ES2340950T3 - Estructura plana compuesta de un esamblaje cohesivo de celdas celulares contiguas. - Google Patents
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Abstract
Estructura plana compuesta de un ensamblaje cohesivo de celdas celulares contiguas que tienen cualquier sección transversal y paredes esencialmente paralelas de una celda a otra, caracterizada porque las paredes de las celdas comprenden al menos dos porciones basadas en diferentes composiciones poliméricas (A, B), siendo la unión entre dichas porciones sustancialmente paralela al plano de la estructura.
Description
Estructura plana compuesta de un ensamblaje
cohesivo de celdas celulares contiguas.
La presente invención se refiere a una
estructura plana compuesta de un ensamblaje cohesivo de celdas
celulares contiguas (o panal de abejas), y a un procedimiento y a
un dispositivo que son adecuados para fabricar tal
estructu-
ra.
ra.
En muchas aplicaciones industriales, tales como,
por ejemplo, paneles para edificios, o paneles para el forrado
interno de vehículos terrestres, acuáticos o aéreos, es deseable
tener paneles de materiales compuestos que tienen un peso ligero y
son baratos, mientras que todavía tienen buenas propiedades
mecánicas, en particular con respecto a su resistencia a impactos y
resistencia a la flexión. Preferiblemente, estas propiedades
mecánicas no se deben ver afectadas excesivamente por temperaturas
de alrededor de 60 a 100ºC, las cuales se alcanzan habitualmente
cerca de dispositivos de propulsión o de calentamiento, o también
cuando un vehículo o una pared no ventilada se expone al sol. Tales
paneles que son muy adecuados son aquellos que tienen un núcleo de
panal de abejas.
Para que sean económicamente rentables, estos
paneles se deben producir con procesos rápidos simples que incluyen
el menor número posible de etapas y, desde este punto de vista, la
elección de polímeros (particularmente polímeros termoplásticos)
como materiales constituyentes es también juiciosa. Esto es debido a
que, dada su termoplasticidad, estos materiales se pueden diseñar
en una estructura de panal de abejas en una única etapa, o como
mucho en dos etapas.
De este modo, un procedimiento para fabricar
estructuras celulares mediante extrusión continua se ha propuesto
en la Solicitud FR 2.760.999, que describe el preámbulo de la
reivindicación 1, mientras que la Solicitud WO 00/32382, a nombre
del Solicitante, describe un procedimiento para obtener tales
estructuras mediante termoconformado y plegamiento de una lámina
previamente formada.
Para satisfacer los criterios de resistencia a
impactos y rigidez, a menudo las estructuras de tipo panal de
abejas se cubren en ambos lados de sus planos con cubiertas hechas
de diversos termoplásticos, a fin de producir paneles. Para
ensamblar tales paneles, es práctica general usar un adhesivo
(documento WO 00/32382) o usar métodos de soldadura térmica
(documento FR 2.760.999) o de radiación electromagnética (documento
WO 2005/014265).
Sin embargo, en ambos casos es necesario que los
polímeros que forman el panal de abejas y las cubiertas sean de la
misma familia química o se adhieran entre sí. Cuando la adhesión es
insuficiente, es necesario usar, como inserto, una película
adhesiva o película "no tejida" que sirve como superficie de
anclaje entre las dos familias de productos. Actualmente, los
panales de abeja siempre están compuestos de un único polímero o
una única formulación polimérica, lo que requiere el uso de
películas de inserto cada vez que se producen paneles de estructura
compleja. Este es el caso, por ejemplo, cuando se unen cubiertas
hechas de PP reforzado con fibra de vidrio a panales de abeja de PP
o PVC, o cuando las cubiertas de PVC o de poliéster se unen a
panales de abeja de PO. Ahora, el uso de una película de inserto a
menudo es caro y requiere una etapa adicional de sujetar la
película a las cubiertas.
