Tendencias actuales de los materiales compuestos reforzados con fibras

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(1)Universidad Central “Marta Abreu” de las Villas Facultad de Construcciones Departamento de Ingeniería Civil. TRABAJO DE DIPLOMA TÍTULO: Tendencias actuales de los materiales compuestos reforzados con fibras.. Diplomante: Liliana Rodríguez Fuentes Tutor: Dr. Ing. Lamberto Álvarez Gil Curso 2008 - 2009.

(2) Pensamiento. .. Pensamiento 2.

(3) Pensamiento. .. En el difícil arte de escalar la montaña, es la voluntad quien determina alcanzar la cumbre.. José Martí.. 3.

(4) Dedicatoria. .. .. Dedicatoria.

(5) Dedicatoria. .. .. A mis abuelos Por confiar en mi todos estos años, y hacer posible que hoy esté donde estoy..

(6) Agradecimientos. .. .. Agradecimientos.

(7) Agradecimientos. .. .. A mis abuelos por su sacrificio y empeño para verme graduada, por saber llevarme por el buen camino y sacrificarse junto conmigo por fórjame un futuro de bien. A mi vieja por todo su cariño y preocupación. A mi mamá por estar en las buenas y en las malas. A mi tío por ser más que un simple tío y no fallarme nunca. A mi tía por ser mi hada madrina, por complacer todos mis deseos y siempre estar ahí con un beso y una sonrisa para mí. A Odabel por ser más que un primo y cuidar de mi como un hermano. A titi porque a pesar de la distancia y el tiempo nunca me olvida. A Chabe, Analili, Chailín, Alejandrito y Omarito por alegrar mis días con sus travesuras, con su alegría y con su sonrisa inocente. A Lizandra por siempre ayudarme cuando la necesité. A mi papá que aunque un poco lejos siempre a estado ahí. A todo el que de una forma u otra puso su granito de arena para que yo me gradúe. A mis profesores por brindarme sus conocimientos, su dedicación y su tiempo. A mis compañeros de aula por estos inolvidable años. A mi tutor por su tiempo, sus consejos y su ayuda para que este trabajo se realizara. A mi novio, por ser más que un simple novio, por ser mi amigo, mi consejero, por estar a mi lado en los buenos y malos momentos, por dejarme entrar en su vida y en su corazón. BMQT.. Gracias a todos..

(8) Resumen. .. Resumen.

(9) Resumen. .. RESUMEN A pesar del creciente empleo de los materiales compuestos en el sector de la construcción, en Cuba no ha existido un auge de estos materiales, pues las entidades relacionadas con el sector han sido conservadoras en este sentido, debido al costo de estos materiales, desconocimiento del comportamiento de los materiales compuestos y la complejidad en su cálculo. Para dar solución a este problema se realiza el presente trabajo de investigación que se traza como objetivo la elaboración de un documento en el que se resuman las principales características de los materiales compuestos, profundizando en el conocimiento de las fibras y las matrices utilizadas en la conformación de Polímeros Reforzados con Fibras (del inglés FRP: Fiber Reinforced Polymer), analizando sus propiedades, su comportamiento, sus ventajas y desventajas. Se realiza un estudio de los aspectos mencionados anteriormente en el ámbito nacional e internacional, determinándose que para las condiciones de nuestro país los Plásticos Reforzados con Fibra de Vidrio (PRFV) tienen una presencia en el mercado a partir de las producciones realizadas por Astisur. Además se presenta un resumen de las propiedades físico mecánicas y químicas de las resinas y fibras utilizadas en la conformación de materiales compuestos..

(10) Indice. .. Índice.

(11) Indice. .. Índice. Introducción.. 16. Capítulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. 23. 1.1 Introducción.. 24. 1.2 Definición de los materiales compuestos.. 25. 1.3 Clasificación de los materiales compuestos.. 27. 1.4 Ventajas y desventajas de los materiales compuestos.. 32. 1.5 Fibras y matrices.. 33. 1.5.1 Fibras.. 33. 1.5.2 Matrices.. 34. 1.6 Modelos constitutivos existentes para el estudio de los materiales. 36. compuestos. 1.7 Fabricación de materiales compuestos de fibra.. 38. 1.8 Aplicaciones de los materiales compuestos.. 39. 1.9 Conclusiones parciales.. 42. Capítulo 2: Fibras de refuerzo.. 45. 2.1 Introducción.. 45. 2.2 Fibras orgánicas.. 45. 2.2.1 Fibras de Aramidas.. 46. 2.2.2 Fibras utilizadas en la industria textil.. 50. 2.3 Fibras inorgánicas naturales. 2.3.1 Fibras de Asbesto. 2.4 Fibras inorgánicas sintéticas.. 52 52 53. 2.4.1 Fibras de Boro.. 53. 2.4.2 Fibras Cerámicas.. 54. 2.4.3 Fibras de Carbono.. 55. 2.4.4 Fibras de Carburo de Silicio.. 61. 2.4.5 Fibras Metálicas.. 61. 11.

(12) Indice. .. 2.4.6 Fibras de Vidrio. 2.5 Comparación entre los distintos tipos de fibras más utilizados en la. 62 76. construcción. 2.6 Conclusiones parciales. Capítulo 3: Matrices.. 78 80. 3.1 Introducción.. 81. 3.2 Matrices.. 81. 3.2.1 Funciones de la matriz.. 81. 3.2.2 Clasificación de las matrices.. 82. 3.3 Resinas termoestables.. 83. 3.3.1 Resina Epoxi.. 85. 3.3.2 Resinas de Poliéster.. 90. 3.3.3 Resinas Viniléster.. 93. 3.3.4 Resinas Fenólicas.. 95. 3.3.5 Resinas de Esteres Cianato.. 96. 3.3.6 Resinas Bismaleimidas (BMI).. 97. 3.3.7 Resinas Poliimidas.. 98. 3.3.8 Resinas Polieteramidas.. 98. 3.4 Resinas termoplásticas.. 98. 3.4.1 Resina de Policloruro de vinilo (PVC).. 100. 3.4.2 Propiedades de las resinas termoplásticas.. 101. 3.5 Gel – Coat.. 102. 3.6 Conclusiones parciales.. 106. Capítulo 4: Métodos de fabricación, comportamiento de los materiales 107 compuestos y revisión de software existentes. 4.1 Métodos de fabricación de piezas de “plástico reforzado con fibra de. 108. vidrio”. 4.1.1 Moldeo por contacto a Mano (Hand Lay-up).. 108. 4.1.2 Proyección simultánea.. 110. 4.1.3 Inyección de termoestables (RTM ).. 111. 4.1.4 Proceso de vacío.. 112 12.

(13) Indice. .. 4.1.5 Centrifugado.. 113. 4.1.6 Bobinados de filamentos.. 113. 4.1.7 Pultrusión.. 115. 4.2 Métodos de fabricación de piezas de fibra de carbono.. 116. 4.3 Comportamiento mecánico de materiales compuestos reforzados con. 118. fibras. 4.3.1 Modelos constitutivos existentes para el estudio de los materiales compuestos. 4.4 Utilización de software en el diseño de materiales compuestos. 4.5 Conclusiones parciales.. 118 124 133. Conclusiones.. 134. Recomendaciones.. 137. Referencias.. 139. Bibliografía.. 142. Anexos.. 147. 13.

(14) Introducción.. .. Introdución.

