Plásticos Reforzados con Fibra: Beneficios, Aplicaciones y Propiedades Clave

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 no corrosivos, de alta resistencia y ligeros. El componente principal es el plástico que contiene fibras como vidrio (en fibra de vidrio), carbono (en polímero reforzado con fibra de carbono), aramida o basalto. Otras fibras como papel, madera o amianto también se usan, pero son menos comunes.

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

Hoy profundizaremos en la definición, aplicaciones, componentes, propiedades, tipos, procesos de conformado y 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 (PRF), también llamados polímeros reforzados con fibra, se categorizan como plásticos compuestos que utilizan específicamente materiales fibrosos para aumentar mecánicamente la elasticidad y resistencia del plástico. Consisten en una matriz polimérica, que es el plástico original (generalmente tenaz pero débil). El material se mezcla con material de refuerzo para obtener un producto final con las propiedades mecánicas o de material deseadas.

Convencionalmente, un polímero se forma generalmente por el proceso de polimerización o polimerización por adición. Puede combinarse con diversos agentes para mejorar o aumentar sus propiedades de material, denominándose entonces plásticos. Los plásticos compuestos son tipos de plásticos que resultan de dos o más materiales homogéneos con diferentes propiedades para obtener un producto final con ciertas propiedades mecánicas y de material deseadas. Un buen ejemplo de plástico compuesto es el plástico reforzado con fibra, porque se utilizan materiales fibrosos para mejorar mecánicamente la resistencia y elasticidad de los plásticos. El polímero suele ser éster de vinilo, poliéster termofraguable, epoxi, o también se usan resinas fenol-formaldehído.

Aplicaciones del plástico reforzado con fibra

A continuación se muestran las aplicaciones de los PRF en diversos campos:

Industria automotriz

El plástico reforzado con fibra se ha convertido en sustituto del metal en las carrocerías de automóviles de lujo modernos y en los paneles laterales de camiones y remolques. Esto se debe a que tienen casi la misma resistencia pero diferente peso; además, una alta relación resistencia-peso es el santo grial de la industria automotriz. Los PRF tienen puntos de fractura más altos que el acero y son materiales fuertes, rígidos y ligeros que mejoran el consumo de combustible y aumentan 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 el PRF de vidrio, se usa para componentes de motor como el colector de admisión. Esto reduce hasta un 60% su peso y optimiza el diseño. Aunque los PRF de vidrio son más débiles y se doblan más fácilmente en comparación con los PRF de carbono.

Bienes de consumo

Hoy en día, en nuestra vida diaria, es más fácil manipular equipos, especialmente para deportistas. Esto se debe a que el carbono y otros plásticos reforzados con fibra se usan para fabricar bienes. Casi el 6% de los PRF se usan para producir bienes de consumo. Otros artículos como instrumentos musicales o sus componentes, armas de fuego, tiendas de campaña y trípodes de cámara también se han beneficiado de estos materiales.

Equipos de protección

Cuando se usan compuestos conocidos como aramidas en los PRF, se produce un material extremadamente resistente al calor y al impacto. Se obtiene una resistencia mecánica excepcional, por lo que es perfecto para fabricar trajes antibalas y resistentes al fuego, vehículos de protección contra explosiones y estructuras.

Industria de la construcción

El sector de la construcción ha adoptado alrededor del 20% de plásticos reforzados con fibra, incluyendo puentes y carreteras. La aplicación de los PRF en la construcción puede usarse para reforzar 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 para equipar estructuras antiguas que soportan cargas mucho mayores de las que fueron diseñadas.

Los PRF también se usan para fabricar estructuras de carreteras como señales, barreras de seguridad, sistemas de drenaje y tableros de puentes. Pasarelas automáticas, postes de servicios públicos y tuberías de gas, agua y alcantarillado también aprovechan el material. Los PRF pueden ser perfectos para construir casas prefabricadas, pero se usan popularmente para muebles de hogar y oficina, electrodomésticos, piscinas, canaletas, equipos de baño, accesorios de tuberías y campanas.

Industria energética

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

La mayoría de los PRF son buenos aislantes eléctricos, toleran productos químicos ambientales agresivos, incluidos los corrosivos, y resisten la degradación por calor. También son relativamente no inflamables, tienen buena integridad estructural y pueden tolerar radiación ultravioleta. Los PRF de vidrio son no magnéticos y resisten chispas, lo que los hace útiles en componentes de energía.

Finalmente, los plásticos reforzados se usan para construir palas de turbinas eólicas y módulos de almacenamiento de tanques de gas.

Aplicaciones aeroespaciales

Las aplicaciones de los PRF en el sector aeroespacial están aumentando debido a menores costos ambientales y mayor desarrollo. Las fibras de carbono en los PRF reducen el peso en un 25% pero garantizan resistencia igual o mayor en comparación con láminas de aluminio. Ofrecen buena resistencia a la tracción y toleran entornos hostiles y temperaturas extremadamente altas. Aunque se expanden poco con el calor y poseen alta rigidez.

