Plástico reforzado con fibra

El plástico reforzado con fibra (FRP; también llamado polímero reforzado con fibra, o en inglés americano fibra) es un Material compuesto formado por una matriz polimérica reforzada con fibras. Las fibras suelen ser de vidrio (en fibra de vidrio), de carbono (en polímero reforzado con fibra de carbono), de aramida o de basalto. En raras ocasiones se han utilizado otras fibras como papel, madera, boro o amianto. El polímero suele ser un plástico termoestable de epoxi, éster vinílico o poliéster, aunque todavía se utilizan resinas de fenol formaldehído.

Los FRP se utilizan comúnmente en las industrias aeroespacial, automotriz, marina y de la construcción. Se encuentran comúnmente en armaduras balísticas y cilindros para aparatos respiratorios autónomos.

Historia

Bakelite fue el primer plástico reforzado con fibra. Leo Baekeland había establecido originalmente para encontrar un reemplazo de shellac (hecho de la excreción de errores de laboratorio). Los químicos habían comenzado a reconocer que muchas resinas naturales y fibras eran polímeros, y Baekeland investigó las reacciones de fenol y formaldehído. Primero produjo un cáscara de fenol-formaldehído soluble llamado "Novolak" que nunca se convirtió en un éxito del mercado, luego se volvió a desarrollar un aglutinador para el asbesto que, en ese momento, fue moldeado con caucho. Al controlar la presión y la temperatura aplicadas a fenol y formaldehído, encontró en 1905 que podría producir su sueño de material moldeable duro (el primer plástico sintético del mundo): el panadero. Anunció su invención en una reunión de la American Chemical Society el 5 de febrero de 1909.

El desarrollo de plástico reforzado con fibra para uso comercial se estaba investigando extensamente en la década de 1930. En el Reino Unido, se realizaron considerables investigaciones por parte de pioneros como Norman de Bruyne. Es particularmente interesante para la industria de la aviación.

La producción en masa de hilos de vidrio se descubrió en 1932, cuando Games Slayter, un investigador de Owens-Illinois, dirigió accidentalmente un chorro de aire comprimido a una corriente de vidrio fundido y produjo fibras. En 1933 se solicitó por primera vez una patente para este método de producción de lana de vidrio. Owens se unió a la empresa Corning en 1935 y Owens Corning adaptó el método para producir su producto patentado de "fibra de vidrio" (uno) en 1936. Originalmente, la fibra de vidrio era una lana de vidrio con fibras que atrapaban una gran cantidad de gas, lo que la hacía útil como aislante, especialmente a altas temperaturas.

Una resina adecuada para combinar los "fibreglas" con un plástico para producir un material compuesto, fue desarrollada en 1936 por du Pont. El primer ancestro de resinas modernas de poliéster es la resina de Cyanamid de 1942. Para entonces se utilizaron sistemas de curado de peroxido. Con la combinación de fibras y resina el contenido de gas del material fue reemplazado por plástico. Esto redujo las propiedades de aislamiento a valores típicos del plástico, pero ahora por primera vez el compuesto mostró gran fuerza y promesa como material estructural y de construcción. Confusamente, muchos compuestos de fibra de vidrio siguieron siendo llamados "fibreglass" (como nombre genérico) y el nombre también se utilizó para el producto de lana de vidrio de baja densidad que contiene gas en lugar de plástico.

A Ray Greene de Owens Corning se le atribuye la producción del primer barco compuesto en 1937, pero no continuó adelante en ese momento debido a la naturaleza frágil del plástico utilizado. En 1939, se informó que Rusia había construido un barco de pasajeros con materiales plásticos y Estados Unidos un fuselaje y alas de avión. El primer automóvil que tuvo una carrocería de fibra de vidrio fue el Stout Scarab de 1946. Sólo se construyó uno de este modelo. El prototipo Ford de 1941 podría haber sido el primer coche de plástico, pero existe cierta incertidumbre sobre los materiales utilizados, ya que fue destruido poco después.

El primer avión de plástico reforzado con fibra fue el Fairchild F-46, que voló por primera vez el 12 de mayo de 1937, o el Bennett Plastic Plane, construido en California. Se utilizó un fuselaje de fibra de vidrio en un Vultee BT-13A modificado, designado XBT-16, con base en Wright Field a finales de 1942. En 1943, se llevaron a cabo más experimentos para construir piezas estructurales de aviones a partir de materiales compuestos, lo que dio como resultado el primer avión, un Vultee BT-15. , con un fuselaje de GFRP, designado XBT-19, que voló en 1944. Republic Aviation Corporation había realizado un desarrollo significativo en las herramientas para componentes de GFRP en 1943.

