Comprender el plástico reforzado con fibra

Hoy en día, el uso de plásticos reforzados con fibra en productos y aplicaciones ha aumentado drásticamente debido a sus diversas propiedades. Son una clase relativamente nueva de materiales livianos, no corrosivos y de alta resistencia. el componente principal es plástico que contiene fibras como vidrio (en fibra de vidrio), carbono (en polímero reforzado con fibra de carbono), aramida o basalto. También se utilizan otras fibras como el papel, la madera o el asbesto, pero no son comunes.

Los plásticos o polímeros reforzados con fibra (FRP) se usan comúnmente en las industrias aeroespacial, automotriz, marina y de la construcción. Todo esto se explicará con más detalle en este artículo.

Hoy profundizaremos para ver la definición, las aplicaciones, los componentes, las propiedades, los tipos, el proceso de formación y los requisitos de materiales de los plásticos reforzados con fibra. También conoceremos sus ventajas y desventajas.

¿Qué son los plásticos reforzados con fibra?

Los plásticos reforzados con fibra (FRP), también llamados polímeros reforzados con fibra, se clasifican como plásticos compuestos que utilizan específicamente materiales de fibra para aumentar mecánicamente la elasticidad y la resistencia del plástico. Consisten en una matriz de polímero, que es el plástico original (generalmente resistente pero débil). El material se mezcla con material de refuerzo para producir un producto final con el material o las propiedades mecánicas deseadas. ¡Vamos a entender esto en detalle!

Convencionalmente, un polímero generalmente se forma mediante el proceso de polimerización o polimerización por adición. Se puede combinar con varios agentes para mejorar o aumentar sus propiedades materiales, a las que luego se les puede denominar plásticos. Los plásticos compuestos son tipos de plásticos que resultan de dos o más materiales homogéneos con diferentes propiedades materiales para obtener un producto final con ciertas propiedades mecánicas y materiales deseadas. Un buen ejemplo de un plástico compuesto es el plástico reforzado con fibra porque los materiales de fibra se utilizan para mejorar mecánicamente la resistencia y la elasticidad de los plásticos. El polímero suele ser un éster de vinilo, o un plástico termoendurecible de poliéster, epoxi, también se utilizan resinas de fenol-formaldehído.

Aplicaciones de un plástico reforzado con fibra

A continuación se muestran las aplicaciones de FRP en varios campos.

Industria del automóvil

El plástico reforzado con fibra se ha convertido en la sustitución del metal en las carrocerías de los automóviles de lujo modernos y en los revestimientos de las carrocerías de camiones y remolques. Esto se debe a que son casi de la misma resistencia pero de diferente peso; además, una alta relación resistencia-peso es el santo grial para la industria automotriz. Los FRP tienen puntos de fractura más altos que el acero y son un material fuerte, rígido y liviano que mejora el consumo de combustible al tiempo que aumenta la velocidad. El material se moldea fácilmente para formar los componentes deseados. La utilización de este plástico compuesto es dramáticamente alta en este campo.

Un tipo de plástico reforzado con fibra, como los FRP de vidrio, se utiliza para componentes del motor como el colector de admisión. Esto reduce hasta un 60% de su peso y agiliza el diseño. Aunque, los FRP de vidrio son más débiles y se pueden doblar fácilmente en comparación con los FRP de carbono.

Bienes de consumo

Hoy en día, en nuestra vida diaria, es más fácil cargar el equipo, sobre todo para los deportistas. Esto se debe a que el carbono y otros plásticos reforzados con fibra se utilizan para fabricar productos. Casi el 6% de los FRP se utilizan para producir bienes de consumo. Otros artículos como instrumentos musicales o sus componentes, armas de fuego, tiendas de campaña y trípodes para cámaras también se han beneficiado de estos materiales.

Equipo de protección

Cuando se utilizan compuestos conocidos como aramidas en los FRP, se produce un material con una resistencia térmica y de impacto extremadamente alta. Se obtiene una resistencia mecánica excepcional cuando se utiliza. Por eso es perfecto para fabricar trajes a prueba de balas y resistentes al fuego, vehículos de protección contra explosiones y estructuras.

Industria de la construcción

El campo de la construcción ha tomado alrededor del 20% del plástico reforzado con fibra, incluidos puentes y carreteras. La aplicación de FRP en la construcción se puede usar para reacondicionar losas, columnas o vigas de estructuras existentes. Esto mejora su capacidad de carga o repara daños. El plástico reforzado con fibra es extremadamente rentable y útil cuando se trata de equipar estructuras más antiguas que soportan cargas mucho mayores de las que fueron diseñadas para soportar.

