Tema 10
MATERIALES COMPUESTOS
Tema 10: Materiales compuestos
3er Curso del Grado en Arq. Naval e Ing. de Sistemas Marinos
Contenido 1. Introducción....................................................................................................... 4 1.1 Definición de material compuesto ......................................................................... 4 1.2 Tipos de materiales compuestos ............................................................................ 5
2. Matrices poliméricas para materiales compuestos ............................................ 7 2.1 Tipos de reacciones de síntesis de polímeros ........................................................ 7 2.2 Clasificación de los polímeros............................................................................... 8 2.3 Funciones de la matriz polimérica ....................................................................... 11 2.4 Matrices termoestables ........................................................................................ 11 2.4.1 Proceso de curado .................................................................................................... 12 2.4.2 Clasificación de las resinas ...................................................................................... 14
2.5 Cargas y aditivos ................................................................................................. 23 2.5.1 Cargas ...................................................................................................................... 24 2.5.2 Aditivos .................................................................................................................... 24
2.6 Recubrimientos .................................................................................................... 25 2.6.1 Gelcoat ..................................................................................................................... 25 2.6.2 Topcoat .................................................................................................................... 27
3. Materiales de refuerzo ..................................................................................... 27 3.1 Fibras ................................................................................................................... 28 3.1.1 Fibras inorgánicas .................................................................................................... 28 3.1.2 Fibras orgánicas ....................................................................................................... 33
3.2Estructuras textiles................................................................................................ 35 3.2.1 Fieltros (mats) .......................................................................................................... 35 3.2.2 Sistemas no mallados ............................................................................................... 37 3.2.3 Mallados y encadenados .......................................................................................... 39
4. Materiales de núcleo........................................................................................ 40 4.1 Tipos de núcleos .................................................................................................. 41 4.1.1 Maderas naturales .................................................................................................... 41 4.1.2 Espumas sintéticas ................................................................................................... 44 4.1.3 Núcleos de nido de abeja ......................................................................................... 49 4.1.4 Materiales con microcápsulas .................................................................................. 52
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5. Procesos de fabricación ................................................................................... 54 5.1 Técnicas de moldeo por contacto ........................................................................ 58 5.1.1 Laminado manual..................................................................................................... 58 5.1.2 Proyección simultánea ............................................................................................. 59 5.1.3 Moldeo con impregnadore ....................................................................................... 61
5.2 Técnicas de moldeo asistidas por vacío .............................................................. 62 5.2.1 Moldeo por vacío-laminado manual ........................................................................ 63 5.2.2 Laminado de preimpregnados (prepegs) .................................................................. 65 5.2.3 Preimpregnados parciales ........................................................................................ 66
5.3 Técnicas de moldeo por vía líquida ..................................................................... 67 5.3.1 Moldeo por transferencia de resina (RTM) ............................................................. 67 5.3.2 Moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM) .......................... 69 5.3.3 Moldeo por infusión ................................................................................................. 69
5.4 Autoclave ............................................................................................................. 71
