UNA PASTILLA MOLDEABLE CON BASE EN UNA COMBINACIÓN DE FIBRAS NATURALES Y POLÍMERO TERMOPLÁSTICO
CAMPO TÉCNICO Y APLICABILIDAD
INDUSTRIAL DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere en general a un material moldeable, adecuado para utilizar en tecnologías actuales para moldear compuestos reforzados con fibras. La invención además se refiere a pastillas moldeables con base en una combinación de fibras naturales y un material de polímero termoplástico. Más particularmente, la invención se refiere a pastillas moldeables, cada una que comprende un núcleo de fibras naturales que se ha revestido con un forro de material termoplástico. Las pastillas resultantes permiten la retención de la longitud de las fibras a un alto nivel durante el proceso de moldeo e imparten un alto nivel de desempeño mecánico. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Los compuestos o plásticos reforzados con fibras como se conocen, son bien conocidos con materiales que son de peso ligero, generalmente no metálicos y extremadamente fuertes. De acuerdo con esto, estos materiales se emplean en una variedad de aplicaciones en donde se desean la resistencia al impacto, alta capacidad
de soporte de carga y resiliencia sin la desventaja de utilizar materiales tales como metales, que pueden ser muy pesados o que pueden ser susceptibles a degradación atmosférica tal como corrosión. Muchos métodos están disponibles para la fabricación de compuestos reforzados con fibras. Típicamente, el producir estos compuestos incluye primero moldear o conformar un medio de moldeo conveniente que comprende tramos de refuerzo de fibras y un material de moldeo polimérico en la forma deseada, luego curar el material conformado de esta manera provocando que fragüe o endurezca en un artículo reforzado de fibras resistente o endurecido. Mientras que se han desarrollado numerosos procesos que utilizan diferentes tipos de medio de moldeo y procesos de moldeo de curado, todos en general requieren combinar un refuerzo de fibras con un material de moldeo polimérico, para formar una mezcla moldeable, de manera tal que el refuerzo de fibras puede mejorar las propiedades de resistencia del producto resultante. Aún más, todos los procesos de fabricación compuestos generalmente comparten la meta de llevar al máximo la dispersión del refuerzo de fibras a través del polímero, de esta manera asegurando que cuando se forma el compuesto moldeado, no incluye áreas con menores cantidades de dispersión de fibras, lo que puede provocar
que el compuesto experimente fallas de desempeño tales como reventado o fisuración. Mientras que se desea que el refuerzo de fibras se disperse uniformemente a través de la matriz compuesta, se ha encontrado que esta meta a menudo es difícil de lograr. De acuerdo con esto, el proceso de combinar el refuerzo de fibras con el polímero de moldeo, típicamente requiere mezclado para formular estos ingredientes, y esto a su vez provoca cizallado o ruptura del refuerzo de fibras en tramos más cortos. La longitud de fibras recortadas en algunos aspectos reduce la resistencia física del compuesto, ya que hay menos entrecruzamiento de los tramos de refuerzo de fibras en la matriz compuesta, y por lo tanto se reduce la capacidad de soporte de carga y resistencia al impacto. Por lo tanto es conveniente que materiales de moldeo para producir compuestos contengan refuerzos de fibras de longitud máxima, y también es conveniente que estos materiales de moldeo faciliten la retención de la longitud de fibras durante el proceso de moldeo. Un medio para incrementar la dispersión de refuerzo de fibras en la matriz compuesta es aplicar una capa delgada de apresto a las superficies de refuerzo de fibras. Típicamente, el apresto contiene ingredientes que modifican químicamente las superficies de refuerzo de
fibras tanto para ayudar en su dispersión como para promover unión y adhesión entre los refuerzos de fibras y el polímero de moldeo. En este aspecto, se logra una combinación más estable de refuerzo de fibras y polímero de moldeo. Adicionalmente, el apresto proporciona algo de protección al refuerzo de fibras, haciendo menos susceptible a ruptura en tramos más cortos. Se ha realizado esfuerzo considerable en el desarrollo de agentes de apresto que son efectivos para ayudar en dispersabilidad y reducir la ruptura de refuerzos de fibras . Además de la necesidad por desarrollar materiales de moldeo y aprestos que promuevan retención de longitud de fibras durante moldeo, también hay necesidad por compuestos reforzados de fibras que incluyan alternativas efectivas en costo y ambientalmente amigables para refuerzos de fibras convencionales tales como fibras de vidrio. La fibra de vidrio, mientras que es más ligera y menos susceptible a corrosión que los refuerzos de metal, acarrea algunas dificultades de procesamiento inherentes. Por ejemplo, durante el procesamiento mecánico de fibras de vidrio, fibras sueltas o fragmentos de fibras también conocidos como pelusa pueden quedar atrapadas o arrastradas en el aire. Estas fibras sueltas o fragmentos pueden dispersarse
finamente en el ambiente de procesamiento o pueden recolectarse en superficies de los equipos. Adicionalmente, aún cuando la fibra de vidrio es más ligera que los refuerzos de metal, agrega más peso al producto compuesto que los refuerzos alternos tales como fibras de polímero o fibras naturales. De acuerdo con esto, estos refuerzos alternos en particular fibras naturales, son opciones extremadamente deseables para utilizar como refuerzos de fibras en fabricación de compuesto. Sin embargo, intentos por utilizar las fibras naturales en la fabricación de compuestos han encontrado algunas dificultades. Mientras que procesos de moldeo convencionales, tales como moldeo por extrusión o moldeo de compresión han empleado exitosamente refuerzos de vidrio e incluso de polímeros en la fabricación de compuestos reforzados con fibras, las condiciones de pre-moldeo que se requieren rutinariamente, tales como mezclado y formulación a altas temperaturas, han impuesto demandas significantes en los materiales que se emplean. En particular, fibras naturales en general se han excluido para utilizar en procesos de moldeo de compuestos, debido a que no soportan de manera adecuada las condiciones de procesamiento a alta temperatura y han sido extremadamente susceptibles a ruptura.
