MXPA99007351A - Panel estructural con nucleo de papel kraft entre capas delgadas metalicas - Google Patents

Abstract

Un panel estructural (10, 12, 30, 50, 70) comprende un compuesto de metal y papel en el que las capa superficiales de metal exterior (22, 32, 40, 52 y 60) tienen un espesor mínimo de .1 mm (.005") que excede la hojas delgadas metálicas y un espesor máximo preferido de .3 mm (.012"), mientras que el núcleo de papel (20, 36, 56) esta en la gama entre .1 mm (.01") y 1.3 mm (.005"), el panel es un substituto de peso ligero rígido para metales más gruesos y pueden reemplazar hojas de metal ligeras tales como aluminio con un compuesto en el que las capas superficiales de metal comprenden hojas a partir de metales más pesados tales como acero. El núcleo de papel (20, 36, 56) se une adhesivamente a las capas superficiales de metal y puede tener aberturas (62) para crear trayectorias para puentes adhesivos (64) entre las capas superficiales de metal (22, 32, 40, 52, 60) para minimizar la falla provocada por pandeo.

Description

PANEL ESTRUCTURAL CON NÚCLEO DE PAPEL KRAFT ENTRE CAPAS DELGADAS METÁLICAS CAMPO TÉCNICO Esta invención se refiere a laminar papel kraft entre hojas muy delgadas de metal y más particularmente se refiere a acero para producir una hoja compuesta que tiene mejorada rigidez con poco costo o peso adicional. TÉCNICA PREVIA Se emplean hojas de acero en una multitud de aplicaciones en donde la resistencia, durabilidad y facilidad de fabricación se requieren a bajo costo. Por ejemplo, se emplean hojas de acero en carrocerías vehiculares, artículos, muebles, construcción y empacado. Una medida importante del desempeño de una hoja de acero es su resistencia a deflexión elástica de otra forma conocido como rigidez . Para aplicaciones en donde alta rigidez se requiere, el espesor de la hoja de acero debe incrementarse proporcionalmente a los requerimientos de rigidez . El espesor de material extra proporciona resistencia adicional a deflexión elástica. Sin embargo, el incrementar el espesor de la hoja de acero impacta negativamente tanto en el costo como en el peso del producto final .