(15) Introducción. .. Generalidades Desde finales del siglo pasado se ha acelerado el crecimiento de la industria de la construcción motivado por el desarrollo de la ciencia y la tecnología, propiciando esto la aplicación de nuevos métodos, nuevas técnicas y nuevos materiales. Un reto de muchos a lo largo del tiempo a sido precisamente la búsqueda de materiales más ligeros y más resistentes debido a la necesidad de desarrollar proyectos cada vez mayores donde la utilización de materiales tradicionales como el acero, el hormigón o la madera se torna polémico a la hora de dar solución a la relación peso - resistencia o peso – rigidez. Esta necesidad ha sido cubierta en gran medida por el desarrollo de los materiales compuestos (‘‘composites’’ ) que permiten diseñar nuevos materiales con un conjunto de propiedades técnicas que se ajustan a las necesidades planteadas. Estos materiales presentan una elevada relación resistencia – peso y rigidez – peso, resultan especialmente adecuados para el diseño de estructuras en las que el peso constituye una variable fundamental, son resistentes a la corrosión, y térmicamente estables. Están constituidos por dos o más fases con propiedades diferentes, un polímero que se denomina matriz, combinado con otros materiales que se encuentran embebidos en ella denominados refuerzo con el objetivo de obtener materiales compuestos cuyas propiedades superen las de sus constituyentes. Entre los refuerzos más utilizados se encuentran dos grupos: con refuerzo continuo (fibras largas) y con refuerzo discontinuo (fibras cortas o partículas).Las propiedades de los materiales compuestos son dependientes de las propiedades de los materiales que lo constituyen así como de su distribución entre ellos. Las características especiales que tiene el proceso de diseño estructural de piezas en materiales compuestos es un factor que ha limitado su generación .El diseño de un nuevo elemento de materiales compuestos no sólo pasa por idear la geometría del elemento, también requiere diseñar la configuración del propio material. Tradicionalmente se realizaba esta tarea con métodos basados en parte en datos empíricos dado que el conocimiento teórico del comportamiento de este tipo de materiales era reducido. Sin embargo, dado que las posibilidades de obtener ‘‘composites’’ distintos son prácticamente ilimitadas, la caracterización con ensayos sobre el propio material es muy costosa y difícilmente generalizable o extrapolable a otras configuraciones. Por lo tanto, esta dependencia de la experimentación frenó, en parte, la extensión en el uso de los compuestos. 16.

(16) Introducción. .. en aplicaciones más corrientes hasta que se ha ido estableciendo mejor su conocimiento teórico. El uso de modelos matemáticos para predecir su comportamiento y la simulación de estos mediante métodos numéricos parece ser el buen camino para lograr avanzar en este conocimiento y parece el paso necesario para conseguir herramientas de ayuda en este complicado proceso de diseño u optimización del material.(Majó 2003). El conocimiento y manejo de estos plásticos reforzados con fibras en Cuba es de gran interés en la actualidad, en este trabajo se hace énfasis en su uso para la construcción de tanques y depósitos de Plástico Reforzado con Fibra de Vidrio, siendo de suma importancia el aumento del conocimiento de sus propiedades, características, y modelos matemáticos de diseño, para avanzar en el conocimiento teórico y lograr el diseño y construcción de elementos estructurales de manera más eficiente, aprovechando al máximo las ventajas que brinda este material. Antecedentes Tal y como el siglo XIX se caracterizó por el uso del acero y el hierro, los finales del siglo pasado y el presente siglo se caracterizará por el uso de materiales sintéticos tales como los plásticos, los cauchos sintéticos, los materiales compuestos, las fibras artificiales, y los adhesivos sintéticos, pues estos por sus características han ido ganando preferencia, notándose una tendencia a elevar el uso de estos materiales en un futuro muy cercano. Desde finales de la década de los 40 se utiliza el poliéster reforzado con fibra de vidrio, aunque este era un material muy caro, la capacidad del material de ser moldeado y tomar formas complejas llama la atención de los diseñadores, y ya a principios de los años 50 comienzan a fabricarse láminas translúcidas. En aquel entonces su uso era muy limitado, a partir de los 60 comenzó a fabricarse placas onduladas y paneles de fachadas, pero su producción continuó de forma limitada. En la actualidad los materiales compuestos o “composites’’ han comenzado a formar parte de todo lo que nos rodea, están presente en la industria automotriz, en la aviación, en la industria naval, en la hidráulica, en la ingeniería civil. Esto demuestra las ventajas de estos materiales respeto a los tradicionales. Es así que en nuestros días es posible crear polímeros diseñados especialmente para cumplir funciones específicas, por ejemplo existen polímeros sintéticos con propiedades de rigidez o flexibilidad, dureza o fragilidad, transparencia u opacidad, los existen también resistentes a la corrosión. Las propiedades de los polímeros sintéticos se pueden 17.

(17) Introducción. .. incrementar considerablemente, ya que al unirlos con otros materiales producen materiales compuestos con mejores propiedades que las de sus constituyentes. Los componentes más utilizados son los formados de partículas o en forma de fibras. En los primeros, las partículas están embebidas o adheridas entre si mediante una matriz continua (el polímero) con un bajo modulo de elasticidad. Los compuestos fibrosos son fibras de gran rigidez y elevada resistencia, las que están embebidas en la matriz continua de bajo módulo, las fibras pueden orientarse en la dirección necesaria para lograr mayor resistencia y rigidez, debido a la moldeabilidad del material puede adoptar las formas estructurales que resulte más eficaz. El problema Si hacemos una comparación con otros sectores, en el sector de la construcción la expansión de los materiales compuestos no ha sido tan generalizada ni tan rápida como se podía esperar, a pesar del creciente empleo de estos materiales en especial los PRFV, ya que las entidades relacionadas con la construcción han sido conservadoras a la hora de introducir nuevos materiales y más aún en este caso siendo este un material tan costoso, además de poseer grandes complicaciones en sus cálculos debido a las características anisotrópicas de sus propiedades, lo que unido a lo complejo del proceso de fabricación de alguno de estos materiales y al poco conocimiento que existe del tema son las causas fundamentales de su limitado uso en Cuba. Hipótesis La elaboración de un documento que resuma las principales características y métodos de diseño de los materiales compuestos necesarios para la aplicación de estos en obras civiles, permitirá aumentar el uso de estos en el sector de la construcción en Cuba, en especial el PRFV. Fundamentación teórica Es notable el aumento del uso de materiales compuestos en la fabricación de elementos estructurales en los últimos años. Así pues los materiales tradicionales como el acero, la madera o el aluminio van cediendo ciertas aplicaciones a los materiales compuestos. 18.

(18) Introducción. .. avanzados, con los que se consiguen mejores propiedades específicas. En particular los materiales compuestos con fibra de vidrio, presentan una excelente relación rigidez – peso y resistencia – peso que los hace idóneos para determinados sectores. En el sector de la construcción su uso se ha visto limitado por el poco conocimiento del tema, la complejidad en sus cálculos y por el alto costo inicial de su utilización. Este trabajo pretende aumentar el conocimiento sobre el tema, dando a conocer las principales características y propiedades de los PRFV los métodos de diseño y las ventajas y desventajas de su aplicación práctica. Objetivos Objetivo General 1. Elaborar un documento en el cual se resuman las principales características de los materiales compuestos, asociadas a las propiedades de sus componentes, los modelos constitutivos para analizar su comportamiento, y proceso de fabricación. Objetivos Específicos 1. Analizar el estado actual del conocimiento de la temática de investigación que permita conocer las características y propiedades de los materiales compuestos. 2. Realizar una caracterización de las materias primas utilizadas en la fabricación de los materiales compuestos (fibras y matrices). 3. Analizar los modelos constitutivos existentes para su estudio, estudiar los métodos computacionales implementados para el diseño de estos materiales y determinar el método a utilizar. 4. Estudiar el proceso de fabricación de los materiales compuestos haciendo énfasis en los PRFV y ejemplificar la utilización de estos materiales en Cuba, específicamente en la empresa Astisur de Cienfuegos. Tareas científicas 1. Recopilación bibliográfica preliminar, definición, aprobación del tema y elaboración del plan de trabajo. 2. Estudio bibliográfico y análisis del estado del arte de la temática donde se analizara la información.. 19.

