ESTERAS DE HEBRAS DE FIBRAS DE VIDRIO TROZADAS PARA USO HÚMEDO/POLÍMERO Y MÉTODO PARA SU PRODUCCIÓN CAMPO TÉCNICO Y APLICABILIDAD INDUSTRIAL DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere en general a productos compuestos reforzados y más particularmente a una estera de hebras trozadas que se forma de haces de fibras de refuerzos secas dieléctricamente y materiales de unión. También se proporcionó un método para formar la estera de hebras trozadas . ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las fibras de vidrio son útiles en una variedad de tecnologías. Por ejemplo, las fibras de vidrio se emplean comúnmente como refuerzos en matrices de polimero, para formar plásticos o compuestos reforzados con fibras de vidrio. Las fibras de vidrio se han utilizado en la forma de filamentos continuos o trozados, hebras, mechas, telas tejidas, telas no tejidas, mallas y lienzos para reforzar polimeros. Se conoce en la técnica que los compuestos de polimero reforzados con fibras de vidrio, poseen superiores propiedades mecánicas en comparación con polimeros no reforzados. De esta manera, mejor estabilidad dimensional, resistencia y módulo de tracción, resistencia y módulo flexural,
resistencia al impacto, y resistencia a plastodeformación progresiva, pueden lograrse con compuestos reforzados con fibras de vidrio. Típicamente, se forman fibras de vidrio al extraer o al pasar vidrio fundido en filamentos a través de un buje o placa con orificios y aplicar a los filamentos una composición de apresto que contiene lubricantes, agentes de acoplamiento y resinas aglutinantes formadoras de película. La composición de presto acuosa proporciona protección a las fibras contra abrasión inter-filamentos y promueve compatibilidad entre las fibras de vidrio y la matriz en donde se van a utilizar las fibras de vidrio. Después de que se aplica la composición de apresto, las fibras pueden recolectarse en una o más hebras y bobinarse en un paquete o en forma alterna las fibras pueden trozarse estando húmedas y recolectarse. Las hebras trozadas recolectadas pueden entonces secarse y curarse, para formar fibras trozadas secas o pueden empacarse en su condición húmeda como fibras trozadas húmedas. Esteras fibrosas que son una forma de refuerzos no tejidos fibrosos, son extremadamente convenientes como refuerzos para muchos tipos de compuestos de plástico sintéticos. Hebras de fibras de vidrio trozadas secas (DUCS = dried chopped glass
fiber strands), se emplean comúnmente como materiales de refuerzo en los articulos termoplástico. Estas fibras de vidrio trozadas secas pueden alimentarse fácilmente en máquinas convencionales y pueden utilizarse fácilmente en métodos convencionales tales como procesos de colocación en seco. En un proceso de colocación en seco convencional, se trozan fibras de vidrio secas y soplan al aire sobre un transportador o tamiz y consolidan para formar una estera. Por ejemplo, fibras trozadas secas y fibras poliméricas se suspenden en aire, recolectan como una trama suelta en un tamiz o tambor perforado y después consolidan para formar una estera orientada al azar. Fibras trozadas húmedas se emplean convencionalmente en un proceso de colocación en húmedo, en donde las fibras trozadas húmedas se dispersan en un fango de agua que puede contener surfactantes, modificadores de viscosidad, agentes desespumantes u otros agentes químicos. Una vez que las fibras de vidrio trozadas se introducen en el fango, el fango se agita de manera tal que las fibras se dispersan. El fango que contiene las fibras se deposita sobre un tamiz en movimiento, y una porción sustancial del agua se retira para formar una trama. Después se aplica un aglutinante, y la estera resultante se seca para retirar el agua restante y
curar el aglutinante. La estera no tejida formada es un montaje de filamentos de vidrio individuales, dispersos . Procesos de colocación en seco son particularmente convenientes para la producción de esteras altamente porosas y son adecuados cuando se desea una estructura abierta en la estera resultante, para permitir la rápida penetración de diversos líquidos o resinas. Sin embargo, estos procesos de colocación en seco convencionales tienden a producir esteras que no tienen una distribución de peso uniforme a través de sus áreas superficiales, en especial cuando se comparan con esteras formadas por procesos de colocación en húmedo convencionales. Además, el uso de fibras trozadas secas puede ser más costoso de procesar que las fibras trozadas húmedas utilizadas en los procesos de colocación en húmedo, debido a que las fibras trozadas secas en general están secas y empacadas en etapas separadas antes de ser trozadas. Para ciertas aplicaciones de refuerzo en la formación de partes compuestas, es conveniente formar esteras de fibras en donde la estera incluye una estructura porosa abierta (como en un proceso de colocación en seco) , y que tiene un peso uniforme
(como en un proceso de colocación en húmedo) . Sin
embargo, no pueden emplearse fibras trozadas en húmedo convencionales en procesos de colocación en seco convencionales. Por ejemplo, fibras trozadas húmedas tienden a aglomerarse o adherirse entre si y/o al equipo de procesamiento, lo que puede provocar que el equipo de fabricación falle y pare la linea de fabricación. Además, procesos de colocación en seco convencionales tipicamente emplean una corriente de aire para suministrar las hebras trozadas en seco a un tamiz en movimiento o transportador foraminoso. Fibras trozadas en húmedo no pueden dispersarse en dicha corriente de aire con suficiente control para obtener una estera que tiene buena dispersión de fibras . Se han realizado intentos para secar las hebras de fibra de vidrio conforme se recolectan en el bobinadador o durante un proceso en linea, para mejorar la uniformidad de manejo y subsecuente procesamiento de las fibras de vidrio. Estos intentos de secado han incluido el uso de sistemas dieléctricos de alta frecuencia para secar las hebras de vidrio y/o las fibras de vidrio trozadas, algunos ejemplos de los cuales se establecen a continuación. La Patente de los E.U.A Número 3,619,252 otorgada a Roscher, describe un método para revestir e impregnar fibras de vidrio con una composición