De esta manera, mientras que el costo del acero es significativamente menor que el costo del aluminio, el aluminio se ha vuelto al material de selección para aplicaciones en donde el peso del producto final es crítico. Se logran aún más reducciones en peso en materiales de construcción que comprenden paneles compuestos de aluminio que tienen un núcleo de polímero y capas superficiales de metal exterior hechas de hojas de aluminio. Estos paneles encuentran aplicación por ejemplo en la construcción de carrocerías de remolques vehiculares como se describe en las Patentes de los E.U.A. Nos. 4, 958,472 y 4, 940,279. Se ha reconocido que una proporción incrementada de resistencia-a-peso que se logra en estos paneles compuestos resulta de la separación física de las capas superficiales exteriores y que un material de relleno o material núcleo puede no ser requerido. En W096/23621, se propone el crear paneles huecos en donde se mantiene una separación entre dos hojas de acero por domos de forma hemisférica formados en una hoja de acero que se une por soldadura selectivamente a una hoja de acero adyacente. Por otra parte, el solicitante no sabe de propuesta alguna para mantener rigidez en paneles compuestos al substituir en forma alterna materiales núcleos por núcleos poliméricos. El solicitante tampoco sabe de propuesta alguna por crear paneles estructurales laminados en donde las capas superficiales exteriores se elaboran de acero. Aquellas aplicaciones en donde el metal laminado a papel se conocen e incluyen entre otras, tarjetas de cableado con revestimiento de metal para soportar componentes eléctricos tales como en la patente de los E.U.A. No. 4,314,002, en donde se emplea papel debido a su contribución a propiedades dieléctricas y no proporciona ventaja estructural. En otros laminados de metal y papel conocidos, tales como materiales de envoltura descritos en la patente de los E.U.A. No. 3,055,768 el metal es una hoja muy delgada de aluminio que no tiene utilidad estructural. Un objeto de esta invención es incrementar la rigidez del metal laminar para utilizar en aplicaciones estructurales del tipo previamente mencionado sin agregar excesivo costo o peso. DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN De acuerdo con esta invención, se proporciona un panel estructural que comprende capas superficiales exteriores de metal laminar que se laminan en un núcleo de papel . Las capas delgadas de metal son más gruesas que hojas delgadas metálicas y tienen un espesor mínimo de .1 mm (.005") . De preferencia, las capas superficiales de metal también son más delgadas que tarjetas y tienen un espesor máximo de .3 mm (.012"). El núcleo de papel "emparedado" entre las capas superficiales de metal es relativamente delgado y tiene un espesor mínimo de .2 mm (.01") y usualmente no excederá 1.3 mm (.05") . De preferencia, las capas superficiales de metal son de acero laminar y el núcleo de papel comprende una trama simple de papel kraft dentro de la cual hay una pluralidad de aberturas para crear trayectorias para puentear adhesivamente las capas superficiales exteriores y optimizar la resistencia a falla resultante por pandeo. DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS A fin de comprender mejor la invención, se describen modalidades preferidas a continuación con referencia a los dibujos acompañantes, en donde: La Figura 1 es una vista en sección transversal esquemática de una primer modalidad de la invención que comprende un núcleo de una sola capa de papel; La Figura 2 es una vista en sección transversal esquemática de una segunda modalidad de la invención que comprende un núcleo de papel de doble capa; La Figura 3 es una representación gráfica que muestra el espesor relativo de capas superficiales de metal y núcleos de papel para la invención (área sombreada) y la técnica previa (áreas no sombreadas) ; La Figura 4 es una representación gráfica de rigidez en una viga; La Figura 5 (trazada sobre la Figura 4) es una representación esquemática de la aplicación de una carga a una viga para medir la rigidez; La Figura 6 es una vista en perspectiva fragmentaria agrandada de un laminado de acuerdo con la invención, sin puentes adhesivos; La Figura 7 es una vista en perspectiva agrandada que se corta parcialmente de un laminado de acuerdo con la invención con puentes adhesivos; La Figura 8A es una representación esquemática de la aplicación de una carga a una viga para mostrar el eje neutro de doblado; La Figura 8B es una vista en planta de una trama de papel que muestra la dirección de la máquina de papel paralela al eje neutral de doblado; La Figura 9A es una vista en planta de una trama de papel que muestra la dirección de la máquina de papel perpendicular al eje neutro de doblado; La Figura 10 es una representación esquemática de un laminado (sin puentes adhesivos) de acuerdo con la invención, que exhibe una falla de pandeo superficial; La Figura 11 es una representación esquemática de un laminado que tiene puentes adhesivos bajo una carga de compresión y que resisten falla de pandeo o deformación superficial ; La Figura 12 es una representación gráfica que muestra la mejora en resistencia de un laminado elaborado de acuerdo con la invención con puentes adhesivos; Las Figuras 13 a 17 son representaciones gráficas que muestran la rigidez de diversos laminados elaborados de acuerdo con la invención y una hoja de aluminio; y La Figura 18 (trazada adyacente a la Figura 2) es una vista en sección transversal esquemática que muestra una aplicación de un laminado de acuerdo con la invención como la capa superficial exterior en asociación con un núcleo de polímero. MEJOR MODO PARA LLEVAR A CABO LA INVENCIÓN La deflexión elástica de una viga, placa u hoja es inversamente proporcional al momento de inercia creado por la viga, placa u hoja alrededor de su eje de deflexión. La rigidez elástica de una hoja de metal por lo tanto puede incrementarse substancialmente al aumentar el momento de inercia de una hoja de metal alrededor de su eje de deflexión. Convencionalmente, esto se realiza al incrementar el espesor de la hoja de metal. Una alternativa económica a incrementar el espesor de la hoja de metal, que se propone por esta invención, es laminar sucesivas hojas de papel kraft de bajo costo entre las hojas expuestas de metal, de esta manera aumentando el momento de inercia de la hoja compuesta e incrementando la rigidez de la hoja compuesta substancialmente . Las capas de papel pueden unirse entre sí y con las hojas de metal con un adhesivo que tenga la resistencia de unión necesaria y características mecánicas para evitar deslizamiento entre las capas de laminación o deslaminación de las capas de laminación de las hojas de metal. En su modalidad más simple, dibujado en la Figura 1, un panel estructural 10 de acuerdo con la invención comprende una trama sencilla de papel kraft 20 emparedada entre dos hojas de metal 22, el papel se une a las hojas de metal en sus lados respectivos con una capa de adhesivo. En forma alterna, el núcleo de papel puede comprender una pluralidad de tramas de papel 20 unidas adhesivamente entre sí y con las hojas de metal exterior 22, como se ilustra esquemáticamente por el panel estructural 12 mostrado en la Figura 2. Se entenderá que la unión de las tramas de papel en un núcleo de papel y la unión del núcleo de papel a las capas superficiales de metal puede proporcionarse por cualquier material adhesivo conveniente y por ejemplo puede incluir impregnación de resina del núcleo de papel.