(19) Introducción. .. 3. Caracterización de los materiales compuestos a partir de sus propiedades físicas y mecánicas. 4. Análisis de los diferentes modelos constitutivos existentes para el trabajo con materiales compuestos. 5. Caracterización de las materias primas utilizadas para su fabricación. 6. Estudio de los métodos computacionales implementados. para el diseño de. materiales compuestos. 7. Determinar el modelo a emplear para el diseño de elementos de materiales compuestos. 8. Estudio del proceso de fabricación de los materiales compuestos. 9. Estudio de la aplicación de los materiales compuestos, haciendo énfasis en los PRFV y su uso en el campo de la ingeniería civil. 10. Ejemplo de la aplicación de los materiales compuestos en Cuba. Novedad científica La elaboración de un documento donde se resuman las principales características y propiedades de los materiales compuestos en especial de los PRFV, el proceso de fabricación, los modelos, métodos y programas computacionales utilizados para el diseño de elementos utilizando estos materiales y las ventajas y desventajas de su utilización. Esto contribuirá a aumentar el conocimiento del tema y su uso en obras civiles en Cuba. Aportes científicos El principal aporte de este trabajo es contribuir al aumento del conocimiento de los materiales compuestos, su aplicación en la construcción, proceso de fabricación y los métodos de diseño, modelos constitutivos, y programas de cómputo utilizados para el diseño de elemento de PRFV, esto puede ampliar su uso en la ingeniería civil en Cuba. Valor metodológico Este trabajo constituye un aporte al conocimiento de los materiales compuestos en Cuba, es un documento donde se recogen las principales características y propiedades de estos. 20.

(20) Introducción. .. materiales, su uso en la industria de la construcción y su proceso de fabricación, con lo que se puede establecer las ventajas y desventajas de su uso en nuestro país. Esquema metodológico de la investigación Definición del problema de estudio Recopilación bibliográfica general Formación de la base teórica general Planteamiento de la hipótesis Definición de los objetivos Definición de las tareas científicas Capítulo 1: Estado del arte de los materiales Compuestos. Capítulo 2: Fibras de refuerzo. Capítulo 3: Matrices.. Capítulo 4: Métodos de fabricación, comportamiento de los materiales compuestos y revisión de software existentes.. Conclusiones y recomendaciones. 21.

(21) Introducción. .. Estructura de la tesis La estructura de la tesis guarda relación directa con la metodología de investigación establecida, y específicamente con el desarrollo particular de cada una de las fases de la investigación. Esta cuenta con: • Resumen • Introducción • Capítulo I En este capítulo se realiza un análisis del estado del arte de la temática, lo que posibilita justificar el desarrollo de la investigación. En el mismo se expone el estado actual del tema de los materiales compuestos, haciéndose un análisis de la bibliografía al respecto y destacándose los fundamentos teóricos principales, lo que permitió establecer la línea de trabajo a seguir. •. Capítulo II: Fibras de refuerzo.. Se realiza una caracterización de las fibras utilizadas en la conformación de los materiales compuestos, estudiando sus propiedades, fabricación, comportamiento y aplicaciones. De las fibras que se tratan se hace énfasis en las fibras de carbono, boro, aramidas y vidrio, ya que son las más utilizadas en el sector de la construcción. Se llega a la conclusión que la fibra que más se adapta a las condiciones cubanas es la de vidrio ya que posee buenas propiedades y es la de menor costo. •. Capítulo III: Matrices.. En este capítulo se hace una caracterización de las resinas usadas como matriz en la conformación de los materiales compuestos, específicamente las termoestables ya que son las más utilizadas para conformar los materiales compuestos utilizados en la ingeniería, además son las utilizadas por Astisur por lo que requieren especial atención. • Capítulo IV: Métodos de fabricación, comportamiento de los materiales compuestos y revisión de software existentes. • La realización de este capítulo consiste en ver los métodos de fabricación existentes, sus ventajas y desventajas. Se estudia además los modelos utilizados para el análisis del comportamiento de los materiales compuestos reforzados con fibras, y los programas que permiten modelar elementos de este material. 22.

(22) Introducción. .. • Conclusiones • Recomendaciones • Bibliografía • Anexos. 23.

(23) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. Capítulo 1.

(24) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. Estado del arte de los materiales compuestos.. 24.

(25) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. 1.1 Introducción. El desarrollo de la humanidad siempre ha estado condicionado por el descubrimiento de nuevos materiales, la piedra, la madera el cobre, el bronce, el hierro, el hormigón el aluminio, han marcado la evolución del conocimiento y han servido al hombre para desarrollar nuevas técnicas, y procesos de construcción. Este desarrollo no se ha detenido por lo que en la actualidad existen materiales tales como los llamados materiales compuestos (composites). La introducción de estos materiales en el sector de la construcción ha tenido gran auge en el mundo, sin embargo en Cuba se ha sido muy conservador en relación al tema, y no se ha trabajado en base a las grandes ventajas que ofrecen estos materiales. En Cienfuegos existe una empresa llamada Astisur, la cual trabaja con fibra de vidrio, y cuenta con una oferta productos dedicados a la hidráulica tales como tanques, depósitos, y plantas de tratamientos de residuales, además fabrican y reparan botes, todo utilizando la fibra de vidrio. En esta empresa no cuentan con las herramientas necesarias para el diseño de estos elementos fabricados de plástico reforzado con fibra de vidrio, estos se realizan en la Habana, lo cual es una gran desventaja por razones de tiempo. Es así que surge esta investigación con el objetivo de aportar un granito de arena en el conocimiento de estos materiales y lograr un procedimiento que permita el diseño elementos de plástico reforzado con fibra de vidrio y la aplicación de los diferentes programas computacionales existentes. Para dar cumplimiento a los objetivos planteados en esta investigación se comenzó realizando una actualización del tema, teniendo en cuenta todos los aspectos teóricos, como por ejemplo: la clasificación de los distintos tipos de materiales compuestos y de sus componentes (fibras y matrices), las ventajas y desventajas de su uso, el comportamiento mecánico, el proceso de fabricación y la aplicación de estos en Cuba. Es valido aclarar que estos temas se presentan de forma muy breve en este capítulo ya que serán ampliados en los próximos.. 25.

(26) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. 1.2 Definición de los materiales compuestos. Los materiales compuestos surgen por la propia necesidad que se tenía hace siglos de confeccionar instrumentos de trabajo, de guerra, etc., así como realizar construcciones con características bien determinadas, impuestas por la época. En los últimos años, las propias exigencias de la revolución científico técnica han establecido que los científicos e instituciones en todas partes del mundo se ocupen de la obtención de nuevos materiales, donde el papel de los compuestos es preponderante. Por un compuesto se entenderá la combinación de dos o más materiales insolubles entre sí y que se obtiene de una unión por medio de una mezcla, manteniendo íntegro cada componente. Este material consta de un aglutinante como matriz y otro u otros como refuerzos de diferentes formas geométricas y con una determinada proporción entre ellos, para obtener características y propiedades específicas.(Ramos 2003) Otros autores también han brindado su definición de material compuesto, por ejemplo: Según (Hull 1987) un material compuesto es aquel que cumple con las siguientes condiciones: 1. Consta de dos o más materiales físicamente distintos y separables mecánicamente. 2. Puede fabricarse mezclando los distintos materiales de tal forma que la dispersión de un material en el otro pueda hacerse de manera controlada para alcanzar unas propiedades óptimas. 3. Las propiedades son superiores, y posiblemente únicas en algún aspecto específico, a las propiedades de los componentes por separado. Otra definición es la dada por (Federico Paris Carballo 2006), donde expresa que: Los materiales compuestos están formados de materiales continuos y discontinuos , el primero es un polímero que se le llama matriz, y el segundo que es el más fuerte y duro se le llama refuerzo, este se encuentra embebido en la matriz, con el objetivo de obtener materiales compuestos cuyas propiedades superen las de sus constituyentes. Las propiedades de los materiales compuestos son dependientes de las propiedades de los materiales que lo constituyen así como de su distribución. El material compuesto, tiene como objetivo tanto el obtener propiedades que no pueden ser alcanzadas por ninguno de los constituyentes actuando aisladamente, como aunar las. 26.