La aplicación de PRF en la industria aeroespacial es inicialmente costosa, pero ahorra dinero ya que cada gramo de peso adicional es crucial por su efecto en el consumo de combustible, longitud del viaje, costos, seguridad aerodinámica, etc.

Con los PRF de carbono, las piezas complejas se pueden moldear fácilmente, reduciendo el número de piezas en un asombroso 95%. Esto simplifica, abarata y acelera la producción en comparación con materiales como acero o aluminio fundido. Los aviones gigantes modernos están hechos de más del 50% de PRF de carbono; piezas como palas de rotor de helicópteros en drones de alta gama también se fabrican cada vez más con este material.

Infraestructura marina

El polímero reforzado con fibra se ha convertido en el reemplazo ideal de la madera en barcos o entornos marinos costeros. Esto permite obtener un peso estructural reducido y mejorar la resistencia a la corrosión. Otras aplicaciones incluyen calzadas flotantes y plataformas para bases marinas y puentes rodantes.

Componentes de los materiales compuestos

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

Fibras:

Una fibra elegida suele controlar las propiedades de los materiales compuestos. Los tres tipos principales de fibras usadas en construcción son carbono, vidrio y aramida. A menudo se nombran por la fibra de refuerzo, por ejemplo, PRFC para Polímero Reforzado con Fibra de Carbono. Las propiedades más comunes e importantes que diferencian los tipos de fibra son la deformación a tracción y la rigidez.

Matrices

La matriz puede transferir fuerzas entre las fibras y protegerlas de efectos perjudiciales. Las resinas termofraguables se usan casi exclusivamente en esta situación. Las matrices más comunes son éster de vinilo y epoxi. El epoxi suele preferirse sobre el éster de vinilo, pero también es más costoso. Las matrices de epoxi tienen una vida útil de unos 30 minutos a 20 °C, pero puede modificarse con diferentes formulaciones. Tiene buena resistencia, unión, propiedades de fluencia y resistencia química.

Además, el material plástico original sin refuerzo de fibra se conoce como matriz o agente aglutinante. Esta matriz es un plástico tenaz y relativamente débil que se refuerza con filamentos o fibras más resistentes y rígidas. El nivel de resistencia y elasticidad que se mejora en un plástico reforzado con fibra depende de las propiedades mecánicas de tanto la matriz como la fibra. Su volumen relativo, la longitud de la fibra y su orientación dentro de la matriz también se consideran. El refuerzo de la matriz ocurre por definición cuando el material PRF exhibe mayor resistencia o elasticidad relativa a la resistencia y elasticidad de la matriz sola.

Propiedades comunes de los plásticos reforzados con fibra

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, su longitud y la orientación de las fibras en la matriz.

La razón por la que los PRF son ampliamente considerados es por su bajo peso pero increíble resistencia, y buena fatiga. Además, sus propiedades de impacto y compresión son únicas. Por eso la industria automotriz pudo reemplazar metales con materiales más ligeros para no solo hacer los coches más fuertes, sino también más rápidos y eficientes en combustible.

Los plásticos reforzados con fibra también demuestran propiedades eléctricas distintivas y resistencia ambiental de alto grado, junto con buen aislamiento térmico, integridad estructural, resistencia al fuego, estabilidad a la radiación UV y resistencia a productos químicos y corrosivos.

Requisitos de materiales o fibras comunes

A continuación se muestran las fibras usadas para obtener un tipo específico de polímero reforzado:

Vidrio:

El vidrio, que actúa como buen aislante, forma fibra de vidrio o plásticos reforzados con vidrio cuando se combina con la matriz. Los plásticos reforzados con vidrio benefician a la industria energética al no tener campo magnético y ser resistentes a chispas eléctricas. Se incorporan en colectores de admisión de motor donde ofrecen una reducción del 60% en peso frente a colectores de aluminio fundido. Finalmente, se obtienen mejor calidad superficial y aerodinámica para estos materiales.

El PRF de vidrio también se ha usado en pedales de gas y embrague en coches, ya que pueden moldearse en una sola unidad. Las fibras se orientan de manera que soportan tensiones específicas, aumentando durabilidad y seguridad. Sin embargo, estos materiales reforzados no son tan fuertes, rígidos o frágiles como los materiales reforzados con fibra de carbono. Pueden ser costosos 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 alinean a lo largo del eje de la fibra, lo que fortalece el material al aumentar la relación resistencia-volumen. Como se explicó anteriormente, los plásticos reforzados con fibra de carbono se usan en artículos deportivos, planeadores, cañas de pescar, etc.