6. Adhesivos ........................................................................................................ 72 6.1 Adhesivos estructurales ....................................................................................... 80 6.1.1 Acrilatos ................................................................................................................... 80 6.1.2 Cianocrilatos ............................................................................................................ 80 6.1.3 Anaeróbicos ............................................................................................................. 81 6.1.4 Resinas fenólicas ...................................................................................................... 82 6.1.5 Resinas epoxi ........................................................................................................... 83 6.1.6 Poliuretanos.............................................................................................................. 83 6.1.7 Siliconas ................................................................................................................... 84
6.2 Preparación de las superficies ............................................................................. 84 6.2.1 Preparación de la superficie de metales ................................................................... 85 6.2.2 Preparación de la superficie de plásticos ................................................................. 87 6.2.3 Preparación de la superficie de maderas .................................................................. 87
7. Reciclado ......................................................................................................... 88 8. Bibliografía ...................................................................................................... 90
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1. Introducción Los llamados materiales compuestos son cada vez más utilizados en la industria naval. Su uso se inició con las resinas fenólicas a inicios del siglo pasado. La construcción de embarcaciones de fibra de vidrio comenzó tras la Segunda Guerra Mundial por parte del ejército norteamericano y se extendió su uso posteriormente a embarcaciones de recreo (especialmente en aquellas embarcaciones de tamaño inferior a 40 metros), al no necesitar prácticamente mantenimiento. El desarrollo de estos materiales ha permitido construir embarcaciones más resistentes, más ligeras y con un menor coste que las construidas tradicionalmente con madera. Hoy en día se puede considerar a los materiales compuestos como fiables y con un comportamiento predecible, ofreciendo al arquitecto naval unas excelentes cualidades funcionales: ligereza, resistencia mecánica y química, mantenimiento reducido (permiten reducir considerablemente la frecuencia de los carenados) y libertad de formas (se pueden realizar formas complejas en cascos, cubiertas, depósitos, etc.), que los convierte en más interesantes que otros materiales tradicionales. Todo esto a pesar de que el coste de fabricación de los composites es superior al de los materiales tradicionales como el acero, la madera o el aluminio (de 3 a 38 euros/kg, según las características del material compuesto frente a 1,5 a 5 euros/kg para los materiales más tradicionales [dato 2002]), sin embargo el ahorro que supone en piezas adicionales y en gastos de mantenimiento así como el aumento en la vida útil y la seguridad, compensan ese mayor coste inicial.
Este tema tiene por objetivo presentar los distintos tipos de componentes que forman estos materiales (matrices, refuerzos, núcleos) y de forma más resumida los diferentes procesos de fabricación que se utilizan actualmente en la construcción de embarcaciones.
1.1 Definición de material compuesto Se define como material compuesto todo sistema o combinación de materiales constituido a partir de una unión (no de tipo químico, materiales insolubles entre sí) de dos o más componentes, que da lugar a uno nuevo con propiedades características específicas, siendo sus propiedades distintas a las de los materiales que lo conforman.
Se puede identificar dos fases: una continua, constituida por la matriz, y otra fase discontinua, denominada refuerzo. Los componentes de un material compuesto no deben disolverse ni fusionarse completamente unos con otros. La identificación de los materiales y la de su
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interfase debe ser posible de por medios físicos. Las propiedades del material compuesto dependen, del tipo de interfase y de las características de los componentes.
1.2 Tipos de materiales compuestos Podemos clasificar la materiales compuestos en función de distintos criterios, pero los dos más importantes que podemos utilizar son la geometría del refuerzo o el tipo de matriz utilizada.
De acuerdo a la geometría del reforzante utilizado, tenemos materiales particulados (reforzados por agregados de partículas), materiales reforzados por fibras y materiales estructurales (laminares o “sándwich“) (Figura 1).
Figura 1: Clasificación de los materiales compuestos.
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La clasificación de los materiales compuestos en función de la matriz es la siguiente: -
Materiales compuestos de matriz metálica
-
Materiales compuestos de matriz cerámica
-
Materiales compuestos de matriz polimérica
Los materiales compuestos de matriz metálica han sido desarrollados principalmente para su uso en componentes aeroespaciales y en motores de automoción. Poseen alta resistencia y muy bajo peso. Pueden estar reforzados por fibras continuas, discontinuas o partículas. Algunos ejemplos de estos materiales son aleaciones de aluminio con refuerzos de fibra de boro, aleaciones de aluminio reforzadas con partículas de alúmina y carburo de silicio. Su fabricación se realiza mediante la aplicación de presión o temperatura sobre capas de refuerzo entre láminas del metal, de manera que las láminas se deforman en torno a las fibras y se enlazan entre sí, o mediante complicados procesos metalúrgicos de polvos y procesos de infiltración por fusión. El coste de estos procesos es muy alto, y sólo es asumible en el caso de fabricación de componentes aeroespaciales.
