BR112019008047B1

BR112019008047B1 - Veículo aeróstato, e, método para produção de um material laminado para um veículo aeróstato

Info

Publication number: BR112019008047B1
Application number: BR112019008047-3A
Authority: BR
Inventors: Mikkel Vestergaard Frandsen; David Kim; Philip David Bradford; Abdel-Fattah Mohamed Seyam; Rahul Vallabh; Ang Li
Original assignee: Sceye Sa
Priority date: 2016-10-24
Filing date: 2017-10-23
Publication date: 2023-04-11
Also published as: HRP20210760T1; EP3529146A1; WO2018077806A1; SI3529146T1; EA201990896A1; CA3041392C; EA036839B1; EP3529146B1; US11285707B2; CN109963779B; PE20191141A1; TN2019000128A1; MY193212A; CO2019004050A2; DK3529146T3; JP7110215B6; NZ753704A; JP2019533610A; IL266137A; KR102431137B1

Abstract

Um veículo aeróstato compreendendo um envelope de um material laminado com uma camada de fibra de reforço, por exemplo, Zylon®, e um primeiro, e opcionalmente segundo, filme de Etileno e Álcool Vinílico fundido na camada de fibra. Uma camada de intemperismo protege as fibras contra a degradação por UV.

Description

CAMPO DA INVENÇÃO

[001] A presente invenção refere-se a um veículo aeróstato com um envelope, um laminado para tal envelope e um método para produção de tal laminado. Especificamente, refere-se a um laminado multifuncional com uma camada de fibra de reforço e um filme de barreira ao gás.

FUNDAMENTOS DA INVENÇÃO

[002] Veículos aeróstatos têm um envelope flexível que é preenchido com um gás, tipicamente hélio. Quando o veículo não tem uma estrutura original interna, é também chamado de dirigível, em que o formato da aeronave, normalmente um formato alongado, é mantido pela pressão interna. O envelope tem de ser feito de um laminado que seja estável o suficiente para não estourar e que também funcione como uma barreira contra gases, tipicamente para Hélio, He, dentro do envelope.

[003] O material do envelope para veículos aeróstatos de grande altitude é sujeito a vários requisitos. Deve ser leve e, ao mesmo tempo, fornecer estabilidade mecânica. Ele tem que resistir quimicamente à atmosfera agressiva em grande altitude, especialmente ao teor de ozônio no ar. Também deve ser resistente aos raios UV e ser estável e flexível em alta e baixa temperatura. Embora materiais sejam conhecidos para cada um desses requisitos, a combinação destes implica um sério desafio para o desenvolvimento de materiais de envelope.

[004] A patente US N.° 7,354,636 de Lavan et al, cedida à Lockheed Martin Corporation, descreve um laminado com uma camada de fibra de polímero de cristal líquido, por exemplo, Vectran®, uma camada de poliimida (PI) fixada à camada de fibra de polímero de cristal líquido; e uma camada de fluoreto de polivinilideno (PVDF) fixada na camada de PI. As camadas são presas umas às outras com um adesivo de poliuretano (PU). Os laminados adjacentes podem ser presos um ao outro por uma fita de cobertura de PVDF nas superfícies externas e uma fita estrutural nas superfícies internas. A fita estrutural inclui uma camada de fibra de polímero de cristal líquido e uma camada de PI para garantir a integridade do veículo. Um material alternativo pode incluir uma camada de fibra de polímero de cristal líquido e uma camada de PVDF disposta em ambos os lados da camada de fibra de polímero de cristal líquido. O peso é de cerca de 5 onças por jarda quadrada (170 gramas/metro quadrado). A resistência à tração é de cerca de 240 libras por polegada, correspondendo a 420 N/cm.

[005] Sabendo-se que a capacidade de carga está diretamente relacionada com o peso do envelope, seria desejável reduzir o peso mantendo ou mesmo aumentando a força.

[006] Uma melhor relação peso/resistência é encontrada no artigo “Tear propagation of a High-performance Airship Envelope Material” publicado por Maekawa e Yoshino no Journal of Aircraft Vol. 45, N.° 5, Set- Out. 2008. O material revelado tinha um peso de 157 g/m2 e uma resistência à tração de 997 N/cm. O laminado compreende fibras Zylon® para o seu tecido de base. Zylon® é um nome de marca comercial da Toyobo Corporation para o polímero de cristal líquido liotrópico de haste rígida. Mais detalhadamente, é um polioxazol líquido-cristalino termofixo, poli(p-fenileno-2,6- benzobisoxazol), também chamado PBO.

[007] Zylon® (PBO) tem uma alta resistência específica em comparação com outras fibras de alto desempenho comercialmente disponíveis. Os fios Zylon® também têm alta resistência ao alongamento por fluência e, portanto, são úteis para o reforço de fibras (FR) no material laminado. No entanto, o PBO também é conhecido por ser muito suscetível à fotodegradação, não apenas pela radiação UV, mas também pela luz visível. Verificou-se que a presença de umidade e oxigênio acelera a fotodegradação. Por estas razões, apesar das aparentes vantagens em termos de alta resistência e baixa fluência, outros desafios acompanham este material de fibra quando usado em aeronaves estratosféricas.

[008] Outro material de envelope é divulgado na patente norte- americana US6074722 de Cuccias et al., cedida a Lockheed Martin, em que o laminado é feito de uma camada fibrosa laminada em material de resina plástica. A camada fibrosa é um material tecido ou multicamadas de material filamentar unidirecional. Laminados com tecidos de fios para aeronaves são também divulgados em US7713890 de Vogt et al., cedida à Milliken & Company. A integração de componentes eletrônicos na camada do envelope é divulgada em US8152093 de Liggett et al., cedida à Lockheed Martin Corporation.

[009] Vários materiais de envelope são discutidos no artigo “Material challenges for Lighter-Than-Air Systems in High Altitude Applications” por Zhai e Euler, publicado pelo American Institute of Aeronautics and Astronautics na AIAA 5th Aviation, Technology, Integration, and Operations Conference (ATIO) 26-28 de setembro de 2005, Arlington, Califórnia. Este artigo discute vários materiais para materiais de balonete mais leves que o ar, em particular materiais para a camada de retenção de gás, bem como para a camada estrutural de tecido de suporte de carga, que suporta a carga/tensão. Essas camadas são coladas umas às outras por uma camada adesiva. A ligação adesiva é descrita com referência a poliuretano, epóxi e acrílico. Para a camada de retenção de gás, o artigo define a flexibilidade a baixa temperatura como o parâmetro mais importante entre várias propriedades desejáveis, que também inclui baixa permeabilidade ao gás, peso mínimo, boa capacidade de adesão, resistência à abrasão e resistência ao ozônio. Na tabela 5 deste artigo, o copolímero de álcool etileno vinílico (EVOH) é mencionado como tendo baixa flexibilidade a baixas temperaturas, indicando que EVOH não é adequado como material de balonete ou envelope para aeróstatos a baixas temperaturas, que são tipicamente encontradas em altitudes elevadas. Por essa razão aparente, este artigo menciona, em vez disso, a poliolefina, o poliuretano, a borracha de monômero de etileno- propileno-dieno (EPDM) e a borracha de silicone como os materiais poliméricos mais promissores para a camada de retenção ao gás.