Los PRF de carbono se han incorporado en los timones de un Airbus A310, reduciendo sus componentes en un 95%. Las piezas moldeadas simples han reducido costos de producción y operativos. Ahora son un 25% más ligeros que los producidos con aluminio laminado, lo que los hace más eficientes en combustible.

Aramidas

Las aramidas se clasifican como poliamidas sintéticas formadas a partir de monómeros aromáticos (moléculas en forma de anillo). Demuestran una robusta resistencia al calor, por eso se usan para ropa antibalas y resistente al fuego.

Las aramidas se preparan generalmente por la reacción entre un grupo amina y un grupo haluro de ácido carboxílico (aramida). Esto ocurre cuando una poliamida aromática se hilada desde una concentración líquida de ácido sulfúrico en una fibra cristalizada. Las fibras se hilan luego en hilos más grandes para tejer cuerdas o tejidos. Las fibras de aramida pueden fabricarse en grados variables según resistencia y rigidez, para que el material cumpla requisitos de diseño específicos, como cortar materiales duros durante la fabricación.

Tipos de polímero reforzado con fibra (PRF)

A continuación se muestran los principales tipos de polímero reforzado con fibra:

Polímero reforzado con fibra de vidrio (PRFV)

Las fibras de vidrio se fabrican a partir de arena de sílice, piedra caliza, ácido fólico y otros ingredientes menores. Esta mezcla se calienta hasta que se funde a unos 1260 °C. El vidrio fundido fluye a través de finos orificios en una placa de platino. Los hilos de vidrio se enfrían, recogen y enrollan. Las fibras pueden estirarse para aumentar su resistencia dimensional. Luego se tejen en diversas formas para uso en compuestos.

Las fibras producidas de vidrio se consideran el refuerzo predominante para compuestos de matriz polimérica, basándose 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.

Generalmente, el vidrio es una fibra resistente al impacto pero pesa más que el carbono o la aramida. Las fibras de vidrio tienen excelentes características iguales o superiores al acero en ciertas formas.

Polímero reforzado con fibra de carbono (PRFC)

En un polímero reforzado con fibra de carbono o plástico, se asegura un alto módulo de elasticidad de unos 200-800 GPa. La elongación extrema es del 0,3-2,5%, donde la menor elongación corresponde a mayor rigidez y viceversa.

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

Polímero reforzado con fibra de aramida (PRFA)

La aramida también se conoce como poliamida aromática. Una marca conocida de fibras de aramida es Kevlar, pero existen otros productos como Twaron, Technora y SVM. El módulo de las fibras varía de 70-200 GPa con una elongación última de 1,5-5% según la calidad. La aramida tiene alta energía de fractura, por eso se usa para cascos y prendas antibalas.

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

Proceso de conformado del plástico reforzado con fibra

La mayoría de las piezas de plástico reforzado con fibra se fabrican con un molde o herramienta. El molde usado puede ser moldes hembra cóncavos, moldes macho, o la pieza puede cerrarse completamente con un molde superior o inferior. Pero usualmente se usa una estructura rígida para establecer la forma de los componentes PRF. Las piezas pueden colocarse sobre superficies planas conocidas como "placa de presión" o sobre una estructura cilíndrica denominada "mandril".

Los procesos de moldeo de plásticos reforzados con fibra se realizan colocando el preformado de fibra sobre o dentro del molde. Este preformado puede ser fibra seca o fibra que ya contiene una cantidad medida de resina conocida como "prepreg". Las fibras secas se humectan con resina ya sea 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 usando calor y/o presión.

Mira los videos a continuación para aprender más sobre el proceso de conformado de plásticos reforzados con fibra:

A continuación se muestran los diversos métodos de conformado de plástico reforzado con fibra:

Moldeo con vejiga (Bladder molding):

Este proceso es cuando hojas individuales de material prepreg se colocan en un molde de estilo hembra junto con una vejiga similar a un globo. El molde se cierra y se coloca en una prensa caliente. Finalmente, la vejiga se presuriza forzando las capas de material contra las paredes del molde.

Moldeo por compresión:

Una pieza moldeada por compresión se conoce como plástico reforzado con fibra. Cuando se usa materia prima como bloque de plástico, bloque de caucho, lámina de plástico o gránulos, se le llama así. El preformado de plástico usado en moldeo por compresión no contiene fibras de refuerzo. En este moldeo, un preformado o carga de SMC o BMC se coloca en la cavidad del molde. Este se cierra y el material se forma y cura usando calor y presión. El moldeo por compresión destaca por su excelente detalle para formas geométricas que van desde patrones y relieves hasta curvas complejas y formas creativas, hasta ingeniería de precisión.