Los materiales compuestos de matriz cerámica son los más recientes. Presentan mejores valores de propiedades mecánicas como la resistencia y tenacidad que los materiales cerámicos tradicionales, especialmente a bajas temperaturas. Las principales fibras continuas utilizadas con matrices cerámicas son las de carburo de silicio y óxido de aluminio, mientras que en forma de fibras cortas o partículas se utilizan agujas cerámicas de carburo de silicio. Los procesos mediante los que se obtienen se pueden considerar relativamente complejos, como depósito químico en vapor para la impregnación de los refuerzos, encapsulamiento de las fibras mediante un material vítreo-cerámico, o la compresión isostática en caliente. En cualquier caso estos materiales no son útiles en la industria naval.
Los materiales compuestos de matriz polimérica presentan buenas propiedades mecánicas, son resistentes a la corrosión y a los agentes químicos. Debido a las características de las matrices poliméricas pueden adoptar cualquier forma mediante moldeado. Las principales matrices utilizadas en este tipo de materiales compuestos son polímeros termoestables, aquellos cuyas cadenas forman una red tridimensional espacial, entrelazándose con fuertes enlaces covalentes, provocando que estos materiales sean infusibles e insolubles. Destacan en su utilización las resinas de poliéster, viniléster, epoxi y fenólicas. Como refuerzo se suelen utilizar fibras de vidrio, aramídicas (kevlar) y de carbono, en forma de distintos tipos de estructuras textiles simples o combinadas.
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Al tratarse los materiales compuestos de matriz polimérica, especialmente aquellos con matriz polimérica termoestable, los más empleados en la construcción de embarcaciones, serán los que estudiemos en mayor detalle.
2. Matrices poliméricas para materiales compuestos Los polímeros (del griego, poly: muchos y meros: parte, segmento) son macromoléculas (generalmente orgánicas) formadas por la unión de moléculas más pequeñas llamadas monómeros (también del griego, mono: uno y meros: partes, segmento), enlazadas unas a otras por enlaces normalmente de tipo covalente simple.
Es posible obtener los monómeros desde distintas sustancias naturales (formadas por átomos de carbono, como la madera) pero debido al alto coste de obtención y producción, sólo es rentable su obtención desde el petróleo, carbón y gas natural. El carácter no renovable de estas sustancias y la disminución de sus reservas, estimadas en 40 a 70 años, implican un futuro incierto para estos materiales. En la actualidad, el reciclado de estos materiales no es atractivo ya que los elevados costes de la masiva mano de obra necesaria, no puede competir con el precio actual del petróleo, aunque posteriormente veremos algunos ejemplos.
2.1 Tipos de reacciones de síntesis de polímeros A partir del mismo monómero es posible obtener distintos materiales mediante diferentes procesos de síntesis, modificando los procesos de producción, o a través de mezclas de monómeros, dando lugar a copolímeros.
En un contexto químico, la síntesis se define como la formación de un compuesto químico a partir de sus elementos o de otras sustancias sencillas, en el caso de los polímeros, esta reacción química recibe el nombre de polimerización. Para que se produzca es necesario que el monómero sea capaz de unirse a otra o más moléculas del mismo o de otro monómero mediante reacción química. De esta manera se van obteniendo moléculas cada vez de mayor tamaño hasta dar lugar a moléculas de alto peso molecular (con peso molecular de hasta millones).
En 1929 W.H. Carothers propuso la clasificación de los polímeros en dos grupos: a) Polimerización por adicción b) Polimerización por condensación JAP – Departamento de Ingeniería de Materiales y Fabricación - UPCT
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En la adición, cada monómero se une a otro igual y éste a otro, etc. formando así la cadena polimérica en la que este monómero es la unidad que se repite. Generalmente, pueden obtenerse de esta forma cadenas poliméricas de gran longitud. En la poliadición no se desprende sustancia alguna, ya que el polímero obtenido es la suma de los monómeros que reaccionan y es siempre un proceso reversible, lo que quiere decir que el polímero final puede descomponerse en los monómeros que constituyen la cadena polimérica.