elastomérica acuosa y después secar las fibras de vidrio con calentamiento eléctrico de alta frecuencia para retirar sustancialmente todo el agua mientras que se dejan los sólidos elastoméricos sustancialmente sin afectar. La Patente de los E.U.A. Número 3,619,538 otorgada a Kallenborn, describe un proceso y un aparato para emplear calentamiento eléctrico de alta frecuencia tal como calentamiento dieléctrico, para secar una pluralidad de hebras fibrosas de vidrio revestidas que están húmedas o saturadas con inmersión o baño corto elastomérico acuoso. La Patente de los E.U.A. Número 4,840,755 otorgada a Nakazawa et al . describe un método y un aparato para producir hebras trozadas compactadas que tienen alta densidad. Las hebras trozadas se secan con aire caliente aplicado desde el lado inferior de las hebras trozadas o por un calentamiento de ondas con alta frecuencia, conforme se mueven sobre una placa portadora. La Patente de los E.U.A. Número 6,148,641 otorgada a Blough et al . , describe un aparato y un método para producir hebras trozadas secas de un suministro de hebras de fibras continuas por la deposición directa de hebras trozadas húmedas expulsadas desde un montaje trozador en una cámara de
secado. La cámara de secado puede ser un secador de tipo continuo o por lotes, que se conoce por una persona con destreza en la técnica tales como secadores eléctricos, de gas, de ultravioleta, dieléctricos o de lecho fluidizado. En vista de lo anterior, existe una necesidad en la técnica por un proceso efectivo en costo y eficiente para formar una estera no tejida que tiene una distribución de peso sustancialmente uniforme y una estructura porosa abierta que puede emplearse en la producción de partes compuestas reforzadas y que utiliza hebras trozadas en húmedo. COMPENDIO DE LA INVENCIÓN Un objeto de la presente invención es proporcionar una estera de hebras trozadas no tejidas, delgada y densa que se forma de haces de fibras de refuerzo y un material de unión. Ejemplos convenientes de fibras de refuerzo incluyen fibras de vidrio, fibras de lana de vidrio, fibras naturales y fibras cerámicas. Las fibras de refuerzo pueden estar presentes en la estera de hebras trozadas en una cantidad de aproximadamente 60 a aproximadamente 90% en peso de las fibras en total. Se prefiere que los haces de fibras reforzadas tengan un valor tex de aproximadamente 10 a aproximadamente 500. En modalidades preferidas, las fibras de refuerzo son
fibras de refuerzo en húmedo, tales como fibras de refuerzo de hebras trozadas para uso en húmedo, que sustancialmente se han secado utilizando un horno de secado dieléctrico. El material de unión puede ser cualquier material termoplástico o termofijo, que tiene un punto de fusión menor que las fibras de refuerzo . También un objeto de la presente invención es proporcionar un método para formar una estera de hebras trozadas no tejidas, delgadas y densas, al formar la estera de hebras trozadas, haces de fibras de refuerzo en húmedo (tales como fibras de vidrio de hebras trozadas para uso en húmedo) se secan dieléctricamente tales como al pasar las fibras de refuerzo en húmedo a través de un horno dieléctrico en donde campos eléctricos de alta frecuencia alterna secan o sustancialmente secan las fibras de refuerzo en húmedo. Los haces secos de fibras de refuerzo se alimentan por un sistema de transferencia de fibras en una campana de formación. Un segundo sistema de transferencia de fibras alimenta un material lineal termoplástico en la campana de formación. Los sistemas de transferencia de fibras pueden operar en forma subordinada entre si, de manera tal que pueda obtenerse una proporción igualada o acoplada de material de unión con fibras de refuerzo. Las fibras
de refuerzo secas y el material de unión se mezclan en conjunto en la cubierta o campana de formación por una corriente de aire de alta velocidad. La mezcla de fibras de refuerzo secas y material de unión se jalan hacia abajo dentro de la campana de formación y sobre un aparato de transporte en movimiento, con el auxilio de un sistema de succión de aire o vacio para formar una hoja de haces al azar, pero distribuidos en forma sustancialmente uniforme de fibras de refuerzo secas y fibras de unión. La hoja después se pasa a través un sistema de unión térmica para unir las fibras de refuerzo secas y material de unión y formar la estera de hebras trozadas. La estera de hebras trozadas puede pasarse a través de un sistema de compactación en donde la estera de hebras trozadas se compacta, de preferencia a un espesor de aproximadamente 1.59 a aproximadamente 12.70 mm (1/16 a aproximadamente 1/2 in) . La estera de hebras trozadas además puede procesarse al pasar la estera de hebras trozadas a través de un sistema de enfriamiento y después bobinarse por un aparato de bobinado en un rollo continuo para almacenamiento. Un objetivo adicional de la presente invención es proporcionar un método para formar una hebra trozada no tejida, delgada y densa, que utiliza una estera de polimeros como el material de unión.