Adicionalmente, se ha observado que la extrusión, formulación y subsecuente moldeo degradan la longitud y composición química de las fibras naturales, mientras que el moldeo por compresión resulta en un producto tipo estera o fieltro indeseable, que no puede ser manejado por procesos de moldeo de alto rendimiento y alta velocidad. En vista de las deficiencias de la técnica, un objetivo de la presente invención es proporcionar un material moldeable para utilizar en un proceso de moldeo de compuesto, que tiene las ventajas de incorporar fibras naturales ambiental y económicamente deseables, tales como refuerzo de fibras, mientras que se genera este material moldeable en una forma que permite ser procesado fácilmente sin perder longitud de fibra significante durante un proceso de moldeo subsecuente. Este proceso debe de ser capaz de producir materiales moldeables adecuados para formar compuestos de fibras naturales, sin provocar pérdida alguna de propiedades físicas o procesabilidad de estas fibras debido a exposición prolongada a alto calor. Este proceso también deberá de ser capaz de rendimiento a alta velocidad para asegurar una fabricación rápida y eficiente em costo del producto que contiene fibras naturales moldeables. También hay necesidad por un material moldeable reforzado con fibras
naturales que tiene mejores calidades de dispersión de fibras, que luego ayudará en la mejora de su desempeño. Adicionalmente, hay necesidad por un material moldeable reforzado con fibras naturales que tiene bajo impacto ambiental, ya que el componente de fibras es de origen natural y por lo tanto es fácilmente biodegradable y reciclable, se forma por un proceso que requiere menos energía y elimina el problema de acumulación de pelusa de vidrio en los equipos de procesamiento. Aún más, hay necesidad por un producto moldeable reforzado con fibras naturales, que se prepara en una forma tal que se han minimizado e eliminado los olores desagradables que se provocan normalmente al degradar fibras naturales durante procesamiento para formar el material moldeable. Estas necesidades se cumplen por los productos y procesos de la presente invención. COMPENDIO DE LA INVENCIÓN Ahora se ha descubierto que materiales adecuados para utilizar en la fabricación de compuestos reforzados con fibras, pueden prepararse utilizando un refuerzo de fibras naturales. En un aspecto por lo tanto, la invención es un material moldeable que comprende un núcleo de fibras naturales que forman una hebra de fibras naturales que se ha forrado en un material termoplástico. El material
moldeable puede trozarse opcionalmente en pastillas o nodulos para utilizar en moldeo de compuestos. En otro aspecto, la invención comprende un producto de refuerzo de fibras multifilamentarias que comprende una hebra de refuerzo de fibras naturales y un revestimiento de una composición de apresto dispuesto en las superficies de las fibras en la hebra. La composición de apresto puede ser acuosa o no acuosa, en cualquier variación que comprenda un ingrediente de revestimiento seleccionado de polímeros termoplásticos, polímeros termofijos y aceites y ceras de hidrocarburos y además comprende uno o más ingredientes seleccionados de agentes de acoplamiento, lubricantes y otros aditivos convencionales. La hebra de fibras naturales con apresto pueden forrarse en un material termoplástico para formar un material moldeable de acuerdo con la invención. La invención además comprende un proceso para producir un material que contiene fibras naturales moldeables que comprende: (a) proporcionar una hebra de fibras naturales multifilamentarias ; y (b) forrar la hebra de fibras naturales en un material termoplástico.
La invención adicionalmente comprende un proceso para producir un artículo compuesto reforzado com fibras, que comprende: (a) proporcionar un material moldeable que comprende una hebra de fibras naturales forrado en un material termoplástico; (b) calentar para fundir el material termoplástico; (c) trabajar el material para hacer filamentos de la hebra y dispersar los filamentos de la misma del material termoplástico; (d) moldear el material moldeable para formar un artículo; y (e) enfriar el artículo para formar un artículo compuesto reforzado con fibras. El concepto de la invención también se extiende a artículos reforzados con fibras formados de acuerdo con este proceso. La presente invención, que tiene bajo impacto ambiental y es totalmente reciclable, supera las limitaciones en los procesos previos o al minimizar la exposición de las fibras a temperaturas excesivamente elevadas, de esta manera eliminando virtualmente degradación química y cualesquiera olores asociados. Además, las limitaciones provocadas por deficiente
dispersión de las fibras naturales en una matriz de moldeo compuesto, se ha superado. Por el contrario, una dispersión mejorada de las fibras y un desempeño de parte de compuesto incrementado, se han obtenido a través de aplicación de una composición de apresto en las superficies de las fibras naturales. La presente invención también supera limitaciones que han previamente evitado o restringido el uso de fibras naturales como refuerzos en moldeo compuesto, en particular la degradación mecánica de la estructura de fibras durante conversión del material de fibras naturales en materiales de refuerzo moldeables. En contraste, la presente invención proporciona pastillas o nodulos que contienen fibras largas y sin daño, que pueden moldearse para formar compuestos de alta calidad. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 ilustra un proceso para fabricar pastillas moldeables que comprenden un material de hebras a base de fibras naturales y un material de forro termoplástico de acuerdo con la invención. La Figura 2 es una representación tridimensional de una pastilla formada de acuerdo con la invención. La Figura 3 es una sección transversal de una pastilla formada de acuerdo con la invención.