Como se indicó anteriormente, la invención proporciona un medio para mantener rigidez mientras que se reduce peso, de esta manera permitiendo que se utilicen metales más delgados sin comprometer el desempeño. A manera de ejemplo, la descripción que sigue se dirige a laminados de hoja de metal y papel para mostrar que estos compuestos son alternativas viables a hojas de aluminio solas. Se entenderá que los laminados que comprenden hojas de metal diferentes a acero y papel se espera que exhiban mejoras proporcionales en rigidez sin el costo y peso adicionales de incrementar el espesor del metal . A fin de que la invención sea adecuada como un panel estructural, y para proporcionar beneficios económicos razonables, el solicitante ha determinado que las capas superficiales de material exterior, de preferencia tener un espesor en la gama entre .1 mm (.005") y .3 mm (.012"), mientras que el núcleo de papel tendrá un espesor mínimo de .2 mm (.01") y un espesor máximo de 1.3 mm (.05") . Un rango de producto cubierto por la invención se ilustra gráficamente por el área sombreada trazada en la Figura 3 mientras que las áreas en cajas sin sombrear muestran laminados de la técnica previa de metal y papel que se conocen por el solicitante. Se entenderá que el espesor mínimo de .1 mm (.005") es representativo del rango de espesores más bajo práctico al cual puede laminarse o enrrollarse la hoja de acero sin los costos adicionales de procesamiento de producir una así denominada hoja delgada metálica. Por favor note que todos los espesores se han determinado en unidades empíricas, el equivalente métrico se proporciona solo por conveniencia. La Tabla I que sigue muestra el espesor de hoja de aluminio requerida para proporcionar una rigidez equivalente para diversas combinaciones de hoja de acero y papel que tengan espesores que representan los extremos del área sombreada de la Figura 3. Tabla 1 ESPESOR DE HOJA PARA RIGIDEZ EQUIVALENTE Se observará que el espesor acumulativo del panel compuesto del tipo mostrado en la Figura 1, siempre es menos que el espesor de la hoja de aluminio que tiene rigidez equivalente. Cálculos simples serán suficientes para persuadir a aquellos con destreza en la especialidad que pueden lograrse ahorros enormes en costo sin la penalidad de peso usualmente atribuida a hojas de acero de rigidez equivalente. Se entenderá por aquellos con destreza en la especialidad que el término "rigidez" es una medida de la proporción de carga a deflexión o resistencia a doblado elástico o recuperable. Por claridad, una representación gráfica de rigidez se traza en la Figura 4 adyacente a una ilustración esquemática trazada en la Figura 5, que muestra la aplicación de una carga L a una viga de muestra B para producir una deflexión D. Experimentos selectos realizados por el solicitante se ilustran en la Tabla 2 y comprenden los ejemplos 1 a 5, cada uno que corresponde a una estructura laminada para la cual se mide la rigidez y compara con una hoja de aluminio que tiene un espesor de 1.6 mm (.062") . Los resultados se muestran gráficamente en las Figuras 13 a 17. El solicitante ha realizado numerosos experimentos para mostrar la utilidad del panel estructural propuesto de acuerdo con la invención como un substitutivo para la hoja de aluminio. Los experimentos se realizaron en paneles laminados en los cuales las capas superficiales de metal exterior son hojas de acero sin revestir de bajo contenido de carbón, con un espesor nominal de .2 mm (.0074") laminado a un núcleo que comprende una trama simple de cartón kraft. Estructuras ejemplares se muestran en las Figuras 6 y 7. En la Figura 6, el laminado generalmente se indica por el número de referencia 30 y comprende las siguientes capas secuenciales: una primer capa superficial exterior de hoja de acero 32, una primer capa de adhesivo 34, un núcleo de cartón kraft 36, una segunda capa adhesiva 38 y una segunda capa superficial exterior de acero laminar 40. Un laminado de este tipo se emplea en el ejemplo 2. El laminado utilizado en los ejemplos restantes 1, 3-5 generalmente se indica por el número de referencia 50 en la Figura 7 y similarmente, comprende las siguientes capas secuenciales: una primer capa superficial exterior de metal laminar 52, una primer capa de adhesivo 54, un núcleo de cartón kraft 56, una segunda capa adhesiva 58 y una segunda capa superficial exterior de metal laminar 60. Sin embargo, en esta estructura, el núcleo de cartón kraft 56 está perforado y tiene una matriz de abertura circular 62 punzonada del papel, cada abertura 62 tiene un diámetro nominal de 1 mm (que puede estar en el rango entre .5 y 2.0 mm) y está espaciada de aberturas adyacentes a aproximadamente a intervalos de 6.4 mm en direcciones longitudinal y transversa del núcleo de cartón kraft 56.