[0010] Embora o artigo de Zhai e Euler indique que o EVOH não é útil para aeronaves de alta altitude, há indicações de que o EVOH é útil quando usado em uma camada ensanduichada juntamente com poliuretanos, que também são considerados um material promissor no artigo acima. A este respeito, é feita referência à brochura de vendas da Eval Europe NV, uma subsidiária da Kuraray Co. Ltd., a brochura encontra-se no site http://eval- americas.com/media/15453/eval%20industrial%20application.pdf. N esta brochura, grande flexibilidade e excelentes barreiras ao gás são mencionadas além da adequação em condições atmosféricas frias para uma estrutura de filme coextrudado em que a resina EVOH (Eval™) é ensanduichada entre camadas de poliuretano termoplástico (TPU), o sanduíche resumidamente descrito como TPU/Eval™/TPU. Um dos usos propostos deste filme sanduíche é como material para dirigíveis estratosféricos. Esta brochura indica que um sanduíche de EVOH entre dois filmes TPU supera a desvantagem da fraca flexibilidade em baixa temperatura do próprio EVOH. No entanto, para um material de envelope leve, que é essencial para a capacidade de elevação adequada das aeronaves, o sanduíche de EVOH entre as camadas TPU, de forma desvantajosa, adiciona peso ao envelope sem otimizar a resistência do material final do envelope.

[0011] Consequentemente, parece que uma solução ideal para um material de envelope ainda não foi encontrada. Como conclusão, embora, numerosas propostas sejam encontradas na técnica anterior para envelopes de aeronaves, ainda há uma necessidade constante de melhorias e otimização.

DESCRIÇÃO/RESUMO DA INVENÇÃO

[0012] É, portanto, um objetivo da invenção proporcionar uma melhoria na técnica. É um objetivo adicional fornecer um veículo aeróstato om um envelope melhorado. Especificamente, o envelope laminado melhorado é otimizado quanto ao peso em relação à resistência bem como à permeabilidade ao gás minimizada. Estes objetivos são alcançados com um veículo aeróstato que tem um envelope que compreende um laminado como descrito em mais detalhe a seguir.

[0013] As seguintes abreviações são usadas: ypi (fios por polegada), 1 polegada = 2,54 cm, 1 ypi = 1/(2,54) fios por cm tpi (torção por polegada); tpm (torções por metro); 1 tpi = 39 tpm gsm (gramas por metro quadrado) sqm (metro quadrado) Intemperismo por UV-Vis - degradação por exposição à radiação UV e/ou luz visível

[0014] O laminado para o envelope compreende um material laminado como uma barreira contra gases e estrutura de suporte de carga, o laminado compreendendo uma camada de fibra de reforço e uma primeira camada de filme de Etileno e Álcool Vinílico, EVOH, fundida na camada de fibra em um dos lados da camada de fibra, em que o EVOH está em contato direto com a camada de fibra de reforço.

[0015] O termo “contato direto” implica que nenhuma camada de outro material é disposta entre a camada EVOH e a camada de fibra. Especialmente, o filme de EVOH não é fornecido como parte de um filme composto, em que o EVOH é ensanduichado entre duas camadas de TPU antes de ser fundido à camada de fibra.

[0016] Opcionalmente, o laminado compreende um segundo filme de EVOH fundido à camada de fibra em um lado oposto da camada de fibra, em que também o EVOH do segundo filme de EVOH está em contato direto com a camada de fibra de reforço. Neste caso, a camada de fibra de reforço é ensanduichada entre um primeiro e um segundo filme feito de álcool etileno- vinílico, EVOH, que é fundido na camada de fibra em ambos os lados.

[0017] EVOH tem muito baixa permeabilidade a gás para hélio, que é altamente útil. É estável aos raios UV e resistente a ozônio. Além disso, é termosselável. A afirmação da técnica anterior de baixa flexibilidade em baixa temperatura não foi experimentalmente encontrada como um problema quando usada sozinha ou quando usada nos laminados que foram fornecidos com EVOH como camada de barreira a gases.

[0018] Para o material do envelope, um primeiro filme de EVOH fundido e parcialmente ligado à camada de fibra de um lado e, opcionalmente, um segundo filme de EVOH é fundido sobre e, pelo menos parcialmente, à camada de fibra do lado oposto da camada de fibra. Essa ligação por fusão é conseguida pressionando-se as camadas em conjunto. Como exemplo, uma temperatura na faixa de 175-180°C é útil. No laminado como descrito nos parágrafos seguintes, o filme de EVOH não serve apenas como um adesivo para unir as camadas umas às outras, mas também atua como barreira ao gás. Assim, este serve como uma camada multifuncional.

[0019] Para proporcionar uma elevada resistência e peso leve à camada de reforço de fibra (FR), as fibras de cristal líquido são um bom candidato, como, por exemplo, poli[p-fenileno-2, 6-benzobisoxazol], PBO. Tais fibras são comercializadas como fibras Zylon®, como já explicado na introdução.

[0020] Para otimizar a resistência e/ou uniformidade, é vantajoso em alguns casos incluir pelo menos uma das fibras torcidas, fibras dimensionadas e fibras que são tanto dimensionadas quanto torcidas. Opcionalmente, as fibras dimensionadas auxiliam na ligação adicional entre as camadas, especialmente se o material dimensionado for compatível com a camada adesiva. Exemplos de material dimensionado são certas fibras de PVA (poli- vinil-acetato). Outro exemplo são as fibras comercializadas sob o nome comercial Exceval. Por exemplo, o dimensionamento das fibras é conseguido aplicando-se o material de dimensionamento como um acabamento de rotação às fibras.

[0021] Um agente de dimensionamento adequado é o álcool polivinílico. Esse agente é comercialmente disponibilizado, por exemplo, pela empresa japonesa Kuraray® Co, Ltd. Um álcool polivinílico modificado hidrofobicamente com o nome comercial Exceval™ da Kuraray® também foi usado experimentalmente com bons resultados. Tais agentes de dimensionamento à base de álcool polivinílico são altamente elásticos, quimicamente resistentes e mostraram-se compatíveis com EVOH. Foi demonstrado experimentalmente que o álcool polivinílico fortaleceu os fios Zylon®. Também forneceu melhor aderência entre o tecido e o EVOH.

[0022] Por exemplo, um primeiro conjunto de fibras na camada de fibra, opcionalmente fibras de cristal líquido, são torcidas, enquanto que um segundo conjunto de fibras na camada de fibra, opcionalmente fibras de cristal líquido, não é torcido.

[0023] Em algumas modalidades, os dois conjuntos de fibras estão dispostos em direções diferentes. Por exemplo, um primeiro conjunto de fibras orientadas em uma primeira direção são torcidas e um segundo conjunto de fibras orientadas em uma segunda direção não são torcidas. Por exemplo, a primeira e a segunda direção têm um ângulo entre as direções de pelo menos 30 graus, por exemplo 45 graus, opcionalmente perpendiculares. Bons resultados foram alcançados com fibras torcidas que compreendem uma torção entre 30 e 50 torções por metro.

