viscosidade) e da permeabilidade do tecido fibroso (por exemplo, aberturas ou vazios na camada fibrosa, espaçamento/interstícios entre as fibras, etc.).

[0019] De acordo com uma modalidade preferida, o processo RSI é realizado através da movimentação de um material de trama (composto de uma camada de fibra ensanduichada entre as películas de resina), mediante uma unidade de impregnação tendo um ou mais elementos de pressionamento móveis, aplicando uma pressão no curso do tempo, de até 10 MPa^s, ou de até 7 MPa^s em determinadas modalidades, para se obter o desejado nível de impregnação, por exemplo, um nível de impregnação de até 100%. A pressão no curso do tempo, no presente contexto, refere-se à pressão aplicada por toda a unidade de impregnação. O nível de impregnação se refere ao quanto de distância a resina penetrou através da espessura da camada fibrosa. Caso a resina tenha penetrado através de toda a espessura da camada fibrosa, preenchendo todos os interstícios/espaços/aberturas presentes e caso não exista nenhuma região substancialmente isenta de resina no centro da camada fibrosa, então, 100% ou toda a impregnação é alcançada. Pelo fato de que a impregnação é desacoplada da velocidade de linha do material de trama, a velocidade de linha é limitada somente pelo tamanho do equipamento de fabricação. Assim, como exemplo, nos métodos convencionais de impregnação, através do uso de uma disposição de pressionamento estático, amarrações em forma de “S” ou correias de pressão, a velocidade de linha de um material de trama de alta viscosidade com um leito espesso de fibra pode ser de até 15 ft/min (3 m/min), enquanto o processo de SRI é capaz de aumentar a velocidade de linha em mais de 10 vezes.

[0020] Uma modalidade de um sistema paa fabricação de material pré-impregnado, com meios para implementar o processo SRI, é mostrado na Figura 4. Com referência à figura 4, o processo de fabricação de um material pré-impregnado começa com a condução contínua de feixes de fibras (11), a partir de uma unidade de suprimento de fibras (10) para uma seção de espalhamento de fibras (12). A unidade de suprimento de fibras (10) inclui uma pluralidade de bobinas, para enrolamento dos feixes de fibras e de urdidores para suportar as bobinas. Cada feixe de fibras é composto de uma pluralidade de filamentos fibrosos. A seção de espalhamento de fibras (12) é equipada de adequados meios para espalhar os feixes de fibras, antes do contato das fibras com as películas de resina. Assim, as fibras espalhadas aparecem na forma de uma folha de filamentos fibrosos unidirecionalmente alinhados, com pequeno espaçamento entre filamentos adjacentes. Rolos guias são posicionados ao longo do percurso de deslocamento dos feixes de fibras, para orientar os feixes de fibras e para prover a necessária tensão. Os filamentos de fibras espalhadas provenientes da seção de espalhamento de fibras (12) são então combinados com uma película superior de resina (13a) e uma película inferior de resina (13b), com a ajuda de rolos (14), de modo que os filamentos fibrosos são ensanduichados entre as duas películas de resina. Cada película de resina é suprida por meio de seu próprio rolo de suprimento, e a superfície que não está em contato com os filamentos fibrosos é coberta por um papel de liberação. O material de trama resultante (15) é depois levado para uma zona de impregnação (16), a qual inclui uma câmara isolada (17), que inclui um rolo de preaquecimento (18), um tambor rotativo (19) e uma cadeia de rolos contínua (20) de rolos de ligação intermediários, e um rolo de resfriamento termicamente isolado (21).

[0021] O rolo de preaquecimento (18) é posicionado no início da zona de impregnação e a montante do tambor (19). Antes de entrar na zona de impregnação (16), as películas de resina se encontram em um estado sólido, podendo ser mantidas a uma temperatura fria durante o armazenamento, a fim de manter seu estado sólido. Logo depois de o material de trama (15) entrar na câmara (17), o rolo de preaquecimento (18) aplica calor ao material de trama, numa quantidade suficiente para diminuir a viscosidade da resina, de modo a que a resina seja amolecida, mas de modo não tão suficiente que proporcione a cura substancial da resina.

