Plásticos reforzados con fibras
La aparición y el desarrollo de los materiales plásticos puede considerarse una de las grandes revoluciones del siglo pasado en lo referente a los materiales. Los avances conseguidos en los métodos de producción de estos materiales (que comportaron unos precios muy asequibles), unidos a sus excelentes características hicieron que fueran rápidamente aceptados y empleados por el sector de la industria y el de la construcción. El perfeccionamiento de estas características fue el siguiente paso en la consecución de materiales cada vez más adecuados a las necesidades productivas, y el refuerzo con fibras de los materiales plásticos es, sin duda, el mejor ejemplo de dicho perfeccionamiento.
Los plásticos reforzados con fibras (PRF) están compuestos por un polímero (también llamado la matriz) que junto a las cargas y aditivos forman la resina, y unas fibras determinadas.
Podemos clasificar los plásticos básicamente en termoplásticos y termoestables. Los primeros tienen las macromoléculas unidas por fuerzas de baja intensidad, que pueden ser rotas con un simple calentamiento, dando lugar al plástico fundido. En cambio, las macromoléculas de los plásticos termoestables están unidas por fuerzas que llegan a igualar las que unen a los propios átomos dentro de ellas mismas, por lo que se romperán antes de separarse. Esto conlleva que no pasen de estado sólido a líquido al incrementar la temperatura.
Las resinas líquidas termoestables consisten en una serie de precursores líquidos o semilíquidos, que deben curarse para alcanzar el estado sólido, por medios químicos, térmicos (altas temperaturas), o por medio de radiaciones (UV, gamma, electrones o microondas). Una vez curadas, tienen gran cantidad de enlaces cruzados, y no pueden volver a fundir sin sufrir una grave degradación. Las resinas más utilizadas son:
La importancia de las matrices epoxi está en la capacidad del radical epóxido para reaccionar con una gran variedad de otros radicales orgánicos y formar enlaces cruzados sin la aparición de un producto condensado. Las resinas epoxi se caracterizan por tener baja retracción, buen comportamiento a temperatura elevada (hasta 180 °C) y buena resistencia a los agentes químicos.
Podemos distinguir dos tipos principales de resinas epoxi, según la estructura química en la que se basan:
La diferencia entre la densidad de entrecruzamientos en el curado será la que determinará las diferentes propiedades de las resinas.
Además de estas dos, podemos encontrar otras resinas epoxi con características en función de las anteriores, como son las novolacas, las resinas epoxi trifuncionales y la resina epoxi bisfenol F
En las resinas epoxi es muy importante la elección del agente de curado, ya que éste determina las propiedades térmicas y mecánicas últimas de la resina. Hay tres tipos básicamente:
Constituyen la familia más importante de resinas termoestables utilizadas en materiales compuestos. El curado de estas resinas puede realizarse de múltiples maneras, con aditivos químicos, calentamiento o radiación. Además, la configuración y composición química de la resina poliéster endurecida determinan sus características y sus propiedades (flexibilidad, dureza, resistencia mecánica, química, etc.), de manera que mediante una elección acertada de dichos parámetros, podemos variar considerablemente las características de la resina elegida. En definitiva, las resinas de poliéster no saturado son el sistema más versátil, pudiendo ser adaptado a multitud de procesos y necesidades.
Como hemos dicho, dentro de esta familia hay gran variabilidad de propiedades, he aquí los rangos de valores que podemos encontrar:
Por otra parte, es posible encontrar matrices termoplásticos reforzadas con altas prestaciones. Estas matrices se han desarrollado con el doble objetivo de obtener materiales aptos para altas temperaturas que tengan elevada resistencia al impacto. El resultado de los avances en este campo son matrices más duras, con mayores resistencias que las termoestables y una menor absorción de agua. Además no tienen un tiempo determinado para su moldeo ni necesitan curado, lo que supone menores costes, y el proceso de reciclaje es más fácil.
Las matrices más importantes son el polieter eterketona (PEEK), el sulfuro de polifenileno (PPS) y la polieterimida (PEI), y la poliamidaimida (PAI). Sus características más relevantes son:
El PEEK es un material termoplástico parcialmente cristalino, que ofrece una combinación única de altas propiedades mecánicas, resistencia a la temperatura (rango de temperaturas de trabajo entre -60 °C y 250 °C) y excelente resistencia química. Otras características:
Al igual que el anterior, este material presenta propiedades termoplásticas incluso en el material compuesto final. Presenta una resistencia química y térmica sobresaliente (232 °C continuos) y una excelente resistencia a la baja temperatura. Además es inerte a la mayoría de los compuestos químicos en un amplio rango de temperaturas. Requiere alta temperatura para su proceso.