[0024] Ambas as camadas fibrosas equilibrada e desequilibrada são potencialmente úteis. Em algumas modalidades, as fibras no segundo conjunto de fibras são pelo menos duas vezes mais espessas do que as do primeiro conjunto de fibras. Em algumas modalidades, o primeiro conjunto de fibras tem uma primeira densidade de linha e o segundo conjunto de fibras tem uma segunda densidade de linha que difere da primeira densidade de linha em pelo menos um fator de dois.

[0025] Para um veículo aeróstato, em que o peso é crucial, os resultados experimentais foram obtidos para uma camada de fibra com um peso entre 40 e 70 g por m2.

[0026] Por exemplo, a espessura da camada EVOH é de entre 10 e 20 mícrons.

[0027] Vantajosamente, o laminado compreende uma camada de intemperismo multifuncional fundida à primeira camada de EVOH, em que a camada de intemperismo compreende um filme de polímero metalizado, tendo uma única camada de metal em apenas um lado ou, alternativamente, em ambos os lados do filme de polímero. No caso em que a camada de intemperismo possui apenas uma única camada de metal, esta é vantajosamente orientada com a camada de metal em direção ao EVOH e fundida sobre a primeira camada de filme de EVOH. Desta forma, é protegida pelo polímero voltado para o exterior, por exemplo, poliimida, da camada de intemperismo. Essa camada de intemperismo tem de proteger o envelope contra ozônio reativo e outros ataques químicos, bem como proteger a camada de fibra de reforço contra radiação UV. Como discutido inicialmente, o PBO, por exemplo, Zylon® degrada-se muito rapidamente sob luz UV. Além disso, funciona como uma barreira ao gás adicional. Um bom candidato para o polímero na camada de intemperismo é poliimida, PI. Um exemplo de material alternativo para este fim é o fluoreto de polivinila, PVF. Por exemplo, a espessura da camada de intemperismo é de entre 10 e 20 mícrons.

[0028] É salientado que a camada de polímero voltada para o exterior também é útil para criar emendas fortes entre laminados adjacentes.

[0029] Embora o EVOH seja uma boa barreira aos gases, a estanqueidade ao gás pode ser melhorada pela adição de uma camada de barreira contra gases metalizada ao laminado no lado interno do envelope, que é oposto à camada de intemperismo. Para este propósito, a barreira a gás metalizada é opcionalmente fundida sobre o segundo filme EVOH. Um candidato para a camada de película de polímero metalizado é um tereftalato de polietileno, PET; por exemplo, uma camada de PET com uma espessura entre 4 e 8 mícrons.

[0030] Em experimentos, foi mostrado, como também será descrito em maior detalhe abaixo, que um laminado estanque ao gás e estável poderia ser feito com um peso na faixa entre 90 e 110 gsm. Por exemplo, a razão de tenacidade para peso do laminado foi experimentalmente apontada como acima de 890 kNm/kg.

[0031] Em algumas modalidades, a camada de fibra é uma camada tecida com uma urdidura e uma trama. Para dirigíveis alongados, a força necessária na direção transversal do envelope é maior do que na direção longitudinal. Por conseguinte, a urdidura e a trama, opcionalmente, têm filamentos de diferentes espessuras e/ou densidades. Quando se utiliza uma camada de fibra não-crimpada, ela é composta de uma pluralidade de camadas com filamentos unidirecionais, as diferentes camadas tendo diferentes direções de filamento, por exemplo, direções perpendiculares. Também neste caso, os filamentos em uma direção são vantajosamente mais espessos e/ou mais densos do que na segunda direção, de modo a otimizar a resistência sem adicionar peso desnecessário.

[0032] Descobriu-se que tanto estruturas equilibradas quanto desequilibradas eram úteis. A seleção de estruturas equilibradas ou desequilibradas depende do objetivo. Por exemplo, uma força maior pode ser desejada em uma direção em comparação à outra. Isto é relevante para a estabilidade da forma do envelope, bem como para a minimização do peso, já que estruturas desequilibradas tipicamente têm um potencial maior para razões de resistência/peso otimizadas, visto que a força no tecido devido à forma alongada do envelope difere na direção transversal.

[0033] Como aparece acima, o laminado inclui numerosas camadas, cuja combinação é multifuncional. A funcionalidade inclui proteção contra radiação UV, luz visível, ozônio, oxigênio singleto e calor. A camada mais externa também fornece gerenciamento térmico por ter uma baixa emissividade.

[0034] Para intervalos entre um primeiro e um segundo valor, o primeiro e o segundo valores são opcionalmente incluídos.

BREVE DESCRIÇÃO DAS FIGURAS

[0035] A invenção será explicada em mais detalhes com referência às figuras, em que A FIG. 1 ilustra um esboço conceitual para o laminado do material do envelope; A FIG. 2 ilustra um esboço conceitual alternativo para o laminado do material do envelope; A FIG. 3 ilustra uma camada de reforço de fibras (FR) a) camada não-crimpada de 2 folhas de folhas cruzadas e b) tecida; c) não- crimpada de 3 folhas; A FIG. 4 é o Protótipo P3, a) design esquemático e b) fotografias de exterior e interior; A FIG. 5 é o Protótipo P4, a) design esquemático e b) fotografias de exterior e interior; A FIG. 6 é o Protótipo P9, a) design esquemático e b) fotografias de exterior e interior; A FIG. 7 é o Protótipo P10, a) design esquemático e b) fotografias de exterior e interior; A FIG. 8 é a comparação da resistência e peso dos novos protótipos laminados e materiais laminados desenvolvidos em outros estudos; A FIG. 9 é a comparação da relação força/peso dos novos protótipos laminados e materiais laminados desenvolvidos em outros estudos; A FIG. 10 é a comparação da resistência à tração de protótipos antes e depois da exposição térmica e do intemperismo por UV-Vis acelerado; A FIG. 11 representa a perda de força após exposição térmica e intemperismo por UV-Vis acelerado; A FIG. 12 é o diagrama esquemático de um exemplar de fenda de corte; A FIG. 13 é a curva de extensão de carga do protótipo P4 submetida a uma carga constante de 1250 N; A FIG. 14 é o Protótipo P12, design esquemático; A FIG. 15 é o Protótipo P13, design esquemático; A FIG. 16 é o Protótipo P14, design esquemático; A FIG. 17 ilustra as medições de DMA realizadas para a) filme de EVOH, b) filme Mylar, c) filme de PI, d) a urdidura do protótipo P4.