Fibras de refuerzo en húmedo que se han secado dieléctricamente tales como en un horno dieléctrico, se depositan en una campana de formación por un primer sistema de transferencia de fibras. De preferencia, las fibras de refuerzo en húmedo se forman como haces de fibras de refuerzo, con un valor tex desde aproximadamente 10 a aproximadamente 500. Las fibras de refuerzo secas se suspenden por una corriente de aire de alta velocidad generada dentro de la campana de formación. Una primera estera de polimero se ubica en un aparato de transporte e introduce en la campana de formación. Las fibras de refuerzo secas, se dirigen hacia abajo y depositan sobre la primera estera de polimero. El resultado es una estera de . polimero que tiene una distribución sustancialmente uniforme de haces secos de fibras de refuerzo húmedas. La estera de vidrio/polimero puede entonces pasarse a través de un sistema de unión térmica, para unir al menos una porción de las fibras de refuerzo secas y el material de polimero, formando la primera estera de polimero. Una segunda estera del polimero puede colocarse opcionalmente en la capa de haces secos de fibras de refuerzos, de manera tal que los haces secos de fibras de refuerzo se emparedan entre la primera y segunda esteras de polimero. La primera y segunda esteras de polimero pueden formarse
de los mismos polimeros o pueden formarse de polimeros diferentes, dependiendo de la aplicación deseada. Una ventaja de la presente invención es que el uso de fibras de vidrio trazadas en húmedo secas dieléctricamente, proporciona una ventaja de costo frente a productos de fibras en mecha de bajo valor tex convencionales que actualmente se utilizan en procesos de colocación en seco. Como resultado, el uso de fibras de vidrio trozadas en húmedo dieléctricamente secas, permite fabricar esteras de hebras trozadas a menores costos. Otra ventaja de la presente invención es que el secado dieléctrico de las fibras de refuerzo en húmedo, proporciona un método económico para retirar agua de las fibras de refuerzo en húmedo debido a que las fibras de refuerzo en húmedo pueden secar rápidamente a una baja temperatura de las fibras en la red. Además, el secado dieléctrico de las fibras de refuerzo en húmedo mejora la cohesión de fibra-a-fibra y reduce la adhesión de haz-a-haz. Una ventaja adicional de la presente invención está en retirar el agua de las fibras de refuerzo en húmedo a menores temperaturas a través del secado dieléctrico, las reacciones químicas de la quimica de superficies en las fibras de vidrio puede
reducirse. Todavía otra ventaja de la presente invención es que el uso del horno dieléctrico, permite que las fibras de refuerzo en húmedo se sequen sin un método activo de agitación de fibras. Esta falta de agitación elimina la abrasión de fibras comúnmente vista en hornos de secado de bandeja y lecho fluidizado convencionales, debido a las altas velocidades de flujo de aire dentro de los hornos de secado y el movimiento mecánico del material fibroso en los lechos. Además, la falta de agitación aumenta enormemente la capacidad para mantener los haces de fibras . También una ventaja de la presente invención es que el horno dieléctrico reduce la decoloración del vidrio, resultado comúnmente del uso de equipo de procesamiento de secado térmico. Los anteriores y otros objetos características y ventajas de la invención aparecerán más completamente a continuación a partir de una consideración de la descripción detallada que sigue. Se entiende expresamente sin embargo que los dibujos son para propósitos ilustrativos y no habrá de considerarse que definen los limites de la invención. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Las ventajas de esta invención serán
aparentes ante consideración de la siquiente descripción detallada de la invención, en especial cuando se toma en conjunto con los dibujos acompañantes en donde: La FIGURA 1 es una ilustración esquemática de un haz de hebras trozadas de acuerdo con una modalidad ejemplar de la presente invención; La FIGURA 2 es un diagrama de flujo que ilustra etapas para formar una estera de hebras trozadas utilizando fibras de refuerzo en un medio de acuerdo con un aspecto de la presente invención; La FIGURA 3 es una ilustración esquemática de un proceso que utiliza fibras de refuerzo secas dieléctricamente, para formar una estera de hebras trozadas de acuerdo con al menos una modalidad ejemplar de la presente invención; y La FIGURA 4 es una ilustración esquemática de una campana de formación de acuerdo con cuando menos una modalidad ejemplar de la presente invención. DESCRIPCIÓN DETALLADA Y MODALIDADES
PREFERIDAS DE LA INVENCIÓN A menos que se define de otra forma, todos los términos técnicos y científicos aqui empleados tienen el mismo significado que se entiende comúnmente por una persona con destreza ordinaria en
la técnica a la cual pertenece la invención. Aunque cualesquiera métodos y materiales similares o equivalentes - a aquellos aqui descritos pueden utilizarse en la práctica o prueba de la presente invención, los métodos y materiales preferidos se describen aqui. Todas las referencias aqui citadas, incluyendo solicitudes de patentes de los E.U.A., o extranjeras publicadas o correspondientes, patentes de los E.U.A., o extranjeras otorgadas o cualesquiera otras referencias, cada una se incorporan por referencia en su totalidad, incluyendo todos los datos, tablas, figuras y texto presentados en las referencias citadas. En los dibujos, el espesor de las lineas, capas y regiones puede ser exagerado para claridad. Habrá de notarse que números semejantes encontrados a través de las figuras denotan elementos semejantes. Los términos "superior", "fondo", "lado", y semejantes, se emplean aqui con el propósito de explicación solamente. Se entenderá que cuando se refiere un elemento que está "en", "adyacente a" o "contra" otro elemento, puede estar directamente en, adyacente a, o contra el otro elemento o elementos intermedios pueden estar presentes. También se entenderá que cuando un elemento se refiere como que está "sobre" otro elemento, puede estar directamente
sobre el otro elemento, o pueden estar presentes elementos intermedios. Los términos "fibras de refuerzo" y "fibras para refuerzo" pueden emplearse aqui en forma intercambiable. Los términos "fibras de unión" y "material de unión" también pueden ser empleados en . forma intercambiable. Además, los términos "hoja" y "estera" pueden emplearse aqui en forma intercambiable. La presente invención se refiere a una estera de hebras trozadas que se forma de haces de fibras de refuerzo y fibras de unión orgánica. La estera de hebras trozadas es una estera no tejida, delgada y densa que puede utilizarse por ejemplo como un refuerzo en articulos compuestos, en moldeo de inyección, en procesos de pultrusión, en moldeo por inyección de resina estructural, en sistemas de resina para molde abierto, en sistemas de resina para molde cerrado, en refuerzo con yeso-polimero, en refuerzo de concreto-polímero, en moldeo por compresión, en moldeo con transferencia de resina, y en proceso de infusión con vacio. Las fibras de refuerzo puede ser cualquier tipo de fibras orgánicas, inorgánicas, o naturales, adecuadas para proporcionar buenas cualidades estructurales. Ejemplos preferidos de fibras de refuerzo convenientes incluyen fibras de vidrio,