Características más importantes: Resistencia inherente a la llama, baja emisión de humos, resistencia a altas temperaturas por largo tiempo, estabilidad dimensional, estabilidad química e hidrolítica.
Esta matriz se moldea como un material termoplástico pero que tras el post curado presenta propiedades parcialmente termoestables, lo que permite aumentar la resistencia a altas temperaturas.
En la industria de los materiales compuestos se utilizan diferentes productos que pueden ser incorporados al material compuesto fibra-resina para aportar características particulares o reducir el coste del mismo. En general, establecemos la distinción entre cargas y aditivos según la cantidad: las cargas siempre se utilizan en mayores cantidades que los aditivos.
Podemos dividir las cargas en dos grandes grupos, las reforzantes y las no reforzantes, que buscan la disminución del costo global del material compuesto.
Entre las cargas reforzantes, las más utilizadas son las microesferas de vidrio, cuyo interés principal reside en su geometría que reparte regularmente los esfuerzos de las piezas, evitando de esta forma las concentraciones de tensiones. Como la relación superficie/volumen es mínima, no influyen mucho en la viscosidad de la resina, por lo que se pueden usar en porcentajes altos. Pueden ser macizas o huecas, y tienen un diámetro comprendido entre 10 y 150 micras.
En algunos casos concretos pueden emplearse otros tipos de microesferas, con características superiores a las de vidrio pero considerablemente más caras:
Entre las cargas no reforzantes, las más utilizadas son de origen mineral y se incorporan a la resina en proporciones compatibles con las características buscadas y el precio, que generalmente es bajo, debido a que estas cargas son simplemente extractos de rocas o minerales. Las más utilizadas son carbonatos, silicatos y sílices.
Además hay otra serie de cargas no reforzantes, entre las que destacan por su uso extendido las siguientes:
Los aditivos son sustancias empleadas en los PRF en menor cantidad que las cargas con el objeto de incrementar las prestaciones del material. Cada tipo de aditivo tiene generalmente la propiedad de intervenir en una sola característica específica, por lo que es común emplear más de un tipo de aditivo conjuntamente, siempre que sean compatibles. Sin embargo es necesario advertir que si empleamos demasiados aditivos a la vez corremos el riesgo de modificar otras propiedades del polímero base, por lo que es conveniente limitar el número de aditivos utilizados en una misma matriz.
Estos son los tipos de aditivos más empleados:
La fibra es el componente de refuerzo del material compuesto, por lo que las características del PRF (especialmente su resistencia mecánica, rigidez y dureza) van a estar muy determinadas por la fibra utilizada en su fabricación.
Estas son las fibras más utilizadas y sus características más importantes:
Esta es la fibra más empleada en los PRF, especialmente en aplicaciones industriales, debido a su gran disponibilidad, sus buenas características mecánicas y a su bajo coste.
Existe una gran variedad de fibras de vidrio disponibles en el mercado, en las que priman distintas características, entre las que destacan:
Y, por supuesto, también encontramos vidrios que aúnan dos o más de estas características. Las diferencias radican básicamente en los silicatos presentes en el vidrio, normalmente un silicato alcalino y uno alcalinotérreo.
Las principales características de la fibra de vidrio son:
El proceso de fabricación consiste en el estiramiento a muy alta temperatura, por tracción mecánica o por acción de fluidos en movimiento, de una veta de vidrio fundido y su inmediata solidificación.
Para muchas aplicaciones en las que la fibra de vidrio presenta una rigidez insuficiente, es necesario sustituirla por fibras de carbono, siempre que la gran diferencia de precio esté justificada.
Básicamente podemos encontrar tres tipos de fibras de carbono en el mercado:
Propiedades de la fibra de carbono:
Proceso de fabricación: las fibras de carbono se fabrican mediante pirólisis controlada y ciclización de precursores de cierta fibra orgánica, el más común de los cuales es el precursor poliacrilonitrilo (PAN), y el alquitrán. El primero es una fibra sintética, con una conversión en fibra entre el 50 y el 55 %, y el segundo se obtiene de la destilación destructiva del carbón, siendo este relativamente más barato.
Dentro de esta denominación se hallan incluidas otras como las fibras de polietileno de cadena alargada o las fibras de polímeros de líquido termotrópico cristalino, pero nos centraremos en las fibras de aramida, debido a su uso mayoritario y a sus excepcionales características.
