Materiales compuestos de matriz polimérica

 

Materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibra

Se denomina material compuesto a un material combinado obtenido a partir de la unión (no química) de dos o más componentes, que da lugar a propiedades o características específicas. En estos materiales se deben considerar las matrices, las cargas y los refuerzos.

Materiales polímeros: Los polímeros están constituidos por sustancias orgánicas o semiorgánicas de peso molecular elevado, las cuales se forman a partir de la unión repetitiva de estructuras elementales denominadas monómeros. Los plásticos se forman a partir de polímeros a los que se les adiciona aditivos de diferentes clases.

Los polímeros se clasifican como naturales y sintéticos: Dentro de los naturales se encuentran las proteínas, las resinas y los polisacáridos. A los sintéticos pertenecen los termoplásticos y los termoestables. Los elastómeros pueden ser naturales y sintéticos.

Tipo de polímeros: Polímeros (A) condensación y de (B) adición.

A.- En los polímeros de condensación, la condensación que es un proceso por etapas que ocurre en gran número de casos con pérdida de un componente de gano peso molecular (H2O, NH3, etc.…) están los:

 1. Poliésteres

2. Poliamidas

3. Poliuretanos

4. Policarbonatos

5. Polibenzimidazoles

6. Polimidas Aromáticas

7. Poliquinoxalinas

8. Poliacetonas

Policondensados entrecruzados:

·         Resinas de Fenol-Formoldehido

·          Resinas de Urea-Formoldehido

·         Poliuretanos entrecruzados

·         Resinas Epoxi

B.- En los polímeros por adición se forman cadenas largas cuando se utilizan monómeros vinílicos y estos monómeros vinílicos pueden reaccionar por vía radical o por vía iónica.

 En general el esquema cinético tres etapas:

a) Iniciación, que corresponde a la creación de un centro activo.

b) Propagación, que involucra el crecimiento de la macromolécula y que está caracterizado por una larga secuencia de reacciones idénticas, esto es, la adición repetida del monómero a una cadena de crecimiento.

 c) Terminación por la que la cadena cinética detiene su crecimiento por destrucción o transferencia del centro activo, algunas polimerizaciones especiales carecen de esta última etapa. Se pueden utilizar una gran variedad de iniciadores y en función de la cual se dividen en tres categorías:

-          Radical libre

-          Catiónica

-          Aniónica

Después de esta pequeña explicación de los “polímeros” diremos que los Materiales Compuestos (M.C.) en la ingeniería de diseño se entiende como aquel material integrado por una mezcla o combinación de dos o más micros (10-4 a 10-2 cm.) o macro (>10-2 cm.) componentes que se definen en forma y composición química y que son esencialmente insolubles entre sí. La importancia que bajo el punto de vista de la ingeniería tienen los M.C. es que las propiedades de los M.C. son superiores o en algún modo más importantes que los de sus componentes considerados individualmente. Muchos M.C. están formados por dos fases: una continua, que se llama matriz y otra fase dispersa integrada por partículas o por fibras (cortas o largas).

 El rápido crecimiento en el uso de los M.C. reforzados con fibras de altas características (M.C. avanzados o estructurales) en aplicaciones ingenieriles queda justificado al considerar los altos valores del módulo elástico específico en estos materiales, frente a materiales tradicionales

Fibras de vidrio: Se fabrican a partir del vidrio fundido pasando por hileras de gravedad a una determinada temperatura y estiradas en caliente por bobinado a alta velocidad. En el proceso de hilado no cambia la estructura amorfa.

Simultáneamente con el estiramiento se produce el “ensimaje” de las fibras, que consiste en un tratamiento químico superficial que les proporciona mayor resistencia a la tracción de la fibra de vidrio, en ausencia de defectos superficiales y la notoria pérdida de resistencia (el 50 %) debido a la fricción entre fibras, que se origina en la manipulación. Su carácter amorfo justifica su bajo módulo elástico, sin que sean previsibles mejoras sustanciales. A diferencia de las fibras de carbono y kevlar, las fibras de vidrio son isótropas, consecuencia directa de la estructura tridimensional de la red de vidrio. La resistencia disminuye cuando las fibras se ensayan en ambiente húmedo, debido a la absorción de agua por parte de la superficie del vidrio. Cuando se necesita gran resistencia a la humedad se prefiere un vidrio de boro-silicato; este tiene un contenido el álcalis menor del 0,8 % en todas sus aplicaciones puede considerarse como intocable por el agua. Generalmente se le conoce con el nombre de vidrio de graduación “E” o “Eléctrico”.

Fibras de carbono: También llamadas de grafito, corresponden a una estructura cristalina fuertemente orientada. En su fabricación se parte de una fibra orgánica, poliacrilonitrilo, que se somete a tres etapas (oxidación, carbonización y gratificación). En la 3ª etapa, grafitización, se reorganiza la estructura del carbono, logrando la del grafito. Cuando más elevada es la temperatura, las fibras obtenidas son de mayor módulo elástico y menor resistencia. En el grafito los átomos de las capas o planos base, se mantienen unidos por enlaces covalentes muy fuertes existiendo fuerzas débiles de Van der Vaals entre las capas. Esto significa que las unidades de cristal básico son altamente anisótropas.

A efectos de comparación, un material compuesto constituido por fibra de carbono de alta resistencia y matriz epoxi, con volumen de fibra del 60 % y en configuración cuasiisótropa, tiene una característica y rigidez equivalentes a una aleación de aluminio de uso aeronáutico con un ahorro en peso del 30 %. El bajo alargamiento a rotura de estas fibras es fuente de problemas pero da como contrapartida un excelente comportamiento a fatiga.

 Aramidas: Las aramidas o poliamidas aromáticas de los que el kevlar (nombre comercial registrado por Dupont) es la más conocida, son fibras orgánicas sistéticas que debido a la gran orientación tienen un módulo y resistencia muy superior a las restantes fibras orgánicas. Estas fibras son tenaces, tienen una buena estabilidad térmica y química y la máxima resistencia específica entre todas las fibras actuales, lo que hace que sea la fibra de elección en aplicaciones tales como depósitos presurizados en aeronáutica. Los aspectos negativos del kevlar podrían resumirse en una mala resistencia a compresión y gran absorción de humedad (hasta un 5 %) causando problemas de durabilidad en la interfase fibra/matriz.

Fibras de boro: Se obtiene por depósito de boro en fase vapor, sobre un filamento de wolframio (o sílice) a 1300 ºC con diámetros de unas centésimas de mm y en atmósfera de hidrógeno para eliminar contaminantes superficiales. En el reactor se obtiene el boro por reacción del tricloruro según la reacción:

BCl3 + 3 /2 H2 à 3 HCl + B

Depositándose el boro sobre el alambre. Así se obtienen filamentos de 0,1 a 0,2 mm de diámetro, en los que el boro queda bien adherido al wolframio a través de boruros de wolframio (WB, W2B5, WB4). La calidad de las fibras de boro depende del diámetro, forma y composición del hilo, de las condiciones del reactor y de la uniformidad de la fibra obtenida. Las propiedades más relevantes de la fibra de boro son una excelente rigidez por unidad de masa y una buena conductividad térmica. Actualmente se utilizan sobre todo en M.C. de matriz metálica.