(27) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. propiedades individuales de dichos constituyentes en un solo material. Según (Dietrich 2005) se define como material compuesto todo sistema de materiales constituido a partir de una unión (no química, insoluble entre sí) de dos o más componentes, que da lugar a uno nuevo con propiedades características específicas, no siendo estas nuevas propiedades ninguna de las anteriores. En la figura 1.1 se muestra la composición general de un material compuesto.. Figura 1.1 Composición general de un material compuesto. Teniendo en cuenta los objetivos de este trabajo, y analizando los conceptos brindados por distintos autores, trabajaremos con el brindado por (Revuelta,2004) es decir en lo adelante cuando se hable de materiales compuestos se tratará de los llamados materiales compuestos avanzados, estos son aquellos en el que el refuerzo está ventajosamente colocado en el interior de la sección para mejorar sus características este puede consistir en una mezcla de distintas formas de refuerzo para superar tensiones internas, con un resultado final de una rigidez razonable y una elevada resistencia. Están formados a partir de matrices orgánicas,. 27.

(28) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. cerámicas o metálicas y reforzados mediante fibras (orgánicas o inorgánicas) que consiguen unas altas prestaciones respecto a los materiales usados tradicionalmente. En el anexo 1 se incluye una tabla con los valores de rigidez y resistencia de varios laminados.. 1.3 Clasificación de los materiales compuestos. Los materiales compuestos son una combinación de diferentes matrices con distintos materiales o disposiciones de fibras lo que permite que exista una gran variedad de ellos por lo que resulta difícil realizar una clasificación de aceptación general. A continuación mencionamos una serie de clasificaciones de los materiales compuestos según distintos autores: Según (Hull 1987) los materiales compuestos pueden clasificarse de la siguiente manera: 1 .Materiales compuestos naturales: madera, huesos, bambú, músculos u otros tejidos. 2 .Materiales micro-compuestos: aleaciones metálicas y termoplásticos endurecidos, hojas para moldeo continuo y termoplásticos reforzados. 3 .Macrocomposites: acero galvanizado, vigas de hormigón armado, palas de helicópteros y esquís. De las diferentes clasificaciones la que más se corresponde con esta investigación es la dada por (Dietrich 2005), ya que se refiere a la matriz. Aquí se pueden identificar tres grupos principales: − Materiales compuestos de matriz metálica. − Materiales compuestos de matriz cerámica. − Materiales compuestos de matriz polimérica. Este estudio se dirigirá fundamentalmente al grupo de materiales compuestos de matriz polimérica, por ser el más ampliamente utilizado en la industria en general y en la construcción. En la siguiente figura tomada de (Ramos 2003) se muestra la clasificación de los materiales compuestos de acuerdo a la geometría de la matriz y el refuerzo.. 28.

(29) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. Figura 1.2 Clasificación de acuerdo a la geometría de la matriz y el refuerzo. En la figura 1.3 se muestra una clasificación general de los materiales compuestos, de acuerdo al tipo de refuerzo.(Federico Paris Carballo 2006), esta clasificación es la que se utilizará en lo adelante ya que se corresponde con los objetivos de este trabajo. Para analizar esta clasificación es necesario realizar la distinción entre fibra y partícula. Una fibra se distingue porque una dimensión, su longitud, es mucho mayor que las otras dos (las características de la sección transversal). El resto de los refuerzos están agrupados como partículas pudiendo ser esféricos, cúbicos, laminares o irregulares. (Figura 1.4 (a)). El refuerzo con partículas es, ampliamente usado para mejorar ciertas propiedades de los materiales bases que forman las matrices tales como conductividades térmicas y eléctricas, comportamiento a alta temperatura, reducir fricción, aumentar resistencia a la abrasión, maquinabilidad, dureza, etc., y en ciertos casos simplemente para reducir el costo de. 29.

(30) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. fabricación. Como ejemplo de estos fines puede citarse la inclusión del plomo en el acero y de aleaciones de cobre para mejorar su maquinabilidad.. Figura 1.3 Clasificación de los materiales compuestos. Los materiales compuestos reforzados con fibra, van a constituir en lo que sigue el objetivo de mayor interés, por sus aplicaciones en base a sus excelentes propiedades mecánicas. Experimentalmente se comprueba que la resistencia real de la mayoría de los materiales es sensiblemente inferior a la que teóricamente debería poseer por el tipo de estructura que el material tiene. La razón de esta discrepancia está en la existencia de imperfecciones en el material. Siguiendo la clasificación esbozada en la figura 1.3 los compuestos de fibras pueden de forma amplia clasificarse en compuestos de una sola capa o multicapa. En realidad los. 30.

(31) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. compuestos de una sola capa están generalmente formados también por múltiples capas, llamadas láminas, pero teniendo todas las mismas propiedades y orientación por lo que el laminado (resultante de la unión de varias láminas) se suele llamar de una capa, dado que sus propiedades y su modelo de análisis no se diferencia en nada del caso de una sola lámina. En general, los materiales compuestos que se usan en la mayoría de las aplicaciones estructurales están formados por diferentes láminas, dado que el espesor de cada una de ellas (del orden de 0,1mm) hace inviable su uso aislado. Cuando todas las láminas son del mismo material (misma fibra y matriz y volumen relativo de ambos), si bien con orientaciones diferentes debido a las necesidades de diseño, el material compuesto recibe el nombre de laminado, figura 1.4 (e), siendo la situación más común en ingeniería. Dada la definición de laminado, la clasificación que afecta a las láminas (o laminados de una sola capa) afecta también a los laminados, tal y como se representa en la figura 1.3. El nombre de laminado híbrido se reserva para el caso de que las láminas sean de diferentes materiales constituyentes. Por ejemplo que unas láminas sean de fibra de vidrio y resina epoxi y otras de fibra de carbono y resina epoxi. Es posible, aunque no usual, que en una misma lámina se mezclen dos tipos diferentes de fibra. Laminados híbridos se han usado con éxito para la mejora de ciertas propiedades. Otro de los conceptos presentes en la figura 1.3 es el de fibra continua o discontinua. No es posible dar una definición cuantitativa de cuando, en función de la longitud de la fibra, se está en una u otra situación. Cualitativamente, por contra, la distinción es clara. Un material compuesto se dice de fibra discontinua o corta, cuando la longitud de la fibra afecta a las propiedades del material. En el material de fibra continua la carga es soportada fundamentalmente por las fibras, siendo la principal función de la matriz el mantener unidas a las fibras y protegerlas. El modo de fallo en estos compuestos viene gobernado por las fibras, salvo para fracciones volumétricas de fibra muy bajas.. 31.

(32) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. Figura 1.4 Configuración esquemática de varios materiales compuestos.. Dentro de las láminas de fibra continua cabe que el refuerzo se produzca en una dirección, figura 1.4(c), o en dos direcciones, figura 1.4 (d). Las de una dirección suelen aparecer comercialmente en cintas enrolladas de fibras pre-impregnadas de matriz (reciben el nombre de pre-preg). La cinta está adherida a un material de desecho, que se elimina en el instante de utilizarla para formar un laminado (o para su uso), que da una cierta rigidez a la cinta y al mismo tiempo impide el pegado de la cinta consigo misma al enrollarla. Los compuestos unidireccionales son muy rígidos y resistentes en la dirección de la fibra pero muy débiles en la dirección perpendicular, por lo que su uso se reduce a aplicaciones en que trabajan estructuralmente como un tirante. Generalmente las láminas reforzadas en una dirección se usan para unirlas entre sí con orientaciones diferentes y obtener un laminado de propiedades deseadas.. 32.