[0022] A câmara (17) é equipada de adequados mecanismos de controle de temperatura (não mostrados), por exemplo, sensores de infravermelho, montados sobre a parede lateral da câmara (17), para a provisão de dados de temperatura para o material de trama, para o tambor (19), para a cadeia de rolos (20), assim como, para a tensão do material de trama que entra e sai da câmara (17). De acordo com uma modalidade, a temperatura na câmara (17) pode ser mantida dentro de uma faixa de 50°C a 120°C, a qual é suficiente para os sistemas de resinas mais comercialmente disponíveis. Durante a impregnação, a resina penetra dentro dos interstícios/espaçamento entre os filamentos fibrosos. A viscosidade da resina é estabilizada e mantida em um desejado nível, quando o material de trama se desloca através de toda a zona de impregnação, com a ajuda do mecanismo de controle de temperatura na câmara (17). De acordo com uma modalidade, a viscosidade da resina durante a impregnação é dependente do sistema de resina almejado, porém, pode variar de 0,03 Pa^s a 7000 Pa^s.

[0023] O tambor (19) proporciona uma superfície de suporte em movimento para o material de trama durante a impregnação e coopera com a cadeia de rolos (20) para estabelecer elementos de pressionamento móveis, através dos quais o material de trama passa. O material de trama se envolve em torno de uma porção da superfície externa do tambor, quando o tambor é girado. O diâmetro grande de seção transversal do tambor (19) proporciona uma plataforma física para manipulação das pressões de aperto com pelo menos uma porção de curvatura possível. A cadeia de rolos (20) é configurada para conduzir uma série de rolos livres proximamente espaçados, tendo corpos cilíndricos alongados, com extensões se estendendo transversalmente à direção de percurso do material de trama, e onde cada rolo livre é livremente rotativo em torno de seu próprio eixo. Os rolos livres são ligados entre si por meio de adequados mecanismos de ligação, por exemplo, cada rolo livre pode apresentar um pino (um mecanismo de conexão) em uma extremidade axial conectada a um correspondente elo, em uma corrente contínua de elos de conexão. A cadeia de rolos (20) é obrigada a girar por meio de uma adequada transmissão de corrente. O número de rolos livres na cadeia (20) pode ser variado, dependendo de determinados fatores, tais como, os níveis exigidos de força e pressão do tecido, a desejada largura do tecido e necessidades de comensurada deflexão.

[0024] Durante a operação, a cadeia de rolos (20) gira numa direção oposta à direção de rotação do tambor (19), enquanto alguns dos rolos livres na cadeia de rolos (20) são pressionados contra uma porção da superfície externa do tambor, e contra o material de trama que passa entre os mesmos, desse modo, criando uma pluralidade de elementos de pressionamento que se movem a uma velocidade (Vn). A velocidade de rotação do tambor (19), que é acionado por um adequado motor de transmissão, é equivalente à velocidade de linha (Vw) do material de trama, quando o mesmo se move através da zona de impregnação (16), e a velocidade de rotação da cadeia de rolos (20) é equivalente à velocidade (Vn) dos elementos de pressionamento em movimento. Assim, o material de trama é comprimido pela superfície externa periférica do tambor rotativo (19) e rolos livres em movimento da cadeia de rolos (20), para implementar a impregnação. Conforme discutido acima, a velocidade de linha (Vw) do material de trama, quando o mesmo se move através da zona de impregnação (16), é diferente da velocidade (Vn) dos elementos de pressionamento em movimento criados pelo tambor (19) e pela cadeia de rolos (20), de modo que uma predeterminada velocidade relativa (Vrei) pode ser estabelecida, onde Vrei = Vw - Vn. Através dessa disposição, uma pressão no curso do tempo de até 10 MPa^s pode ser alcançada. A pressão no curso do tempo, no presente contexto, se refere à pressão aplicada pelos elementos de pressionamento criados entre o tambor (19) e os rolos da dita cadeia (20).

[0025] Ainda com referência à figura 4, o rolo de resfriamento (21) se encontra localizado a jusante do tambor (19), em um compartimento separado e termicamente isolado, configurado para reduzir a temperatura do material de trama de maneira suficiente, para aumentar a viscosidade da resina e obter a impregnação. O material de trama resfriado que sai da zona de impregnação (16) é um material pré-impregnado (22), com uma espessura ajustada e um componente de resina solidificado. Depois de o material pré-impregnado (22) sair da zona de impregnação (16), o papel de liberação (23) sobre um lado do pré-impregnado (22) é descascado, pelo que o pré-impregnado (22) é direcionado para um rolo de enrolamento (24).