DESCRIPCIÓN DETALLADA Y MODALIDADES PREFERIDAS DE LA INVENCIÓN La presente invención utiliza fibras naturales como la base para formar una hebra de fibras naturales, que subsecuentemente actúan como un substrato en el cual se coloca un material termoplástico para formar un material moldeable. De acuerdo con esto, en una modalidad, el material moldeable de la presente invención comprende una hebra de fibras naturales multi -filamentaria en combinación con un material termoplástico tal que el material termoplástico se forma como un forro alrededor de la hebra de fibras naturales. La hebra de fibras naturales opcionalmente puede comprender un apresto que comprende los filamentos en la hebra y mejora la compatibilidad de las superficies de filamentos con el material termoplástico del forro. La hebra forrada resultante puede emplearse en forma continua, o como segmentos trozados en un compuesto de moldeo para formar compuestos reforzados con fibras. El término "fibra natural" como se emplea en conjunto con la presente invención, se refiere a fibras de plantas celulósicas extraídas de cualquier parte de una planta, incluyendo el tronco, semillas, hojas, raíces o floema o fibras bastas. Cualesquiera fibras naturales que cumplen con los requerimientos del proceso de
fabricación aquí descrito pueden emplearse en la presente invención. Fibras naturales convenientes pueden incluir pero no están limitadas a yute, bambú, ramina, algodón, bagazo, cáñamo, bonete, lino, kenaf, sisal, fibra de lino, henequén, o cualquier combinación de las mismas. Además, el término "substrato" se emplea en referencia a la hebra de fibras naturales en su capacidad para funcionar como el elemento base de la presente invención, sobre el cual puede colocarse la composición de apresto y/o material termoplástico. Cualquier arreglo de una pluralidad de filamentos de fibras naturales recolectados que forman una hebra de múltiples filamentos puede utilizarse como un substrato en la presente invención. Los filamentos pueden colocarse linealmente como una conexión en alineamiento paralelo, o pueden formarse como una hebra torcida constituida por una o más capas. De preferencia, los filamentos de fibras naturales están en la forma de una hebra torcida de una capa. Sin embargo, ya que diferentes tipos de fibras naturales tienen diferentes formas o configuraciones y densidades variantes, puede haber un amplio rango en el número de fibras requeridas para formar una hebra conveniente. De acuerdo con esto, las características de la hebra de fibras naturales pueden describirse mejor y medirse en términos de
parámetros tales como factor de torcimiento y peso por longitud unitaria, debido al amplio arreglo de características dimensionales de fibras naturales. El factor de torcimiento es una medida de la cantidad promedio de torcimiento helicoidal impartido a la hebra sobre su longitud. El torcimiento es un aspecto importante de la presente invención debido a que permite la formación de una hebra continua que conserva suficiente integridad estructural para servir como un substrato para los procesos de revestimiento utilizados para aplicar la composición de apresto y/o el material termoplástico a la hebra de acuerdo con la invención. Fibras naturales son fibras discontinuas o cortas, ya que existe naturalmente en tramos relativamente cortos, típicamente en el rango de aproximadamente 5.08 cm (2") a aproximadamente 1.83 metros (6 pies) . Un proceso de revestimiento continuo, por ejemplo el proceso de forrar la hebra de fibras naturales con un material termoplástico, requiere una hebra continua. Por lo tanto, a fin de utilizar adecuadamente este proceso, las fibras naturales deben ser entrelazadas en conjunto para formar una hebra que tiene una cantidad mínima de integridad estructural. Sin embargo, además de incrementar la resistencia de la hebra de fibras, la cantidad de torcimiento también puede disminuir la
dispersibilidad de las fibras naturales en el proceso de moldeo subsecuente. Consecuentemente, cuando se incrementa el torcimiento, puede requerirse un procesamiento más severo de la hebra de fibras, ya sea por medio de temperatura incrementada o fuerzas de cizalla incrementadas que se aplican a la hebra de fibras para alcanzar dispersión adecuada. El incrementar cualquiera o una de estas condiciones de procesamiento, típicamente resulta en degradación de las fibras. De acuerdo con esto, ya que entre menos torcimientos haya por 2.54 cm (1") se correlaciona con una facilidad de dispersión incrementada de las fibras, generalmente un rango de aproximadamente un torcimiento por 2.54 cm (1") a aproximadamente un torcimiento por 10.16 cm (4") de longitud de hebra, se ha encontrado que proporciona dispersión óptima, mientras que retiene suficiente resistencia a la tracción para sobrevivir los procesos de apresto y forrado de hebra. El peso base de la hebra de fibras naturales también deberá ser suficiente para facilitar el uso en un proceso de revestimiento continuo. De preferencia, el peso de la hebra de fibras naturales deberá estar en el rango desde aproximadamente 1.093 gramos por metro (1 gramo por yarda) de longitud hasta aproximadamente 4.372 gramos x metro (4 gramos x yarda) de longitud. Por
ejemplo, bramante de sisal que tiene un peso de aproximadamente 3.279 gramos x metro (3 gramos x yarda) puede emplearse como la hebra de fibras naturales. La hebra de fibras naturales que sirve como el substrato para forrar con un material termoplástico de acuerdo con la invención, puede aprestarse opcionalmente con una composición de apresto conveniente antes de que se aplique el material termoplástico. Esta composición de apresto puede comprender un ingrediente de revestimiento que proporciona una capa o película uniforme en las superficies de los filamentos en la hebra. Este ingrediente de revestimiento puede seleccionarse del polímero termoplástico, polímeros termofijos y aceites o ceras de hidrocarburos. La proporción de cada tipo de ingrediente de revestimiento en la composición de apresto variará dependiendo de cual se emplea. La proporción del ingrediente de revestimiento también dependerá de si el apresto es una formulación acuosa o no acuosa. En una modalidad de la invención, el ingrediente de revestimiento puede ser un polímero termoplástico. Puede emplearse cualquier polímero termoplástico conveniente. El polímero termoplástico puede agregarse en forma emulsificada a una composición de apresto acuosa, o puede emplearse sin previa