En la condensación, un monómero reacciona con otro monómero distinto para dar lugar a un tercero, que es la unidad que se repite en la cadena polimérica. La condensación se caracteriza, además, por el hecho de que, al final de la reacción se produce el desprendimiento de agua o de alguna otra sustancia. La operación de condensación es irreversible, lo que quiere decir que el polímero resultante no se puede descomponer en los monómeros con los que se inició la operación.
2.2 Clasificación de los polímeros Debido a que existen una gran cantidad de polímeros, es posible realizar su clasificación en función de distintos criterios. El primer criterio que se puede utilizar es el origen del polímero, de tal forma tenemos: -
Polímeros de origen natural
-
Polímeros sintéticos
Gran parte de los productos naturales orgánicos están constituidos mayoritariamente por macromoléculas complejas (polímeros naturales o biopolímeros) que son sintetizados por organismos vivos. Como polímeros naturales se pueden destacar el almidón, la celulosa, la lana, el caucho natural, las proteínas, etc. En este tipo de materiales se pueden identificar los residuos de los monómeros, que quedan unidos entre sí formando estructuras moleculares muy variadas: lineales, ramificadas o reticuladas. Los mecanismos de las reacciones bioquímicas que dan origen a estos materiales son muy complejos y su conocimiento es reciente e incompleto
Por otra pate, la tecnología química ha permitido, en primer lugar, modificar la estructura molecular de los polímeros naturales para su mejor aprovechamiento como es el caso del caucho natural) y, después, llegar a producir polímeros sintéticos, que han resultado de gran utilidad y que, en la actualidad, se producen masivamente. Dos razones han motivado la aceptación universal de estos materiales: a) Costes de producción relativamente bajos y b) JAP – Departamento de Ingeniería de Materiales y Fabricación - UPCT
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Escasez creciente de productos de origen natural para determinadas aplicaciones. En este grupo hay que destacar los plásticos, el caucho sintético, las pinturas, los recubrimientos, los adhesivos, los pegamentos, los materiales textiles sintéticos, las resinas endurecibles, etc. Otro criterio que se puede utilizar es el tipo de átomos presentes en la cadena polimérica, de esta manera tendremos: -
Polímeros orgánicos
-
Polímeros inorgánicos
Los polímeros orgánicos, se caracterizan por la presencia de átomos de carbono en su cadena. Este tipo de átomo tiene una gran a capacidad para formar macromoléculas con enlaces covalentes con otros átomos de carbono así como de oxígeno, azufre y nitrógeno, siendo la base de la gran variedad de polímeros orgánicos existentes. Aunque los polímeros orgánicos presentan muchas propiedades especiales, también exhiben severas deficiencias: en general, no tienen una buena resistencia frente a temperaturas elevadas. Con un calentamiento prolongado por encima de los 150ºC, tienden a fundir y a descomponerse. La mayor parte de los polímeros orgánicos se disuelven o se hinchan cuando se les sumerge en fluidos orgánicos calientes. Además de estos inconvenientes, son relativamente pocos los polímeros orgánicos que muestran flexibilidad suficiente en un intervalo amplio de temperaturas.
Pero el átomo de carbono no es el único que tiene capacidad para formar polímeros; otros elementos, como el silicio, también pueden originar macromoléculas. Con frecuencia estos polímeros inorgánicos tienen propiedades muy diferentes de las que muestran los polímeros orgánicos. Así, por ejemplo, presentan una gran resistencia a las temperaturas elevadas, como es el caso de las siliconas (con átomos de silicio en su cadena).
Finalmente, la clasificación más utilizada en el campo de los polímeros, se basa en el comportamiento térmico del polímero, es decir, como se modifican sus propiedades (por ejemplo, comportamiento y procesabilidad) en función de la temperatura, de esta manera se diferencian tres tipos: -
Termoplásticos
-
Elastómeros
-
Termoestables
Los polímeros termoplásticos son aquellos que al ser calentados hasta determinadas temperaturas se convierten en fluidos, pudiendo ser moldeados y manteniendo esa forma al
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disminuir la temperatura. Además presentan la característica de que son reciclables (un determinado número de ciclos) y pueden ser conformados una o varias veces, por efecto combinado de la presión y la temperatura.