El objeto de la presente invención es resolver
este problema proponiendo una estructura de panal de abejas
particular que puede ser adecuada para la sujeción de las cubiertas
que tienen una naturaleza diferente del material constituyente
principal de las celdas.
Un objeto de la presente invención es por lo
tanto una estructura plana compuesta de un ensamblaje cohesivo de
celdas celulares contiguas que tienen cualquier sección transversal
y paredes esencialmente paralelas de una celda a otra,
caracterizada porque las paredes de las celdas comprenden al menos
dos porciones basadas en composiciones poliméricas diferentes,
siendo la unión entre dichas porciones sustancialmente paralela al
plano de la estructura según la reivindicación 1.
El término "celdas" se entiende que
significa celdas abiertas o cerradas que tienen cualquier sección
transversal, generalmente una sección transversal circular o
hexagonal, con paredes esencialmente paralelas de una celda a la
otra. En el caso de celdas hexagonales, por ejemplo, esto se
entiende que significa que las porciones de paredes homólogas son
paralelas de una celda a la otra.
Según la invención, estas paredes comprenden al
menos dos porciones basadas en diferentes composiciones poliméricas,
cuya unión es sustancialmente paralela al plano de la estructura.
Por lo tanto, cada celda es como si estuviera formada por al menos
dos celdas diferentes que están superpuestas y soldadas juntas.
La expresión "composición polimérica" se
entiende que significa una composición que comprende al menos un
polímero y opcionalmente uno o más aditivos.
El polímero puede ser cualquier polímero o
elastómero termoplástico, ya sea un homopolímero o copolímero
(especialmente un copolímero binario o ternario), y también una
mezcla de tales polímeros. Los ejemplos de copolímeros usados son
copolímeros al azar, copolímeros de bloques lineales, otros
copolímeros de bloques y copolímeros de injerto.
En particular, es adecuado cualquier tipo de
polímero o copolímero termoplástico cuyo punto de fusión está por
debajo de la temperatura de descomposición. También es posible hacer
uso de termoplásticos sintéticos que muestran polidispersidad en su
peso molecular, y que tienen un intervalo de fusión que se extiende
alrededor de al menos 10ºC. De este modo, se pueden usar los
siguientes, pero sin estar limitados por ellos: poliolefinas,
polihaluros de vinilo (PVC-PVDF), poliésteres
termoplásticos, polifenilsulfonas (PPSU) alifáticas o aromáticas,
policetonas, poliamidas (PA), policarbonatos y sus copolímeros.
Como aditivos posibles para estos polímeros, se
puede hacer mención de pigmentos, cargas, especialmente cargas
fibrosas o en partículas, estabilizantes, plastificantes,
pirorretardantes, antioxidantes, agentes antiestáticos, agentes
compatibilizantes, agentes de acoplamiento, agentes de soplado,
etc.
En particular, el uso de un termoplástico con un
agente de soplado (o espumante) hace posible obtener un elemento
estructural de un peso particularmente ligero. El agente de soplado
puede ser un agente de soplado "físico", es decir, un gas
disuelto a presión en el material, que provoca que se expanda a
medida que abandona la extrusora. Los ejemplos de tales gases son
CO_{2}, nitrógeno, vapor de agua, hidrofluorocarbonos (tales como
la mezcla vendida por Solvay con el nombre comercial OLKANE® XG87,
que comprende 87% de CF_{3}CH_{2}F en peso y 13% de
CH_{2}CH_{3} en peso), hidrocarburos (tales como butanos o
pentano), o una mezcla de los mismos. También puede ser lo que se
denomina un agente de soplado "químico", es decir, una
sustancia (o una mezcla de sustancias) disuelta o dispersa en el
material, que, bajo el efecto de la temperatura, libera el gas o
gases que se usarán para la expansión. Los ejemplos de tales
sustancias son azodicarbonamida y mezclas de bicarbonato
sódico/ácido cítrico. También puede ser adecuada una mezcla de los
dos tipos de agente de soplado.
