ITRM970275A1

ITRM970275A1 - PROCEDURE FOR THE PRODUCTION OF COMPOSITE MATERIALS WITH POLYMER MATRIX, AND PRODUCTS SO OBTAINED

Info

Publication number: ITRM970275A1
Application number: IT000275A
Authority: IT
Inventors: Claudio Cremaschi; Gianni Romeo; Mario Sarasso
Original assignee: Sist Compositi S P A
Priority date: 1997-05-09
Filing date: 1997-05-09
Publication date: 1998-11-09
Also published as: IT1290618B1; ITRM970275A0

Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

a corredo di una domanda di brevetto per invenzione avente per titolo: “Procedimento per la produzione di materiali compositi con matrice polimerica, e prodotti così ottenuti’’ accompanying a patent application for an invention entitled: "Process for the production of composite materials with polymeric matrix, and products thus obtained ''

La presente invenzione riguarda Un procedimento per la produzione di materiali compositi con matrice polimerica. The present invention relates to a process for the production of composite materials with a polymeric matrix.

L'invenzione riguarda inoltre i prodotti e/o manufatti ottenuti con detto procedimento. The invention also relates to the products and / or manufactured articles obtained with said process.

Più in particolare l’invenzione riguarda un procedimento del tipo detto in cui i materiali compositi con matrice polimerica termoplastica sono ottenuti per accoppiamento su stampo della matrice stessa con il rinforzo in fibre. More specifically, the invention relates to a process of the aforementioned type in which the composite materials with thermoplastic polymer matrix are obtained by coupling the matrix itself with the fiber reinforcement on the mold.

Come è ben noto, un materiale composito è ottenuto per mescolamento, sia naturale che artificiale, di due generici e diversi materiali. As is well known, a composite material is obtained by mixing, both natural and artificial, of two generic and different materials.

Comunemente si intende per materiale composito un materiale in cui è possibile identificare almeno tre fasi: la matrice, il rinforzo (generalmente in fibre) ed una interfaccia (chimico-fisica e/o meccanica) tra matrice e rinforzo. Composite material is commonly understood to mean a material in which it is possible to identify at least three phases: the matrix, the reinforcement (generally in fibers) and an interface (chemical-physical and / or mechanical) between the matrix and the reinforcement.

E' altresì noto come l’utilizzo di materiali compositi sia ricercato qualora si desiderino per un dato manufatto requisiti prestazionali (in termini di combinazione di proprietà fisiche e/o meccàniche) non ottenibili con un singolo materiale. It is also known that the use of composite materials is sought when performance requirements are desired for a given product (in terms of the combination of physical and / or mechanical properties) that cannot be obtained with a single material.

Nella tecnica nota, il rinforzo è generalmente costituito dà fibre, in quanto sono generalmente più resistenti dei materiali polimerici e quindi esse normalmente aumentano la resistenza di qualsiasi matrice in cui esse sono incluse. In the known art, the reinforcement is generally constituted by fibers, since they are generally more resistant than polymeric materials and therefore they normally increase the strength of any matrix in which they are included.

Con riferimento ai materiali compositi con matrice polimerica oggetto della presente invenzione, si distinguono i casi in cui le fibre sono corte, lunghe o continue, secondo le definizioni comunemente utilizzate nella letteratura scientifica. With reference to the composite materials with polymeric matrix object of the present invention, we distinguish the cases in which the fibers are short, long or continuous, according to the definitions commonly used in the scientific literature.

Per quanto riguarda i materiali compositi con matrice termoplastica, la tecnologia di trasformazione per manufatti a fibra continua prevede attualmente l'utilizzazione di semilavorati, quali preimpregnati o lastre. As regards composite materials with thermoplastic matrix, the transformation technology for continuous fiber products currently involves the use of semi-finished products, such as prepregs or sheets.