[0026] Os mecanismos para aplicação de carga de pressão aos rolos livres, quando os mesmos entram em contato com a superfície externa do tambor (19), podem variar, dependendo do modelo de equipamento. Alguns exemplos são mostrados nas Figuras 5 e 6. A figura 5 mostra uma modalidade para pressionar para baixo um elo da corrente conectada ao rolo livre na cadeia de rolos (20) usando um aplicador de pressão estática. Com referência à Figura 5, um dos rolos livres (51) na cadeia de rolos (20) é mostrado para ter um eixo intermediário (51a) na sua extremidade axial, conectado a um correspondente elo (52), que faz parte de uma corrente de elos contínua. O aplicador de pressão estática inclui um pistão (53) conectado a um rolo de pressão (54), de modo a transmitir o movimento do rolo de pressão (54) para cima ou para baixo. O rolo de pressão (54) é livremente rotativo em torno de seu próprio eixo e configurado para se mover para dentro e para fora do contato de engate com o elo de corrente (52). O pistão (53) é posicionado acima do rolo de pressão (54) e é controlado para prover a necessária pressão descendente sobre o elo de corrente (52) ou para liberar a pressão.

[0027] A Figura 6 mostra uma modalidade para puxar para baixo o elo de corrente conectado ao rolo livre usando um aplicador de pressão estática. Nessa modalidade, o rolo de pressão (54) para engatar o elo de corrente (52) é conectado ao pistão (55), através do braço de extensão (56), posicionado abaixo do rolo livre (51). O movimento do rolo de pressão (54) junto com o braço de extensão (56) é ativado pelo pistão (55). Mediante essa disposição, o rolo de pressão (54) pode ser puxado para baixo, em contato de engate com ou suspenso do elo de corrente (52), mediante o pistão (55).

[0028] Uma pluralidade de aplicadores de pressão do tipo mostrado nas figuras 5 ou 6 pode ser posicionada de modo adjacente à seção da cadeia de rolos (20) que se opõe ao tambor (19), de modo a engatar cada rolo livre na cadeia de rolos (20), que entra em contato com o material de trama que passa entre a cadeia de rolos (20) e o tambor (19), ou ser posicionada somente nos rolos livres de contato selecionados (por exemplo, cada um dos outros rolos livres).

[0029] As Figuras 7A-7C mostram a progressão da cadeia de rolos, numa modalidade em que um arranjo de aplicadores de pressão estática (do tipo mostrado na figura 5) coopera com a cadeia de rolos (20), para aplicar pressão sobre o tambor (19), de modo que a pressão experimentada pelos rolos livres da cadeia suavemente se transfere de um rolo livre para o rolo seguinte. Cada uma das figuras 7A-7C representa uma ilustração instantânea em um diferente tempo na progressão da cadeia de rolos.

[0030] Para medir a carga sobre os rolos livres aqui divulgados, células de carga podem ser empregadas, ou pressões hidráulicas/pneumáticas podem ser derivadas dos sistemas de carregamento dos rolos.

[0031] Deve ser entendido que diversas modificações do sistema paa fabricação mostrado na figura 4 são contempladas. Numa modalidade alternativa, a unidade contendo o urdidor (10) e a seção de espalhamento (12) são substituídas por mecanismos para suprimento de um material de trama contínuo e autossuportado. O material de trama autossuportado pode ser um tecido do tipo fabricado por tecelagem ou um tecido do tipo não tecido (por exemplo, um tecido não encrespado) composto de fibras de reforço.

[0032] Além disso, a figura 4 ilustra um método de impregnação de duas películas, em que uma película superior de resina e uma película inferior de resina são pressionadas contra as superfícies superiores e inferiores do tecido fibroso, respectivamente, de modo que o tecido fibroso é ensanduichado entre as duas películas de resina. No entanto, deve ser ainda entendido que algum sistema paa fabricação pode ser modificado para incorporar adicionais películas de resina para impregnação. Como exemplo, uma adicional zona de impregnação pode ser adicionada a jusante da zona de impregnação (16), e adicionais películas de resina podem ser aplicadas sobre a superfície superior e superfície inferior do material de trama impregnado que sai da zona de impregnação (16), da mesma maneira que a aplicação das películas de resina (13a) e (13b), mas, com a remoção dos papéis de liberação de ambos os lados do material de trama que sai da zona de impregnação (16).