La producción de fibra de carbono comenzó a finales de la década de 1950 y se utilizó, aunque no ampliamente, en la industria británica hasta principios de la década de 1960. En esta época también se producían fibras de aramida, que aparecieron por primera vez con el nombre comercial Nomex de DuPont. Hoy en día, cada una de estas fibras se utiliza ampliamente en la industria para cualquier aplicación que requiera plásticos con resistencia o cualidades elásticas específicas. Las fibras de vidrio son las más comunes en todas las industrias, aunque los compuestos de fibra de carbono y fibra de carbono-aramida se encuentran ampliamente en aplicaciones aeroespaciales, automotrices y deportivas. Estas tres (vidrio, carbono y aramida) siguen siendo las categorías importantes de fibra utilizadas en FRP.

La producción mundial de polímeros en la escala actual comenzó a mediados del siglo XX, cuando los bajos costos de material y producción, las nuevas tecnologías de producción y las nuevas categorías de productos se combinaron para hacer que la producción de polímeros fuera económica. La industria finalmente maduró a finales de los años 1970, cuando la producción mundial de polímeros superó la del acero, convirtiendo a los polímeros en el material omnipresente que son hoy. Los plásticos reforzados con fibra han sido un aspecto importante de esta industria desde el principio.

Definición del proceso

Un polímero generalmente se fabrica mediante polimerización de crecimiento escalonado o polimerización por adición. Cuando uno o más polímeros se combinan con varios agentes para mejorar o alterar de alguna manera las propiedades del material, el resultado se denomina plástico. Los plásticos compuestos se refieren a aquellos tipos de plásticos que resultan de unir dos o más materiales homogéneos con diferentes propiedades materiales para obtener un producto final con ciertos materiales y propiedades mecánicas deseadas. Los plásticos reforzados con fibra son una categoría de plásticos compuestos que utilizan específicamente materiales de fibra para mejorar mecánicamente la resistencia y elasticidad de los plásticos.

El material plástico original sin refuerzo de fibra se conoce como matriz o agente aglutinante. La matriz es un plástico resistente pero relativamente débil que está reforzado por filamentos o fibras de refuerzo más rígidos. El grado en que se mejoran la resistencia y la elasticidad en un plástico reforzado con fibras depende de las propiedades mecánicas tanto de la fibra como de la matriz, su volumen entre sí y la longitud y orientación de la fibra dentro de la matriz. El refuerzo de la matriz ocurre por definición cuando el material FRP exhibe una mayor resistencia o elasticidad en relación con la resistencia y elasticidad de la matriz sola.

Descripción del proceso

El FRP implica dos procesos distintos, el primero es el proceso mediante el cual se fabrica y forma el material fibroso, el segundo es el proceso mediante el cual los materiales fibrosos se unen a la matriz durante el moldeo.

Fibra

Fabricación de tejido de fibra

La fibra de refuerzo se fabrica en orientaciones bidimensionales y tridimensionales:

1. El polímero reforzado de fibra de vidrio de dos dimensiones se caracteriza por una estructura laminada en la que las fibras sólo se alinean a lo largo del plano en la dirección x y la dirección y del material. Esto significa que no hay fibras alineadas en el espesor de la vía o la dirección z, esta falta de alineación en el espesor puede crear una desventaja en el coste y el procesamiento. Los costos y el aumento de la mano de obra porque las técnicas convencionales de procesamiento utilizadas para fabricar compuestos, como la colocación de mano húmeda, el autoclave y el moldeo por transferencia de resina, requieren una gran cantidad de mano de obra calificada para cortar, apilar y consolidar en un componente preformado.
2. Los compuestos de polímeros reforzados con fibra de vidrio tridimensional son materiales con estructuras de fibra tridimensional que incorporan fibras en la dirección x, la dirección y la dirección z. El desarrollo de las orientaciones tridimensionales surgió de la necesidad de la industria de reducir los costos de fabricación, aumentar las propiedades mecánicas a través de la enfermedad, y mejorar la tolerancia al daño al impacto; todos fueron problemas asociados con polímeros reforzados con fibra bidimensional.

Fabricación de preformas de fibra

Las preformas de fibra son la forma en que se fabrican las fibras antes de unirse a la matriz. Las preformas de fibra se fabrican a menudo en láminas, esteras continuas o como filamentos continuos para aplicaciones de pulverización. Las cuatro formas principales de fabricar la preforma de fibra son mediante técnicas de procesamiento textil de tejido, tejido, trenzado y costura.