Estos polímeros forman el grupo más importante y más utilizado comercialmente. Las cadenas poliméricas de estos materiales son mayoritariamente lineales con o sin ramificaciones. Las cadenas quedan entrelazadas unas a otras mediante fuerzas tipo Van der Waals o por puentes de hidrógeno, pero sin que se formen enlaces covalentes entre ellas. Cuando existen ramificaciones, la movilidad de las cadenas al aumentar la temperatura queda limitada.
En la industria naval, los materiales compuestos de matriz polimérica termoplástica se utilizan únicamente en la construcción de piezas de pequeño tamaño, puesto que se necesita calor y alta presión para darles forma, lo que eleva el coste de los moldes. También ocurre un problema con la impregnación de las fibras de refuerzo debido a la alta viscosidad de la matriz durante su elaboración.
Los polímeros elastómeros son aquellos que muestran un comportamiento elástico. Esto es posible porque poseen largas cadenas con mucha libertad de movimiento, es decir, flexibilidad, que les permite admitir altas deformaciones de tipo elástico, de manera que al cesar los esfuerzos recuperan total o parcialmente su forma inicial.
A diferencia de los polímeros termoplásticos su estructura es reticulada, es decir, existen enlaces covalentes o uniones cruzadas entre las cadenas poliméricas, pero en mucha menor cantidad que en el caso de los polímeros termoestables. Los elastómeros a temperatura ambiente presentan un comportamiento gomoelástico, son capaces de sufrir deformaciones elásticas de hasta el 1000% y apenas muestran deformación plástica antes de sufrir la rotura. Además son infusibles e insolubles, pero sí que pueden sufrir hinchamiento. Ejemplos de este tipo de materiales son los distintos tipos de caucho como el natural y el sintético, el caucho nitrilo, el caucho estireno-butadieno, el polibutadieno, etc.
Finalmente, los polímeros termoestables son aquellos que no pueden pasan a estado fluido al aplicar temperatura, de manera que no pueden ser remoldeados (no son reciclables). Son materiales con un alto grado de entrecruzamiento, es decir, uniones covalentes entre distintas cadenas, de manera que se forma una red tridimensional en la que los movimientos de las
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cadenas quedan muy limitados. Por lo tanto, son materiales con una gran rigidez, en los que en vez de fluir al aplicar temperatura se suele producir la descomposición química e incluso la carbonización. A temperatura ambiente son materiales duros y frágiles, son capaces de sufrir una pequeña deformación elástica y rompen sin apenas deformación plástica.
Como ejemplos de este tipo de materiales, se pueden citar distintos tipos de resinas como de poliéster, viniléster, epoxi, fenólicas, urea-formaldehido, etc. Para mejorar las propiedades de estas resinas se les suele añadir distintos tipos de materiales de refuerzo, como pueden ser las fibras de vidrio, de carbono y aramídicas, obteniendo un material compuesto. Son precisamente este tipo de materiales compuestos con matriz termoestable los más utilizados en la industria naval. Presentan la ventaja de que no se necesitan grandes inversiones en moldes y en control de la temperatura, puesto que la mayor parte de las resinas se procesan a temperatura ambiente. Los moldes utilizados durante la fabricación son sencillos, construidos con el mismo material o de madera, obteniendo unas piezas finales con propiedades físicas y mecánicas más que satisfactorias. El coste de la materia prima es razonable y la mano de obra aunque numerosa y artesanal, no requiere un alto grado de capacitación.
2.3 Funciones de la matriz polimérica En general, no sólo exclusivamente las poliméricas, las principales funciones que deben cumplir las matrices en un material compuesto son las siguientes: -
Transmitir los esfuerzos a las fibras a través de la interfase matriz-fibra.
-
Proteger a las fibras de los esfuerzos de compresión.
-
Unir las diferentes fibras de refuerzo mediante las fuerzas cohesivas.