Nelle lastre il materiale di rinforzo si presenta generalmente sotto forma di tessuto non tessuto, mentre nei pre impregnati si presenta sotto forma di tessuto. In the sheets the reinforcement material is generally in the form of non-woven fabric, while in the pre-impregnated it is in the form of fabric.

In ogni caso detti semilavorati devono essere opportunamente processati per l'ottenimento del manufatto. In any case, said semi-finished products must be suitably processed to obtain the product.

Molto più diffusi sono i materiali compositi con matrice polimerica termoplastica in cui il rinforzo è costituito da fibre corte o da fibre lunghe. Much more common are composite materials with thermoplastic polymer matrix in which the reinforcement consists of short fibers or long fibers.

In tal caso il materiale di partenza utilizzato è fornito sotto forma di granuli contenenti il rinforzo in fibre, principalmente fibre di vetro. Detti granuli sono dapprima plastificati e successivamente la massa fusa è trasferita in stampo, ad esempio per iniezione. In this case the starting material used is supplied in the form of granules containing the fiber reinforcement, mainly glass fibers. These granules are first plasticized and subsequently the melted mass is transferred into the mold, for example by injection.

In alternativa, si può aggiungere alla materia plastica il rinforzo in fibre durante la fase di plastificazione. Alternatively, fiber reinforcement can be added to the plastic material during the plastification step.

Tutte le soluzioni attualmente note consentono di ottenere prodotti aventi ottime caratteristiche. Tuttavia, non è possibile icon le soluzioni di cui sopra ottenere prodotti che siano caratterizzati tra l'altro da una flessibilità non troppo elevata, da una elevata resistenza agli urti, da una elevata resistenza alla trazione e da una buona finitura esterna. All currently known solutions allow to obtain products having excellent characteristics. However, it is not possible with the above solutions to obtain products which are characterized, among other things, by a not too high flexibility, a high impact resistance, a high tensile strength and a good external finish.

Un altro scopo della presente invenzione è.quello di fornire un procedimento che consenta di ottenere prodotti con costi produttivi estremamente competitivi. Another object of the present invention is to provide a process which allows to obtain products with extremely competitive production costs.

Prodotti aventi tali caratteristiche potrebbero essere vantaggiosamente impiegati, tra l’altro, per la realizzazione di parti di autoveicoli in genere. Products with these characteristics could be advantageously used, among other things, for the production of parts of motor vehicles in general.

Pertanto, scopo specifico della presente invenzione è quello di fornire un procedimento per la produzione di materiali compositi aventi caratteristiche perfezionate rispetto a quelli attualmente disponibili sul mercato. Therefore, the specific purpose of the present invention is to provide a process for the production of composite materials having improved characteristics with respect to those currently available on the market.

Nel seguito della descrizione del processo oggetto della presente invenzione, il rinforzo in fibre, che sono generalmente, ma non esclusivamente, continue, può essere meglio specificato, solo a titolo illustrativo ma non limitativo, impiegando i seguenti termini: - reti: tessuto con maglia di data forma e dimensione geometrica, in cui lo spessore del tessuto è trascurabile rispetto alle dimensioni lineari della maglia; In the following of the description of the process object of the present invention, the reinforcement in fibers, which are generally, but not exclusively, continuous, can be better specified, only for illustrative but not limitative purposes, using the following terms: - nets: knitted fabric of a given shape and geometric size, in which the thickness of the fabric is negligible compared to the linear dimensions of the mesh;

- reti mat: tessuti non tessuti in cui non è distinguibile una maglia con dimensioni e forma regolari e costanti ed in cui il valore dello spessore è trascurabile rispetto alle altre due dimensioni lineari della cosiddetta ed ipotetica maglia media; - mat nets: non-woven fabrics in which a mesh with regular and constant size and shape cannot be distinguished and in which the thickness value is negligible compared to the other two linear dimensions of the so-called and hypothetical medium mesh;

- reti tridimensionali: in cui il valore dello spessore del tessuto è confrontabile con le dimensioni lineari della maglia; - three-dimensional nets: in which the value of the thickness of the fabric is comparable with the linear dimensions of the mesh;

- reti tridimensionali mat: tessuti non tessuti tridimensionali. Inoltre, il termine “tessuto” non deve essere considerato limitativo con riferimento al processo di realizzazione (tessitura) di detto manufatto da utilizzare quale rinforzo. - three-dimensional mat nets: three-dimensional non-woven fabrics. Furthermore, the term "fabric" must not be considered as limiting with reference to the manufacturing process (weaving) of said product to be used as reinforcement.