Con el fin de reforzar y/o reducir el coste de
la estructura, se pueden añadir como cargas partículas de celulosa
a los polímeros termoplásticos. La expresión "partículas de
celulosa" se entiende en particular que significa serrín, harina
de madera, fibras de madera, partículas de papel o de cartón, fibras
vegetales tales como fibras de lino, de algodón o de bambú, desecho
de paja, y sus mezclas. Tales partículas tienen preferiblemente una
dimensión más larga (longitud) de alrededor de 0,1 a 3 mm de media.
Es deseable que el contenido de agua no supere el 15% en peso. Para
mejorar la adhesión de las partículas de celulosa al termoplástico
constituyente, puede ser útil compatibilizarlos, por ejemplo
mediante la adición de una pequeña cantidad de agentes
compatibilizantes tales como organosilanos insaturados
(viniltrietoxisilano,
\gamma-metacriloxipropiltrimetoxisilano, etc.), y
también posiblemente uno o más peróxidos. El efecto de tales agentes
compatibilizantes se puede potenciar además mediante el uso
combinado de pequeñas cantidades de agentes reticulantes adecuados,
por ejemplo triacrilatos, tetraacrilatos o pentaacrilatos de
polioles. Otro método de compatibilización consiste en usar un
termoplástico que comprende uno o más polímeros modificados para
mostrar una mayor afinidad con respecto a las partículas de
celulosa, tal como poliolefina injertada con anhídrido maleico.
La concentración de partículas de celulosa en el
termoplástico es generalmente al menos 15 partes, preferiblemente
al menos 50 partes, en peso (por 100 partes en peso de
termoplástico). Además, esta concentración es generalmente como
máximo 250 partes, y preferiblemente como máximo 150 partes.
Las celdas de la estructura según la invención
pueden comprender tres porciones basadas en al menos dos
composiciones poliméricas diferentes, cuyas uniones son
sustancialmente (es decir, hasta dentro de unos pocos grados y
alrededor de al menos 75%, o incluso al menos 90%, de su longitud)
paralelas al plano de la estructura. Una estructura que es muy
adecuada es aquella en la que la pared de cada celda está formada
por tres porciones, con una porción central de una composición
dada, y dos porciones extremas. Preferiblemente, las dos porciones
extremas se basan en la misma composición, que es diferente de la
de la porción central. Preferiblemente, las porciones extremas son
porciones minoritarias en términos de extensión (y por lo tanto
representan menos de 50% de la altura de la pared), y representan,
por ejemplo, menos de 30%, preferiblemente menos de 10%, e incluso
más preferiblemente menos de 1%, de la altura de la pared.
Según una variante de la invención, las
porciones extremas se basan en una composición polimérica que tiene
un módulo de flexión diferente del de la composición polimérica de
la porción central. Esto es debido a que, para algunas
aplicaciones, puede ser ventajoso, a fin de incrementar la
resistencia a la flexión de la estructura, usar, para las dos
porciones extremas, una composición polimérica que tiene un módulo
de flexión mayor que el de la composición polimérica usada para la
porción central. Por el contrario, en particular para incrementar
la resistencia a impactos, y para dar a la estructura una sensación
"blanda", puede ser ventajoso usar, para las dos porciones
extremas, una composición polimérica que tiene un módulo de flexión
menor que el de la composición polimérica usada para la porción
central.
Como se menciona anteriormente, el papel de
estas porciones extremas puede ser promover la adhesión de las
cubiertas en cada lado de la estructura. También puede demostrarse
beneficioso, para algunas aplicaciones, simplemente desear proteger
las celdas de cualesquiera golpes y contaminaciones antes de que las
cubiertas se unan. En este caso, el polímero que constituye las
porciones externas se elegirá para que sea capaz de separarse
mediante deslaminación desde la porción central (es decir,
despegándolo mecánicamente de ella sin dañarla) justo antes de que
se coloquen las cubiertas.