fibras de lana de vidrio, fibras naturales, y fibras cerámicas. La estera de hebras trozadas puede ser formada totalmente de un tipo de fibra de refuerzo (tal como fibras de vidrio) o en forma alterna, más de un tipo de fibras de refuerzo puede emplearse para formar la estera de hebras trozadas. El término "fibra natural" como se emplea en conjunto con la presente invención se refiere a fibras de plantas que se extraen de cualquier parte de una planta, incluyendo pero no limitado a, el tronco, semillas, hojas, raices, o plantas fibrosas. De preferencia, las fibras de refuerzo son fibras de vidrio. Las fibras de refuerzo pueden ser fibras trozadas que tienen una longitud discreta de aproximadamente 1.27 a aproximadamente 5.08 cm
(aproximadamente 1/2 a aproximadamente 2 in) , y de preferencia aproximadamente 19.05 a aproximadamente
38.10 mm (aproximadamente 3/4 a aproximadamente 1
1/2 in) . Además, las fibras de refuerzo pueden formarse de una longitud de trozado sencilla de aproximadamente 25.4 a aproximadamente 38.10 mm
(aproximadamente 1 a aproximadamente 1-1/2 in) o múltiples longitudes de trozado de fibras en el intervalo desde aproximadamente 12.7 a aproximadamente 50.8 mm (aproximadamente 1/2 a aproximadamente 2 pulgadas) . Las fibras de refuerzo
pueden tener diámetros de aproximadamente 10 a aproximadamente 22 mieras, de preferencia aproximadamente 12 a aproximadamente 16 mieras, y más preferiblemente de aproximadamente 11 a aproximadamente 12 mieras. Se prefiere que las fibras de refuerzo se formen como haces de fibras de refuerzo con un valor tex de haces desde aproximadamente 10 a aproximadamente 500, de preferencia de aproximadamente 20 a aproximadamente 400, y más preferible de aproximadamente 30 a aproximadamente 100. Un ejemplo de un haz de hebras trozadas conveniente se ilustra en la Figura 1. El haz de hebras trozadas 70 ahi mostrado se forma de filamentos individuales 72 que tienen una longitud deseada discreta 74 y diámetro deseado 76, como se describió anteriormente. Aunque no se desea estar ligados por teoría, se considera que cuando el valor tex de cada haz alcanza una cantidad suficiente, las fibras forman un conjunto de "barras" fibrosas que se unen en conjunto por el material de unión. Una estera de hebras trozadas formada de estos haces de alto valor tex de fibras de refuerzo, resultará en una estera de hebras trozadas, delgadas y densas que humectan en una resina rápidamente y que serán relativamente delgadas, en especial cuando se comparan con
productos de esteras colocadas al aire, gruesas y esponjosas. Además, las esteras de fibras de vidrio trozadas en haces delgadas y densas, se forman de fibras empacadas en conjunto sobre el eje de fibra, que permite a la estera de fibras trozadas tener un contenido de vidrio incrementado. En esteras compuestas tales como la estera de hebras trozadas de la presente invención, el desempeño mecánico y de impacto son directamente proporcionales al contenido de vidrio. Debido a que la estera de hebras trozadas tiene un contenido de vidrio incrementado, es capaz de proporcionar un desempeño de impacto y mecánico incrementado en los productos finales, en especial cuando se compara con los productos de esteras colocadas en seco, gruesas y esponjosas convencionales que tienen fibras dispersas y un contenido de vidrio limitado (por ejemplo, aproximadamente 20 a aproximadamente 30% de vidrio) . Las fibras de refuerzo pueden tener longitudes y diámetros variantes entre sí dentro de la estera de hebras trozadas, y pueden estar presentes en una cantidad desde aproximadamente 60 a aproximadamente 90% en peso del total de fibras. De preferencia, las fibras de refuerzo están presentes en la estera de hebras trozadas en una cantidad de aproximadamente 80 a aproximadamente 90% en peso. En
una modalidad más preferida, las fibras de refuerzo están presentes en una cantidad de aproximadamente 90% en peso. El material de unión puede ser cualquier material termoplástico o termofijo, que tiene un punto de fusión menor que el punto de fusión de las fibras de refuerzo. Ejemplos no limitantes de materiales termoplásticos y termofijos adecuados para utilizar en la estera de hebras trozadas incluyen fibras de poliéster, fibras de polietileno, fibras de polipropileno, fibras de polietilen tereftalato (PET) , fibras de polifenilen sulfuro (PPS) , fibras de cloruro de polivinilo (PVC), fibras de etilen vinil acetato/cloruro de vinilo (EVA/VC) , fibras de polimero de alquilo inferior acrilato, fibras de polimero de acrilonitrilo, fibras de polivinil acetato parcialmente hidrolizadas, fibras de polivinil alcohol, fibras de polivinil pirrolidona, fibras de estireno acrilato, poliolefinas, poliamidas, polisulfuros, policarbonatos, rayón, nylon, resinas fenólicas, y resinas epoxi. El material de unión puede estar presente en la estera de hebras trozadas en una cantidad desde aproximadamente 10 a aproximadamente 40% en peso del total de fibras, y de preferencia de aproximadamente 10 a aproximadamente 20% en peso. En una modalidad
más preferida, el material de unión está presente en la estera de hebras trozadas en la cantidad de aproximadamente 10% en peso. Además, las fibras de unión pueden ser funcionalizadas con grupos acídicos, por ejemplo, por carboxilado con un ácido tal como ácido maleado o un ácido acrilico, o las fibras de unión pueden ser funcionalizadas al agregar un grupo anhídrido o vinil acetato. El material de unión también puede estar en la forma de una escama, un granulo, una resina, o un polvo en vez de en la forma de una fibra polimérica. El material de unió también puede estar en la forma de fibras multicomponentes tales como fibras de polimero bicomponentes, fibras de polimero tricomponente, o fibras de mineral revestido con plástico tales como fibras de vidrio revestidas termo-fraguadas. Las fibras bicomponentes pueden disponerse en un arreglo forro-núcleo, lado-por-lado, islas-en-el-mar, o de pastel segmentado. De preferencia, las fibras bicomponentes se forman en un arreglo de forro-núcleo, en donde el forro se forma de primeras fibras de polimero que circundan substancialmente un núcleo formado de segundas fibras de polímero. No se requiere que las fibras de forro circunden totalmente las fibras de núcleo. Las primeras fibras de polímero tienen un punto de fusión