emulsificación en una composición de apresto no acuosa. Ejemplos de estos polímeros incluyen polipropilenos maleados, hidrocarburos, ceras, emulsiones de cera y poliuretanos. De preferencia, el polímero termoplástico que funciona como el ingrediente de revestimiento es un polipropileno maleado que no está en forma emulsificada. Un ejemplo de este polímero es "E-43", comercialmente disponible de Eastman Chemicals Inc., que tiene un peso molecular de aproximadamente 9100 unidades de masa atómica, y se ablanda a aproximadamente 153°C (307°F) . Típicamente, cuando el ingrediente de revestimiento es un polímero termoplástico, puede ser empleado en una composición de apresto acuosa a una concentración que suministra una proporción del peso de hebra con apresto desde aproximadamente .1% en peso a aproximadamente 10% en peso con base en el peso total de la hebra de fibras naturales con apresto; o en una composición de apresto no acuosa, para suministrar una proporción desde aproximadamente 0.1% en peso a aproximadamente 25% en peso, con base en el peso total de la hebra de fibras naturales con apresto. El ingrediente de revestimiento también puede seleccionarse convenientemente del grupo que consiste de polímeros termofijos. Ejemplos de estos polímeros termofijos incluyen poliésteres insaturados, resinas
epoxi y poliuretano. El polímero termofijo cuando se emplea un ingrediente de revestimiento, puede utilizarse en una composición de apresto acuosa a una concentración que suministra una proporción del peso de hebra con apresto desde aproximadamente .1% en peso a aproximadamente 10% en peso, con base en el peso total de la hebra de fibras naturales con apresto; o en una composición de apresto no acuosa para suministrar una proporción final desde aproximadamente .1% en peso a aproximadamente 25% en peso, con base en el peso total de la hebra de fibras naturales con apresto. En una modalidad alterna, el ingrediente de revestimiento puede seleccionarse del grupo que consiste de hidrocarburos, que incluyen por ejemplo aceites y ceras de hidrocarburos líquidos que ya pueden estar en forma sólida amorfa o fluida a temperatura ambiente. El aceite hidrocarburo de preferencia es un aceite mineral tal como "WHITEREX 425", que está comercialmente disponible de Mobil Chemicals. Un ejemplo de una cera de hidrocarburo conveniente es "SHELL AX 100", que está comercialmente disponible de Shell Chemical Co . El ingrediente de revestimiento hidrocarburo puede emplearse en una composición de apresto acuosa para suministrar una proporción del peso de hebra con apresto desde aproximadamente .1% en peso hasta aproximadamente 10% en
peso, con base en el peso total en la hebra de fibras naturales con apresto; o en una composición de apresto no acuosa para proporcionar de aproximadamente .1% en peso a aproximadamente 25% en peso, con base en el peso total de la hebra de fibras naturales con apresto. De preferencia, el ingrediente de revestimiento empleado en las composiciones de apresto acuosas o no acuosas de la presente invención, es un aceite o cera hidrocarburo que tiene un peso molecular en el rango de aproximadamente 250 unidades de masa atómica (uma) a aproximadamente 4000 uma. La cantidad de este ingrediente de revestimiento hidrocarburo que se incorpora en la composición de apresto acuosa, antes de que se aplique a la hebra de fibras naturales puede variar desde aproximadamente .5% en peso hasta aproximadamente 10% en peso, con base en el peso total de la composición de apresto acuosa. De preferencia, la cantidad que se agrega al apresto de base acuosa es desde aproximadamente 1% en peso hasta aproximadamente 3% en peso con base en el peso total de la composición de apresto acuosa. En composiciones de apresto no acuosas de acuerdo con la invención, la cantidad de ingrediente de revestimiento hidrocarburo puede estar en el rango desde aproximadamente 0.5% en peso hasta aproximadamente 25% en peso, y de preferencia es de aproximadamente 10%
en peso hasta aproximadamente 15% en peso, con base en el peso total de la composición de apresto no acuosa. La composición de apresto también puede incluir un agente de acoplamiento conveniente. Agentes de acoplamiento promueven enlace entre la hebra de fibras naturales y la composición de apresto, de esta manera permitiendo mejor adhesión de la composición de apresto a las superficies de la hebra. Ejemplos de estos agentes de acoplamiento incluyen organosilanos, titanatos, zirconatos, aluminatos, zirco-aluminatos y metacrilatos de cromo. Ciertos agentes de acoplamiento organosilano, que pueden polimerizarse durante uso en la presencia de fibras naturales, exhiben algunas propiedades adhesivas al promover la humectación de las superficies de fibras naturales, lo que a su vez provoca que las moléculas en las superficies de fibras interactúen y se adhieran en conjunto. Como resultado, se observa un efecto adhesivo con el uso de estos organosilanos. En este aspecto, estos agentes de acoplamiento organosilano demuestran propiedades termofijas que semejan los ingredientes de revestimiento termofijos que pueden ser también incluidos en las composiciones de apresto de la invención. Un organosilano conveniente que actúa como un agente de acoplamiento en las composiciones de apresto acuosas o no acuosas de la invención es gama-amino propiltrietoxi