1. El tejido se puede hacer de forma convencional para producir fibras bidimensionales, así como en un tejido multicapa que puede crear fibras tridimensionales. Sin embargo, el tejido multicapa requiere múltiples capas de hilos warp para crear fibras en la dirección z, creando algunas desventajas en la fabricación, es decir, el tiempo para configurar todas las hilos warp en el telar. Por lo tanto, la mayoría de tejido multicapa se utiliza actualmente para producir productos de ancho relativamente estrecho, o productos de alto valor donde el costo de la producción preforma es aceptable. Otro de los principales problemas que enfrenta el uso de telas tejidas multicapa es la dificultad de producir una tela que contenga fibras orientadas al otro que ángulos rectos.
2. La segunda forma importante de fabricar preformas de fibra es Braiding. El trenzado se adapta a la fabricación de tejidos planos o tubulares de ancho estrecho y no es tan capaz de tejer en la producción de grandes volúmenes de tejidos anchos. El trenzado se hace sobre las mandriles que varían en forma transversal o dimensión a lo largo de su longitud. El trenzado se limita a objetos de un ladrillo de tamaño. A diferencia del tejido estándar, el trenzado puede producir tejido que contiene fibras en ángulos de 45 grados uno al otro. Las fibras tridimensionales de freno se pueden hacer utilizando el freno de cuatro pasos, dos pasos o Multicapa. El trenzado de cuatro pasos o filas y columnas utiliza una cama plana que contiene hileras y columnas de portadores de hilo que forman la forma del preforma deseado. Los transportistas adicionales se añaden al exterior del array, cuya ubicación y cantidad precisas dependen de la forma y estructura exactas preformadas. Hay cuatro secuencias separadas de movimiento de fila y columna, que actúan para entrelazar los hilos y producir la preforma trenzada. Los hilos se ven forzados mecánicamente a la estructura entre cada paso para consolidar la estructura, ya que una caña se utiliza en tejido. El trenzado de dos pasos es diferente al proceso de cuatro pasos porque el proceso de dos pasos incluye un gran número de hilos fijos en la dirección axial y un menor número de hilos trenzados. El proceso consiste en dos pasos en los que los portadores de trenzado se mueven completamente a través de la estructura entre los transportistas axiales. Esta secuencia relativamente simple de movimientos es capaz de formar preformas de esencialmente cualquier forma, incluyendo formas circulares y huecas. A diferencia del proceso de cuatro pasos, el proceso de dos pasos no requiere compactación mecánica: los movimientos involucrados en el proceso permiten que el trenzado sea apretado solo por la tensión del hilo. El último tipo de trenzado es el trenzado multicapa que consiste en una serie de trenzas circulares estándar que se unen para formar un marco de trenzado cilíndrico. Este marco tiene una serie de pistas de trenzado paralelas alrededor de la circunferencia del cilindro, pero el mecanismo permite la transferencia de portadores de hilo entre pistas adyacentes formando un tejido trenzado multicapa con hilos entrelazados a capas adyacentes. El trenzado multicapa braid difiere tanto de las trenzas de cuatro pasos como de dos pasos en que los hilos entrelazados están principalmente en el plano de la estructura y por lo tanto no reducen significativamente las propiedades del preforme. Los procesos de cuatro pasos y dos pasos producen un mayor grado de interconexión a medida que los hilos trenzados viajan a través del grosor del preforme, pero por lo tanto contribuyen menos al rendimiento del preforme. Una desventaja del equipo multicapa es que debido al movimiento sinusoidal convencional de los portadores de hilo para formar el preforme, el equipo no es capaz de tener la densidad de portadores de hilos que es posible con las máquinas de dos pasos y cuatro pasos.
3. Los preformas de fibra de agarre se pueden hacer con los métodos tradicionales de Warp y [Weft] Knitting, y el tejido producido es considerado a menudo por muchos como tejido bidimensional, pero las máquinas con dos o más camas de aguja son capaces de producir tejidos multicapa con hilos que atraviesan entre las capas. Los desarrollos en controles electrónicos para la selección de agujas y transferencia de bucles de punto, y en los sofisticados mecanismos que permiten mantener áreas específicas del tejido y controlar su movimiento, han permitido que el tejido se forme en la forma preforma tridimensional necesaria con un mínimo de desperdicio de material.
4. La puntuación es, sin duda, la más simple de las cuatro técnicas principales de fabricación textil y una que se puede realizar con la menor inversión en maquinaria especializada. La costura básica consiste en insertar una aguja, llevando el hilo de punto, a través de una pila de capas de tela para formar una estructura 3D. Las ventajas de coser son que es posible coser tejido seco y prepreg, aunque la tackiness del prepreg dificulta el proceso y generalmente crea más daño dentro del material prepreg que en el tejido seco. Stitching también utiliza los tejidos bidimensionales estándar que se utilizan comúnmente dentro de la industria compuesta, por lo que hay un sentido de familiaridad con los sistemas materiales. El uso de la tela estándar también permite un mayor grado de flexibilidad en la estructura del componente que es posible con los otros procesos textiles, que tienen restricciones en las orientaciones de la fibra que se pueden producir.