TABLA 2 15 Las aberturas 62 definen trayectorias para puentear adhesivamente las capas superficiales de metal exterior 52, 60 entre sí, puentes adhesivos 64 que comprenden columnas de material adhesivo orientadas transversalmente en las capas de adhesivo 34, 38, y conectadas integralmente con estas capas de adhesivo que se proporcionan para mantener la integridad de la estructura laminada. El núcleo de cartón 56 empleado en los ejemplos 1 a 5 se designa como papel kraft que significa que la pulpa para formar el papel se produce utilizando un proceso de sulfato, típicamente hidróxido de sodio cáustico y sulfuro de sodio para deslignificar trozos de madera con alta presión y temperatura en un digestor, que resulta en una pulpa con alto contenido de celulosa y mejor unión que el papel elaborado a partir de una pulpa mecánica. El cartón kraft se obtuvo de Westvaco Corporation y se vende en asociación con las marcas Kraftpak y D rasorb. Kraftpak y Durasorb. son marcas registradas de Westvaco Corporation.

Se apreciará que las fibras de celulosa alinearán en una "dirección en el sentido de la máquina" durante producción del papel y que la orientación del papel en los laminados es un factor que afectará la rigidez y resistencia de laminado. Los ejemplos muestran que los laminados exhiben mejor desempeño cuando la dirección de la máquina del papel kraft se alinea paralela con un eje neutro de doblado (Figura 8) que cuando la dirección de la máquina de papel kraft es perpendicular a un eje neutro de doblado (Figura 9) . Otro factor importante que afecta el desempeño del laminado es la presencia de puentes adhesivos 64. Sin el puenteado, la integridad del laminado es susceptible a falla, en particular de un defecto conocido como "pandeo", esquemáticamente mostrado en la Figura 10 y que resulta de un esfuerzo con presión en la capa superficial superior durante el doblado del laminado. Aquí, las fibras en el núcleo de papel se separan y hay una deslaminación local del papel. Esto en contraste con un modo de falla conocida como "arruga" en donde hay un pandeo localizado de la capa superficial exterior solamente y la longitud de onda del pandeo es del mismo orden de magnitud que el núcleo. Por espaciamiento selectivo de las aberturas 62 en el núcleo de cartón 56 de manera tal que se separen entre sí los puentes adhesivos 64 dentro de un rango estimado de longitudes de onda de pandeo como se ilustra esquemáticamente en la Figura 11, se puede optimizar la resistencia a falla del laminado resultante del pandeo. El desempeño mejorado que se logra en un laminado que tiene puentes adhesivos 64 del tipo dibujado en la Figura 7, cuando se compara con un laminado sin esos puentes adhesivos (Ejemplo 2) del tipo trazado en la Figura 6, se ilustra esquemáticamente en la Figura 12. Sin embargo, ya que la teoría de pandeo elástico ilustra que una longitud de pandeo depende de la geometría de muestra, el espaciamiento máximo requerido o las aberturas 62 tendrán que calcularse en una base caso-por-caso de acuerdo con la aplicación pretendida de laminado. Los ejemplos también muestran que el núcleo de cartón kraft puede impregnarse de manera óptima con resina para mejorar el desempeño (Figura 3) pero que el desempeño adecuado puede lograrse sin impregnación de resina (Ejemplo 1) y sin el costo asociado de esta impregnación. Como se indico anteriormente, la resina selecta también puede funcionar como un adhesivo. La naturaleza en el adhesivo también se espera que sea un factor que afectará el desempeño como se ilustra en los ejemplos 4 y 5, en donde se emplea un adhesivo basado en agua mientras que un adhesivo basado en uretano se utiliza en los ejemplos 1 a 3 restantes. APLICABILIDAD INDUSTRIAL Se apreciará que un panel estructural elaborado con un laminado de acuerdo con la invención se dimensionará de acuerdo con la aplicación pretendida y tendrá refuerzos donde se requiera para facilitar un montaje de dos paneles a una estructura subyacente tal como un bastidor. Se considera que un panel estructural de acuerdo con la invención encontrará aplicación cada vez que se utiliza metal laminar y que puede reemplazar esas hojas cada vez que se utilizan tanto con superficies esencialmente expuestas o si las mismas son parte de un panel compuesto 70 y unen a un núcleo de polímero suplementario 72, de manera tal que el panel compuesto de la invención define las capas superficiales exteriores 74. Esta estructura se ilustra esquemáticamente en la Figura 18. Diversas variaciones pueden realizarse a las modalidades anteriormente descritas de la invención dentro del alcance de las reivindicaciones anexas. Se apreciará que las capas superficiales de metal exteriores 22, 32, 40, 52 y 60 (pueden elaborarse a partir de metales diferentes a acero y pueden por ejemplo comprender aleaciones de cobre o aluminio. Las capas superficiales de metal también pueden comprender acero laminar seleccionado de los siguientes, acero laminar en frío, acero galvanizado, acero revestido con estaño y acero inoxidable, incluyendo piezas vaciadas con aleación de aluminio y zinc y revestimientos de pintura en estas hojas, sin limitación. Además, se entenderá que algunas hojas de metal pueden ser más convenientes que otras, como capas superficiales para utilizar en paneles estructurales, de acuerdo con la invención. Por ejemplo, se prevé que hoja galvanizada de un solo lado puede ser preferida en algunas aplicaciones en donde una superficie exterior, galvanizada se requiere para mejorar la resistencia a la intemperie y una superficie de acero plana interior, sin galvanizar o revestir, es conveniente para mejorada adhesión al núcleo de papel . El solicitante también prevé que las capas superficiales de metal exterior pueden comprender convenientemente hojas de acero galvanizadas que subsecuentemente se laminan en frío a un espesor aceptable mínimo para la aplicación pretendida sin recocido subsecuente alguno.