silano, que es un aminosilano que está comercialmente disponible bajo la marca "A-1100" de C.K. Witco Inc. El agente de acoplamiento se utiliza en una cantidad efectiva para proporcionar el efecto de acoplamiento necesario para adherir la composición de apresto a las superficies de la hebra de fibras naturales. Adicionalmente, uno o más aditivos convencionales seleccionados de auxiliares de procesamiento, lubricantes, modificadores de viscosidad, surfactantes, inhibidores de olor, fragancias, fungicidas, biocidas y compatibilizantes poliméricos también pueden ser incluidos. Una persona con destreza en la especialidad puede determinar la selección y cantidad de cada uno de estos aditivos en proporción con el efecto deseado en la composición de apresto. La composición de apresto si se utiliza, por lo tanto puede aplicarse para formar un producto de refuerzo de múltiples fibras, constituido por una hebra de refuerzos de fibras naturales que se ha impregnado o revestido con la composición de apresto. La composición de apresto puede aplicarse por cualesquiera medios convencionales, incluyendo baños de inmersión-extracción, rodillos, cojines, o rociadores. La composición de apresto puede aplicarse utilizando un aplicador en línea en un proceso continuo o puede aplicarse separadamente
fuera de línea. De preferencia, el apresto se aplica a una temperatura que varía desde aproximadamente de 10 °C (50°F) hasta aproximadamente 200°C (392°F) dependiendo del tipo de fibra natural empleado. Sin embargo, la temperatura de aplicación en general no deberá exceder 200°C (392°F) por un periodo prolongado ya que esto provocará degradación de las fibras de celulosa. El apresto puede aplicarse, por ejemplo a una pluralidad de filamentos individuales, que después de tratamiento con la composición de apresto pueden recolectarse y torcerse en una hebra, o en forma alterna la composición de apresto puede aplicarse a una hebra previamente formada. En el último proceso, la composición de apresto deberá ser de una viscosidad que permita flujo a la composición de apresto para impregnar o penetrar a través de los filamentos en la hebra de fibras naturales, a fin de revestir substancialmente todas las superficies de los filamentos individuales en la hebra. Tanto para composiciones de apresto acuosas como no acuosas, la viscosidad puede estar en el rango de aproximadamente 1 cP (.001 Pa»s) hasta aproximadamente 200 cPs (.2 Pa«s) . Composiciones de apresto acuosas de preferencia pueden estar en un rango en viscosidad de aproximadamente 1 cP (.001 Pa»s) a aproximadamente 20 cPs (02 Pa*s) a aproximadamente 60°C (140°F) , dependiendo de la cantidad
de sólidos de mezcla, y más preferiblemente son de una viscosidad desde aproximadamente 1 cP (001 Pa»s) a aproximadamente 10 cPs (.01 Pa»s) a 60°C (140°F) . Cuando los aprestos son no acuosos, la viscosidad puede estar en el rango de aproximadamente 20 cPs (.02 Pa»s) hasta aproximadamente 200 cPs (.2 Pa«s) a 60°C (140°F) , y de preferencia es de aproximadamente 20 cPs (.02 Pa«s) a aproximadamente 60 cPs (06 Pa«s) a 60°C (140°F) . Estas viscosidades preferidas típicamente promueven suficiente penetración y revestimiento de los filamentos en la hebra de fibras naturales por la composición de apresto. Como se describió anteriormente, una modalidad de la presente invención es un material moldeable que comprende una hebra de un refuerzo de fibra natural continuo que comprende una pluralidad de fibras naturales, que se forran substancialmente en un revestimiento de material termoplástico. El material termoplástico de preferencia es uno adecuado para utilizar con una resina de matriz de moldeo en la formación de compuestos reforzados con fibras. El material termoplástico típicamente tiene un peso molecular de al menos aproximadamente 7000 unidades de masa atómica, hasta un peso molecular de varios cientos de miles de unidades de masa atómica, y puede seleccionarse del grupo que incluye, pero no está
limitado a poliolefinas, poliamidas, poliésteres termoplásticos, polímeros de vinilo, asfaltos modificados con polímero y sus mezclas. Ejemplos de estos materiales termoplásticos incluyen polipropileno, polietileno, asfaltos modificados con polipropileno, polipropileno reciclado, cloruro de polivinilo, polietilen tereftalato, polibutilen tereftalato, copolímeros de polipropileno, poliamidas, y sus mezclas. La cantidad y tipo de material termoplástico pueden ser tales que el material moldeable formado en combinación con él, puede moldearse en un proceso de moldeo convencional, sin mayor adición de cualquiera otra resina de moldeo, para formar un artículo compuesto reforzado con fibras. Opcionalmente, el material moldeable además puede combinarse con una resina de moldeo convencionalmente conocida, adicional durante el proceso de moldeo. Estas resinas de moldeo adicionales incluyen poliolefinas, poliamidas o cualesquiera otros polímeros termoplásticos adecuados para propósitos de moldeo, como será aparente para una persona con destreza en la especialidad. El proceso para producir los materiales de moldeo de la invención comprende proporcionar una hebra de fibras naturales multifilamentaria y revestir la hebra con un forro del material termoplástico. Antes de forrar