Tipos de aramida:
Quizás la característica más llamativa de las aramidas es su alta resistencia al impacto, su gran tenacidad y su alta capacidad de absorción de energía, motivos por los cuales es usada incluso en chalecos antibala.
Sin embargo, podemos destacar estas otras características:
Y en cuanto a desventajas podemos destacar una baja resistencia a compresión y flexión, pérdidas de resistencia en presencia de humedad y baja adherencia a determinadas matrices, por ejemplo las termoplásticos; además, su precio es elevado en comparación con otras fibras.
La fibra de aramida se fabrica mediante un proceso de extrusión e hilado.
Los tres tipos de fibras anteriores son claramente los más utilizados. Sin embargo podemos referenciar aquí, más brevemente, otras fibras presentes en el mercado, con prestaciones más altas pero con costes prohibitivos en muchos casos.
Estas fibras surgen por la necesidad en sector aeroespacial de refuerzos para altas temperaturas. Además de esta resistencia, presentan altísimas prestaciones en cuanto a resistencia a tracción y estabilidad química. Sin embargo, su fabricación y manipulación es extremadamente complicada y costosa, por lo que su utilización se he limitado a este sector y a la industria metalmecánica, en hornos de carburizado para tratamientos termoquímicos, los cuales pueden llegar a alcanzar temperaturas de hasta 950 °C.
Dentro de las fibras cerámicas destacan los whiskers: fibras inorgánicas cortas de estructura perfectamente cristalina, con resistencias a tracción entre 3 y 14 GPa y módulos de elasticidad entre 400 y 700 GPa, además de una resistencia a altas temperaturas.
Son fibras obtenidas a partir de la deposición en substrato de wolframio o de carbono, siendo las primeras las más utilizadas, aunque únicamente en el sector espacial, militar o aeronáutico, debido a su elevado coste.
Destacan las siguientes propiedades:
Esta fibra ha sido utilizada con éxito como refuerzo de matrices orgánicas y cerámicas. Tiene un coste menos elevado que la de boro, por lo que se está utilizando en mayor medida que éste como refuerzo. El proceso de fabricación es bastante similar al de la fibra de boro. Estas son las propiedades más importantes:
A partir de cristales de cuarzo natural se forman filamentos. Alrededor de 200 filamentos combinados dan lugar a una fibra flexible y con alta resistencia. Se puede utilizar con la mayoría de las resinas. He aquí algunas de sus propiedades:
Tienen la desventaja de su densidad y coste, pues son más caras que la fibra de vidrio (a excepción del acero). Estas son las más utilizadas y sus principales características:
Las propiedades del PRF están determinadas por la matriz y las fibras empleadas, así como por las cargas o aditivos que pueda contener. Sin embargo, para ello es esencial asegurar una correcta unión entre los refuerzos y la matriz, de manera que su resistencia y rigidez sea transmitida al material compuesto. El comportamiento a fractura también depende de la resistencia de la interfase.
Una interfase débil da como resultado un material con baja rigidez y resistencia, pero alta resistencia a la fractura, mientras que una interfase fuerte resulta en un material rígido y resistente, pero con una frágil resistencia a la fractura.
En relación con la interfase es importante considerar la impregnabilidad. Ésta se define como la capacidad de un líquido de extenderse por una superficie sólida. En algunas etapas de la fabricación del material compuesto, la matriz se debe comportar como un líquido, por lo que una buena impregnabilidad significará que la matriz fluirá perfectamente por la superficie del refuerzo y desplazara todo el aire. Un buen impregnado se dará cuando la viscosidad de la matriz no sea muy alta y cuando exista un descenso de la energía libre del sistema
Además, en la unión de la interfase pueden darse varios tipos de unión:
Dada la gran cantidad de fibras y matrices disponibles, se pueden conseguir una variedad inmensa de combinaciones que podrán adecuarse a las necesidades de cada caso.
Para dicho fin, es necesario tener en cuenta los cinco elementos que determinan las características de un PRF: fibras, matriz, cargas, aditivos e interfaz fibra-matriz, comprobando su compatibilidad dadas sus características individuales. Para ello es habitual hacer ensayos de los PRF antes de su utilización. Sin embargo, se tiene bastante experiencia sobre el comportamiento de algunas combinaciones particulares, dada su extensa aplicación, por lo que para dichas combinaciones puede no ser resultar necesario un ensayo tan exhaustivo como en otros casos.