Forma pertanto oggetto specifico della presente invenzione, un procedimento per la produzione di materiali compositi con matrice polimerica comprendente l’introduzione in uno stampo di un elemento di rinforzo a rete e/o tessuto piano o tridimensionale e il successivo trasferimento nello stampo di materiale polimerico termoplastico allo stato fuso, così da ottenere l’accoppiamento rinforzo-matrice polimerica termoplastica in stampo. Therefore, the specific object of the present invention is a process for the production of composite materials with polymeric matrix comprising the introduction into a mold of a mesh and / or flat or three-dimensional fabric reinforcement element and the subsequent transfer of thermoplastic polymeric material into the mold. in the molten state, so as to obtain the reinforcement-thermoplastic polymer matrix coupling in the mold.

Secondo l’invenzione, detto stampo può essere chiuso, semichiuso o aperto. According to the invention, said mold can be closed, semi-closed or open.

Sempre secondo l’invenzione, nei primi due casi il trasferimento della massa fusa avverrà per iniezione. Qualora si operi a stampo aperto il trasferimento della massa può avvenire manualmente o con un processo automatizzato. Still according to the invention, in the first two cases the transfer of the melted mass will take place by injection. If the mold is open, the transfer of the mass can take place manually or with an automated process.

Con riferimento alle reti tridimensionali (mal e non) lo spessore del tessuto può essere inferiore, eguale o superiore allo spessore del manufatto in materiale composito. With reference to three-dimensional nets (badly and otherwise), the thickness of the fabric can be less than, equal to or greater than the thickness of the manufactured article in composite material.

Ovviamente, nel caso in cui lo spessore del tessuto sia superiore alle dimensioni del manufatto, il tessuto stesso deve risultare comprimibile, anche in maniera elastica, per azione di pressioni inferiori o al più eguali a quelle esercitate per la chiusura dello stampo, il che è facilmente verificabile per spessori del filo dell’ordine di quelli utilizzati nella realizzazione dei tessuti e/o di reti. Obviously, in the event that the thickness of the fabric is greater than the dimensions of the product, the fabric itself must be compressible, even in an elastic way, by the action of pressures lower than or at the most equal to those exerted to close the mold, which is easily verifiable for yarn thicknesses of the order of those used in the production of fabrics and / or nets.

Le summenzionate reti possono fungere non solo come rinforzo ma anche o alternativamente quali supporto per altri rinforzi, cóme ad esempio fibre corte preventivamente spruzzate o fibre lunghe preventivamente intrecciate sulla rete stessa, o per additivi precedentemente applicati sulla rete stessa, per esempio per spruzzatura. The aforementioned nets can act not only as a reinforcement but also or alternatively as a support for other reinforcements, such as for example short fibers previously sprayed or long fibers previously woven onto the net itself, or for additives previously applied to the net itself, for example by spraying.

Il materiale costituente le reti di cui sopra può essere organico o inorganico, naturale o di sintesi. The material constituting the aforementioned networks can be organic or inorganic, natural or synthetic.

Con riferimento alle reti tridimensionali, per talune applicazioni possono essere utilizzate reti in cui sia differente la natura del materiale costituente le reti in piani tra essi ortogonali. With reference to three-dimensional networks, for some applications it is possible to use networks in which the nature of the material constituting the networks is different in planes orthogonal to each other.