[0033] O processo RSI aqui divulgado desacopla a velocidade de infiltração de resina (limitações de pressão, viscosidade e tempo) da velocidade de produção, mediante movimentação dos pontos de aplicação de pressão (isto é, os elementos de pressionamento) juntamente com o material de trama, de modo que o material de trama experimenta um maior tempo sob pressão, embora o material de trama e os elementos de pressionamento estejam se movimentando de forma rápida. O uso de um tambor rotativo, conforme mostrado na figura 4, em vez de uma segunda correia ou uma placa plana, conforme é mostrado e citado no estado da técnica, reduz as dificuldades associadas ao alinhamento do rolo superior e inferior e o atrito da placa estática que poderia rasgar o papel.

[0034] As fibras de reforço para fabricação do material pré- impregnado podem ter a forma de fibras contínuas, de cânhamo, ou de tecidos do tipo tecido ou não tecido autossuportados. As estruturas de fibras podem compreender uma pluralidade de fibras de cânhamo, cada fibra composta de múltiplos filamentos, por exemplo, 3-12 milhares de filamentos. Os tecidos do tipo não tecido podem incluir tecidos não crespos, nos quais as fibras de cânhamo podem ser mantidas na posição por meio de laços cruzados, laços de malha com inserção de trama, ou uma pequena quantidade de aglutinante de resina, tal como, uma resina termoplástica.

[0035] O material fibroso inclui, sem que seja a isso limitado, vidro (incluindo vidro Elétrico ou E-vidro), carbono, grafite, aramida, poliamida, polietileno de alto módulo (PE), poliéster, poli-p-fenileno-benzoxazol (PBO), boro, quartzo, basalto, cerâmica e combinações dos mesmos. Para a fabricação de materiais compósitos de alta resistência, por exemplo, para aplicações aeroespaciais e automotivas, é preferido que as fibras de reforço tenham uma resistência à tração maior que 3500 MPa.

[0036] Geralmente, a resina matriz para impregnação das fibras de reforço é baseada em um sistema de resina curável, contendo resinas termocuráveis ou termoplásticas como componente principal, em combinação com menores quantidades de aditivos, tais como, agentes de cura, catalisadores, comonômeros, agentes de controle de reologia, agentes de aderência, modificadores de reologia, agentes de carga inorgânicos ou orgânicos, agentes de endurecimento termoplásticos ou elastoméricos, estabilizadores, inibidores, pigmentos/corantes, agentes retardadores de chama, diluentes reativos, e outros aditivos bem conhecidos para os especialistas versados na técnica, para modificação das propriedades da resina matriz, antes ou depois da cura.

[0037] As resinas termocuráveis podem incluir, sem que seja a isso limitado, resina epóxi, resina de poliéster insaturado, bismaleimida, poli- imida, éster de cianato, resina fenólica, etc. Em uma modalidade, a resina matriz é uma formulação de resina à base de epóxi, contendo uma ou mais resinas epóxi multifuncionais (isto é, poliepóxidos) como componente polimérico principal.

[0038] Adequadas resinas epóxi incluem derivados de poliglicidila de diamina aromática, aminas primárias mono-aromáticas, aminofenóis, fenóis poli-hídricos, álcoois poli-hídricos, ácidos policarboxílicos. Exemplos de adequadas resinas epóxi incluem éteres de poliglicidila de bisfenóis, tais como, bisfenol A, bisfenol F, bisfenol S e bisfenol K; e éteres de poliglicidila de cresol e fenol à base de novolac.

[0039] A adição de agente(s) de cura e/ou catalisador(es) pode aumentar a velocidade de cura e/ou reduzir as temperaturas de cura da resina matriz. O agente de cura para resinas termocuráveis é adequadamente selecionado de agentes de cura conhecidos, por exemplo, guanidinas (incluindo guanidinas substituídas), ureias (incluindo ureias substituídas), resinas de melamina, derivados de guanamina, aminas (incluindo aminas primárias e secundárias, aminas alifáticas e aromáticas), amidas, anidridos (incluindo anidridos policarboxílicos) e misturas dos mesmos.

[0040] A resina matriz pode incluir agentes de endurecimento, tais como, polímeros termoplásticos e elastoméricos, e partículas poliméricas, tais como, partículas com núcleo e camada de borracha, partículas de poliimida, e partículas de poliamidas. A resina matriz pode também incluir agentes de carga inorgânicos, tais como, pó de quartzo de fumos de sílica, alumina, e agentes de carga lamelares, tais como, mica, talco ou argila (por exemplo, caulim).