(33) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. También se puede proceder a reforzar con fibras en dos direcciones cuál es el caso de usar tejidos de fibra entrelazados en direcciones perpendiculares, lo que proporciona similares características a la lámina en las dos direcciones. Cuando se usa fibra discontinua, figura 1.4 (b), resulta más difícil controlar la orientación de las fibras, por lo que en la mayoría de los casos se supone que la fibra está orientada de forma aleatoria, teniendo el material compuesto propiedades cuasi-isótropas.. 1.4 Ventajas y desventajas de los materiales compuestos: Los compuestos tienen ventajas y desventajas, las cuales es necesario tener en cuenta. Algunas de ellas, pueden ser resumidas de la siguiente forma. Ventajas: − Son muy ligeros lo cual aporta enormes ventajas tanto desde el punto de vista de economía y facilidad de transporte de la pieza hasta la obra, como del de facilidad de montaje y puesta en obra. Sin olvidar la significativa reducción de cargas muertas cuando estos materiales se utilizan de modo integral o masivo. − Excelente comportamiento ante la corrosión y ataques de agentes químicos. − Elevadas propiedades mecánicas. − Absoluta libertad de formas y diseños. − Bajo costo de mantenimiento. − Poca propagación de las fisuras. − Es posible diseñar compuestos con bajo o aún cero coeficientes de conductividad térmica en el caso que se requiera, o significante coeficiente de conductividad térmica para ciertas aplicaciones. − Es posible diseñar compuestos donde la fatiga sea despreciable de acuerdo con la aplicación que se desee trabajar. Ciertos compuestos, particularmente aquellos con refuerzos de carbón tienen excelentes características a la fatiga. − Pueden obtenerse compuestos con altas o bajas características eléctricas. Los plásticos reforzados con vidrios son excelentes aisladores. Desventajas: − El escaso conocimiento que de estos materiales se tiene. − Falta de códigos de diseño. De modo que sólo existe diseño a base de análisis.. 33.

(34) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. − Al ser tan recientes, los planes de estudio no recogen esta materia. − Pérdida de ductilidad. − Complejidad en su confección. − Tecnología avanzada en ocasiones. − Costosa manufactura.. 1.5 Fibras y matrices. En lo que concierne a los materiales compuestos reforzados con fibra, a continuación se recogen las características mecánicas de los elementos que componen estos materiales: las fibras y las matrices.. 1.5.1 Fibras. Las fibras son las responsables de las buenas propiedades estructurales del composite. Sobre todo logran que el material compuesto tenga unas elevadas propiedades específicas de rigidez y resistencia en su dirección longitudinal. Las principales fibras que se utilizan en plásticos reforzados son de naturaleza cerámica: las de vidrio, las de carbono y además las fibras de aramidas (Kevlar). Las fibras de boro, carburo de Silicio (SiC), alúmina y otras fibras son utilizadas en aplicaciones especiales. La elección del tipo de fibra dependerá de las propiedades mecánicas y ambientales deseadas y del costo de la fibra. Fibras orgánicas. −. Fibras de Aramidas.. − Poliéster, rayón, nylon. Fibras inorgánicas naturales. − Fibras de asbesto Fibras inorgánicas sintéticas. − Fibras de boro. − Fibras cerámicas. − Fibras de carbono. − Fibras de carburo de silicio. − Fibras metálicas. 34.

(35) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. − Fibras de vidrio. En el próximo capítulo se tratará este tema de forma más amplia, haciendo énfasis en la fibra de vidrio por ser la más utilizada en Cuba, a continuación se muestran algunas de las fibras que serán estudiadas.. Figura 1.5 Distintos tipos de fibras. (a) Fibra de carbono, (b) Fibra de aramidas, (c) Fibra de vidrio.. 1.5.2 Matrices. En general un material compuesto esta constituido por fibras embebidas en una matriz de resina que ocupa un 30 a 40 % del volumen del material compuesto. Este estudio se dirigirá fundamentalmente al grupo de materiales compuestos de matriz polimérica, por ser el más utilizado en Cuba. Los polímeros. La palabra polímero proviene etimológicamente del griego y significa “muchos miembros o partes”. Químicamente se define como un material constituido por grandes moléculas, las cuales se forman por la secuencia repetitiva de moléculas pequeñas o agrupaciones de átomos simples, enlazadas unas a otras por enlaces primarios (usualmente del tipo covalente simples). Estas unidades estructurales sencillas (moléculas pequeñas) que dan origen a los polímeros reciben el nombre de monómeros (mono = uno, meros = parte). Origen. Los precedentes de los monómeros se encuentran en el carbono, presente en diferentes. materiales naturales, pero debido a su elevado coste de obtención y producción, solo es rentable su extracción desde el petróleo, carbón y gas natural. 35.

(36) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. Clasificación de los polímeros. Así como la palabra metal designa diferentes tipos de materiales, la palabra polímero debe considerarse como un concepto amplio, en el que caben un buen número de materiales. Dentro de este numeroso grupo de materiales, podemos hacer diferentes clasificaciones, atendiendo siempre a diversos criterios. Una primera clasificación de las resinas podría establecerse según el origen del polímero, de la siguiente manera: - Polímeros naturales. - Polímeros sintéticos. Sin embargo la Clasificación más aceptada se basa en el comportamiento térmico del polímero, es decir, la termodependencia de sus propiedades (comportamiento y procesabilidad), así tenemos: - Termoplásticos. - Elastómeros. - Termoestables. Teniendo en cuenta los objetivos de esta investigación se hará énfasis en los próximos capítulos en las resinas termoestables, ya que son las utilizadas para la conformación del material compuesto en Astisur. Unión fibra – matriz El comportamiento y propiedades del material compuesto, está no sólo condicionado por las propiedades de cada uno de los elementos aislados que se acaban de indicar, sino también por la naturaleza y características de la interfase que se forma entre ambos elementos. La interfase es la responsable de la transmisión de cargas de la matriz a las fibras, lo que condiciona en gran medida la resistencia final del material compuesto. Por supuesto que el mecanismo de transferencia de carga es mucho más importante en los compuestos de fibra corta debido a las concentraciones de tensión que aparecen en los extremos de la fibra (Federico Paris Carballo 2006).. 36.

(37) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. 1.6 Modelos constitutivos existentes para el estudio de los materiales compuestos. La estructura de los materiales compuestos reforzados con fibra es heterogénea y anisótropa. En algunos casos de apilamiento de láminas unidireccionales, se pueden producir situaciones particulares de ortotropía (tres planos principales de simetría del material) o incluso de cuasi-isotropía si por ejemplo las láminas se sitúan con diferentes orientaciones relativas. La complejidad de un análisis heterogéneo ha hecho necesario el realizar algunas hipótesis de comportamiento cuyos buenos resultados justifican su mantenimiento. Estas hipótesis están conectadas con una división clásica, aunque tiene aspectos distorsionantes, realizada en la mayoría de los libros sobre composites, y que considera el análisis de éstos desde dos puntos de vista: Micromecánico y Macromecánico. Los micromodelos se concentran en el estudio del comportamiento del material a nivel de cada componente, en la práctica estos modelos presentan un alto costo computacional. Los macromodelos representan el comportamiento constitutivo del material compuesto como si se tratase de un único material. Se han formulado algunas teorías para solucionar las dificultades que se derivan de los problemas con materiales compuestos. Las teorías más utilizadas son: la teoría de mezclas y la teoría de homogenización. La teoría de mezclas pertenece al grupo de los macromodelos y determina el comportamiento del material compuesto como una combinación de simples materiales componentes, cada uno con su modelo constitutivo propio que satisface una condición de compatibilidad con los restantes. La teoría de homogenización en cambio, analiza el problema bajo dos puntos de vista diferentes, bajo el punto de vista macroscópico el compuesto se considera como un material homogéneo, cuyas propiedades son determinadas a través de un volumen elemental representativo, el cual se estudia desde el punto de vista microscópico. En la Fig.1.6 se muestran esquemáticamente estas ideas (Federico Paris Carballo 2006).. 37.