Procesos de formación

Generalmente se utiliza una estructura rígida para establecer la forma de los componentes de FRP. Las piezas se pueden colocar sobre una superficie plana denominada "placa de calafateo" o sobre una estructura cilíndrica denominada "mandril". Sin embargo, la mayoría de las piezas de plástico reforzado con fibra se crean con un molde o "herramienta". Los moldes pueden ser moldes hembra cóncavos, moldes macho o el molde puede encerrar completamente la pieza con un molde superior e inferior.

El proceso de moldeo de plásticos FRP comienza colocando la preforma de fibra sobre o dentro del molde. La preforma de fibra puede ser fibra seca o fibra que ya contiene una cantidad medida de resina llamada "preimpregnado". Las fibras secas se "mojan" con resina ya sea a mano o la resina se inyecta en un molde cerrado. Luego se cura la pieza, dejando la matriz y las fibras con la forma creada por el molde. A veces se utiliza calor y/o presión para curar la resina y mejorar la calidad de la pieza final. Los diferentes métodos de formación se enumeran a continuación.

Moldeado de vejiga

Se colocan láminas individuales de material preimpregnado en un molde de estilo femenino junto con una vejiga en forma de globo. El molde se cierra y se coloca en una prensa calentada. Finalmente, se presuriza la vejiga forzando las capas de material contra las paredes del molde.

Moldeo por compresión

Cuando la materia prima (bloque de plástico, bloque de caucho, lámina de plástico o gránulos) contiene fibras de refuerzo, una pieza moldeada por compresión se considera un plástico reforzado con fibras. Más típicamente, la preforma de plástico utilizada en el moldeo por compresión no contiene fibras de refuerzo. En el moldeo por compresión, una "preforma" o "carga", de SMC, BMC se coloca en la cavidad del molde. Se cierra el molde y se forma y se expande el material. curado en su interior mediante presión y calor. El moldeo por compresión ofrece excelentes detalles para formas geométricas que van desde patrones y detalles en relieve hasta curvas complejas y formas creativas, hasta ingeniería de precisión, todo en un tiempo de curado máximo de 20 minutos.

Autoclave y bolsa de vacío

Se colocan láminas individuales de material preimpregnado en un molde abierto. El material se cubre con una película antiadherente, material de purga/respiración y una bolsa de vacío. Se aplica vacío a una parte y se coloca todo el molde en un autoclave (recipiente a presión calentado). La pieza se cura con vacío continuo para extraer los gases atrapados en el laminado. Este es un proceso muy común en la industria aeroespacial porque permite un control preciso sobre el moldeo debido a un ciclo de curado largo y lento que dura entre una y varias horas. Este control preciso crea las formas geométricas exactas del laminado necesarias para garantizar la resistencia y la seguridad en la industria aeroespacial, pero también es lento y requiere mucha mano de obra, lo que significa que los costos a menudo lo limitan a la industria aeroespacial.

Envoltura de mandril

Las hojas de material prepreg se envuelven alrededor de una mandril de acero o aluminio. El material prepreg se compacta mediante cinta de nylon o polipropileno. Las partes son típicamente lote curado por el envasado de vacío y colgando en un horno. Después de la cura, el cello y el mandril se eliminan dejando un tubo de carbono hueco. Este proceso crea tubos de carbono huecos fuertes y robustos.

Wet layup

El conformado por laminado húmedo combina el refuerzo de fibra y la matriz a medida que se colocan en la herramienta de conformado. Las capas de fibra de refuerzo se colocan en un molde abierto y luego se saturan con una resina húmeda vertiéndola sobre la tela y trabajando en ella. Luego se deja el molde para que la resina se cure, generalmente a temperatura ambiente, aunque a veces se usa calor para asegurar un curado adecuado. A veces se utiliza una bolsa de vacío para comprimir una bandeja húmeda. Las fibras de vidrio se utilizan con mayor frecuencia para este proceso; los resultados se conocen ampliamente como fibra de vidrio y se utilizan para fabricar productos comunes como esquís, canoas, kayaks y tablas de surf.

Pistola helicóptero

Se empujan hebras continuas de fibra de vidrio a través de una pistola manual que corta las hebras y las combina con una resina catalizada como el poliéster. El vidrio cortado impregnado se dispara sobre la superficie del molde en cualquier espesor y diseño que el operador humano considere apropiado. Este proceso es bueno para grandes tiradas de producción a un costo económico, pero produce formas geométricas con menos resistencia que otros procesos de moldeo y tiene poca tolerancia dimensional.

