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COMPONENTES DE UN REFUERZO Y FABRICACIÓN

¿Qué es un “composite” o material compuesto?

Un material compuesto (“composite” o FRP fiber-reinforced polymer) es el resultado de la combinación de dos o más materiales con el fin de obtener una combinación única de propiedades.

Los materiales compuestos han sido ampliamente utilizados en la historia con el fin de mejorar las propiedades de un material. De este modo durante siglos se ha utilizado barro mezclado con paja para construir viviendas de adobe.

Los materiales compuestos reforzados con fibra se pueden separar mecánicamente. La principal característica de estos materiales reside en que un componente conforma una matriz que envuelve el resto de forma que los materiales trabajen como uno solo, pero ambos seguirán mantenido sus formatos originales por separado.

En el caso de los productos para refuerzo estructural, se utilizan fibras embebidas en una matriz polimérica, siendo la más habitual la de resina epoxi. Esta (la matriz) confiere rigidez y protección ambiental/química a las fibras. Por otro lado, las fibras contenidas más habituales suelen ser de carbono, aramida y vidrio, aportando al “composite” elevada resistencia a tracción y elevado módulo de elasticidad.

 
 



 
 


Lo más importante a tener en cuenta es que la fibra es el componente que “absorbe” los esfuerzos de tracción en la dirección axial a las mismas. En sentido perpendicular a la dirección de las fibras, las propiedades resistentes serán exclusivamente las que aporta la matriz polimérica, siendo claramente inferiores.

 
 


FUNCIONES DE LAS FIBRAS Y LA MATRIZ

Para comprender la función de los materiales compuestos, es importante conocer la función de cada componente en el conjunto.

Principales funciones de las fibras:

  1. Aportar la resistencia a tracción requerida frente a un esfuerzo de tracción.
  2. Aportar rigidez (elevado módulo elástico), resistencia a tracción, entre otros parámetros.
  3. Conductividad o aislamiento eléctrico, dependiendo del tipo de fibra.

La matriz aporta propiedades vitales al material compuesto mejorando su rendimiento:

  1. Obliga a las fibras a trabajar de forma conjunta, y les transfiere los esfuerzos de tracción.
  2. Aísla las fibras entre ellas, y así trabajan de forma separada. Ello evita/ralentiza la propagación de fisuras en el soporte.
La matriz actúa como un revestimiento de protección de las fibras, protegiéndolas frente ataques mecánicos (golpes) y químicos (ambiente, sustancias agresivas,…). Las Fibras de carbono son conductivas, mientras que las de aramida y vidrio son aislantes.

 
 


CARACTERÍSTICAS ESPECIALES DE LOS “COMPOSITES” FRENTE A LOS MATERIALES TRADICIONALES.

Los materiales compuestos han estado diseñados y fabricados para aplicaciones que necesitan un alto rendimiento con una mínima carga muerta a la estructura.

Algunas de las ventajas que ofrecen  los composites frente a los refuerzos tradicionales (normalmente basados en soluciones metálicas) son las siguientes:

  1. Todas las partes metálicas se pueden reemplazar por una única sección equivalente de material compuesto (o composite).

  2. Los composites tienen un alto módulo elástico. Tienen un módulo más elevado que el acero y sólo pesan una quinta parte que este.

  3. El acero entra en fatiga cuando se le somete al 50% de su resistencia a tracción. Los composites no muestran fatiga hasta, como mínimo, el 90% de su resistencia a tracción.

  4. Los composites no se oxidan. El acero y aluminio se oxida ante la presencia de agua y aire, y precisan de un cuidado especial, siendo obligado el uso de pinturas protectoras. La matriz polimérica de un composite protege las fibras de refuerzo.

  5. El coeficiente de expansión térmica de los composites es muy próximo a cero. Debido a ello, ofrecen una gran estabilidad dimensional frente a los refuerzos metálicos.

  6. Los composites se fabrican en grandes longitudes, permitiendo cubrir grandes luces sin necesidad de ejecutar juntas, soldaduras, mecanizar piezas, etc. Todo ello deriva en un menor tiempo de fabricación, de instalación y de costes.

  7. Para la aplicación de un composite, se requiere de herramientas ligeras de mano. Los refuerzos metálicos se deben instalar mediante maquinaria pesada, puntales, soldaduras, etc. Los costes de instalación de un refuerzo de material compuesto son muy bajos y reducen el coste global de un refuerzo.

 
 


TIPO DE FIBRA

Las fibras constituyen el refuerzo del composite y le aportan la rigidez y resistencia característica. Los tipos de fibra más comunes son el vidrio, aramida, carbono y boro. La fibra de aramida es la que aporta un mayor ratio de resistencia a la tracción-peso.

En nuestro caso nos centraremos en las fibras de carbono por ser las de uso más universal.

Fibra de carbono

Las fibras de grafito y carbono están producidas a partir de dos tipos de materias primas:

  • Fibras PAN (poliacrilonitrilo), es una fibra polimérica de origen textil.
  • Fibras PITCH, se obtienen de la brea de alquitrán de hulla o bien petróleo purificado.

Las primeras, son las más extendidas en la producción de fibras de carbono, mientras que las fibras pitch aportan mayor rigidez aunque son más frágiles (y se rompen con menores elongaciones).

Durante el proceso de fabricación, las materias primas se exponen a la oxidación, empleando para ello temperaturas extremadamente altas. Posteriormente, pasan por procesos de carbonización y grafitización. Durante estos procesos, las fibras originales sufren una serie de cambios a nivel químico que les aportan mayores ratios de rigidez-peso y de resistencia a tracción-peso.