(38) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. Figura 1.6 Caracterización analítica de materiales compuestos. Teoría de mezclas: Los modelos constitutivos desarrollados para la simulación del comportamiento de materiales simples isótropos no resultan apropiados para el análisis de materiales compuestos, entre varios motivos de distinta importancia por la fuerte anisotropía de estos materiales. Tampoco ha resultado satisfactoria la representación de un compuesto mediante un único material ortótropo con propiedades del conjunto, por ello aparece la teoría de mezclas,. Ésta determina el comportamiento del material compuesto como una. combinación de materiales componentes simples cada uno con su modelo constitutivo propio que satisface una condición de compatibilidad con los restantes, este método será ampliado más adelante.. 38.

(39) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. Teoría de homogenización: La representación del comportamiento de los materiales homogéneos se consigue mediante leyes o ecuaciones matemáticas formuladas (dentro del contexto de la mecánica de medios continuos ) a nivel macroscópico . Así, la mayoría de formulaciones extrapolan. dicho. concepto. y. conciben. el. comportamiento. de. los. materiales. compuestos bajo un punto de vista macroscópico, aunque ello conlleva a ignorar lo que sucede a nivel de los materiales constituyentes. En busca de lograr un comportamiento global del compuesto surge la teoría de homogenización que será ampliada más adelante.. 1.7 Fabricación de materiales compuestos de fibra. En cualquiera de los múltiples procesos existentes para la fabricación de materiales compuestos reforzados con fibra se pueden distinguir dos fases: la configuración del laminado y el curado La primera fase admite múltiples variantes, de las cuales se van a describir muy brevemente las más difundidas. El método de enrollado de filamentos (“Filament winding”): Consiste en pasar hilos o mechas continuas de fibras por un baño de resina enrollándolos a continuación sobre un molde giratorio que dispone del mecanismo adecuado para orientar la fibra con el ángulo adecuado de diseño con respecto al eje longitudinal. En el método de bolsa de vacío, presión o autoclave: Las láminas se colocan en la superficie del molde en el orden de apilamiento y con las direcciones adecuadas para formar un laminado. Se cubren con un saco de presión para introducirlos en la autoclave a temperatura y presión adecuadas para provocar el curado final del conjunto. El método de proyección (Spray-up): Se usa en el caso de que el refuerzo no sea continuo ni tenga orientación preferente. En este caso se proyectan simultáneamente los hilos ya cortados y la resina a un molde, consolidando el compuesto con el rodillo. El método de apilado manual (“hand lay-up”): Consiste en disponer sobre un molde previamente elaborado las fibras que se impregnan de la resina con brocha o rodillo. Se van sucediendo capas de matriz y resina hasta alcanzar el espesor de diseño. Las fibras, cuando se utiliza este procedimiento suelen venir en fieltros enrollados pudiendo estar la fibra. 39.

(40) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. dispuesta en una o dos direcciones. En este método, el curado se realiza al ambiente sin ayuda de presión ni calor. Estos métodos serán ampliados más adelante, en especial el de apilado manual, ya que es el utilizado en Astisur para la fabricación de elementos de materiales compuestos.. 1.8 Aplicaciones de los materiales compuestos. Comparado con otros sectores productivos, en el sector de la construcción la expansión de los materiales compuestos no ha sido tan generalizada ni tan rápida como se podía esperar. Dentro de las principales aplicaciones de los materiales compuestos en el mercado de la construcción varían desde piezas para baños/bañeras y claraboyas, hasta paneles decorativos, paneles para muros cortina y materiales de fachadas (entre otros).(Ramon 2005). Al igual que para aplicaciones exteriores, también existen gran número de aplicaciones para elementos interiores de edificios (Miravete 2000) − Persianas (contra el sol o para decoración). − Revestimientos estéticos para su uso en paredes, divisorias, techos, puertas y mobiliario. − Argamasa con refuerzo de vidrio en una variedad de formas: columnas, techos, cornisas. − Decoración y mobiliario fabricados de plástico reforzado y materiales compuestos de vidrio y cemento. − Cintas para paredes secas. − Divisiones de materiales compuestos de cemento y vidrio. − Paneles de materiales compuestos. − Piezas sanitarias (bañeras, bidé, duchas, piletas, vaso sanitario). − Asentamiento del piso (pisos rígidos y flexibles). − Ítems funcionales (cajas de correos, cajas de medición). − Ítems decorativos.. 40.

(41) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. En la figura 1.7 se muestra un ejemplo de la utilización de vigas multicelulares híbridas, de fibra de vidrio y carbono, tienen forma rectangular y son fabricadas mediante el método de pultrusión. Puente Sugar Grove (Virginia, EEUU) de 12 m de longitud.. Figura 1.7 Detalles vigas multi-celulares en Puente Sugar Grove (Virginia, EEUU). La figura 1.8 muestra un ejemplo de “Tableros Superdeck” constituidos por perfiles de pultrusión formando geometrías de hexágonos y dobles trapecios. Estos tableros se apoyan sobre largueros metálicos. Un ejemplo de aplicación es el puente Wickwire Run, Taylor County, West Virginia, EEUU. Este puente fue abierto al tráfico en 1997 con una longitud de 9,14 m y una anchura de 6,6 m.. Figura 1.8 ejemplo de “Tableros Superdeck.”. 41.

(42) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. En la figura 1.9 se muestran ejemplos de paneles y perfiles fabricados de materiales compuestos y empleados para proporcionar superficies sólidas y continuas, con el objetivo de sustituir a los equivalentes de madera o metal en ambientes especialmente corrosivos, o en los que el mantenimiento excesivo supone costes elevados. Figura 1.9 Paneles y perfiles de materiales compuestos. En la figura 1.10 se muestran placas de materiales compuestos utilizadas para pavimentos, estas placas están formadas de poliéster o viniléster reforzado con fibra de vidrio, cuyos acabados proporcionan superficies antideslizantes.. Figura 1.10 Placas de materiales compuestos para pavimentos. En este punto del trabajo, es necesario definir el alcance de los materiales compuestos en Cuba, específicamente en Astisur, una empresa dedicada al trabajo con fibra de vidrio, utilizando como matrices para conformar el material compuesto las poliméricas específicamente las matrices termoestables como: la resina viniléster, la poliéster y la 42.

(43) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. epoxi. De los trabajos que realizan en esta empresa se destaca la fabricación de botes y de depósitos según se muestra en la figuras 1.11 y 1.12.. Figura 1.11 Tanques para tratamiento de residuales.. Figura 1.12 Trabajos que realiza Astisur.. 1.9 Conclusiones parciales de capítulo. 1. Los materiales compuestos son el resultado de la combinación adecuada de refuerzo y matriz, estos presentan una elevada anisotropía debido a las características anisótropas de las fibras.. 43.

(44) Capitulo 1: Estado del arte de los materiales compuestos.. .. 2. La posición y el tipo de refuerzo dan lugar a diversos tipos de materiales compuestos. 3. Los materiales compuestos tienen grandes ventajas respecto a los materiales convencionales, son más ligeros, son resistentes a los ambientes agresivos, y tienen alta resistencia al impacto y elevadas propiedades mecánicas. 4. Debido a su gran variedad de propiedades el uso de estos materiales no es solo en la construcción sino también en la industria automotriz, en la aviación, en el sector aeroespacial, en la industria naval, incluso son utilizados en la fabricación de artículos de uso doméstico. 5. En Cuba se utiliza en la industria naval para fabricar botes y en la parte de la ingeniería civil solo se aplica en plantas para tratar residuales y tanques. Estos se debe a que por ser un material caro y poseer grandes complicaciones en sus cálculos se ha sido muy conservador con respecto al tema. 6. Para su análisis se utilizan los macromodelos y los micromodelos con el fin de lograr la mayor aproximación al comportamiento real de material, los primeros se utilizan para analizar el problema global y en ellos se considera al material compuesto como un material homogéneo. Los segundos se utilizan para analizar la estructura interna del material compuesto y obtener las variables de estado del problema micro-mecánico, estas permiten luego determinar las macro-variables del problema. 7. En Cuba se aplica el proceso de fabricación de moldeado a mano ya que es un proceso artesanal por lo que no requiere tecnología avanzada, ni mano de obra especializada.. 44.