Cuando las porciones externas están destinadas a
servir como capa adhesiva para las cubiertas, las composiciones
poliméricas usadas en estas capas comprenden preferiblemente
adhesivos de coextrusión. Será preferible elegir los copolímeros o
terpolímeros vendidos con el nombre comercial LOTADER®, poliolefinas
injertadas con anhídrido maleico, vendidas con el nombre comercial
PRIEX®, o ionómeros también vendidos con el nombre comercial
PRIEX®.
También se debería observar que todas las celdas
de la estructura no tienen necesariamente la misma composición. De
este modo, por ejemplo, algunas celdas pueden tener al menos una
porción que difiera en naturaleza de sus vecinas.
La presente invención también se refiere a un
procedimiento para fabricar estructuras celulares como se describe
anteriormente, y que consiste en alimentar una matriz aguas arriba
por medio de un bloque de alimentación de coextrusión (tal como el
descrito en la patente US 4.657.497 a nombre del Solicitante),
alimentando dicha matriz aguas arriba a una matriz aguas abajo (tal
como la descrita en la patente FR 2.760.999) con al menos dos
bandas yuxtapuestas (superpuestas de polímeros). La matriz aguas
arriba distribuye el termoplástico en el estado fundido a lo largo
de una lámina plana sobre la anchura de la entrada en la matriz
aguas abajo. Esta última se usa para conformar la lámina plana del
fundido, producido por la matriz aguas arriba, en un perfil
tridimensional, proporcionando el elemento estructural.
En otras palabras, la presente invención se
refiere a un procedimiento para la fabricación de una estructura
como se describe anteriormente, según la reivindicación 6,
procedimiento el cual comprende las siguientes etapas:
- -
- se alimenta una primera matriz plana, por medio de un bloque de coextrusión, con al menos dos composiciones poliméricas diferentes, y, mediante esta matriz, se fabrica una lámina plana de fundido polimérico, que comprende dos bandas soldadas basadas en dichas composiciones; y
- -
- esta lámina se convierte, por medio de una segunda matriz, en un perfil tridimensional que, tras enfriar, constituye la estructura.
\vskip1.000000\baselineskip
Otra manera de satisfacer la invención es usar,
como matriz plana aguas arriba, una matriz plana de "múltiples
canales", que comprende al menos dos canales separados que se
unen justo antes de la entrada del fundido en la matriz aguas
abajo; tales matrices se describen, por ejemplo, en "Polymer
Extrusion" por Chris Rauwendaal, Hanser Publishers, p.
455-6 (1990, edición reimpresa).
En otras palabras, la presente invención también
se refiere a un procedimiento para la fabricación de una estructura
como se describe anteriormente, según la reivindicación 9,
procedimiento el cual comprende las siguientes etapas:
- -
- se alimenta una segunda matriz, por medio de una primera matriz plana, con dos corrientes planas contiguas basadas en dos composiciones poliméricas fundidas diferentes; y
- -
- estas dos corrientes se convierten, por medio de una segunda matriz, en un perfil tridimensional el cual, tras enfriar, constituye la estructura.
\vskip1.000000\baselineskip
Finalmente, la presente invención también
describe un dispositivo para implementar el procedimiento como se
describe anteriormente.
La presente invención se ilustra de manera no
limitante mediante las Figuras 1 a 5.