DESCRIÇÃO DETALHADA/MODALIDADE PREFERIDA

[0036] A fim de fornecer um laminado de material de envelope fino e leve, que ao mesmo tempo é estanque ao gás, resistente aos raios UV, resistente ao calor e quimicamente resistente, especialmente contra oxigênio singleto e ozônio, foi utilizado o esquema básico a seguir, que é exemplificado na FIG. 1. Uma camada de reforço fibroso (FR) de suporte de carga é colocada entre duas camadas adesivas, que são usadas para unir a FR a outras camadas, por exemplo, uma camada de envelope externa, na seguinte camada de intemperismo, e uma potencial camada de envelope interna como uma barreira a gases. Em particular, as camadas adesivas são configuradas como barreira ao gás eficiente com baixa permeabilidade ao gás. Por exemplo, as camadas adesivas são camadas principais de barreira ao gás, de tal modo que a permeabilidade total ao gás das camadas adesivas é menor do que a permeabilidade ao gás das camadas restantes. Essa combinação de funções de adesividade e baixa permeabilidade a gases não é convencional. Em contraste com isso, na técnica anterior, existem camadas principais de barreira ao gás específicas diferentes das camadas adesivas, em que as principais barreiras ao gás têm uma menor permeabilidade ao gás do que as camadas adesivas. Neste contexto, a permeabilidade ao gás diz respeito ao gás no interior do envelope, tipicamente gás hélio ou o hidrogênio.

[0037] Como exemplo, ilustrado em maior detalhe na FIG. 1, uma camada de suporte de carga fibrosa é ensanduichada entre duas camadas de EVOH, que não apenas funcionam como barreiras de gás, como também são usadas para assumir o papel de adesivo para camadas adicionais potenciais, especialmente uma camada de envelope externa, na seguinte camada de intemperismo e uma camada interna do envelope potencial como uma barreira adicional ao gás. Outras funções das camadas, especialmente a camada de intemperismo, são a proteção contra radiação UV, luz visível, ozônio, oxigênio singleto e calor.

[0038] Embora duas camadas de filme de EVOH tenham sido utilizadas no processo de otimização, acredita-se que uma única camada de EVOH fundida na camada de fibra também seria mais vantajosa do que os sistemas de laminado da técnica anterior.

[0039] Uma variação do conceito de projeto da FIG. 1 é mostrado na FIG. 2. Neste caso, o material laminado não possui qualquer camada de barreira primária ao gás interna separada. Em vez disso, a superfície interna do laminado é metalizada após a formação do laminado. O uso de EVOH como um material adesivo com baixa permeabilidade ao gás e a metalização da superfície interna produzem excelentes propriedades de barreira ao gás do material laminado. A eliminação da camada de barreira ao gás reduz o peso total do laminado, enquanto a resistência à tração do laminado não é afetada.

[0040] A seguir, materiais e métodos de produção são discutidos em relação a experimentos que foram realizados para otimizar o material laminado do envelope.

Seleção de fios

[0041] A fim de otimizar simultaneamente o baixo peso e a alta resistência, fibras de alta resistência são vantajosamente utilizadas. Um exemplo de um material vantajoso para a camada fibrosa de suporte de carga foi encontrado nas fibras cristalinas PBO (polioxazol cristalino, poli(p- fenileno-2,6-benzobisoxazol), especialmente da marca Zylon®, porque essas fibras têm uma resistência muito alta e módulo específico entre as fibras de alto desempenho comercialmente disponíveis. Estes fios também têm alta resistência ao alongamento por fluência. Os fios Zylon® foram, portanto, selecionados para o reforço de fibra no material laminado usado em experimentos. No entanto, o PBO é conhecido por ser muito suscetível à fotodegradação. A presença de umidade e oxigênio aceleram a fotodegradação, razão pela qual um mecanismo de proteção precisou ser encontrado.

[0042] Para a camada de reforço de fibra, podem ser utilizadas estruturas equilibradas e desequilibradas. Em algumas modalidades, uma construção desequilibrada foi escolhida para fornecer a força diferente necessária na direção longitudinal e do arco da aeronave LTA.

[0043] Fios Zylon® com contagens de fios de 99 denier, 150 denier, e 250 denier foram fornecidos pela Toyobo Co., Ltd. Os fios fornecidos, que tinham torção zero (não-torcidos), foram testados quanto à sua resistência à tração. As resistências à tração médias dos fios 99 denier e 250 denier não- torcidos foram 35,5 gf/denier (4,8% cv; cv=coeficiente de variação) e 34,9 gf/denier (3,0% cv), respectivamente. Reconhecendo o fato de que adicionar um grau de torção ideal a um fio fornece sua maior resistência à tração, uma série de testes foi realizada para determinar o fator de torção ideal e a maior resistência à tração alcançada em fios Zylon® 99 denier e 250 denier. O Fator de Torção (TF), que depende tanto da quantidade de torção (torções por polegada, tpi; torções por metro, tpm; 1 tpi = 39 tpm), e a contagem de fios são calculados usando a fórmula TF = 0,124 • tpi • dtex0,5 em que dtex é a unidade de contagem, também chamada de densidade linear do fio (1 denier é igual a 0,9 dtex).

[0044] Os fios com 99 denier (110 dtex) e 250 denier (278 dtex) foram torcidos com várias intensidades de torção (tpi, tpm) e testados quanto à sua resistência à tração. Os resultados tabulados na Tabela 1 mostram que a resistência à tração dos fios 99 denier e 250 denier é mais alta para o Fator de Torção de 10, que corresponde a 7,69 tpi (ou 303 torções por metro, tpm) para o fio 99 denier e 4,84 tpi (ou 190 tpm) para o fio de 250 denier.

Tabela 1

Configuração de reforço de fibra

[0045] Nos experimentos, para a camada de suporte de carga, vários princípios foram aplicados. Uma delas era uma camada de reforço de fibra não-crimpada de estrutura cruzada (cross-ply) de duas folhas, como ilustrado na FIG. 3a e outra camada de reforço de fibra tecida, como ilustrado na FIG. 3b. Um terceiro princípio com camadas de 90/± 45 graus é ilustrado na FIG. 3c.

Seleção de filmes para laminação

[0046] O EVOH (copolímero de etileno e álcool vinílico) tem uma permeabilidade muito baixa em relação ao gás, especialmente He, razão pela qual é um bom candidato para a camada adesiva.

[0047] Um bom candidato para a camada externa de intemperismo contra a atmosfera externa foi encontrado em PI (poliimida), embora também outros polímeros sejam possíveis, por exemplo, fluoreto de polivinila (PVF). Vantajosamente, a camada de intemperismo externa foi metalizada, a fim de repelir a radiação e o calor. Para proteger o metal contra danos, o revestimento de metal foi direcionado para dentro, que fica entre o polímero da camada de intemperismo e o EVOH. Desta forma, o polímero protege o metal contra o ambiente corrosivo na estratosfera.

[0048] Alternativamente, a camada de intemperismo é metalizada em ambos os lados. Se a camada de intemperismo é metalizada em ambos os lados ou tem um lado metalizado que é exposto ao ambiente, é vantajosamente protegida por um revestimento de resistência à corrosão.

[0049] Em algumas modalidades, uma barreira ao gás interna foi adicionada ao lado oposto da multicamada em comparação com a camada de intemperismo, em que a camada interna de barreira ao gás era uma película de tereftalato de polietileno (PET) metalizada, por exemplo, Mylar®.

[0050] A laminação foi feita para laminados com um tamanho de 7,5 polegadas x 7,5 polegadas (19 cm x 19 cm) sob pressão de 285 psi = 1965 kPa entre duas placas de alumínio estacionárias com uma temperatura de 175178°C por 15 minutos, a extremidade superior da faixa de temperatura mostrando os melhores resultados de laminação. Essas amostras são usadas para testes de vários tipos, conforme descrito a seguir.