con el material termoplástico, la hebra de fibras naturales opcionalmente puede ser aprestada con una composición como se describió previamente. La Figura 1 es ilustrativa de una modalidad de un proceso para fabricar un material moldeable, utilizando un apresto no acuoso de acuerdo con la presente invención. De acuerdo con la Figura 1, uno o más extremos de la hebra de fibras naturales 1 se desembobinan de boquillas 2 y pasan sobre uno o más rodillos 3, después de lo cual los extremos de hebra de fibras naturales 1 se sumergen en y extraen de un baño de inmersión 4. El baño de inmersión 4 contiene una composición de apresto con viscosidad suficiente para permitir impregnado o penetración a través de los filamentos en los extremos de hebra de fibras naturales 1. Por ejemplo, la composición de apresto puede comprender un ingrediente de revestimiento tal como un aceite hidrocarburo así como uno o más otros aditivos convencionales como se describe aquí. Después de salir del baño de inmersión 4, los extremos de hebra 1 pueden opcionalmente extraerse o dirigirse sobre una o más barras de rodillo 5 para proporcionar tensionamiento y recolección de los extremos para formar un extremo consolidado la, que comprende múltiples filamentos, alrededor del cual una capa de material termoplástico se
aplica para formar un forro. En una modalidad alterna, en donde se emplea un apresto acuoso, el extremo consolidado la puede pasarse a través de uno o más hornos
(no mostrados) antes de que se aplique el revestimiento del material termoplástico. Un método particularmente preferido para aplicar un material termoplástico alrededor de un material de fibras continuas para formar un forro se describe en la patente de los E.U.A. No. 5,972,503. De acuerdo con este método, la hebra de fibras naturales puede ser extraída o de otra forma pasar a través de un dispositivo de revestimiento conveniente. El dispositivo de revestimiento de manera conveniente incluye un medio para proporcionar una fuente de material termoplástico fundido para revestir la hebra, tal como un extrusor. La hebra revestida luego puede pasarse a través de una matriz, que regula la cantidad y espesor de la capa del material termoplástico fundido en la superficie de la hebra, y alisa el material termoplástico fundido para formar un forro que circunscribe la hebra. Una pluralidad de hebras forradas pueden formarse al extraer o de otra forma pasar una cantidad de hebras revestidas a través de un número correspondiente de matrices, con cada matriz que tiene un orificio dimensionado para formar revestimiento en un forro termoplástico del espesor
deseado. De preferencia, el dispositivo de revestimiento es un aplicador de revestimiento de alambre (que es un dispositivo o grupo de dispositivos capaces de revestir o forrar una o más hebras con un material termoplástico para formar un forro con espesor relativamente uniforme en cada hebra. De preferencia, el aplicador de revestimiento de alambre también incluye una matriz que configura el forro al espesor y/o sección transversal uniforme deseados. La hebra se alimenta o pasa a través del dispositivo de revestimiento, utilizando un mecanismo conveniente tal como un extractor o tirador, que extrae la hebra a través del aplicador de revestimiento de alambre. El extractor puede estar separado de o formar parte del aplicador de revestimiento de alambre. La hebra revestida con alambre, posteriormente puede bobinarse en un carrete o su equivalente o de otra forma pasar a través de un trozador para segmentarse en pastillas. Un trozador puede adaptarse para funcionar también como un extractor o ayudar al extractor en extraer la hebra a través del aplicador de revestimiento de alambre. La velocidad de la hebra de fibras naturales a través de la matriz de revestimiento de alambre puede variar entre .508-1.524 metros por segundo (100 a 300 pies por minuto) . Esta velocidad de rápido rendimiento
permite exposición de la hebra de fibras naturales al material termoplástico mientras que está a una temperatura relativamente elevada, sin embargo minimiza el tiempo de exposición, de manera tal que la temperatura de la propia hebra de fibras naturales no se eleva al punto en donde ocurrirá degradación de las fibras. Como resultado, la hebra de fibras naturales tiene una mejor historia térmica y es más capaz de formar un material moldeable que proporciona un refuerzo excelente para fabricación de compuesto. Esta técnica se representa en la Figura 1, en donde un extremo consolidado la formado al recolectar los extremos de hebra de fibras naturales aprestados individualmente 1, se pasa a través de un aplicador de revestimiento de alambre 6 como el dispositivo de revestimiento. El aplicador de revestimiento de alambre 6 está equipado con una matriz conformada 7 que puede ser ser de configuración redonda o cualquier otra configuración deseada dependiendo del perfil de sección transversal deseado de la hebra revestida con alambre después de que sale de la matriz 7. El aplicador de revestimiento de alambre 6 se suministra con un material termoplástico fundido que se deriva de fusión de un material fuente termoplástico fundido tal como pastillas en una caja de cabeza 8. El material termoplástico
fundido luego se alimenta a un extrusor 9. Desde el extrusor 9, una corriente de material termoplástico fundido se forza a través de una abertura de boquilla (no mostrada) sobre el extremo consolidado la conforme pasa a través del aplicador de revestimiento de alambre 6. Conforme el extremo consolidado la se pasa a través de la matriz 7, se provoca que el material termoplástico fluya alrededor del extremo consolidado la, de esta manera formando una hebra forrada con termoplástico 10, en donde los filamentos de fibras naturales se forman en haces en conjunto para formar un núcleo circundado por una capa exterior del material termoplástico. La hebra forrada con termoplástico 10 sale del aplicador de revestimiento de alambre 6 y se dirige a través de un baño de agua 11 a temperatura ambiente, que sirve como un medio de enfriamiento. Cualesquiera medios de enfriamiento alternos apropiados pueden ser empleados, por ejemplo secado al aire, unidades de refrigeración o rociadores de agua . La hebra forrada con termoplástico enfriada 10 puede bobinarse y almacenarse para subsecuente moldeo en forma continua o puede trozarse en pastillas y empacarse para uso subsecuente en aplicaciones moldeadas. El trozado de la hebra continua en pastillas discretas puede realizarse mediante procesos en línea o fuera de línea.