Claims (16)

1. REIVINDICACIONES 1.- Un laminado estructural, caracterizado porque comprende: primeras y segundas capas superficiales de metal laminar, cada una de las capas superficiales tiene un espesor de al menos .1 mm (.005"), un núcleo de papel dispuesto entre las capas superficiales de metal laminar, y el núcleo de papel se une a las capas superficiales de metal laminar.
2. 2. - Una laminado estructural de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el metal laminar se elige del grupo que consiste de acero laminado en frío, acero galvanizado, acero revestido con estaño y acero inoxidable .
3. 3. - Una laminado estructural de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el núcleo de papel se une adhesivamente a las capas superficiales de metal laminar.
4. 4. - Una laminado estructural de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las capas superficiales tienen espesores desde aproximadamente .1 mm (.005") a aproximadamente .3 mm (.012").
5. 5. - Una laminado estructural de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el núcleo de papel se impregna con una resina.
6. 6. - Una laminado estructural de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el núcleo de papel tiene un espesor de al menos aproximadamente .2 mm ( .01") .
7. 7. - Una laminado estructural de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el núcleo de papel tiene un espesor de aproximadamente .2 mm (.01") y 1.3 mm ( .05") .
8. 8. - Una laminado estructural de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el laminado es un panel estructural .
9. 9. - Una laminado estructural de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además incluye capas de adhesivo dispuestas entre el núcleo de papel y cada una de las capas superficiales.
10. 10.- Una laminado estructural de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el núcleo de papel es papel kraft .
11. 11.- Una laminado estructural de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el núcleo de papel es una trama sencilla de papel.
12. 12. - Una laminado estructural de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además incluye una pluralidad de canales que se extienden a través del núcleo de papel y que se extienden entre las capas superficiales de metal.
13. 13. - Una laminado estructural de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque los canales se llenan con adhesivo para formar puentes de adhesivo entre las capas superficiales de metal.
14. 14. - Una laminado estructural de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el núcleo de papel tiene un espesor de al menos aproximadamente .2 mm ( .01") .
15. 15. - Una laminado estructural de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el núcleo de papel es una pluralidad de tramas de papel unidos adhesivamente entre sí.
16. 16.- Método para formar un laminado estructural, caracterizado porque comprende: proporcionar primeras y segundas capas superficiales de metal laminar; cada una de las capas superficiales tienen un espesor de al menos aproximadamente .1 mm (.005"); proporcionar un núcleo de papel y unir adhesivamente el núcleo de papel con las capas superficiales de manera tal que el núcleo de papel se disponga entre las capas superficiales.