[0051] No entanto, diferentes combinações de temperatura e tempo de permanência são possíveis. Em outros experimentos, uma pressão mais baixa e menor tempo de permanência em uma temperatura mais alta na faixa de 180-200°C foram bem-sucedidos. Por exemplo, uma temperatura de 196°C foi usada por 2 segundos a uma pressão de 60 psi = 414 kPa.

Medições de força

[0052] As medidas de resistência à tração foram realizadas de acordo com o Standard Test Method for Breaking Force and Elongation of Textile Fabrics (Strip Method) ASTM D5035. Os valores de resistência à tração são apresentados em unidades de N/cm e gf/denier (mN/tex = 88,3 gf/den). A resistência à tração em N/cm representa a tenacidade da amostra por unidade de largura em cm. A resistência à tração em gf/denier representa a tenacidade da amostra por denier total de fios na direção de carga. A resistência à tração em gf/denier é usada como uma métrica normalizada para determinar como grande parte da resistência do fio é traduzida para a resistência de reforço de fibra laminada/não laminada.

[0053] Para estruturas desequilibradas, como explicado em detalhes a seguir, as resistências à tração estimadas (calculadas com base nos parâmetros de resistência do fio e reforço da fibra) foram de 1033 N/cm e 516 N/cm nas direções da urdidura e da trama, respectivamente. Em geral, a resistência à tração na direção da urdidura de todas as amostras (exceto reforços de fibras laminadas) foi próxima de 1000 N/cm, enquanto na trama de todas as amostras foi maior que 500 N/cm. Valores de parâmetros correspondentes em termos de gf/den estavam no intervalo de 31-35.

[0054] Experimentos também foram realizados para estruturas de tecido balanceadas baseadas no fio Zylon® no tecido. Fios Zylon® de baixa torção (3-5 tpi) de 99 denier e com uma densidade de 46-50 ypi (aproximadamente 18-20 fios por cm) foram usados tanto para a urdidura como para a trama em um trançado simples. O fio Zylon® foi dimensionado com álcool polivinílico. As resistências à tração foram medidas na faixa de 520 a 615 N/cm e 28 a 34 gf/den nas direções da urdidura e da trama, e um alongamento de ruptura de 2,9-3,2%. Esses resultados também são muito bons para o propósito, visto que eram valores para o tecido e não para todo o laminado. Mais detalhadamente, os dados a seguir foram medidos.

[0055] Como conclusão, demonstrou-se que tanto as estruturas equilibradas quanto as desequilibradas com fios de alta resistência são muito úteis.

Exemplo 1 - P3

[0056] A FIG. 4a mostra uma modalidade específica do esboço principal da FIG. 2. À esquerda na figura, o peso de cada camada é mostrado em unidades de gramas por metro quadrado (gsm), e a espessura em mícrons é mostrada à direita. Fotografias dos laminados produzidos são mostradas na FIG. 4b.

[0057] O desenho esquemático deste protótipo laminado, no experimento denominado P3, compreende um tecido de prensagem transversal n desequilibrada (de duas camadas) como o reforço de fibra. O tecido tem fios Zylon® de 250 denier em direções de 90 graus e 0 graus. O peso de base do tecido é de 48 gsm com densidade de 30 ypi (30 fios por polegada são aproximadamente 12 fios por cm) na direção de 90 graus e 15 ypi (aproximadamente 6 fios por cm) na direção de 0 graus, assim, rendendo mais força na direção de 90 graus do que na direção de 0 graus. O design do protótipo inclui três camadas de filme de EVOH que fornecem excelentes propriedades de adesão e barreira a gás. O peso estimado e medido deste protótipo laminado foi de 111 gsm e 109 gsm, respectivamente.

Exemplo 2 - P4

[0058] A FIG. 5a mostra uma modalidade específica do esboço principal da FIG. 1. À esquerda na figura, o peso de cada camada é mostrado em unidades de gramas por metro quadrado (gsm), e a espessura é mostrada à direita. Fotografias dos laminados produzidos são mostradas na FIG. 5b.

[0059] O design esquemático deste protótipo laminado, no experimento denominado P4, compreende um tecido não equilibrado como o reforço de fibra. O tecido tem fios de 250 denier PBO nas direções longitudinal e transversal. O peso de base do tecido é de 48 gsm com densidade de 30 ypi (aproximadamente 12 fios por cm) na direção de 90 graus e 15 ypi (aproximadamente 6 fios por cm) na direção de 0 graus. Para obter o menor peso do laminado, o projeto utiliza duas camadas de filme de EVOH e uma camada inferior de um filme de PET metalizado leve (Mylar®) que serve como camada primária de barreira ao gás. O peso estimado e medido deste protótipo laminado é de 103 gsm.

Exemplo 3 - P9

[0060] A FIG. 6a mostra uma modalidade específica do esboço principal da FIG. 1. À esquerda na figura, o peso de cada camada é mostrado em unidades de gramas por metro quadrado (gsm), e a espessura é mostrada à direita. Fotografias dos laminados produzidos são mostradas na FIG. 6b.

[0061] O design esquemático deste protótipo laminado, no experimento denominado P9, compreende um tecido não equilibrado como o reforço de fibra. O tecido possui fios Zylon® de 99 denier com torção de 40 tpm na direção da urdidura e fios Zylon® de 250 denier não-torcidos nas direções da trama, respectivamente. O peso de base do tecido é de 50 gsm com densidade de fio de 40 ypi (aproximadamente 16 fios por cm) na direção da urdidura e 30 ypi (aproximadamente 12 fios por cm) na direção da trama. Como o protótipo P4, a camada inferior é uma película de PET metalizada leve (Mylar®) que serve como camada primária de barreira a gases. Embora a temperatura de laminação de 175° C tenha produzido uma adesão satisfatória entre as camadas, o aumento da temperatura de laminação para 178° C melhorou a adesão entre as camadas. Os pesos estimados e medidos deste protótipo laminado foram de 105 gsm.

Exemplo 4 - P10

[0062] A FIG. 7a mostra uma modalidade específica do esboço principal da FIG. 1. À esquerda na figura, o peso de cada camada é mostrado em unidades de gramas por metro quadrado (gsm), e a espessura é mostrada à direita. Fotografias dos laminados produzidos são mostradas na FIG. 7b.

[0063] O design esquemático deste protótipo laminado, no experimento denominado P10, compreende um tecido não equilibrado como o reforço de fibra. Ao contrário do protótipo P9, o protótipo P10 usa tecido com fios Zylon® de 99 denier com 40 tpm de torção na direção da urdidura e fios Zylon® 99 denier não-torcidos nas direções da trama, respectivamente. O peso de base do tecido é de 50 gsm com densidade de fio de 40 ypi (aproximadamente 16 fios por cm) na direção da urdidura e 75 ypi (30 fios por cm) na direção da trama. Espera-se que o maior ypi (fios por polegada) na direção da trama forme uma estrutura de tecido mais estável com uma textura superficial mais suave. Nas trilhas iniciais, uma temperatura de laminação de 175° C foi usada, porém, isso resultou em baixa qualidade de laminação com fraca aderência do filme de PI metalizado. Aumentar a temperatura de laminação para 178° C melhorou a qualidade da laminação, mas a adesão não foi tão boa quanto a do protótipo P9, embora ainda assim satisfatória. O peso estimado e medido deste protótipo laminado foi de 105 gsm.