Autoclave y bolsa de vacío:

Cada hoja de material prepreg se coloca en un molde abierto, que luego se cubre con film de desmoldeo, material absorbente o transpirable, y una bolsa de vacío. Se aplica vacío a la pieza y el molde se coloca en un autoclave, también conocido como recipiente de calor y presión. La pieza se cura con vacío continuo para extraer gases atrapados del laminado. Este proceso es común en la industria aeroespacial porque ofrece control preciso sobre el moldeado debido a un ciclo de curado largo y lento, que varía de una a varias horas. Este control preciso ayuda a crear las formas geométricas exactas del laminado necesarias para garantizar resistencia y seguridad en la industria aeroespacial. Sin embargo, es lento y laborioso, por lo que el costo a menudo lo limita a la industria aeroespacial.

Enrollado en mandril:

En este proceso, hojas de material prepreg se enrollan alrededor de un mandril de acero o aluminio. Este material se compacta con cinta de celofán de polipropileno o nailon. Las piezas se curan en lote mediante bolsa de vacío y colgando en un horno. Tras el curado, se retiran la cinta y el mandril, dejando un tubo de carbono hueco. Esto ayuda a crear tubos de carbono huecos fuertes y robustos.

Colado en húmedo (Wet layup):

Este proceso combina el refuerzo de fibra y la matriz mientras se colocan en la herramienta de conformado. Capas de fibra de refuerzo se colocan en un molde abierto, que luego se satura con resina húmeda vertiéndola sobre la tela y trabajándola en la tela. El molde se deja un tiempo para que la resina cure, generalmente a temperatura ambiente. Aunque a veces se usa calor para asegurar un curado adecuado. Una bolsa de vacío se usa para comprimir un colado en húmedo. Las fibras de vidrio son las más comunes para este proceso, resultando en fibra de vidrio. Se usa para fabricar productos como esquís, canoas, tablas de surf, etc.

Moldeo por transferencia de resina:

Este proceso también se llama infusión de resina. Las telas se colocan en un molde en el que se inyecta resina húmeda. La resina se presuriza y fuerza típicamente en una cavidad bajo vacío en el moldeo por transferencia. La resina es succionada completamente a la cavidad bajo vacío en el moldeo por transferencia asistido por vacío. Este proceso asegura tolerancias precisas y conformado detallado, aunque a veces falla en saturar completamente la tela, creando puntos en la forma final.

Enrollado de filamentos:

En este proceso, máquinas jalan haces de fibra a través de un baño de resina húmeda y los enrollan sobre un mandril de acero rotatorio en orientaciones específicas. Las piezas se curan a temperatura ambiente o elevada. Se extrae el mandril, dejando una forma geométrica final, aunque a veces se deja en su lugar.

Pultrusión:

Haces de fibra y telas cortadas se jalan a través de un baño de resina húmeda que forma la forma aproximada de la pieza. El material saturado se extruye desde un troquel cerrado calentado, que cura mientras se jala continuamente a través del troquel. La mayoría de productos finales de pultrusión son formas estructurales, como vigas en I, ángulos, canales y láminas planas. Los materiales pueden usarse para crear todo tipo de estructuras de fibra de vidrio como escaleras, sistemas de barandillas, tanques, plataformas, tuberías y soportes de bombas.

Pistola de picado (Chopper gun):

Hilos continuos de fibra de vidrio se empujan a través de una pistola manual que tanto pica los hilos como los une con una resina catalizada como poliéster. El vidrio picado impregnado se rocía sobre la superficie del molde en el espesor y diseño que el operador considera adecuado. El proceso de pistola de picado es ideal para grandes series de producción a costo económico, pero produce formas geométricas con menor resistencia que otros procesos de moldeo y tiene mala 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:

• Los PRF tienen alta resistencia.
• Tienen alto módulo de elasticidad.
• Son más ligeros en peso.
• Alta resistencia a la fatiga es otro excelente beneficio.
• Tienen buena resistencia a la corrosión.
• La rigidez es otro gran beneficio, siendo hasta 3,3 veces más rígidos que la madera y no se deforman permanentemente bajo carga de trabajo.
• Resistencia a la putrefacción e insectos.
• El producto final puede ser estéticamente atractivo, por lo que podría no requerir pinturas, tintes ni recubrimientos.
• Flexibilidad en su proceso de fabricación y diseño.
• Los PRF son buenos aislantes con baja conductividad térmica.
• Los tipos de fibra de vidrio son resistentes, es decir, el material tiene un acabado duro.
• El mantenimiento e instalación de PRF son menores, aunque el acero inoxidable tenga menor costo inicial de material.

Desventajas:

A pesar de los grandes beneficios, algunas limitaciones persisten. A continuación se muestran las desventajas de los PRF:

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

Conclusión

En este artículo, has aprendido sobre plásticos reforzados con fibra, su definición, aplicaciones, componentes compuestos y requisitos de material. También discutimos los diversos tipos, procesos de conformado, y ventajas y desventajas.

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