menor que el punto de fusión de las segundas fibras de polímero, de manera tal que al calentar las fibras bicomponentes a una temperatura sobre el punto de fusión de las primeras fibras de polimero (fibras de forro) y por debajo del punto de fusión de las segundas fibras de polímero (fibras núcleo) , las primeras fibras de polímero se ablandarán o fundirán mientras que . las segundas fibras de polímero permanecen intactas. Este ablandamiento de las primeras fibras de polímero (fibras de forro) provocará que las primeras fibras de polimero se vuelvan pegajosas y unan las primeras fibras de polimero con ellas mismas y otras fibras que puedan estar en proximidad inmediata. La estera de hebras trozadas puede formarse por un proceso de colocación en seco, tal como cualesquiera procesos de colocación en seco convencionales conocidos por aquellos con destreza en la técnica. En modalidades preferidas, las fibras de refuerzo utilizadas para formar la estera de hebras trozadas, son fibras de refuerzo en húmedo que se han secado substancialmente utilizando un horno de secado dieléctrico. Como se emplea aqui, la frase "secado substancialmente" se pretende que indique que las fibras de refuerzo en húmedo están secas o casi secas. En modalidades preferidas, las fibras de
refuerzo en húmedo son fibras de vidrio de hebras trozadas para uso en húmedo ( UCS) . Las fibras de vidrio de hebra trozada para uso en húmedo para utilizar como las fibras de refuerzo, pueden formarse por procesos convencionales conocidos en la técnica. Es conveniente que las fibras de vidrio de hebra trozada para uso en húmedo tengan un contenido de humedad de 5 - 30%. Aún más se prefiere que las fibras de vidrio de hebras trozadas para uso en húmedo tengan un contenido de humedad desde aproximadamente 5 a aproximadamente 15%. El uso de fibras de vidrio de hebras trozadas para uso en húmedo dieléctricamente secas, proporciona una ventaja de costo frente a productos de fibras en mechas con bajo valor tex convencionales (tales como mechas) que se emplean actualmente en procesos de colocación en seco. Por ejemplo, las fibras de vidrio de hebras trozadas para uso en húmedo son menos costosas de fabricar que las fibras en mechas debido a que las fibras en mechas requieren múltiples etapas de fabricación tales como bobinado, secado, carga de fileta o porta-bobinas, desembobinado y trozado para obtener una fibra que pueda utilizarse en procesos de fabricación. El uso de fibras de vidrio de hebras trozadas para uso en húmedo secas dieléctricamente permite que esteras de
hebras trozadas sean fabricadas a menores costos. Además, conforme se seca una mecha, el tamaño de las fibras de vidrio tiende a migrar hacia el exterior del empaque, lo que provoca una distribución uniforme de tamaño a través del empaque de la mecha. El exterior del empaque de mecha típicamente se retira y descarta como desecho. La estera de hebras trozadas de la invención no resulta en migración de tamaño y como resultado reduce la cantidad de desperdicio generado. Un proceso ejemplar para formar la estera de hebras trozadas utilizando fibras de refuerzo secas dieléctricamente, en general se ilustra en la
Figura 2. El proceso mostrado incluye secar dieléctricamente las fibras de refuerzo en húmedo
(10), mezclar las fibras de refuerzo secas y material de unión (20), unir las fibras de refuerzo y material de unión (30) , compactar la estera de hebras trozadas
(40), enfriar la estera de hebras trozadas (50), y bobinar la estera en un rollo continuo (60). La formación y almacenamiento de una estera de hebras trozadas de acuerdo con una modalidad ejemplar de la presente invención se ilustran en la Figura 3. Como se ilustra en la Figura 3, fibras de refuerzo en húmedo 100 se introducen en un horno dieléctrico 110. De preferencia, estas fibras de
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refuerzo en húmedo están presentes en haces. El horno dieléctrico 110 incluye electrodos espaciados que producen campos eléctricos de alta frecuencia alternos entre electrodos de carga opuestas sucesivos. Las fibras de refuerzo en húmedo pasan entre los electrodos y a través de los campos eléctricos, en donde los campos eléctricos de alta frecuencia alterna actúan para excitar las moléculas de agua y elevar su energía molecular a un nivel suficiente para provocar que el agua dentro de las fibras de refuerzo se evapore. La cantidad de activación eléctrica y duración de tiempo dentro del horno dieléctrico 110 se controlan de manera tal que las fibras de refuerzo que dejan el horno dieléctrico 110 estén substancialmente secas y no pegajosas. La duración del tiempo de secado puede ser controlada a través de una realimentación de bucle cerrado de la toma de energia que el horno dieléctrico 110 experimenta para determinar cuando las fibras de refuerzo están substancialmente secas. En modalidades ejemplares, más de aproximadamente 70% del agua libre (agua que es externa a las fibras de refuerzo) se retira. De preferencia, sin embargo, substancialmente toda el agua se retira por el horno dieléctrico 110. Habrá de notarse que la frase "substancialmente toda el
agua" como se emplea aqui, se entiende que denote que toda o casi toda el agua libre se retire. El horno dieléctrico 110 permite que las fibras de refuerzo en húmedo 100 se sequen rápidamente a una baja temperatura de fibras neta. La temperatura de fibras neta depende de la química del revestimiento de apresto de las fibras de vidrio, que a su vez depende de la aplicación pretendida. Por lo tanto, el horno dieléctrico 110 proporciona un método económico para retirar agua de las fibras de refuerzo en húmedo 100. Además, el secado dieléctrico de los haces de fibras de refuerzo en húmedo mejora la cohesión de fibras-a-fibras y reduce la adhesión de haz-a-haz. La energía dieléctrica penetra los haces húmedos de fibras trozadas uniformemente y provoca que el agua se evapore rápidamente, ayudando a mantener los haces de vidrio húmedos separados entre sí. Además, el secado dieléctrico del apresto en las fibras trozadas también ayuda en formar filamentos de los haces en la estera de hebras trozadas durante etapas de procesamiento subsecuentes (tales como moldear la estera de hebras trozadas) para formar un producto terminado, estéticamente agradable. El secado dieléctrico cura ligeramente el apresto, de manera tal que pueda ocurrir una formación de filamento
uniforme . Al retirar el agua de las fibras de refuerzo en húmedo a menores temperaturas, pueden reducirse las reacciones químicas de la química superficial (por ejemplo, apresto) . Composiciones de apresto pueden contener una variedad de componentes, dependiendo de la aplicación de las fibras. Como un ejemplo, un agente formador de película epoxi puede utilizarse en el apresto aplicado a las fibras de vidrio a fin de proporcionar compatibilidad con los sistemas de resina epoxi. En procesos de colocación en seco convencionales, todo o casi todo de los grupos funcionales epoxi dentro de los agentes formadores de película en la composición de apresto se reaccionan debido al prolongado tiempo de secado y a las altas temperaturas típicas de los procesos de secado térmico convencionales. Sin embargo, por secado dieléctrico del apresto en fibras de vidrio a menor temperatura y por un periodo de tiempo más corto, los grupos funcionales epoxi activos permanecen incrustados en el apresto en el vidrio. Además, la menor temperatura del horno dieléctrico y el más corto tiempo de secado requeridos para secar el apresto, reducen la decoloración de vidrio que comúnmente resulta del uso de equipo para proceso de secado térmico.