 
 



GRÁFICO FIBRAS DE CARBONO DE LA ACI

 
 


TIPO DE MATRIZ

Con el fin de que las fibras sean las responsables de absorber los esfuerzos, la matriz debe ser de bajo módulo y ser más deformable que el refuerzo. Esta determina la temperatura de servicio del sistema de refuerzo así como el tipo de proceso de fabricación adecuado para su producción.

Los laminados de fibra de carbono que se utilizan en el refuerzo estructural, están compuestos en su mayoría por una matriz de resina termoestable de tipo epoxi.

Las resinas termoestables, tienen la particularidad que una vez endurecidas no se pueden volver a fundir o remoldear porque no volverán al estado original.

Al proceso de endurecimiento de una resina se denomina reticulación. Durante este proceso en las resinas termoestables, se forman cadenas tridimensionales entrelazadas entre sí. Debido a ello, las moléculas no son flexibles y, por tanto, no se peden fundir ni remoldear para volver al estado original de la resina. Cuánto mayor sea el número de cadenas tridimensionales entrelazadas, mayor será la rigidez del producto final y también mayor será la temperatura de transición vítrea del mismo. Por esta razón, es importante procurar trabajar con temperaturas adecuadas cuando manipulamos resinas termoestables. La razón de ser en el refuerzo estructural de las resinas termoestables, es por su alta estabilidad térmica y dimensional, buena rigidez, así como por su alta resistencia eléctrica, química y a disolverse, además de ofrecer una buena impregnación de las fibras.

 
 



 
 


Resina epoxi

Es un tipo de resina muy versátil ya que posee un gran rango de propiedades. Su gran adherencia en todo tipo de soportes hace que sea un producto ampliamente utilizado en una gran variedad de aplicaciones. Para mejorar sus prestaciones, se modifican sus propiedades para adecuarse al uso específico como su temperatura de transición vítrea, tiempo endurecimiento, viscosidad, dureza, etc.

El curado de una resina epoxi, empieza al mezclar un endurecedor (componente II), creando una red de moléculas tridimensionales y resultando en un sólido epoxídico que ofrece una alta resistencia química y a la corrosión. La temperatura de transición vítrea de este tipo de resinas es de los mayores, aportando un buen rendimiento a temperaturas hasta 80-100 ºC.

La exposición de la resina epoxi a los rayos UV (refuerzos expuestos a la luz solar) puede producir su degradación. Para evitar que esto ocurra es recomendable la aplicación de un revestimiento en base de poliuretano.

 
 


FABRICACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS

El proceso de fabricación procura dotar al mismo de una determinada sección.  En el caso de material de refuerzo estructural la sección más habitual es la rectangular, pero pueden fabricarse secciones tubulares (tubos vacíos o macizos), formas complejas como chasis de automóviles, etc.

Al procesado de laminados de fibra de carbono con matriz termoestable de resina epoxi, se denomina pultrusión.

 
 



 
 


La pultrusión es un proceso de fabricación contínuo, de bajo coste, automático y de alto volumen, en el cual las fibras (refuerzo) impregnadas con resina (matriz) son traccionadas a velocidad constante a fin de obtener un producto de una sección prediseñada. Este proceso es similar al de extrusión de metales a través de un orificio, estirando del mismo en vez de presionarlo a través de este. La primera etapa del proceso, encauza las fibras y las impregna en un baño de resina. Posteriormente, se hace pasar el material impregnado por un molde a una temperatura que asegura la correcta polimerización de la resina, controla su contenido y da la forma deseada al perfil. Finalmente, se corta en la longitud deseada, se inspecciona el producto acabado y se realizan ensayos de control de calidad para certificar que la información técnica del producto es veraz.

 
 


PRODUCTO ACABADO

Mediante el procesado por pultrusión de fibras de carbono con una matriz de resina epoxídica, obtenemos los laminados de fibra de carbono. Son unas platabandas rígidas de color grisáceo oscuro.

Por otro lado, existen las hojas de fibra de carbono. Estan formadas por los filamentos de fibra de carbono sin tejer, únicamente manteniendo su orientación mediante hilos de fibra de vidrio. Son láminas unidireccionales y flexibles, que permiten la ejecución de laminados in situ mediante la impregnación manual (a veces mediante maquinaria específica) con resina epoxidica de fórmula adaptada.

Las hojas de fibra se adaptan fácilmente al paramento irregular, mientras que los composites fabricados en industria son rígidos porque se subministran pultrusionados y, por tanto, sólo pueden aplicarse en paramentos planos

 
 


CONTROL DE CALIDAD

Los fabricantes de los productos facilitan la información de control de calidad de las partidas suministradas, para certificar la veracidad de la información detallada en la ficha técnica de los productos.

Existen varios tipos de ensayos para caracterizar los productos que forman el sistema de refuerzo estructura. Todos ellos están contenidos en normas ASTM, UNE, JIS (Japón), BS (British Standards), NF (Francia), DIN (Alemania). Ellas normalizan la caracterización de resinas de pegado y de matriz y también el ensayo de plásticos reforzados con fibras (resistencia a tracción, contenido de resina en la matriz, volumen de fibras, etc.). Para ensayar las propiedades, las normas establecen las condiciones del ensayo (dimensiones-tipología de la probeta,…).

 
 


Distintos formatos de presentación de la fibra de carbono


Laminados de 50, 80, 100 y 120mm de ancho.
Se suelen presentar en dos espesores comerciales: 1, 2 y 1,4mm
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Tejidos de fibra de carbono unidireccional:

En gramaje normal (200, 300, 400 g/m²) para impregnación con resina en su puesta en obra.
En gramaje alto 530 g/m² para colocar por saturación de resina epoxi.




 
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