(45) Capítulo 2. Fibras de Refuerzo.. .. Capítulo 2 Fibras de refuerzo..

(46) Capítulo 2. Fibras de Refuerzo.. .. 2.1 Introducción Es cada vez más evidente la aplicación de materiales compuestos, ya que de tiempo atrás, su aplicación era prácticamente inexistente. Las ventajas de estos materiales se hicieron cada vez más conocidas al empezar a aplicarlos en diversos sectores. Para poder entender y predecir hasta cierto punto el comportamiento de los materiales compuestos es necesario conocerlos un poco más, tanto las características de los materiales que lo conforman por separado, como en el comportamiento de estos durante su proceso de aplicación, sin necesidad de entrar en aspectos muy complejos de ingeniería química. Las propiedades de un material compuesto están determinadas por las propiedades, geometría y distribución de los materiales que lo componen tanto de la matriz como del refuerzo. En este capítulo se hará referencia a las características y propiedades más importantes de los diferentes tipos de fibras de refuerzo, ampliando en las más usadas como el carbono, vidrio, boro (en menor medida) y las orgánicas (registradas como Kevlar). Se analizarán también, sus principales aplicaciones, y las diferencias existentes entre un tipo de fibra y otra.. 2.2 Fibras orgánicas. Según (Julián Rodríguez Montes 2006) el concepto de fibra orgánica esta basado teóricamente en la creación de fibras con una alta resistencia y alto modulo de elasticidad a partir de una perfecta alineación de polímeros. Podemos tomar como ejemplo las largas cadenas de polietilenos que constan de cadenas unidas directamente en zigzag de carbono a carbono completamente alineados y agrupadas estrechamente, que tienen un modulo de elasticidad teórico de aproximadamente 220GPa actualmente se trata de fabricar fibras de polietileno de alta elasticidad donde se busca la máxima linealidad y alargamiento entre las cadenas de los polímeros durante el proceso de fabricación. De las fibras orgánicas que serán estudiadas en este capítulo la de mayor interés y aplicación para la ingeniería civil es la fibra de aramidas que es la más utilizada sobre todo para reforzar y reparar estructuras, las demás tienen mayor aplicación en la industria textil.. 46.

(47) Capítulo 2. Fibras de Refuerzo.. .. 2.2.1 Fibras de Aramidas. Estas fibras son de poliamida aromática, fueron introducidas comercialmente en 1972 por Dupont bajo el nombre comercial de Kevlar en la actualidad, existen dos modelos, Kevlar 29 y 49, siendo éste último el de mejores prestaciones, estas pueden ser fibras de bajo módulo (E=70GPa) y fibras de alto módulo (E =130GPa) respectivamente. Aunque ninguno de los dos modelos tiene resistencia apreciable a la compresión axial presentan excepcionales características de resistencia y rigidez, una textura flexible y no frágil como las demás fibras, siendo bastante semejantes a las fibras textiles de vestimenta, permitiendo ser tejidas en tramas mucho más densas y complejas que las permitidas en los tejidos de vidrio, unas de sus características más llamativas es su alta resistencia al impacto, su gran tenacidad y su alta capacidad de absorción. Esto explica su uso en globos aerostáticos y dirigibles, chalecos a prueba de balas y tejidos impermeables. Otra característica interesante del Kevlar es su baja densidad, de 0.0144 kN./m3, en comparación con el grafito, con 0.018 kN./m3y el vidrio con 25.40 kN./m3y el acero, con 0.07880 kN./m3.. Figura 2.1 Tejidos de fibras de Aramidas. Podemos destacar otras características como: − Elevada resistencia específica a la tracción (cinco veces más resistente que el acero). − Buena estabilidad mecánica en el rango (-30 ºC/200 ºC). − Alto módulo de elasticidad y baja elongación a la rotura. − Gran estabilidad química, excepto contra ácidos fuertes y bases muy concentradas. − Además son resistentes a la llama y auto extinguibles.. 47.

(48) Capítulo 2. Fibras de Refuerzo.. .. En cuanto a sus desventajas se puede destacar su baja resistencia a compresión como ya se mencionó anteriormente, la pérdida de resistencia en presencia de humedad y baja adherencia a determinadas matrices, por ejemplo las termoplásticas (polipropileno, nylon, policarbonatos); además, su precio es elevado en comparación con otras fibras. Comportamiento: De forma similar a las fibras de vidrio o carbono, la curva tensión-deformación de las aramidas es casi lineal hasta su rotura. Al menos tres fibras de aramida disponibles en el mercado (Kevlar49-DuPont, HM50-Teijin, Twaron-Teijin) han sido experimentadas para reforzar composites con matriz de cemento. Las propiedades relativas a la tensión de estas tres fibras se muestran en la tabla 2.1. La combinación de baja densidad con alta resistencia y alto módulo elástico confiere a las fibras de aramida la mayor resistencia a tracción específica de cualquier material y un alto módulo elástico incluso en comparación con la fibra de carbono. Las aramidas sometidas a tensión tienen una buena estabilidad dimensional, con deformación similar a la del acero después de un corto periodo inicial.. Tabla 2.1 Características de las fibras de Aramidas. A compresión, las aramidas son elásticas a baja deformación, pero llegan a ser perfectamente plásticas con altas deformaciones. El comienzo de la fase plástica durante la compresión surge por la cizalladura de las cadenas moleculares que conduce a la formación de plegados oblicuos dentro de la fibra. En comparación con las fibras de carbono, las aramidas sobreviven intactas curvándose al someterse a compresión. Este comportamiento es tecnológicamente importante porque facilita el proceso de tejido, trenzado y entrelazado. Las aramidas tienen comparativamente una alta estabilidad térmica, no funden, y solo se. 48.

(49) Capítulo 2. Fibras de Refuerzo.. .. descomponen en el aire a temperaturas superiores a los 450 ºC. La alta durabilidad de los hilos de Kevlar49 y de las hebras de Kevlar49/epoxy sometidas a pruebas de alta temperatura para acelerar el colapso han indicado una vida teórica superior a los 100 años con esfuerzos entre el 50% y el 60% del máximo nominal.. Figura 2.2 (a) Fibras de Aramidas para el refuerzo de cable de fibra óptica, (b, c) Fibra de Aramidas para el refuerzo de cordaje y cable, (d) Hilo de Aramidas. Usos de Kevlar: Desde su introducción comercial en 1972, las aramidas han sido empleadas en una gran variedad de aplicaciones algunas de las cuales pueden verse a continuación. Aplicaciones: − Cuerdas, bolsas de aire en el sistema de aterrizaje del Mars Pathfinder. − Cuerdas de pequeño diámetro. − El blindaje antimetralla en los motores jet de avión, de protección a pasajeros en caso. de explosión. − Neumáticos funcionales que funcionan desinflados. − Guantes contra cortes, raspones y otras lesiones.. 49.

(50) Capítulo 2. Fibras de Refuerzo.. .. − Kayaks con resistencia de impacto, sin peso adicional. − Esquís, cascos y raquetas fuertes y ligeros. − Chaleco antibalas. − Revestimiento para la fibra óptica. − Silenciadores de tubos de escape. − Construcción de motores. − Refuerzo de hormigón.. En la siguiente figura puede verse la utilización de esta fibra en la construcción de aviones y en el refuerzo de estructuras de hormigón.. Figura 2.3 Aplicaciones de las fibras de Aramidas en la aeronáutica y en el refuerzo de estructuras de hormigón. Investigaciones experimentales parecen demostrar que el comportamiento de las fibras sintéticas de aramida impregnadas de epoxi actúa de forma similar que las fibras de acero para el refuerzo de matrices de hormigón. La ventaja de la aramida sobre el acero es en la reducción de los problemas de corrosión, y sobre el polipropileno, en un mejor comportamiento global. Por contra, el uso generalizado de la aramida, se ve todavía frenado por los altos costes tanto de material como de fabricación y procesado que todavía posee.. 50.