El horno dieléctrico 110 permite que las fibras de refuerzo en húmedo 100 se sequen sin método activo de agitación de fibras como se requiere convencionalmente para retirar humedad de las fibras húmedas. Esta falta de agitación reduce o elimina la atrición o abrasión de fibras, como se ve comúnmente en hornos de secado de bandejas y lecho fluidizado convencionales, debido a las altas velocidades de flujo de aire dentro de los hornos y el movimiento mecánico de material fibroso en los lechos. Además, la falta de . agitación aumenta enormemente la capacidad del horno dieléctrico 110 para mantener las fibras en los haces y no formar filamentos de las hebras de fibras como en los procesos térmicos convencionales agresivos. Una vez que las fibras de refuerzo secas (tales como fibras WUCS secas) dejan el horno dieléctrico 110, se alimentan por un primer sistema de transferencia de fibras 120 a una campana de formación 300. Como se emplea aqui, el término "fibras de refuerzo secas", se pretende que denote fibras de refuerzo que tienen toda el agua libre retirada o casi toda el agua libre retirada. El primer sistema de transferencia de fibras 120 puede ser cualquier tipo de dispositivo de surtido o alimentación de pérdida-en-peso o peso continuo, que
alimenta las fibras secas (no mostradas) en la campana de formación 300 a una velocidad controlada. El material de unión 200, típicamente presente en la forma de una paca de fibras, se alimenta en un sistema de abertura 210 para cuando menos parcialmente abrir y/o formar filamentos (individualizar) las fibras de unión 200. El sistema de abertura 210 de preferencia es un abridor de pacas, pero puede ser cualquier tipo de dispositivo abridor adecuado para abrir las pacas de las fibras de unión 200. El diseño de los abridores depende del tipo y características físicas de las fibras que se abren. Abridores convenientes para utilizar en la presente invención incluyen cualesquiera abridores de paca de tipo estándar convencionales con o sin un dispositivo de pesado o de báscula. El dispositivo de báscula sirve para pesar continuamente las fibras parcialmente abiertas conforme se pasan a través del abridor de pacas, para supervisar la cantidad de fibras que se pasan a la siguiente etapa de procesamiento. Las fibras de unión 200 que salen del sistema de abertura 210 después se alimentan al segundo sistema de transferencia de fibras 220 que alimenta las fibras de unión 200 a la campana de formación 300. El sistema de transferencia de fibras 120 puede operar en forma subordinada al sistema de
transferencia de fibras 220, para suministrar una proporción igualada de material de unión con fibras de refuerzo. En modalidades alternas en donde las fibras de unión están en la forma de escamas, granulos o polvos, el sistema de abertura 210 y el segundo sistema de transferencia de fibras 220 pueden ser reemplazados con un aparato adecuado para distribuir las escamas, polvos o granulos a la campana de formación 300, de manera tal que estos materiales resinosos puedan mezclarse con las fibras de refuerzo secas (no mostrado) en la campana de formación 300.
Un aparato de distribución conveniente sería identificado fácilmente por aquellos con destreza en la técnica. Los haces de fibras de refuerzo secas y las fibras de unión 200 se mezclan en conjunto dentro de la campana de formación 300. Una modalidad ejemplar de una campana de formación 300, se ilustra en la Figura 4. En modalidades preferidas, las fibras se mezclan en una corriente de aire con alta velocidad generada dentro de la campana de formación 300 tal como por un ventilador (por ejemplo, un ventilador con admisión forzada) . Es conveniente el distribuir los haces de fibras de refuerzo secas y fibras de unión 200 lo más uniformemente posible dentro de la
corriente de aire. La proporción de fibras de refuerzo secas y fibras de unión 200 que entran a la campana de formación 300 puede ser controlada por la velocidad de alimentación en peso en la cual se pasan las fibras a través del primer y segundo sistemas de transferencias de fibras 120, 220. Por ejemplo, el control de fibras a través del primer y segundo sistemas de transferencia de fibras 120, 200 puede lograrse a través de alimentadores vibratorios de pérdida-en-peso tal como una bandeja vibratoria o banda con báscula. En la modalidad ejemplar ilustrada en la Figura 4, los sistemas de transferencia de fibras 120, 220 son combinaciones de una unidad surtidora 125, 225 y un alimentador vibratorio 130, 230, respectivamente. La proporción de fibras de refuerzo secas a fibras de unión 200 presentes en la corriente de aire, de preferencia es 90:10 a 60:40, fibras de refuerzo secas a material de unión 200 respectivamente. La mezcla de fibras de refuerzo secas y las fibras de unión 200 se retira por debajo dentro de la campana de formación 300 y hacia un aparato de transporte en movimiento 310 con el auxilio de un sistema de succión de aire o vacio 320 para formar una hoja de haces de fibras de refuerzo secas y material de unión aleatorios pero substancialmente
distribuidos en forma homogénea, 200. El aparato de transporte 310 puede ser cualquier transportador conveniente identificado por una persona con destreza en la técnica (por ejemplo, por un transportador foraminoso) . La hoja puede entonces pasarse a través de un sistema de unión térmico 400 para unir los haces secos de fibras de refuerzo y fibras de unión 200. En la unión térmica, las propiedades termo plásticas de las fibras de unión 200 se utilizan para formar enlaces o uniones con las fibras de refuerzo secas al calentar. La hoja contiene una distribución substancialmente uniforme de fibras de refuerzo secas y fibras de unión 210 en una proporción y distribución de peso deseadas. La distribución substancialmente uniforme o uniforme de fibras proporciona resistencia mejorada así como mejoradas propiedades acústicas y térmicas a la estera de hebras trozadas 450. Como se emplea aquí, las frases "distribución de fibras substancialmente uniforme" y "fibras distribuidas de manera substancialmente uniforme" se pretende que denoten que las fibras se distribuyen de manera uniforme o parejas o casi uniformemente o se distribuyen uniformemente. En el sistema de unión térmica 400, la hoja se calienta a una temperatura que está sobre el punto de fusión del material de unión 200 pero por debajo