Desempenho de barreira ao gás

[0064] Os resultados dos testes de permeabilidade do hélio (Tabela 2) mostram que, embora os protótipos laminados P3 e P4 tenham permeabilidade ao hélio muito menor que o valor alvo de 132 cc/m2.dia.atm, o protótipo laminado P4 possui permeabilidade ao hélio significativamente menor em comparação com o protótipo P3. A menor permeabilidade do protótipo P4 é atribuída à presença da camada de Mylar® metalizada que também reduziu o peso total do protótipo P4.

Tabela 2

[0065] Dados os mesmos esquemas de camadas, esperava-se que os valores de permeabilidade a hélio dos protótipos P9 e P10 fossem os mesmos que os do protótipo P4, que em relação a estanqueidade a gás foram favorecidos em relação ao P3.

Força do Laminado

[0066] A resistência à tração na direção da urdidura e da trama dos protótipos laminados P4, P9 e P10 é mostrada na Tabela 3. A resistência à tração de uma amostra do protótipo P3 foi de 1086 N/cm.

Tabela 3

[0067] As resistências à tração estimadas, calculadas com base nos parâmetros de resistência do fio e reforço da fibra, são 1033 N/cm e 516 N/cm nas duas direções. A resistência à tração medida dos protótipos foi ligeiramente inferior aos valores estimados. As menores resistências à tração, se comparadas com a resistência à tração estimada, são atribuídas à preparação experimental manual de protótipos laminados, que causam falta de alinhamento completo dos fios e tensão não uniforme nos fios. Essas imperfeições resultam em compartilhamento de carga não uniforme entre os fios de sustentação de carga, o que, em última análise, causa a ruptura prematura das amostras durante o teste de tração. Acredita-se que as resistências à tração melhoram e são semelhantes aos valores teóricos quando os laminados são produzidos em uma instalação de produção dedicada em larga escala. No entanto, ressalta-se que os valores experimentais estão se desviando em menos de 10% dos valores teóricos, o que é um resultado bastante satisfatório.

Comparação com outros estudos

[0068] Uma comparação da resistência e peso entre os novos protótipos laminados e materiais laminados desenvolvidos em outros estudos na literatura é mostrada na FIG. 8. As referências encontram-se no final desta seção em relação à Tabela 4.

[0069] A comparação da razão entre resistência e peso do novo laminado com os laminados desenvolvidos por outros estudos é mostrada na FIG. 9 Os novos protótipos laminados não são apenas significativamente mais leves do que quaisquer outros laminados com resistência à tração similar, mas também significativamente mais fortes do que qualquer laminado com o mesmo peso. As razões força/peso dos novos protótipos laminados são superiores a todos os laminados desenvolvidos em outros estudos.

[0070] Como é visto nesta comparação, a força dos laminados P3, P4, P9 e P10 é muito alta em comparação com o peso, tornando-os altamente adequados para uso em veículos mais leves que em veículos aéreos. No entanto, é importante notar que acredita-se que a relação Tenacidade/peso superior, como ilustrado na FIG. 9, seja escalonável para laminados mais espessos, o que favorece os laminados exemplificados também em relação aos laminados que têm uma tenacidade global mais alta na FIG. 8.

Tabela 4

Referências à Tabela 4:

[0071] Kamatsu, K, Sano, M., e Kakuta, Y., "Development of High Specific Strength Envelope Material", AAIA 3rd Annual Aviation Technology, Integration, and Operations (ATIO) Tech, 17-18 de novembro de 2003, Denver, Colorado.

[0072] Sasaki Y., Eguchi, K, Kono T, e Maekawa, S, “Scenario for Development of the SPF Airship Technology Demostrator", The Fifth Stratospheric Platform Systems Workshop, 23-24 de fevereiro de 2005, Tóquio, Japão.

[0073] Maekawa S, "On the Design Issue of a Stratospheric Platform Airship Structure" NAL TM-722, National Aerospace Laboratory of Japan, maio de 2003.

[0074] Maekawa, S e Yoshino, T, "Tear propagation of a High- Performance Airship Envelope Material", Journal of Aircraft, 45 (5), Set-Out 2008.

[0075] Nkadate, M., Maekawa, S., Maeda.T, Hiyoshi, M., Kitada, T., e Segawa6, S. "Reinforcement of an Opening for High Strength and Light Weight Envelop Material Zylon" 18th AIAA Lighter-Than-Air Systems Technology Conference, May 4-7 2009, Seattle, Washington, EUA.

[0076] Nakadate, M., Maekawa, S., Shibasaki, K, Kurose, T. Kitada, T, e Segawa, S., “Development of High Strength and Light Weight Envelop Material Zylon" 7th International Airship Convention 2008, Friedrichshafen, Alemanha, 9-11 de outubro de 2008.

[0077] High Strength-to-Weight Ratio Non-Woven Technical Fabrics for Aerospace Applications" Cubic Tech Corp, 2009, Mesa, Arizona.

[0078] Kang, W, Suh, Y, e Woo, K.., "Mechanical property characterization of film-fabric laminate for stratospheric airship envelope" Composite Structures, 75, pp.151-155, 2006.

[0079] Gu Z., "Research of Stratospheric Airships Skin Material' Spacecraft Recovery& Remote Sensing, 28(1), pp.62-66, 2007.

[0080] Cao, X, e Gao, C. "Fabrication and Investigation of Envelope Materials for Stratospheric Aircraft with PBO Fabric as Load-carriers" High- tech Fibre & Application, 34(4), pp.0-5, 2009.

[0081] Li B, Xing L, Zhou Z, Jiang S, e Chen X., "Study on Mechanical Properties of High Performance Envelope Materials" Material Engineering, pp.1-5, 2010.

Efeito do intemperismo térmico e por UV-Vis

[0082] Os protótipos laminados P4, P9 e P10 foram submetidos a duas condições diferentes de intemperismo. Em uma exposição a intempéries, os protótipos foram submetidos a exposição térmica por 24 horas em estufa a 80° C. A outra exposição ao intemperismo envolveu a exposição acelerada ao espectro de luz visível e UV (UV-Vis) de ~ 275 a 700 nm por um período de 170 horas (~ 60 dias de exposição em tempo real a uma altitude de 10 km). Os protótipos foram expostos em um Atlas Ci 3000+ Weather-Ometer (www.atlas-mts.com) com o nível de irradiância de 1,1 Watts/m2 a 340 nm. Durante o intemperismo por UV-Vis, a temperatura dos protótipos foi mantida a cerca de 80° C. Para o intemperismo por UV-Vis, os exemplares foram montados em estruturas metálicas e o lado interno (lado Mylar®) das amostras foi coberto com duas camadas de papel cartão preto para evitar qualquer exposição ao lado interno. Os quadros foram então montados em trilhos redondos dentro da câmara de intemperismo do Atlas Ci 3000+ Weather-Ometer, de tal forma que o exterior dos exemplares estava voltado para a fonte de luz UV e visível.