Ovviamente, le proprietà della rete da utilizzare nel procedimento secondo l’invenzione sono funzione della prestazione richiesta per il manufatto in condizioni di esercizio. Obviously, the properties of the network to be used in the process according to the invention are a function of the performance required for the product under operating conditions.

Nella predisposizione del procedimento secondo la presente invenzione è’ necessario avere particolare precauzione affinché venga creata una interfaccia tra matrice e rete. In preparing the process according to the present invention, it is necessary to take particular precautions so that an interface between the matrix and the network is created.

Allo scopo la matrice e/o la rete possono essere "attivati" con opportuni agenti di pontaggio. For this purpose, the matrix and / or the network can be "activated" with suitable mounting agents.

La solidificazione dei materiali termoplastici durante lo stampaggio ed il conseguente ritiro possono essere sfruttati per ottenere una migliore interfaccia meccanica, in modo particolare qualora la rete di rinforzo sia costituita, per esempio, da fili ottenuti per estrusione, per applicazione di intagli sui fili stessi e/o per opportuna forma di detti fili (per esempio elicoidale). The solidification of the thermoplastic materials during molding and the consequent shrinkage can be exploited to obtain a better mechanical interface, in particular if the reinforcing mesh is constituted, for example, by wires obtained by extrusion, by applying notches on the wires themselves and / or due to a suitable shape of said wires (for example helical).

Qualora si utilizzino delle reti piane, allo scopo di facilitare l’interpenetrazione rete-matrice, è consigliabile una opportuna progettazione dello stampo e quindi del componente, per esempio con degli avvallamenti e/o variazione locali di spessore. If flat networks are used, in order to facilitate the network-matrix interpenetration, it is advisable to design the mold and therefore the component, for example with local depressions and / or thickness variations.

Sempre allo stesso scopo, possono essere realizzati sullo stampo, basandosi sullo stesso principio di funzionamento degli estrattori, dei punzoni la cui superficie sia parte della figura dello stampo e che possa essere traslata lungo la direzione di chiusura dello stampo anche indipendentemente dal resto della figura stessa. Always for the same purpose, punches whose surface is part of the mold figure and which can be translated along the closing direction of the mold even independently of the rest of the figure can be made on the mold, based on the same operating principle as the extractors. .

Nel procedimento secondo l’invenzione, alcuni dei parametri che regolano, anche in maniera congiunta, la fattibilità del manufatto e le relative proprietà sono: In the process according to the invention, some of the parameters that regulate, even jointly, the feasibility of the product and its properties are:

- gli indici di fluidità della massa fusa; - the melt fluidity indices;

- la bagnabilità fibra-matrice; - fiber-matrix wettability;

- il diametro del filo costituente la rete; - the diameter of the wire making up the network;

- lo spessore della rete; - the thickness of the net;

- la massa areica della rete; - the air mass of the network;

- il rapporto massa areica della rete-spessore della rete stessa; - la flessibilità delia rete. - the area mass ratio of the net to the thickness of the net itself; - the flexibility of the network.

Come già indicato , la realizzazione di materiali compositi con matrice termoplastica mediante il procedimento secondo la presente invenzione consente di conseguire come principale vantaggio quello economico, riconducibile al costo del materiale da processare. As already indicated, the production of composite materials with a thermoplastic matrix by means of the process according to the present invention allows to achieve, as the main advantage, the economic one, attributable to the cost of the material to be processed.

Per quanto riguarda le prestazioni del manufatto da realizzare, si riscontrano le seguenti differenze, rispetto ai manufatti ottenuti in maniera tradizionale: As regards the performance of the product to be built, the following differences are found, compared to the products obtained in the traditional way:

- maggiori coesione tra lamine del materiale per utilizzo di reti tridimensionali (nell’accezione in cui la teoria della laminazione sui materiali compositi utilizza tale terminologia); - greater cohesion between the sheets of the material for the use of three-dimensional networks (in the sense in which the theory of lamination on composite materials uses this terminology);

- migliore orientamento tridimensionale delle fibre nel caso di utilizzo di reti tridimensionali; - better three-dimensional orientation of the fibers in the case of using three-dimensional networks;

- migliore orientamento nel piano delle fibre specie nei confronti dei compositi ottenuti da lastre e da granuli. - better orientation of the fibers in the plane, especially with respect to composites obtained from slabs and granules.