Los FRP también se utilizan para fabricar estructuras de carreteras como letreros, barandas, sistemas de drenaje y cubiertas de puentes. Auto skyways, postes de servicios públicos y tuberías de gas, agua y alcantarillado también aprovechan el material. Los FRP pueden ser perfectos para construir casas prefabricadas, pero se usan popularmente para muebles de oficina domésticos y comerciales, electrodomésticos, piscinas, canaletas para lluvia, equipos de baño y accesorios de tubería y campanas.

Industria energética

Se espera que la demanda de FRP crezca más del 300 % en aplicaciones industriales y energéticas. Especialmente en componentes electrónicos y eléctricos.

La mayoría de los FRP son buenos aislantes eléctricos, toleran productos químicos ambientales resistentes, incluidos los corrosivos, y pueden resistir la degradación por el calor. Además, son relativamente no inflamables, tienen una buena integridad estructural e incluso pueden tolerar la radiación ultravioleta. Los FRP de vidrio no son magnéticos y también pueden resistir las chispas, lo que los hace útiles en los componentes de energía.

Finalmente, los plásticos reforzados se utilizan para construir palas de aerogeneradores y para los módulos de almacenamiento de los tanques de gas.

Aplicaciones aeroespaciales

Las aplicaciones de FRP en el campo aeroespacial están aumentando debido a los menores costos ambientales y al mayor desarrollo. Las fibras de carbono en los FRP reducen el peso en un 25 %, pero aseguran una resistencia igual o mayor que las láminas de aluminio. Ofrecen una buena resistencia a la tracción y pueden tolerar entornos hostiles y temperaturas extremadamente altas. Aunque se expanden poco con el calor y poseen una gran rigidez.

La aplicación de FRP en la industria aeroespacial es inicialmente costosa, pero aun así, ahorre más dinero ya que cada gramo de peso adicional se reduce debido al efecto sobre el consumo de combustible, la duración y los costos del viaje, la seguridad aerodinámica, etc.

Con carbono-FRP, las piezas complejas se pueden moldear fácilmente, lo que reduce el número de piezas en un sorprendente 95 %. Esto hace que la producción sea más sencilla, económica y rápida en comparación con otros materiales como el acero o el aluminio fundido. Los aviones gigantes modernos están fabricados con más de un 50 % de carbono-FRP; piezas como las palas de rotor de helicóptero en drones de gama alta también se fabrican cada vez más con este material.

Infraestructura marina

El polímero reforzado con fibra se ha convertido en el sustituto ideal de la madera, en los barcos o en entornos marítimos frente al mar. Esto ayuda a obtener un peso estructural reducido y mejorar la resistencia a la corrosión. Otras aplicaciones incluyen calzadas flotantes y plataformas para bases marítimas y puentes rodantes.

Componentes de materiales compuestos

A continuación se muestran los componentes que componen el plástico reforzado con fibra.

Fibras:

Una fibra elegida normalmente controla las propiedades de los materiales compuestos. Los tres tipos principales de fibras utilizadas en la construcción incluyen carbono, vidrio y aramida. A menudo recibe su nombre de la fibra de refuerzo, por ejemplo, CFRP para polímero reforzado con fibra de carbono. Las propiedades más comunes e importantes que diferencian los tipos de fibra son la tensión de tracción y la rigidez.

Matrices

La matriz puede transferir fuerzas entre las fibras y las protegerá de efectos perjudiciales. Las resinas termoendurecibles se utilizan casi exclusivamente en esta situación. Las matrices más comunes son viniléster y epoxi. Bueno. El epoxi suele preferirse al viniléster, pero también es más costoso. Las matrices epoxi tienen una vida útil de alrededor de 30 minutos a 20 grados centígrados, pero se pueden cambiar con diferentes formulaciones. Tiene buena fuerza, adherencia, propiedades de fluencia y resistencia química.

Fig. 2:Fiber Plus Matrix produce FRP

Además, el material plástico original sin refuerzo de fibras se conoce como matriz o aglutinante. Esta matriz es un plástico duro y también relativamente débil que está reforzado por filamentos o fibras de refuerzo más fuertes y rígidos. El nivel de resistencia y elasticidad que se mejora en un plástico reforzado con fibra depende de las propiedades mecánicas tanto de la matriz como de la fibra. También se consideran su volumen relativo entre sí y la longitud y orientación de las fibras dentro de la matriz. El refuerzo de la matriz ocurre por definición cuando el material FRP muestra una mayor resistencia o elasticidad en relación con la resistencia y la elasticidad de la matriz sola.