[0083] A resistência à tração dos protótipos após cada exposição a intemperismo foi testada. A perda de força percentual foi definida da seguinte forma:

[0084] Isto foi usado como métrica para avaliar termo e fotodegradação.

[0085] A resistência à tração média antes e depois da exposição térmica e do intemperismo UV-Vis foi estatisticamente igual (a análise estatística foi realizada usando teste t com nível de confiança de 95%). Pode- se concluir, portanto, que há uma degradação desprezível causada pelo intemperismo térmico e UV-Vis. É importante notar que os exemplares testados antes e depois das exposições a intemperismo foram tirados de diferentes réplicas do mesmo protótipo. Devido à preparação manual dos protótipos, existem variações inerentes em uma réplica, bem como variações entre as diferentes réplicas do mesmo protótipo. Algumas das amostras expostas ao calor apresentaram maior resistência em comparação com amostras correspondentes não expostas, o que aponta fortemente para a variabilidade dos exemplares dentro de uma amostra. Uma comparação gráfica das resistências à tração dos protótipos P4, P9 e P10 antes e depois da exposição térmica e ao intemperismo UV-Vis é mostrada na FIG. 10

[0086] O % de perda de força nos protótipos P4, P9 e P10 após exposição térmica e intemperismo UV-Vis acelerado é mostrado na FIG. 11.

[0087] A resistência à tração média antes e depois da exposição térmica e do intemperismo UV-Vis foi estatisticamente igual (a análise estatística foi realizada usando teste t com nível de confiança de 95%). Pode- se concluir, portanto, que há uma degradação desprezível causada pelo intemperismo térmico e UV-Vis. É importante notar que os exemplares testados antes e depois das exposições a intemperismo foram tirados de diferentes réplicas do mesmo protótipo. Devido à preparação manual dos protótipos, existem variações inerentes em uma réplica, bem como variações entre as diferentes réplicas do mesmo protótipo. Algumas das amostras expostas ao calor apresentaram maior resistência em comparação com amostras correspondentes não expostas, o que aponta fortemente para a variabilidade dos exemplares dentro de uma amostra.

Medições de resistência à ruptura

[0088] A resistência à ruptura do protótipo P4 e P9 foi medida usando o método de teste de ruptura de fenda MIL-C-21189. O diagrama esquemático de um exemplar de ruptura é mostrado na FIG. 12. Uma fenda de corte de 1,25 polegadas é feita no centro do exemplar, perpendicular à direção do teste. Os exemplares têm 4 polegadas de largura com um comprimento de calibre de teste de 3 polegadas entre as áreas de aderência.

[0089] A resistência a ruptura de uma amostra foi calculada pela média das 5 cargas de pico mais altas durante um teste de ruptura. Três exemplares por amostra foram testados nas direções de urdidura e trama. Os resultados de resistência a ruptura do protótipo P4 e P9 são mostrados na Tabela 5.

Tabela 5

[0090] A razão para a maior ruptura na direção da urdidura do protótipo P4 comparado ao protótipo P9 é devido à diferença no denier do fio de urdidura usado para construir as duas estruturas. No protótipo P4, utilizou- se fio 250 denier, enquanto no protótipo P9 utilizou-se 99 denier. Está bem estabelecido na literatura que a carga de ruptura aumenta conforme aumenta a carga de quebra do fio.

Resistência ao alongamento por fluência

[0091] Um exemplar de 1 polegada de largura do protótipo P4 foi submetido a uma carga constante de 1250 N por um período de 1 dia em um quadro de carga MTS (www.mts.com) com o quadro de carga em execução no modo de controle de carga. O comprimento de calibre do exemplar de teste foi de 3 polegadas (76 mm). A curva de extensão de carga do teste é mostrada na FIG. 13. Após uma extensão instantânea de 1,6%, a amostra de P4 mostrou uma extensão de fluência muito pequena de 0,02%.

Laminados alternativos

[0092] As FIG. 14 e FIG. 15 mostram modalidades específicas de peso leve do esboço principal da FIG. 2.

[0093] O desenho esquemático do protótipo laminado, experimentalmente denominado P12, ilustrado na FIG. 14, usa um tecido não- crimpado não foliado não-equilibrado ou um tecido trançado não-equilibrado como reforço de fibra. O tecido de 48 gsm é feito de fios de PBO. A superfície interna do laminado (camada adesiva) é metalizada após a formação do laminado. O peso de base estimado do protótipo laminado é de 96 gsm.

[0094] Esperava-se que a utilização de um tecido não crimpado de três camadas reduzisse inda mais o peso do reforço de fibra, mas também aumentasse a resistência à tração do laminado. Um exemplo de protótipo laminado com reforço de fibra de três camadas é descrito abaixo em relação à FIG. 15. O desenho esquemático deste protótipo laminado, experimentalmente denominado P13, ilustrado na FIG. 15, utiliza um tecido de três folhas (fio de 250 denier) com 15 ypi (aproximadamente 6 fios por cm) na direção de 90° e 11 ypi (aproximadamente 4 fios por cm) nas direções de +/- 45°. As três camadas estão dispostas como na FIG. 3c. O peso do reforço de fibra é igual a 41 gsm. Semelhante ao protótipo P12, a superfície interna do laminado (camada adesiva) é metalizada após o processo de laminação. O peso estimado do laminado deve ser de 89 gsm. A resistência à tração estimada do protótipo laminado P13 é estimada em mais de 1000 N/cm.

[0095] O desenho esquemático do protótipo laminado, experimentalmente denominado P14 ilustrado na FIG. 16 utiliza um tecido de três folhas (fio de 250 denier) com 22 ypi (aproximadamente 9 fios por cm) na direção de 90° e 16 ypi (aproximadamente 6 fios por cm) nas direções de +/- 45°. O peso do reforço de fibra é igual a 59 gsm. As três camadas estão dispostas como na FIG. 3c. Semelhante ao protótipo P12, a superfície interna do laminado (camada adesiva) é metalizada após o processo de laminação. O peso estimado do laminado deve ser de 107 gsm. A resistência à tração estimada do protótipo laminado P13 é estimada em mais de 1550 N/cm. A razão entre força e peso é estimada em cerca de 1400 kN.m/Kg, o que é muito superior a todos os materiais laminados desenvolvidos em outros estudos.

Medições de estabilidade de temperatura

[0096] Análise Dinâmica Mecânica (DMA) foi feita em um número de amostras para uma grande faixa de temperatura, a fim de elucidar se as baixas temperaturas podem se tornar um problema para a flexibilidade do material. A faixa de temperatura foi de -60° C a 100° C. Nessa faixa, o módulo de perda, relacionado às propriedades inelásticas e à dissipação de energia, e o módulo de armazenamento, relacionado às propriedades elásticas, foram medidos em unidades de MPa com um dispositivo de medição Q800 DMA fornecido comercialmente pela TA Instruments, New Castle, DE19720, EUA (www.TAInstruments.com). Além disso, a razão entre os dois parâmetros, também chamada de Tan Delta, foi calculada. As medições estão ilustradas nas FIGs. 17a, 17b e 17c.