del punto de fusión de las fibras de refuerzo secas. Cuando se utilizan fibras bicomponentes como las fibras de refuerzo 200, la temperatura en el sistema de unión térmica 400, se eleva a una temperatura que está sobre el punto de /fusión de las fibras de forro o de cubierta, pero por debajo del punto de fusión de las fibras de refuerzo. El calentar las fibras de unión 200 a una temperatura sobre su punto de fusión, o sobre el punto de fusión de las fibras de cubierta o de revestimiento en el caso en donde las fibras de unión 200 son fibras bicomponentes, provoca que las fibras de unión 200 (o fibras de cubierta) se vuelvan adhesivas y unan las fibras de unión 200 y haces secos de fibras de refuerzo. Si las fibras de unión 200 se funden por completo, las fibras fundidas pueden encapsular haces secos de fibras de refuerzo. Siempre que la temperatura dentro del sistema de unión térmica 400 no se eleva tan alto como el punto de fusión de las fibras de refuerzo y/o fibras núcleo, estas fibras permanecerán en una forma fibrosa dentro del sistema de unión térmica 400 y la estera de hebras trozadas 450. El sistema de unión térmico 400 puede incluir cualquier método de calentamiento y unión conocido en la técnica, tal como unión en horno, calentamiento con infrarrojo, calandrado en caliente,
calandrado de banda, unión ultrasónica, calentamiento de micro ondas y tambores calentados. Opcionalmente, dos o más de estos métodos de unión pueden emplearse en combinación para unir las fibras en la hoja. La temperatura del sistema de unión térmica 400 varia dependiendo del punto de fusión de las fibras de unión 200 utilizadas y si o no hay presentes fibras bicomponentes en la hoja. Sin embargo, la temperatura dentro del sistema de unión térmica puede ser aproximadamente 200 a aproximadamente 350 grados C. La estera de hebras trozadas 450 que emerge del sistema de unión térmica 400 contiene una distribución uniforme o casi uniforme de fibras de unión 200 y haces de fibras de refuerzo secas. La estera de hebras trozadas 450 puede pasarse a través de un sistema de compactación 500 en donde la estera se compacta de preferencia a un espesor de aproximadamente 0.158 a aproximadamente 1.27 cm (aproximadamente 1/16 a aproximadamente 1/2 in) . El sistema de compactación puede ser una serie de rodillos o un conjunto de rodillos de compactación sencillo. Los rodillos de compactación pueden incluir un conjunto de rodillos revestidos con cromo incluyendo un sistema de control de separación con agua fría que circula a través de los rodillos para
mantener la superficie a una temperatura en el intervalo desde aproximadamente 10 a aproximadamente 21.1 grados C (aproximadamente 50 a aproximadamente 70 grados F) . La estera de hebras trozadas 450 también puede pasarse a través de un sistema de enfriamiento 600. El sistema de enfriamiento puede incluir un transportador y un impulsor, tal como un motor, para desplazar el transportador. Un aparato soplador (no ilustrado) puede ubicarse por debajo del transportador para generar succión y extraer aire a través de la estera de hebras trozadas 450, por ejemplo de la parte superior al fondo. El aire de preferencia se dirige a temperatura ambiente y se utiliza para desplazar la temperatura de la estera de hebras trozadas 450 a la temperatura ambiente. En forma alterna, el aire puede dirigirse a través de una bobina de enfriamiento (no ilustrada) para reducir la temperatura del aire e incrementar el efecto de enfriamiento en la estera de hebras trozadas 450. La estera de hebras trozadas 450 puede entonces bobinarse por un aparato de bobinado 700 en un rollo continuo (no mostrado) para almacenamiento, para uso posterior. Cualquier aparato de bobinado convencional es adecuado para utilizar en la presente invención. La estera de hebras trozadas 450, así
como la estera de polímero-vidrio descrita a continuación, pueden utilizarse en una cantidad de aplicaciones acústicas no estructurales tales como en aparatos, pantallas y separaciones de oficina, en placas para techo, en paneles de construcción y en aplicaciones semi-estructurales tales como por ejemplo techos interiores o tapizados de techo, forros de campana, forros de piso, paneles de acabado decorativo, estantes de o bandejas porta objetos, parasoles, estructuras de paneles de instrumentos, interiores de puertas o paneles de pared o paneles de techo de vehículos recreativos. En una modalidad alterna (no mostrada) , fibras de refuerzo húmedas que se han secado dieléctricamente como se describió con anterioridad se depositan en la campana de formación 300, tal como por el primer sistema de transferencia de fibras 120 y suspendidos por la corriente de aire con alta velocidad generada dentro de la campana de formación 300. De preferencia, las fibras de refuerzo en húmedo se forman como haces con un valor tex de haz de 10 a 500. Los haces de fibras de refuerzo en húmedo 200 pueden pasarse a través de un horno dieléctrico 110 u otro aparato que genere campos eléctricos y seque las fibras húmedas. Los haces secos de fibras de refuerzo húmedas pueden entonces transferirse a la
campana de formación 300. Una primera estera de polimero (no ilustrada) puede colocarse en el aparato de transporte 310 e introducirse en la campana de formación 300 a la entrada 350 (ilustrada en la Figura 4). La primera estera de polimero puede ser una estera de fibras de polimero orientadas aleatoriamente. Fibras de polímero convenientes incluyen, pero no están limitadas a, fibras de poliéster, fibras de polietileno, fibras de polipropileno, fibras de polietilen tereftalato (PET), fibras de polifenilen sulfuro (PPS), fibras de cloruro polivinilo (PVC), fibras de etilen vinil acetato/cloruro de vinilo (EVA/VC) , fibras de polimero de alquil acrilato, fibras de polímero de acrilonitrilo, fibras de polivinil acetato parcialmente hidrolizadas, fibras de polivinil alcohol, fibras de polivinil pirrolidona, fibras de estiren acrilato, poliolefinas, poliamidas, polusulfuros, policarbonatos, rayón, nylon, resinas fenólicas y resina epoxi. Los haces secos de fibras de refuerzo húmedas se dirigen hacia abajo y depositan en la primera estera de polimero con el auxilio de un vacío u otro tipo de aparato de succión. El resultado es una estera de polímero que tiene una distribución substancialmente uniforme de haces secos de fibras de
refuerzo húmedas. La estera de polímero/vidrio puede entonces pasarse a través del sistema de unión térmico 400 para unir los haces secos de fibras de refuerzo y el material de polímero formando la primera estera de polímero. La temperatura dentro del sistema de unión térmica 400 es variable y depende de el o los componentes de polímero que forman la estera de polímero. La temperatura es una temperatura que es lo suficientemente alta para cuando menos fundir parcialmente el o los materiales de polimero en la estera de polimero y unir las fibras de refuerzo en húmedo secas y material de polímero, para formar una estera de polímero/vidrio.