La Figura 4 ilustra una extrusora de 30 mm de
diámetro y una extrusora de 20 mm de diámetro que alimentan, con
PVC natural (capa A) y con PVC negro (capa B), respectivamente, un
bloque de alimentación de coextrusión como se describe en las
Figuras 2, 3 y 4 de la patente US 4.657.497. Este bloque alimenta
una corriente de material de tres capas B/A/B (véase la Figura 1)
en una matriz aguas arriba, que es una matriz plana de 4 cm de
anchura adecuada para el flujo de PVC. Esta matriz aguas arriba
convierte la corriente de tres capas en una banda plana compuesta
de tres capas B/A/B de fundidos poliméricos (véase la Figura 2), que
se alimentan en una matriz aguas abajo; esta última convierte la
banda de tres capas plana en bandas verticales compuestas de tres
bandas de materiales B/A/B (véase la Figura 3). Estas bandas se
sueldan juntas, al salir de la matriz aguas abajo, mediante un
sistema para crear una presión/vacío alternativo entre dos bandas
adyacentes, para proporcionar un panal de abejas, cuyo polímero B
está sobre las dos superficies del panal de abejas, y cuyo polímero
A está en el centro de las paredes verticales (véase la Figura 5).
La relación de las alturas de las bandas A y B es proporcional a la
relación de las producciones de las extrusoras que alimentan el
polímero A y el polímero B moduladas según la elección de geometría
del bloque de alimentación y las diferencias de viscosidad de los
polímeros A y B. Las cubiertas externas se pueden depositar entonces
sobre el polímero B, en cada lado del panel de abejas, mediante
cualquier proceso continuo o discontinuo conocido, especialmente
mediante prensado o laminación en caliente, sobre el panal de
abejas, mediante soldadura usando un haz de láser.
Claims (9)
1. Estructura plana compuesta de un ensamblaje
cohesivo de celdas celulares contiguas que tienen cualquier sección
transversal y paredes esencialmente paralelas de una celda a otra,
caracterizada porque las paredes de las celdas comprenden al
menos dos porciones basadas en diferentes composiciones poliméricas
(A, B), siendo la unión entre dichas porciones sustancialmente
paralela al plano de la estructura.
2. Estructura según la reivindicación anterior,
caracterizada porque las paredes de las celdas comprenden
tres porciones basadas en al menos dos composiciones poliméricas
diferentes, cuyas uniones son sustancialmente paralelas al plano de
la estructura.
3. Estructura según la reivindicación anterior,
caracterizada porque las paredes de las celdas comprenden
una porción central de una composición dada y dos porciones extremas
basadas en la misma composición, pero diferente de la de la porción
central.
4. Estructura según la reivindicación anterior,
caracterizada porque las porciones extremas son porciones
minoritarias en términos de extensión, y por lo tanto representan
menos de 50% de la pared de las celdas.
5. Estructura según la reivindicación 3 ó 4,
caracterizada porque las porciones extremas se basan en una
composición polimérica que tiene un módulo de flexión diferente del
de la composición polimérica de la porción central.
6. Estructura según una cualquiera de las
reivindicaciones 3 a 5, caracterizada porque las porciones
extremas se pueden separar mediante deslaminación desde la porción
central.
7. Estructura según una cualquiera de las
reivindicaciones 3 a 6, caracterizada porque las
composiciones poliméricas usadas en las porciones extremas
comprenden adhesivos de coextrusión.
8. Procedimiento para fabricar una estructura
según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores,
caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
- -
- se alimenta una primera matriz plana, por medio de un bloque de coextrusión, con al menos dos composiciones poliméricas diferentes, y, mediante esta matriz, se fabrica una lámina plana de fundido polimérico, que comprende dos bandas soldadas basadas en dichas composiciones; y
- -
- esta lámina se convierte, por medio de una segunda matriz, en un perfil tridimensional que, tras enfriar, constituye la estructura.
\vskip1.000000\baselineskip
9. Procedimiento para fabricar una estructura
según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7,
caracterizado porque comprende las siguientes etapas:
- -
- se alimenta una segunda matriz, por medio de una primera matriz plana, con dos corrientes planas contiguas basadas en dos composiciones poliméricas fundidas diferentes; y
- -
- estas dos corrientes se convierten, por medio de una segunda matriz, en un perfil tridimensional el cual, tras enfriar, constituye la estructura.
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