Propiedades comunes de los plásticos reforzados con fibra

Tal como se mencionó anteriormente, las características de los plásticos reforzados con fibra dependen de factores como las propiedades mecánicas de la matriz y la fibra. El volumen de ambos y su longitud, y orientación de las fibras en la matriz.

La razón por la que los FRP son ampliamente considerados es por su bajo peso, pero son increíblemente fuertes y tienen buena fatiga. Además, sus impactos y propiedades de compresión son una razón única. Esta es la razón por la cual las industrias del motor pudieron reemplazar los metales con materiales más livianos para no solo hacer que los automóviles sean más resistentes, sino también más rápidos y eficientes en combustible.

Los plásticos reforzados con fibra también demuestran propiedades eléctricas distintivas y una resistencia ambiental de alto grado, junto con un buen aislamiento térmico, integridad estructural, resistencia al fuego, estabilidad a la radiación UV y resistencia a los productos químicos y corrosivos. Bueno, todo esto se mencionó anteriormente.

Requisitos de materiales o materiales de fibras comunes

A continuación se muestran las fibras utilizadas para obtener un tipo específico de polímero reforzado.

Vidrio:

el vidrio que actúa como un buen aislante forma fibra de vidrio o plásticos reforzados con vidrio cuando se combina con la matriz. Los plásticos reforzados con vidrio son beneficiosos para la industria energética ya que no tienen campo magnético y son resistentes a las chispas eléctricas. Se incorporan a los colectores de admisión del motor, donde ofrecen una reducción del peso del 60 % en comparación con los colectores de aluminio fundido. Finalmente, se obtiene una mejora en la calidad de la superficie y la aerodinámica de estos materiales.

El FRP de vidrio también se ha utilizado en pedales de acelerador y embrague en automóviles, ya que se pueden moldear en una sola unidad. Las fibras están orientadas de manera que soportan tensiones específicas, aumentando la durabilidad y la seguridad. Sin embargo, estos materiales reforzados no son fuertes, rígidos ni frágiles como los materiales reforzados con fibra de carbono. Puede ser costoso de producir.

Carbono

Los materiales de fibra de carbono exhiben alta resistencia a la tracción, resistencia química, rigidez y tolerancia a la temperatura. Los átomos de carbono crean cristales que se encuentran a lo largo del eje de la fibra, lo que ayuda a fortalecer los materiales al aumentar la relación fuerza/volumen. Tal como se explicó anteriormente, los plásticos reforzados con fibra de carbono se utilizan en artículos deportivos, planeadores, cañas de pescar, etc.

Se han incorporado FRP de carbono en los timones de un Airbus A310, lo que ha ayudado a disminuir su número de componentes en un 95%. Las piezas moldeadas simples han reducido el costo de producción y los costos operativos. Ahora son un 25 % más ligeros que los fabricados con chapa de aluminio, lo que los hace más eficientes en el consumo de combustible.

Aramidas

Las aramidas se clasifican como poliamidas sintéticas formadas a partir de monómeros aromáticos (moléculas en forma de anillo). Esto demuestra una gran resistencia al calor, razón por la cual se utilizan para prendas a prueba de balas y resistentes al fuego.

Las aramidas generalmente se preparan mediante la reacción entre un grupo amina y un grupo haluro de ácido carboxílico (aramida). Esto existe cuando una poliamida aromática se hila a partir de una concentración líquida de ácido sulfúrico en una fibra cristalizada. Luego, las fibras se hilan en hilos más grandes para tejer en grandes cuerdas o telas tejidas. Las fibras de aramida se pueden fabricar en diversos grados en función de la resistencia y la rigidez, de modo que el material pueda cumplir requisitos de diseño específicos, como cortar el material resistente durante la fabricación.

Tipos de polímero reforzado con fibra (FRP)

A continuación se muestran los principales tipos de polímeros reforzados con fibra.

Polímero reforzado con fibra de vidrio (GFRP)

Las fibras de vidrio están hechas de arena de sílice, piedra caliza, ácido fólico y algunos otros ingredientes menores mezclados. Esta mezcla se calienta hasta que se derrita a unos 1260 ⁰ C. Se permite que el vidrio fundido fluya a través de finos orificios en una placa de platino. Los hilos de vidrio se enfrían, se juntan y se enrollan. Luego, las fibras se pueden estirar para aumentar su resistencia dimensional. Luego se teje en varias formas para su uso en compuestos.