(51) Capítulo 2. Fibras de Refuerzo.. .. Sin embargo, la posibilidad de extender su uso es esencial para conseguir grandes resistencias en elementos de gran esbeltez, el refuerzo de aramida puede tener un papel fundamental.. 2.2.2 Fibras utilizadas en la industria textil. Fibras de Poliéster. El poliéster es una categoría de polímeros que contiene el grupo funcional éster en su cadena principal. Los poliésteres que existen en la naturaleza son conocidos desde 1830, pero el término poliéster generalmente se refiere a los poliésteres sintéticos o plásticos los cuales son obtenidos mediante fenómenos de polimerización o multiplicación artificial de los átomos de carbono en las largas cadenas moleculares de compuestos orgánicos derivados del petróleo y otras sustancias naturales. El poliéster termoplástico más conocido es el Tereftalato de Polietileno más conocido por sus siglas en inglés PET, (Polyethylene Terephtalate). Químicamente el PET es un polímero que se obtiene mediante una reacción de policondensación (ver concepto en el anexo 2) entre el ácido tereftálico y el etilenglicol. Pertenece al grupo de materiales sintéticos denominados poliésteres. Como resultado del proceso de polimerización, se obtiene la fibra, que en sus inicios fue la base para la elaboración de los hilos para coser, y actualmente tiene múltiples aplicaciones como la fabricación de botellas de plástico que anteriormente se elaboraban con PVC.. Figura 2.4 Fotografía de microscopio electrónico del poliéster.. 51.

(52) Capítulo 2. Fibras de Refuerzo.. .. Fibras de Rayón. El rayón fue la primera fibra manufacturada; se produce a partir de un polímero que se encuentra en la naturaleza (celulosa). Hasta los años 30 sólo se fabricaba rayón en forma de hilo, hasta que se descubrió que las fibras rotas que se desechaban en la producción de hilo valían para ser entretejidas. Las propiedades físicas del rayón no cambiarían hasta el desarrollo del rayón de alta tenacidad en los años 40. Posteriores investigaciones llevaron a la creación del rayón HWM en los 50, esta es una versión modificada de la viscosa que destaca por ser más resistente con el agua. Actualmente, existen varios tipos de fibra de rayón que se utilizan comercialmente. La más conocida de estas fibras es la Viscosa. Este nombre proviene de la alta viscosidad de la solución de celulosa. Esta fibra no es tiene gran aplicación en el campo de la construcción y de los materiales compuestos, ya que su uso es mayoritariamente en la confección textil (blusas, vestidos, chaquetas, lencería, forros, trajes, corbatas...), en decoración (colchas, mantas, tapicería, fundas...), en industria (material quirúrgico, productos no tejidos, armazón de neumáticos...) y otros usos (productos para la higiene femenina).. Figura 2.5 Muestra de Rayón utilizado en la confección textil.. Fibras de Nylon. Esta es una fibra sintética fuerte y elástica, que reemplazaría en parte a la seda y el rayón. El nylon es un polímero artificial que pertenece al grupo de las poliamidas. Se genera formalmente por policondensación de un diácido con una diamina. El más conocido, el PA6.6 es por lo tanto el producto formal del ácido butandicarboxílico (ácido adípico) y la hexametilendiamina. Es una fibra textil elástica y resistente, no la ataca la polilla, no requiere de planchado y se utiliza en la confección de medias, tejidos y telas de punto, también cerdas y sedales. El. 52.

(53) Capítulo 2. Fibras de Refuerzo.. .. nylon moldeado se utiliza como material duro en la fabricación de diversos utensilios, como mangos de cepillos, peines, etc. El nylon posee buena fuerza tensil, es decir que son resistentes cuando se les estira, pero por lo general tienen baja fuerza compresional, o sea, son débiles cuando se aprietan o se comprimen. Además, las fibras tienden a ser resistentes en una dirección, la dirección en la cual están orientadas. Si se las estira en ángulos rectos a la dirección de su orientación, tienden a debilitarse. Debido a esta extraña combinación de resistencias y debilidades, en ocasiones son usadas para reforzar los termorrígidos. Cuando un termorrígido o cualquier otro polímero es reforzado de este modo con una fibra, se dice que es un material compuesto, aunque no es de las más utilizadas como son las fibras de carbono y vidrio que serán ampliadas más adelante.. 2.3 Fibras inorgánicas naturales. 2.3.1 Fibras de Asbesto. El asbesto, también llamado amianto, es un grupo de minerales metamórficos fibrosos compuestos de silicatos de cadena doble. Los minerales de asbesto tienen fibras largas y resistentes que se pueden separar y son suficientemente flexibles como para ser entrelazadas. Las excelentes propiedades que presenta el amianto (aislantes, mecánicas, químicas, y de resistencia al calor y a las llamas) y su relativo bajo coste, pueden explicar sus numerosas aplicaciones industriales. Debido a estas características, se le ha utilizado masivamente como material de construcción en tejas, baldosas, azulejos, papel o cemento; en la industria del automóvil en los embragues, frenos o componentes de la transmisión; o en diversos materiales textiles, envases o revestimientos. En Cuba son muy utilizados en la fabricación de cubiertas ligeras y tanques para almacenamiento de agua.. 53.

(54) Capítulo 2. Fibras de Refuerzo.. .. Figura 2.6 (a) Asbesto en forma natural, (b) Fibra de Asbesto. Está disponible en forma de fibras cortas, hilos, mantas, tejidos, cintas y fieltros. Es usado tanto como refuerzo de termoplásticos, donde se utiliza en forma de fibras cortas las que se pueden ver en la figura 2.6 (b), aunque no tienen gran aplicación en la fabricación de materiales compuestos avanzados.. 2.4 Fibras inorgánicas sintéticas. 2.4.1 Fibras de Boro. Tipos de fibras y fabricación. Según el substrato utilizado para el proceso de fabricación de lo filamentos de boro distinguimos dos tipos de fibra: 1. Fibras de boro obtenidas a partir de la fabricación en substrato de tungsteno. Son las más utilizadas a pesar de que su coste es relativamente elevado debido al alto coste del substrato de tungsteno. 2. Fibras de boro obtenidas a partir de las deposiciones en substrato de carbono. Con la idea de encontrar un substrato más económico que el tungsteno, se desarrolló un proceso para la deposición del boro en un monofilamento de carbono. Este tipo de fibra es más económico que el anterior, debido a que el coste de substrato es menor. En la tabla 2.2 tomada de (Miravete 1995) se resumen algunas de las propiedades más importantes de esta fibra.. 54.

(55) Capítulo 2. Fibras de Refuerzo.. .. Tabla 2.2 Propiedades de la fibra de Boro. El primer material compuesto que se empleó en partes estructurales de un avión fue la fibra de boro. Son muy caras y su uso es prácticamente solo militar. Actualmente está aumentando el uso de boro en filamentos o fibras incorporadas a plásticos (tipo epóxicos) obteniéndose un material de gran resistencia y ligereza que es empleado, principalmente, en estructuras aeroespaciales, blindajes, etc. Los cristales de boro puro se usan en la fabricación de termistores y en trazas para modificar las propiedades de silicio y germanio.. 2.4.2 Fibras Cerámicas. Las fibras cerámicas se desarrollaron por la necesidad que existía en el sector aeroespacial de refuerzos para altas temperaturas, estas se fabrican con materias primas conocidas: caolín, alúmina, cuarzo, más pequeños porcentajes de óxido de circonio y otros, incluidos para mejorar su resistencia, elasticidad y propiedades. Estas fibras se utilizan principalmente cuando la temperatura de trabajo es extremadamente elevada, por ejemplo, 1100 °C, muchos materiales ceden, y entonces es necesario recurrir a fibras cerámicas y similares. Su principal aplicación es como revestimientos en lugares expuestos a altas temperaturas. Existe una amplia variedad de productos en esta categoría de fibras cerámicas, y cada uno de ellos corresponde a un determinado rango de aplicaciones. Los principales materiales de este tipo son: 1. Mantas cerámicas. 55.