Bobinado de filamento

Las máquinas tiran de los haces de fibras a través de un baño húmedo de resina y los enrollan sobre un mandril de acero giratorio en orientaciones específicas. Las piezas se curan a temperatura ambiente o a temperaturas elevadas. Se extrae el mandril, quedando una forma geométrica final aunque se puede dejar en algunos casos.

Pultrusión

Los haces de fibras y las telas cortadas se pasan a través de un baño húmedo de resina y se les da la forma de la pieza rugosa. El material saturado se extruye desde una matriz cerrada calentada y se cura mientras se tira continuamente a través de la matriz. Algunos de los productos finales de la pultrusión son formas estructurales, es decir, vigas, ángulos, canales y láminas planas. Estos materiales se pueden utilizar para crear todo tipo de estructuras de fibra de vidrio, como escaleras, plataformas, sistemas de pasamanos, tanques, tuberías y soportes de bombas.

Moldeo por transferencia de resina

También llamada infusión de resina. Las telas se colocan en un molde en el que luego se inyecta resina húmeda. Normalmente, la resina se presuriza y se fuerza a entrar en una cavidad que está al vacío en el moldeo por transferencia de resina. La resina se introduce completamente en la cavidad bajo vacío en un moldeo por transferencia de resina asistido por vacío. Este proceso de moldeado permite tolerancias precisas y formas detalladas, pero a veces puede no saturar completamente la tela, lo que genera puntos débiles en la forma final.

Ventajas y limitaciones

El FRP permite la alineación de las fibras de vidrio de los termoplásticos para adaptarse a programas de diseño específicos. Especificar la orientación de las fibras de refuerzo puede aumentar la resistencia a la deformación del polímero. Los polímeros reforzados con vidrio son más fuertes y más resistentes a las fuerzas deformantes cuando las fibras del polímero son paralelas a la fuerza que se ejerce, y son más débiles cuando las fibras son perpendiculares. Por tanto, esta capacidad es a la vez una ventaja o una limitación dependiendo del contexto de uso. Los puntos débiles de las fibras perpendiculares se pueden utilizar para bisagras y conexiones naturales, pero también pueden provocar fallas en el material cuando los procesos de producción no logran orientar adecuadamente las fibras paralelas a las fuerzas esperadas. Cuando se ejercen fuerzas perpendiculares a la orientación de las fibras, la resistencia y elasticidad del polímero es menor que la de la matriz sola. En componentes de resina fundida hechos de polímeros reforzados con vidrio como UP y EP, la orientación de las fibras se puede orientar en tejidos bidimensionales y tridimensionales. Esto significa que cuando las fuerzas son posiblemente perpendiculares a una orientación, son paralelas a otra orientación; esto elimina la posibilidad de que se formen puntos débiles en el polímero.

Modos de fallo

La falla estructural puede ocurrir en materiales FRP cuando:

• Las fuerzas tensiles estiran la matriz más que las fibras, lo que hace que el material se cubra en la interfaz entre matriz y fibras.
• Las fuerzas tensiles cerca del final de las fibras exceden las tolerancias de la matriz, separando las fibras de la matriz.
• Las fuerzas tensiles también pueden superar las tolerancias de las fibras provocando que las propias fibras se fracturan provocando fallas materiales.

Requisitos de materiales

Un material de matriz de polímero termoestable, o un material de matriz de polímero termoplástico de grado de ingeniería, debe cumplir ciertos requisitos para ser primero adecuado para los FRP y garantizar un refuerzo exitoso del mismo. La matriz debe poder saturarse adecuadamente y preferiblemente unirse químicamente con el refuerzo de fibra para una máxima adhesión dentro de un período de curado adecuado. La matriz también debe envolver completamente las fibras para protegerlas de cortes y muescas que reducirían su resistencia y para transferir fuerzas a las fibras. Las fibras también deben mantenerse separadas entre sí para que, si se produce una falla, se localice lo más posible, y si se produce una falla, la matriz también debe despegarse de la fibra por razones similares. Finalmente, la matriz debe ser de un plástico que permanezca química y físicamente estable durante y después de los procesos de refuerzo y moldeado. Para ser adecuados como material de refuerzo, los aditivos de fibras deben aumentar la resistencia a la tracción y el módulo de elasticidad de la matriz y cumplir las siguientes condiciones; las fibras deben exceder el contenido crítico de fibra; la resistencia y rigidez de las fibras mismas deben exceder la resistencia y rigidez de la matriz sola; y debe haber una unión óptima entre las fibras y la matriz.