Las fibras de vidrio se consideran como el refuerzo predominante para los compuestos de matriz polimérica, basados ​​en una composición de borosilicato de aluminio y cal. Esto se debe a sus altas propiedades de aislamiento eléctrico, altas propiedades mecánicas y baja susceptibilidad.

En general, el vidrio es una buena fibra resistente a los impactos, pero pesa más que el carbono o la aramida. Las fibras de vidrio tienen excelentes características iguales o mejores que el acero en ciertas formas.

Barras de polímero reforzado con fibra de vidrio

Polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP)

En un polímero o plástico reforzado con fibra de carbono, es seguro un alto módulo de elasticidad de aproximadamente 200-800 GPa. El alargamiento extremo es de 0,3-2,5 %, donde el menor alargamiento corresponde a la mayor rigidez y viceversa.

Las fibras de carbono son resistentes a muchas soluciones químicas y no absorben agua. También pueden soportar la fatiga de manera excelente y no se corroen ni muestran fluencia o relajación.

Barras de polímero reforzado con fibra de carbono

Polímero reforzado con fibra de aramida (AFRP)

La aramida también se conoce como poliamida aromática. Una marca comercial muy conocida de fibras de aramida se llama Kevlar, pero existen otros productos como Twaron, Technora y SVM. El módulo de las fibras oscila entre 70 y 200 GPA con un alargamiento final de 1,5 a 5 % según la calidad. La aramida tiene una alta energía de fractura, por lo que puede usarse para cascos y prendas antibalas.

AFRP es sensible a temperaturas elevadas, humedad y radiación UV y no es común en aplicaciones de ingeniería civil. Por último, las fibras de aramida tienen problemas de relajación y corrosión bajo tensión.

Propiedades de diferentes tipos de FRP en comparación con el acero

El proceso de formación de plástico reforzado con fibra

La mayoría de las piezas de plástico reforzado con fibra se fabrican con un molde o una herramienta. El molde utilizado puede ser un molde hembra cóncavo, un molde macho o la pieza puede estar completamente encerrada con un molde superior o inferior. Pero generalmente se usa una estructura rígida para establecer la forma de los componentes de FRP. las piezas se pueden colocar sobre superficies planas que se conocen como "placa de calafate" o sobre una estructura cilíndrica denominada "mandril".

Los procesos de moldeo de plásticos reforzados con fibra se logran colocando la preforma de fibra sobre o dentro del molde. Esta preforma de fibra puede ser fibra seca o fibra que ya contiene una cantidad medida de resina conocida como "prepreg". Las fibras secas se humedecen con resina a mano o la resina se inyecta en un molde cerrado. En este punto, la pieza se cura, dejando la matriz y las fibras exactamente con la forma del molde. Otra forma de curar la resina y mejorar la calidad de la pieza final es mediante el uso de calor y/o presión.

Mire los videos a continuación para obtener más información sobre el proceso de formación de plásticos reforzados con fibra:

A continuación se muestran los diversos métodos para formar plástico reforzado con fibra.

Moldeo vesical:

Este proceso de formación es cuando las láminas individuales de material preimpregnado se colocan en un molde de estilo hembra junto con una vejiga en forma de globo. Luego se cerrará el molde y se colocará en una prensa calentada. Finalmente, la vejiga se presuriza forzando la capa de material contra las paredes del molde.

Moldeo por compresión:

Una pieza moldeada por compresión se conoce como plástico reforzado con fibra. Entonces, cuando una materia prima como bloque de plástico, bloque de goma, lámina de plástico o gránulos, se llama así. El uso de preformas de plástico en el moldeo por compresión no contiene fibras de refuerzo. En este moldeado, se coloca una preforma o carga de SMC o BMC en la cavidad del molde. Luego se cierra el molde y el material se forma y se cura en el interior usando calor y presión. El moldeo por compresión es conocido por sus excelentes detalles para formas geométricas que van desde detalles de relieve y patrones hasta curvas complejas y formas creativas, hasta ingeniería de precisión.

Autoclave y bolsa de vacío:

Cada hoja de material preimpregnado se coloca en un molde abierto, que luego se cubre con una película desprendible, material de purga o ventilación y una bolsa de vacío. Se aplica vacío a la pieza y el molde se coloca en un autoclave, también conocido como recipiente de presión de calor. La pieza se cura con un vacío continuo para extraer los gases atrapados del laminado. Este proceso es común en la industria aeroespacial porque ofrece un control preciso sobre el moldeado debido a un ciclo de curado largo y lento. El tiempo oscila entre una y varias horas. Este control preciso ayuda a crear las formas geométricas laminadas exactas necesarias para garantizar la resistencia y la seguridad en la industria aeroespacial. Sin embargo, es lento y requiere mucha mano de obra, es decir, el costo a menudo lo limita a la industria aeroespacial.