La estera de polimero/vidrio puede ser entonces compactada, enfriada y enrollada como se describió anteriormente . Una segunda estera de polímero (no mostrada) puede ubicarse en la capa de haces secos de fibras de refuerzo en húmedo tal que los haces secos de fibras de refuerzo se emparedan entre la primera y segunda esteras de polímero. La primera y segunda esteras de polímero puede formarse de los mismos polimeros o pueden formarse de polimeros diferentes dependiendo de la aplicación deseada. La segunda estera de polimero puede fijarse a las fibras de refuerzo por la unión térmica como se describió
anteriormente . Habiendo descrito en general esta invención, puede obtenerse una comprensión adicional por referencia a ciertos ejemplos específicos ilustrados a continuación, que se proporcionan para propósito de ilustración solamente y no se pretende que sean todos incluyentes o limitantes, a menos de que se especifique de otra forma. Ejemplos Ejemplo 1 - Integridad de Haz Una composición de apresto de acuerdo con la Tabla 1 se mezcla y aplica a un rodillo aplicador cilindrico a fibras de 13 µ m a un rendimiento de buje de vidrio de 31.75 kg (70 lb) por hora con una placa de puntas de 2052 puntas. Tabla 1
(a) PD-166 es una emulsión de polivinil acetato de HB Fuller. (b) A-1100 es un aminosilano disponible de General Electric Silicones División. (c) PVP K-90 es una solución de polivinilpirrolidona de International Specialty Products . (d) Emery 6760 L es un lubricante de polietilenimina-ácido graso de Cognis. La hebra de vidrio se dividió en 16 secciones para dar un valor tex de hebra de aproximadamente 40 tex. La hebra se trozó con un trozador CB 73 en tramos de 3.175 cm (1-1/4 in) y depositó en una tina de plástico. Las hebras trozadas después se secan en un horno PSC stray field RF (dieléctrico) de un contenido de humedad de aproximadamente 15% a un contenido de humedad aproximadamente de 0% en aproximadamente 13.71 kg (30 lb)/hr. La masa de haces resultante se dividió
fácilmente (desfragmentó) en haces individuales de fibras. El contenido de humedad se determinó que es menos de 0.5% en peso. Los haces individuales se caracterizaron porque exhiben excelente rigidez de haz . Aproximadamente 300 g de los haces después se transfirieron a mano en un "Preformador" (una caja circunscrita con una corriente descendente de aire grande utilizada para producir esteras de vidrio denominadas preformas) . Esta cantidad fue suficiente para dar una densidad en área de aproximadamente 0.0305 g/cc (aproximadamente 1 oz/ft2) . Aglutinante de estera E-240-8 (un aglutinante de poliéster termo- fijo molido-pulverizado con catalizador peróxido de benzoilo disponible de AOC) se espolvoreó a mano sobre la estera. La estera se transfirió a un horno de aire forzado de 232.2 grados C (450 grados F) durante 10 minutos. La estera se retiró y enfrió. La estera se determinó que exhibe excelente integridad y resistencia de haz. Ejemplo 2- Secado Dieléctrico y Esteras Colocadas al Aire Una composición de apresto de acuerdo con la Tabla 2 se mezcla y aplica con un rodillo aplicador cilindrico a fibras de 16 µm a un rendimiento de buje de vidrio de 31.75 kg (70 libras)
or hora con una placa de puntas de 2052 puntas Tabla 2.
(a) HP3-02 es una dispersión de poliuretano en agua de Hydrosize, Inc. (b) A-1100 es un aminosilano disponible de General Electric Silicones División. (c) K-12 es un lubricante de polietilnimina ácido graso disponible de AOC. Las hebras de vidrio divididas en 16 secciones para dar un valor tex de hebra de aproximadamente 70 tex. Las hebras se trozaron con un trozador CB 73 en tramos de 3.175 cm (1-1/4 in) .
Las fibras trozadas se depositaron en una tina de plástico y secaron en un horno PSC stray field RF (dieléctrico) desde un contenido de humedad de aproximadamente 15% a un contenido aproximado de humedad de 0% a aproximadamente 13.61 kg (30 lb)/hr. La masa de haz resultante se descompuso fácilmente en haces individuales. El contenido de humedad se determinó que es menos de 0.5% en peso. Los haces se colocaron en bolsas de plástico. Las bolsas después se invirtieron para determinar qué también los haces de fibras se dispersaban entre si y qué también los haces fluían entre sí. Una inspección visual determinó que los haces individuales fluyeron muy fácilmente y se dispersaron bien. Aproximadamente 300 g de los hace se transfirieron a mano en un "Preformador" (una caja circunscrita con una corriente grande descendente de aire utilizada para producir esteras de vidrio denominadas preformas). Esta cantidad fue suficiente para dar una densidad de área de aproximadamente 0.0305 g/cc (1 onza por pie cuadrado) . El aglutinante de estera E-240-8 (un aglutinante poliéster termo fraguado molido-pulverizado con catalizador peróxido de benzoilo disponible de AOC) se espolvoreó a mano sobre la estera. La estera se transfirió a un horno de aire forzado a 232.2 grados C (450 grados F) por
minutos. La estera se retiró y enfrió. La estera de hebras trozadas exhibió excelentes integridad y resistencia de haz. La invención de esta solicitud se ha descrito anteriormente tanto en forma genérica como con respecto a modalidades especificas. Aunque la invención se ha establecido en lo que se consideran las modalidades preferidas, una amplia variedad de alternativas conocidas por aquellos con destreza en la técnica puede seleccionarse dentro de la descripción genérica. La invención de otra forma no se limitará, excepto por las reivindicaciones que se establecen a continuación.