Fibra de vidrio

"Plásticos reforzados con fibra de vidrio" o los FRP (comúnmente denominados simplemente fibra de vidrio) utilizan fibras de vidrio de calidad textil. Estas fibras textiles son diferentes de otras formas de fibras de vidrio que se utilizan para atrapar aire deliberadamente y para aplicaciones aislantes (ver lana de vidrio). Las fibras de vidrio textiles comienzan como combinaciones variables de SiO₂, Al₂O₃, B₂O ₃, CaO o MgO en forma de polvo. Luego, estas mezclas se calientan mediante fusión directa a temperaturas de alrededor de 1300 grados Celsius, después de lo cual se utilizan matrices para extruir filamentos de fibra de vidrio con un diámetro que oscila entre 9 y 17 μm. Luego, estos filamentos se enrollan en hilos más grandes y se hilan en bobinas para su transporte y procesamiento posterior. La fibra de vidrio es, con diferencia, el medio más popular para reforzar el plástico y, por lo tanto, disfruta de una gran cantidad de procesos de producción, algunos de los cuales son aplicables también a las fibras de aramida y carbono debido a sus cualidades fibrosas compartidas.

Roving es un proceso en el que los filamentos se hilan en hilos de mayor diámetro. Estos hilos se utilizan comúnmente para telas y esteras de vidrio de refuerzo y en aplicaciones de pulverización.

Los tejidos de fibra (pantalla de vidrio, etc) son materiales de refuerzo de telas de forma web que tienen direcciones warp y weft. Las esteras de fibra son esteras no tejidas en la web de fibras de vidrio. Las mantas se fabrican en dimensiones cortadas con fibras cortadas o en colchones continuos con fibras continuas. El vidrio de fibra picada se utiliza en procesos donde se cortan longitudes de hilos de vidrio entre 3 y 26 mm, los hilos se utilizan en plásticos más comúnmente destinados a procesos de moldeo. Los hilos cortos de fibra de vidrio son hilos cortos de 0,2–0,3 mm de fibras de vidrio que se utilizan para reforzar los termoplásticos más comúnmente para el moldeo por inyección.

Fibra de carbono

Las fibras de carbono se crean cuando las fibras de poliacrilonitrilo (PAN), las resinas de brea o el rayón se carbonizan (mediante oxidación y pirólisis térmica) a altas temperaturas. Mediante procesos adicionales de grafitización o estiramiento, se puede mejorar la resistencia o elasticidad de las fibras, respectivamente. Las fibras de carbono se fabrican en diámetros análogos a las fibras de vidrio con diámetros que oscilan entre 4 y 17 µm. Estas fibras se enrollan en hilos más grandes para el transporte y procesos de producción posteriores. Otros procesos de producción incluyen tejer o trenzar telas, telas y esteras de carbono análogas a las descritas para el vidrio que luego pueden usarse en refuerzos reales.

Fibra de aramida

Las fibras de aramida se conocen más comúnmente como Kevlar, Nomex y Technora. Las aramidas generalmente se preparan mediante la reacción entre un grupo amina y un grupo haluro de ácido carboxílico (aramida). Comúnmente, esto ocurre cuando se hila una poliamida aromática a partir de una concentración líquida de ácido sulfúrico hasta obtener una fibra cristalizada. Luego, las fibras se hilan en hilos más grandes para tejer grandes cuerdas o tejidos (aramida). Las fibras de aramida se fabrican con distintos grados según su resistencia y rigidez, de modo que el material se pueda adaptar para cumplir requisitos de diseño específicos, como cortar el material resistente durante la fabricación.

Ejemplos de combinaciones de polímero y refuerzo

Aplicaciones

Los plásticos reforzados con fibra son los más adecuados para cualquier programa de diseño que exija ahorro de peso, ingeniería de precisión, tolerancias definidas y simplificación de las piezas tanto en la producción como en el funcionamiento. Las fibras proporcionan resistencia y rigidez al material, mientras que la matriz polimérica mantiene unidas las fibras y transfiere cargas entre ellas. Los compuestos de FRP tienen una amplia gama de aplicaciones en diversas industrias debido a su combinación única de propiedades, incluida una alta relación resistencia-peso, resistencia a la corrosión y flexibilidad de diseño. Un producto de polímero moldeado es más barato, más rápido y más fácil de fabricar que un producto de acero o aluminio fundido, y mantiene tolerancias y resistencias del material similares y, a veces, mejores.