[0097] As medições são ilustradas em

[0098] FIG. 17a para uma amostra de filme de EVOH com um tamanho de 20 x 7 x 0,0130 mm, FIG. 17b para uma amostra de filme Mylar com um tamanho de 22 x 7 x 0,0050 mm, FIG. 17c para uma amostra de filme de poliimida (PI) com um tamanho de 23 x 7 x 0,0130 mm, FIG. 17d para uma amostra da tensão de urdidura 3 de P4 com um tamanho de 19 x 6 x 0,1020 mm.

[0099] As medições mostraram que os filmes EVOH, Mylar e PI são estáveis a baixas temperaturas sem indicar fraqueza a baixas temperaturas. Para o filme de EVOH, isto é surpreendente, em vista do artigo de Zhai e Euler discutido na introdução. A curva Tan Delta indica transições de fase, que para os filmes a baixas temperaturas parecem não ocorrer. Para os laminados do Protótipo P4, nenhuma evidência de delaminação e nenhum dano físico foi observado. Crê-se que o aquecimento do tecido a 180° C durante o processamento conduz a uma reticulação dos polímeros em seu estado final no tecido, o que é vantajoso para a estabilidade.

Conclusões

[00100] Foram desenvolvidos materiais laminados leves para o envelope de veículos aeróstatos de grande altitude, os quais possuem propriedades melhoradas. Os novos protótipos de laminados não apenas são significativamente mais leves do que os laminados da técnica anterior com resistência à tração semelhante, mas também significativamente mais fortes do que os laminados da técnica anterior com peso semelhante. A resistência específica (razão resistência/peso) dos protótipos laminados é significativamente maior no que o atual estado da técnica. Os protótipos de laminados também possuem excelente resistência à termodegradação, fotodegradação, resistência química, especialmente contra oxigênio singleto e ozônio, excelentes propriedades de barreira a gases e excelente resistência ao alongamento por fluência. Além disso, o/a filme/camada mais externo/a também fornece excelente gerenciamento térmico, incluindo baixa emissividade. Por conseguinte, o material em camadas tem propriedades multifuncionais em alto nível. O conceito de design de laminado pode ser usado para ajustar os materiais laminados a um peso inferior ou superior, mantendo em grande parte a razão entre resistência e peso.

Claims

1. Veículo aeróstato compreendendo um envelope, o envelope compreendendo um material laminado como uma barreira contra gases e estrutura de suporte de carga, o material laminado compreendendo uma camada de fibra de reforço e uma primeira camada de filme de Etileno e Álcool Vinílico, EVOH, fundida na camada de fibra em um dos lados da camada de fibra, caracterizado pelo fato de que o EVOH está em contato direto com a camada de fibra de reforço.

2. Veículo aeróstato de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que um segundo filme de EVOH é fundido na camada de fibra em um lado oposto da camada de fibra, em que o EVOH do segundo filme de EVOH está em contato direto com a camada de fibra de reforço.

3. Veículo aeróstato de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 ou 2, caracterizado pelo fato de que a camada de fibra de reforço compreende fibras feitas de cristal líquido.

4. Veículo aeróstato de acordo com a reivindicação 3, caracterizado pelo fato de que o cristal líquido é poli[p-fenileno-2, 6- benzobisoxazol], PBO

5. Veículo aeróstato de acordo com qualquer uma das reivindicações 3 ou 4, caracterizado pelo fato de que pelo menos algumas das fibras de cristal líquido são torcidas.

6. Veículo aeróstato de acordo com a reivindicação 5, caracterizado pelo fato de que as fibras de cristal líquido torcidas compreendem uma torção entre 30 e 50 por metro.

7. Veículo aeróstato de acordo com qualquer uma das reivindicações 5 ou 6, caracterizado pelo fato de que a camada de fibra compreende pelo menos um primeiro conjunto de fibras e um segundo conjunto de fibras, em que as fibras no primeiro conjunto de fibras são fibras de cristal líquido torcidas e orientadas em uma primeira direção, e em que as fibras no segundo conjunto de fibras são fibras de cristal líquido não torcidas e orientadas em uma segunda direção que é diferente da primeira direção.

8. Veículo aeróstato de acordo com a reivindicação 7, caracterizado pelo fato de que a primeira e a segunda direção têm um ângulo entre as direções de pelo menos 30 graus.

9. Veículo aeróstato de acordo qualquer uma das reivindicações 7 ou 8, caracterizado pelo fato de que as primeira e segunda direções são perpendiculares.

10. Veículo aeróstato de acordo com qualquer uma das reivindicações 7 a 9, caracterizado pelo fato de que o primeiro conjunto de fibras tem uma primeira densidade de linha e o segundo conjunto de fibras tem uma segunda densidade de linha que difere da primeira densidade de linha em pelo menos um fator de dois.

11. Veículo aeróstato de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 10, caracterizado pelo fato de que o peso da camada de fibra é de entre 40 e 70 g por metro quadrado.

12. Veículo aeróstato de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 11, caracterizado pelo fato de que a espessura do primeiro filme de EVOH é de entre 10 e 20 mícrons.

13. Veículo aeróstato de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 12, caracterizado pelo fato de que a espessura do segundo filme de EVOH é de entre 10 e 20 mícrons.

14. Veículo aeróstato de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 13, caracterizado pelo fato de que o laminado compreende uma camada de intemperismo fundida ao primeiro filme de EVOH, em que a camada de intemperismo compreende uma película de polímero metalizada.

15. Veículo aeróstato de acordo com a reivindicação 14, caracterizado pelo fato de que o filme de polímero metalizado compreende uma camada metálica fundida com e sobre a primeira camada de filme de EVOH.

16. Veículo aeróstato de acordo qualquer uma das reivindicações 14 ou 15, caracterizado pelo fato de que a espessura da camada de intemperismo é entre 10 e 20 mícrons.

17. Veículo aeróstato de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 16, caracterizado pelo fato de que o laminado compreende uma camada de barreira a gases metalizada fundida sobre o segundo filme de EVOH no lado oposto do laminado em relação à camada de intemperismo.

18. Veículo aeróstato de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a camada de barreira a gases metalizada compreende um filme de polímero metalizado que é fundido ao segundo filme de EVOH e uma camada metálica no lado oposto do filme de polímero metalizado em relação ao segundo filme de EVOH.

19. Veículo aeróstato de acordo com a reivindicação 18, caracterizado pelo fato de que a camada de filme de polímero metalizado é uma camada de tereftalato de polietileno, PET, com uma espessura entre 4 e 8 mícrons.

20. Veículo aeróstato de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 19, caracterizado pelo fato de que o laminado tem um peso entre 90 e 110 gsm.

21. Veículo aeróstato de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 20, caracterizado pelo fato de que a razão tenacidade/peso para o laminado é superior a 890 kNm/kg.

22. Método para produção de um material laminado para um veículo aeróstato como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 21, caracterizado pelo fato de que o método compreende proporcionar uma camada de fibra de reforço e um primeiro filme de EVOH em um lado da camada de fibra ou um primeiro e um segundo filme de EVOH em ambos os lados da camada de fibra, e pressionar as camadas em conjunto a uma temperatura entre 175° C e 200° C para ligação por fusão.