Envoltura de mandril:

En este proceso de formación de plástico reforzado con fibra, las láminas de material preimpregnado se envuelven alrededor de un mandril de acero o aluminio. Este material preimpregnado se compacta con cinta de celofán de polipropileno o nailon. Las piezas se curan por lotes mediante embolsado al vacío y colgadas en un horno. Después de realizar el curado, la cinta de violonchelo y el mandril se retiran dejando una cinta de carbón hueca. Esto ayuda a crear tubos de carbono huecos fuertes y robustos.

Disposición húmeda:

Este proceso de formación combina el refuerzo de fibra y la matriz a medida que se colocan en la herramienta de formación. Las capas de fibra de refuerzo se colocan en un molde abierto, que luego se satura con una resina húmeda al verterla sobre la tela y trabajarla en la tela. El molde se dejará durante algún tiempo para que la resina se cure, generalmente a temperatura ambiente. Aunque a veces se puede usar calor para asegurarse de que se cure correctamente. Se utiliza una bolsa de vacío para comprimir una capa húmeda. Las fibras de vidrio son las más comunes para este proceso, cuyo resultado se conoce como fibra de vidrio. Se utiliza para fabricar productos como esquís, canoas, tablas de surf, etc.

Moldeo por transferencia de resina:

Este proceso de formación de plástico reforzado con fibra también se denomina infusión de resina. Las telas se colocan en un molde en el que se inyecta resina húmeda. La resina normalmente se presuriza y se fuerza en una cavidad que está bajo vacío en el moldeo por transferencia de resina. La resina se introduce por completo en la cavidad al vacío en el moldeo por transferencia de resina asistido por vacío. Este proceso asegura una tolerancia precisa y una forma detallada. Aunque a veces no logra saturar completamente la tela, lo que genera manchas en la forma final.

Devanado de filamento:

En este proceso, hay máquinas que pasan haces de fibra 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, dejando una forma geométrica final, aunque se deja en algunas situaciones.

Pultrusión:

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

Pistola picadora:

Se empujan hilos continuos de fibra de vidrio a través de una pistola manual que corta los hilos y los une con una resina catalizada como el poliéster. Luego, el vidrio picado impregnado se dispara sobre la superficie del molde con el grosor y el diseño apropiados que el operador humano considere correctos. El proceso de chopper gun es ideal para grandes series de producción a un costo económico, pero produce formas geométricas con menos fuerza que otros procesos de moldeo y tiene poca tolerancia dimensional.

Ventajas y desventajas del plástico reforzado con fibra

Ventajas:

A continuación se muestran las ventajas de los plásticos reforzados con fibra en sus diversas aplicaciones.

• FRPs tiene alta resistencia
• Tienen un alto módulo de elasticidad
• Son más ligeros
• La alta resistencia al fallo por fatiga es otro beneficio excelente.
• Tienen buena resistencia a la corrosión.
• La rigidez es otro gran beneficio de los FRP, ya que es hasta 3,3 veces más rígido que la madera y no se deformará permanentemente bajo la carga de trabajo.
• Resistencia a la putrefacción e insectos.
• El producto final de plástico reforzado con fibra puede ser atractivo, por lo que es posible que no requiera pinturas, tintes ni revestimientos.
• Flexibilidad en su proceso de fabricación y diseño
• Los FRP son buenos aislantes con baja conductividad térmica.
• Los tipos de FRP de fibra de vidrio son resistentes, es decir, el material tiene un acabado duro.
• El mantenimiento y la instalación de FRP son menores, aunque el acero inoxidable tiene un costo inicial de material más bajo que el plástico reforzado con fibra.

Desventajas:

A pesar de los grandes beneficios del plástico reforzado con fibra, aún existen algunas limitaciones. a continuación se encuentran las desventajas de los FRP.

• Su resistencia en una dirección perpendicular a las fibras es extremadamente baja (hasta un 5 %) en comparación con la resistencia a lo largo de las fibras.
• El diseño de materiales puede ser complejo
• Las pruebas y la fabricación de componentes de FRP son altamente especializadas.

Conclusión

En este artículo, aprendió sobre los plásticos reforzados con fibra, su definición, aplicaciones, componentes compuestos y requisitos de materiales. También discutimos los diversos tipos, procesos de formación y ventajas y desventajas de los plásticos reforzados con fibra.

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