Polímeros reforzados con fibra de carbono

Timón del Airbus A310

• Las ventajas sobre un timón tradicional fabricado a partir de chapa de aluminio son:
  • 25% de reducción de peso
  • Reducción del 95% en componentes combinando piezas y formas en piezas moldeadas más simples.
  • La reducción general de los costos de producción y de funcionamiento, la economía de las partes da lugar a menores costos de producción y los ahorros de peso crean ahorros de combustible que reducen los costos operacionales del avión.

Polímeros reforzados con fibra de vidrio

Los colectores de admisión del motor están fabricados de PA 66 reforzado con fibra de vidrio.

• Las ventajas que tiene sobre los manifolds de aluminio fundido son:
  • Hasta un 60% de reducción de peso
  • Mejor calidad de la superficie y aerodinámica
  • Reducción de componentes combinando piezas y formas en formas moldeadas más simples.

Pedales de embrague y acelerador para automóviles fabricados con PA 66 reforzado con fibra de vidrio (DWP 12–13)

• Las ventajas sobre el aluminio estampado son:
  • Las pedaleas se pueden moldear como unidades individuales que combinan tanto los pedales como los vínculos mecánicos simplificando la producción y operación del diseño.
  • Las fibras pueden orientarse para reforzarse contra tensiones específicas, aumentando la durabilidad y la seguridad.

Las ventanas, puertas y fachadas de aluminio se aíslan térmicamente mediante el uso de plásticos aislantes térmicos fabricados con poliamida reforzada con fibra de vidrio. En 1977, Ensinger GmbH produjo el primer perfil aislante para sistemas de ventanas.

Aplicaciones estructurales

El FRP se puede aplicar para reforzar vigas, columnas y losas de edificios y puentes. Es posible aumentar la resistencia de los miembros estructurales incluso después de que hayan sufrido daños graves debido a las condiciones de carga. En el caso de miembros de hormigón armado dañados, esto requeriría primero la reparación del miembro eliminando los escombros sueltos y rellenando las cavidades y grietas con mortero o resina epoxi. Una vez reparado el miembro, el fortalecimiento se puede lograr mediante la colocación manual y húmeda de láminas de fibra impregnadas con resina epoxi, aplicadas a las superficies limpias y preparadas del miembro.

Por lo general, se adoptan dos técnicas para el refuerzo de vigas, dependiendo de la mejora de resistencia deseada: refuerzo por flexión o refuerzo por corte. En muchos casos puede ser necesario proporcionar ambas mejoras de fuerza. Para el refuerzo por flexión de una viga, se aplican láminas o placas de FRP a la cara tensada del miembro (la cara inferior para un miembro simplemente apoyado con carga superior aplicada o carga por gravedad). Las principales fibras de tracción están orientadas paralelas al eje longitudinal de la viga, de forma similar a su refuerzo interno de acero a flexión. Esto aumenta la resistencia de la viga y su rigidez (carga requerida para causar la deflexión unitaria), pero disminuye la capacidad de deflexión y la ductilidad.

Para el refuerzo de corte de una viga, el FRP se aplica en el alma (lados) de un miembro con fibras orientadas transversalmente al eje longitudinal de la viga. La resistencia a las fuerzas de corte se logra de manera similar a los estribos de acero internos, puenteando las grietas de corte que se forman bajo la carga aplicada. El FRP se puede aplicar en varias configuraciones, dependiendo de las caras expuestas del miembro y el grado de fortalecimiento deseado, esto incluye: unión lateral, envolturas en U (chaquetas en U) y envolturas cerradas (envolturas completas). La unión lateral implica aplicar FRP únicamente a los lados de la viga. Proporciona la menor cantidad de refuerzo al corte debido a fallas causadas por la desunión de la superficie del concreto en los bordes libres de FRP. Para las envolturas en U, el FRP se aplica continuamente en forma de "U". forma alrededor de los lados y la cara inferior (tensión) de la viga. Si todas las caras de una viga son accesibles, es deseable el uso de envolturas cerradas ya que proporcionan la mayor mejora de resistencia. El envoltorio cerrado implica la aplicación de FRP en todo el perímetro del elemento, de forma que no queden extremos libres y el modo de fallo típico sea la rotura de las fibras. Para todas las configuraciones de envoltura, el FRP se puede aplicar a lo largo del miembro como una hoja continua o como tiras discretas, con un ancho y espaciado mínimos predefinidos.

Las losas se pueden reforzar aplicando tiras de FRP en su cara inferior (tensión). Esto dará como resultado un mejor rendimiento a la flexión, ya que la resistencia a la tracción de las losas se complementa con la resistencia a la tracción del FRP. En el caso de vigas y losas, la efectividad del refuerzo con FRP depende del desempeño de la resina elegida para el pegado. Esto es particularmente un problema para el refuerzo por corte mediante unión lateral o envolturas en U. Las columnas generalmente están envueltas con FRP alrededor de su perímetro, como en el caso de una envoltura cerrada o completa. Esto no sólo da como resultado una mayor resistencia al corte, sino que, lo que es más importante para el diseño de la columna, da como resultado una mayor resistencia a la compresión bajo carga axial. La envoltura de FRP funciona restringiendo la expansión lateral de la columna, lo que puede mejorar el confinamiento de manera similar a como lo hace el refuerzo en espiral para el núcleo de la columna.