In vista di quanto sopra, il procedimento secondo la presente invenzione, può essere conveniente anche per materiali compositi a matrice polimerica termoindurente qualora la prestazione del manufatto sia funzione anche della quantità di energia assorbita per delaminazione come, per esempio, nei manufatti di protezione balistica. In view of the above, the process according to the present invention can also be convenient for composite materials with a thermosetting polymer matrix if the performance of the product is also a function of the amount of energy absorbed by delamination as, for example, in ballistic protection products.

La presente invenzione è stata descritta a titolo illustrativo, ma non limitativo, secondo sue forme preferite di realizzazione, ma iè da intendersi che variazioni e/o modifiche potranno essere apportate idagli esperti nel ramo senza per questo uscire dal relativo ambito di protezione, come definito dalle rivendicazioni allegate. The present invention has been described for illustrative but not limitative purposes, according to its preferred embodiments, but it is to be understood that variations and / or modifications may be made by those skilled in the art without thereby departing from the relative scope of protection, as defined from the attached claims.

Claims

CLAIMS 1. Process for the production of composite materials, characterized by providing for the introduction into a mold of a mesh and / or flat or three-dimensional fabric reinforcement element and the subsequent transfer into the mold of thermoplastic polymeric material in the molten state, thus to obtain the thermoplastic polymer reinforcement matrix coupling in the mold.

2. Process according to claim 1, characterized in that three-dimensional nets are used as the reinforcing element:

3. Process according to one of the preceding claims, characterized in that the mold is open after the arrangement of the reinforcing element and during the transfer of the molten mass.

Method according to one of the preceding claims 1 to 2, characterized in that the mold is closed after the arrangement of the reinforcing element and during the transfer of the melt.

5. Process according to one of the preceding claims 1- 2, characterized in that the mold after the arrangement of the reinforcing element and during the transfer of the molten mass is semi-closed.

Method according to claim 3, characterized in that the transfer of the melt takes place automatically.

7. Process according to claim 3, characterized in that the transfer of the melt takes place manually.

8. Process according to claim 4 or 5, characterized in that the transfer of the melt takes place by injection.

9. Process according to one of the preceding claims, characterized in that said reinforcing element is made of organic or inorganic material.

10. Process according to one of the preceding claims, characterized in that the material of said reinforcing element is obtained artificially or not artificially.

11. Process according to one of the preceding claims, characterized in that said three-dimensional networks are constituted by different materials on different planes.

12. Process according to one of claims 1 to 5, characterized by the fact that the fibers or threads constituting the network and / or the fabric have suitable notches or shapes to facilitate the mechanical gripping of the matrix.

13. Process according to one of claims 1 and 3 to 12, characterized in that said mold has depressions and / or thickness variations.

14. Process according to one of claims 1, and 3 - 12, characterized in that the reinforcement-matrix interpenetration is favored by using punches such that a surface of said punches is part of the shape of the mold and such that they can be translated along the direction closing of the mold even independently of the rest of the mold itself.

15. Process according to claim 1, characterized in that for three-dimensional nets (mat and non-mat) the thickness of the fabric is lower than, equal to or greater than the thickness of the manufactured article made of composite material.

16. Process according to one of the preceding claims, in which said reinforcing element acts as a support for other reinforcements, such as for example short fibers previously sprayed or long fibers previously woven onto the net itself, or for additives previously applied to the net itself, for example by spraying .

17. Process according to one of the preceding claims in which said reinforcing element is "activated" with suitable scaffolding agents.

18. Products and / or manufactured articles obtained by means of the process according to one of the preceding claims.

19. Process according to any one of claims 1 to 17, substantially as illustrated and described.