[0041] Para formar as películas de resina para fabricação de pré- impregnados a resina matriz pode ser preparada na forma líquida e depois revestida sobre um papel de liberação (isto é, um veículo), para formar uma película de adequada gramatura. Após a secagem, a película de resina é enrolada em um rolo de suprimento.

EXEMPLO

[0042] Um material pré-impregnado, com largura de 12,5 polegadas pode ser feito através de impregnação de uma camada de fibras unidirecionais de carbono com películas de resina à base de epóxi (por exemplo, CYCOM 977-3, da Cytec Industries Inc.; gramatura da película de 35 gsm por lado), usando o sistema de impregnação mostrado na figura 4, tendo como base os seguintes parâmetros: - velocidade de linha = 15 m/min (ou 50 fpm); - pressão no curso do tempo = 7 MPa^s; - temperatura no rolo de preaquecimento = 120°C; - viscosidade da resina durante a impregnação = 3000 cP; - temperatura no rolo de resfriamento = 25°C.

Claims

1. Método para impregnação de um material fibroso com uma resina termocurável, de modo a formar um material pré-impregnado, caracterizadopelo fato de que compreende: formação de um material de trama contínuo compreendendo uma camada de material fibroso entre duas películas de resina curável; condução do material de trama ao longo de um percurso de deslocamento e através de pelo menos um elemento de pressionamento, formado entre um rolo de pressão em movimento e uma superfície de suporte em movimento; em que o rolo de pressão em movimento e a superfície de suporte em movimento se deslocam em diferentes velocidades relativamente entre si, resultando em uma velocidade relativa (Vrel) entre o material de trama e o elemento de pressionamento; e em que o referido pelo menos um elemento de pressionamento em movimento se desloca na mesma direção que o material de trama, aplicando suficiente pressão para comprimir o material de trama e efetuar a impregnação do material fibroso com a resina curável.

2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizadopelo fato de que o pelo menos um elemento de pressionamento em movimento aplica uma pressão no curso do tempo de até 10 MP;us, para efetuar a completa impregnação, e em que a pressão no curso do tempo é definida pela relação (P/Vrel), onde (P) é a força linear aplicada ao material de trama.

3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato de que o material de trama é conduzido através de uma pluralidade de elementos de pressionamento em movimento, configurados para estabelecer uma pressão no curso do tempo de até 10 MPa^s durante a impregnação.

4. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizadopelo fato de que a pressão no curso do tempo é de até 7 MPa^s durante a impregnação.

5. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material de trama se desloca a uma velocidade de 15 m/min ou a uma velocidade superior.

6. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o material de trama se desloca a uma velocidade de 100 m/min ou a uma velocidade superior.

7. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: a superfície de suporte em movimento é provida de um tambor rotativo tendo uma superfície periférica externa, em que o material de trama se envolve em torno de uma porção da superfície periférica externa do tambor, quando o tambor é girado durante a impregnação; e o pelo menos um elemento de pressionamento em movimento compreende uma pluralidade de elementos de pressionamento em movimento, criados por uma cadeia contínua de rolos livres de ligação, que giram numa direção oposta à direção de rotação do tambor rotativo, enquanto alguns rolos livres na cadeia de rolos são comprimidos contra uma porção da superfície periférica do tambor e contra o material de trama que passa entre os mesmos.

8. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que: antes de ser conduzido através de pelo menos um elemento de pressionamento em movimento, o material de trama é aquecido para reduzir a viscosidade da resina curável, de modo a que a resina seja fundida; e após a impregnação, o material de trama é resfriado, de modo a aumentar a viscosidade da resina.

9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelo fato de que o aquecimento do material de trama é proporcionado por um rolo de preaquecimento, localizado a montante do tambor rotativo, ao longo do percurso de deslocamento do material de trama, e o resfriamento do material de trama é proporcionado por um rolo de resfriamento, localizado a jusante do tambor rotativo.

10. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a resina curável compreende pelo menos uma resina termocurável como principal componente.

11. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de material fibroso compreende fibras unidirecionais contínuas, dispostas em paralelo entre si.

12. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de material fibroso se apresenta na forma de um tecido contínuo autossuportado.

13. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a camada de material fibroso compreende fibras selecionadas do grupo que consiste de: fibras de vidro, fibras de carbono, fibras de grafite, fibras de aramida, fibras de poliamida, fibras de polietileno (PE) de alto módulo, fibras de poliéster, fibras de poli-P-fenileno-benzoxazol (PBO), fibras de boro, fibras de quartzo, fibras de basalto, fibras de cerâmica e combinações das mesmas.