Cable del ascensor

En junio de 2013, la compañía de ascensores KONE anunció el uso de Ultrarope como reemplazo de los cables de acero en los ascensores. Sella las fibras de carbono en polímero de alta fricción. A diferencia del cable de acero, Ultrarope fue diseñado para edificios que requieren hasta 1000 m (3300 pies) de elevación. Los ascensores de acero alcanzan un máximo de 500 m (1600 pies). La empresa estimó que en un edificio de 500 m (1600 pies) de altura, un ascensor utilizaría un 15% menos de energía eléctrica que una versión con cable de acero. En junio de 2013, el producto había superado todas las pruebas de certificación de la Unión Europea y Estados Unidos.

Consideraciones de diseño

El FRP se utiliza en diseños que requieren una medida de resistencia o módulo de elasticidad para los cuales los plásticos no reforzados y otras opciones de materiales no son adecuados, ya sea mecánica o económicamente. La consideración principal de diseño para usar FRP es garantizar que el material se use de manera económica y de una manera que aproveche sus características estructurales específicas, pero este no siempre es el caso. La orientación de las fibras crea una debilidad del material perpendicular a las fibras. Por tanto, el uso de refuerzo de fibras y su orientación afecta a la resistencia, rigidez, elasticidad y, por tanto, a la funcionalidad del propio producto final. Orientar las fibras de forma unidireccional, bidimensional o tridimensional durante la producción afecta la resistencia, flexibilidad y elasticidad del producto final. Las fibras orientadas en la dirección de las fuerzas aplicadas muestran una mayor resistencia a la distorsión causada por estas fuerzas, por lo que las áreas de un producto que deben resistir fuerzas se reforzarán con fibras orientadas paralelas a las fuerzas, y las áreas que requieren flexibilidad, como las bisagras naturales, tendrán Fibras orientadas perpendicularmente a las fuerzas.

Orientar las fibras en más dimensiones evita este escenario de uno u otro y crea objetos que buscan evitar cualquier debilidad específica debido a la orientación unidireccional de las fibras. Las propiedades de resistencia, flexibilidad y elasticidad también pueden magnificarse o disminuirse mediante la forma geométrica y el diseño del producto final. Por ejemplo, garantizar el espesor de pared adecuado y crear formas geométricas multifuncionales que se puedan moldear como una sola pieza mejora la integridad estructural y del material del producto al reducir los requisitos de juntas, conexiones y herrajes.

Preocupaciones sobre la eliminación y el reciclaje

Como subconjunto del plástico, los plásticos FR están sujetos a una serie de problemas y preocupaciones en la eliminación y el reciclaje de residuos plásticos. Los plásticos plantean un desafío particular en el reciclaje porque se derivan de polímeros y monómeros que a menudo no se pueden separar y devolver a su estado virgen. Por esta razón, no todos los plásticos se pueden reciclar para su reutilización; de hecho, algunas estimaciones afirman que sólo entre el 20 % y el 30 % de los plásticos se pueden reciclar. Los plásticos reforzados con fibra y sus matrices comparten estas preocupaciones medioambientales y de eliminación. La investigación sobre métodos de eliminación seguros ha conducido a dos variaciones principales que implican la aplicación de calor intenso: en una, los aglutinantes se queman -en el proceso recuperando parte del costo del material hundido en forma de calor- y los elementos incombustibles se capturan mediante filtración; en el otro, el material incombustible se quema en un horno de cemento, convirtiéndose las fibras en parte integrante del material fundido resultante. Además de las preocupaciones sobre la eliminación segura, el hecho de que las fibras en sí sean difíciles de extraer de la matriz y conservarlas para su reutilización significa que los FRP amplifican estos desafíos. Los FRP son inherentemente difíciles de separar en materiales base, es decir, en fibra y matriz, y la matriz es difícil de separar en plásticos, polímeros y monómeros utilizables. Todas estas son preocupaciones para el diseño ambientalmente informado hoy en día. Los plásticos suelen ofrecer ahorros energéticos y económicos en comparación con otros materiales. Además, con la llegada de nuevas matrices más respetuosas con el medio ambiente, como los bioplásticos y los plásticos degradables por rayos UV, el FRP ganará sensibilidad medioambiental.