En este aspecto, el aparato puede incluir medios tales como un trozador para segmentar la hebra continua en una pluralidad de pastillas discretas. En una modalidad representada por la Figura 1, el extremo forrado con termoplástico 10 puede tensionarse sobre uno o más rodillos 12, luego dirigirse a través de un trozador 13 que segmenta a la hebra 10 en tramos aproximadamente iguales del tamaño deseado. De preferencia, la hebra forrada con termoplástico 10 se troza en pastillas 14 desde aproximadamente .635 cm (.25") hasta aproximadamente 5.08 cm (aproximadamente 2") de longitud. Opcionalmente, el extremo forrado con termoplástico 10 puede extraerse a través del aplicador de revestimiento de alambre por un extractor (no mostrado) ubicado corriente abajo del aplicador de revestimiento de alambre y antes de los medios del trozado. En forma alterna, los propios medios de trozado pueden adaptarse para realizar la función del extractor o para ayudar al extractor en extraer la hebra de fibras naturales aprestada a través del aplicador de revestimiento de alambre. Las pastillas resultantes 14 de preferencia varían en longitud desde aproximadamente .635 cm (.25") hasta aproximadamente 5.08 cm (aproximadamente 2") con la longitud más preferida que es de aproximadamente 1.27 cm (.5") hasta aproximadamente 2.54 cm (1") . Sin embargo,
las longitudes de las pastillas pueden ajustarse a longitudes mayores o longitudes más cortas según se requiera para las aplicaciones apropiadas. De acuerdo con esto, los tamaños de pastillas pueden seleccionarse para proporcionar la retención de longitud de fibra apropiada, así como proporcionar una relación de dimensiones próxima para equipo de procesamiento y manejo automatizado. Como se ilustra en la Figura 1, las pastillas 14 pueden recolectarse en una tolva 15 y almacenarse para procesamiento o empacado futuro, o pueden empacarse directamente al integrar un dispositivo de empaque en línea en la operación de formación (no mostrado) . Las pastillas formadas de acuerdo con la invención típicamente son de forma cilindrica, aunque la forma puede modificarse al cambiar la configuración de la matriz a través de la cual la hebra revestida con alambre se pasa después de que el forro de material termoplástico se aplica. La Figura 2 representa una pastilla 14 que tiene forma aproximadamente cilindrica, que comprende un forro circular 16 de material termoplástico que forma un recinto o recipiente alrededor de un núcleo 17 constituido por una pluralidad de filamentos de fibras naturales derivados de uno o más extremos de mecha. Una sección transversal de esta modalidad de las pastillas
formadas por la invención, como se ilustra en la Figura 3, indica que el núcleo 17 del filamento de fibras naturales está substancialmente circundado por el forro 16, de manera tal que el forro 16 proporciona una capa de material termoplástico que es de espesor substancialmente consistente alrededor del núcleo 17. Las pastillas pueden contener proporciones variantes, en peso del material de forro termoplástico. En una modalidad preferida, el material de forro termoplástico puede proporcionar toda la resina de moldeo empleada para formar la matriz compuesta durante moldeo de los materiales de moldeo para formar un artículo compuesto, tal como la formulación con una resina de moldeo adicional antes de que sea innecesario el moldeo. De acuerdo con esto, el espesor del forro termoplástico puede variarse para incrementar o disminuir la proporción del material termoplástico en un material moldeable. La presente invención además se relaciona a la fabricación de artículos compuestos reforzados con fibras a partir de los materiales moldeables de la invención, utilizando un proceso de moldeo seleccionado del moldeo por inyección, moldeo por compresión, moldeo por extrusión-compresión, moldeo de extrusión-inyección, moldeo de compresión-inyección o cualquier combinación de los mismos. Un proceso preferido para producir un
artículo compuesto reforzado con fibras, comprende moldear pastillas de la invención en un proceso de moldeo que comprende calentamiento y/o extrusión, para hacer el material moldeable termoformable y dispersar los segmentos de fibras naturales de las pastillas a través del material termoplástico. La mezcla de material termoplástico fundido y fibra luego se introduce en un molde conveniente por un proceso conocido convencionalmente, tal como inyección o extrusión, o de otra forma puede formarse o configurarse en un artículo y enfriarse. Durante el proceso de enfriamiento, la mezcla de material termoplástico fundido y segmentos de fibras naturales, se endurece en un compuesto resiliente y duro. EJEMPLOS Eiemplo 1. Método de apresto No acuoso. Bramante de sisal Comercial (bramante Baler sin tratar Ambraco 16000) con un peso de aproximadamente 3.50 gramos por metro (3.2 gramos por yarda) y aproximadamente un torcimiento por 2.54 cm (pulgada), fue empleado. El número de fibras de sisal en el bramante fue aproximadamente 120. Tres muestras de apresto no acuoso, muestras A-C, se prepararon: A. 1000 gramos de aceite mineral (WHITEREX 425) . B. 750 gramos de aceite mineral y 250 gramos de cera PP maleada PP (EPOLENE E-43) se combinaron
y calentaron a aproximadamente 150°C (302°F) con agitación. C. 675 gramos de aceite mineral, 225 gramos de cera maleada y 100 gramos de ácido esteárico, se combinaron y calentaron a aproximadamente
175°C (347°F) con agitación. . Una bola de bramante de sisal se desembobinó del interior y sumergió utilizando un baño de inmersión en cada uno de los aprestos y luego rebobinó en una máquina de bobinado. El apresto A se aplicó a temperatura ambiente, pero el apresto B y el apresto C se calentaron en el baño de apresto y aplicaron a temperatura elevada (100°C ± 20°C) (212°F ± 68°F) al sisal. La cantidad de apresto recolectado por sisal estuvo en el rango de aproximadamente 15 a 20% en peso, con base en el peso total de la hebra con apresto (a menos de que de otra forma se anote, todas las proporciones en los ejemplos aquí descritos se designan como porcentaje en peso, con base en el peso total de la hebra con apresto) . Los pequeños paquetes bobinados de bramante de sisal con apresto entonces están listos para ser revestidos con alambre como la siguiente etapa. Las fibras naturales con apresto se pasaron a través de una matriz de extrusión con cruceta (de revestimiento con alambre) con un orificio de salida con
diámetro de 3 mm conectado a un extrusor de 5.08 cm (2") Killion. Temperaturas de punto de referencia en el extrusor todas fueron de 225°C (437°F) . El extrusor se empleó para alimentar polipropileno fundido Huntsman P4C6Z-059 (MFI=35) que se ha mezclado en seco previamente con agente de acoplamiento polimérico al 2% Polybond 3200 alrededor de las fibras conforme pasan a través de la matriz. Después de salida de la matriz, la hebra revestida pasa inmediatamente en un baño de agua de 2 metros de largo que se mantiene a 10°C (50°F) y en un tirador de doble banda Killion 4-24. En este ejemplo, la velocidad del tirador se ajustó a .508 metros por segundo
(100 pies por minuto) y la salida del extrusor se ajustó para obtener una hebra con un peso de 10.93 gramos por metro (10 gramos por yarda) que se calculó da un contenido de fibras (seco) de 30% en peso. En este ejemplo, la hebra se alimentó directamente desde el extractor en un trozador Conair Jetro 2047 que cortó la hebra en pastillas de 12 mm de longitud adecuadas para alimentar en una máquina de moldeo por inyección. Las pastillas de cada una de las muestras A, B y C se pre-secaron durante la noche a 88°C (190°F) y luego moldearon por inyección, para formar discos utilizando una máquina de moldeo Van Dorn 300-RS-25. Temperaturas de punto de referencia de moldeo fueron
150°C-171°C (302°F-340°F) , velocidad de husillo D fue de 60 rpm (6.28 radianes por segundo) y contra presión de 551.58 kPa (80 psi). La cavidad de matriz tuvo un espesor de 3 mm y diámetro de 177 mm. La temperatura de matriz se ajustó a 88°C (190°F) . Los discos moldeados se evaluaron por examen visual . Se observó que todos los discos moldeados emitieron olores mínimos debido a las bajas temperaturas de moldeo. Adicionalmente, las fibras de sisal mantuvieron su color café claro natural, indicando que no más de un nivel mínimo de degradación ocurrió durante procesamiento . Disco A (moldeado de las pastillas de la muestra A) mostró claramente una colección de haces de fibras sin dispersar distribuidos en la matriz PP; con base en un estimado visual solo de aproximadamente 10% de las fibras se dispersaron en la matriz. El disco B mostró un alto nivel de dispersión. Se estimó que solo menos de aproximadamente 10% de los haces de fibras no se dispersaron en la matriz. El disco C mostró dispersión de fibras substancialmente completa, no estuvieron visibles haces. Eiemplo 2. Método de apresto acuoso. Un apresto acuoso que consiste de 21.5 gramos de gama-aminopropiltrietoxi silano y 100 gramos de emulsión PP maleada (CHEMCOR
43N40) se agregaron a agua desmineralizada tal que la cantidad final de apresto fue 8823 gramos. Los sólidos de mezcla se calcularon como 0.6% en peso. Una cantidad de 1135 gramos de bramante de sisal (mismo tipo que el Ejemplo 1) se desembobinó en una cubeta de plástico con capacidad de 18.93 litros (5 galones) . Se dejó suelta en la cubeta. El apresto acuoso se vació sobre el bramante de sisal y dejó que impregnara por 10 minutos. El extremo superior del sisal se encontró y el bramante se transfirió a mano y el apresto en exceso se exprimió conforme se transfería el bramante. El peso del sisal con apresto después del apresto fue 2853 gramos, lo que indicó que el sisal recogió aproximadamente 150% de su peso en la composición de apresto. Otros experimentos han mostrado que la cantidad de agua recogida por sisal cuando se sumerge en agua, es aproximadamente 150% del peso del sisal . La cubeta se colocó en un horno de aire forzado a 105°C (221°F) y el agua se retiró después de aproximadamente 30 horas de tiempo de secado. La cantidad de composición de apresto seca en el sisal seco fue aproximadamente 0.9% en peso. El sisal luego se revistió con alambre como se describe en el Ejemplo 1. Se considera que la invención de los solicitantes incluye muchas otras modalidades que aquí no se describen específicamente, de acuerdo con esto, esta
descripción no habrá de leerse como limitada a los ejemplos anteriores o modalidades preferidas.