-
Mantener a las fibras de refuerzo en su posición.
-
Proteger a las fibras de ataques externos como la humedad, ataques químicos, etc.
2.4 Matrices termoestables Inicialmente los termoestables se encuentran en un estado líquido viscoso, y mediante una reacción química de endurecimiento pasan a ser un gel y finalmente pasan a ser un sólido. La fragilidad y resistencia del material final depende de la reticulación producida durante la reacción. Cuanto mayor sea la reticulación se obtienen una mayor resistencia térmica y fragilidad, pero menor capacidad de absorción de energía, alargamiento a la rotura y resistencia química, por lo que es necesario llegar a soluciones de compromiso para obtener un material con las propiedades requeridas para la aplicación concreta.
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A temperatura ambiente estos materiales altamente reticulados son duros y rígidos, pero al mismo tiempo son frágiles, sufriendo un menor reblandecimiento por la acción del calor que en el caso de los termoplásticos Entre las principales ventajas de los materiales termoestables hay que destacar: -
Alta rigidez.
-
Bajo peso.
-
Alta estabilidad dimensional.
-
Alta estabilidad térmica.
-
Resistencia a la fluencia y a la deformación bajo tensión.
-
Buenas propiedades como aislantes térmicos y eléctricos.
2.4.1 Proceso de curado
Figura 2: Curva exotérmica característica de una resina.
El curado es el proceso mediante el cual la resina pasa de estado líquido a sólido. Para que se produzca el curado es necesario añadir distintas sustancias a la resina, como catalizadores y activadores (aceleradores). El proceso comienza desde el momento en que se mezclan las distintas sustancias. La Figura 2, muestra la evolución de la temperatura a lo largo del tiempo durante el curado. Como se puede observar al principio no se produce un aumento de temperatura significativo, pero lo hace la viscosidad, hasta el momento en que la mezcla pasa a ser un gel, en el llamado punto del gel. Esta transformación imposibilita seguir impregnando los refuerzos y por lo tanto indica hasta qué momento se puede manipular la resina. Este JAP – Departamento de Ingeniería de Materiales y Fabricación - UPCT
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punto del gel suele ser proporcionado por los fabricantes, dependiendo de la cantidad de catalizador, la temperatura ambiente y el espesor de laminado.
A partir del punto de gel, comienza el endurecimiento de la resina, mediante una reacción de entrecruzamiento exotérmica (que genera calor), produciéndose un importante aumento de temperatura. Se define el tiempo de curado como el tiempo que transcurre desde la mezcla de la resina y el resto de sustancias hasta que se observa el máximo de temperatura. Este tiempo y el máximo de temperatura van a depender de múltiples factores como la cantidad de catalizadores y activadores, la temperatura ambiente y muy especialmente del espesor de laminado. Por ejemplo, en el caso de resinas de poliéster y viniléster, la temperatura máxima observada durante este proceso puede llegar a 150ºC.
Una vez alcanzada la máxima temperatura, la temperatura comienza a disminuir hasta volver a temperatura ambiente. Esto indica que la reacción exotérmica de entrecruzamiento comienza a decaer. Esta última fase es el curado final, y la resina ya está completamente sólida. El tiempo de curado final, se puede disminuir si se aplica temperatura, recibiendo el nombre de postcurado. Si se trabaja a temperatura ambiente, la etapa de curado final recibe el nombre de maduración del laminado. La duración de este madurado dependerá de las características de la resina, pero por ejemplo, una resina de poliéster necesita entre 24 y 48 horas a 20ºC para lograr un grado de curado del 90%, lo que ya permite extraer la pieza del molde, mientras que para lograr el 100% del curado, son necesarias varias semanas e incluso meses.
La Figura 3 muestra el efecto del espesor en la temperatura medida durante el proceso de curado. En el caso de una muestra de 30 mm de espesor de laminado se observa un máximo de temperatura de unos 110ºC, mientras que para el caso de un espesor de laminado de 1 mm con la misma resina de poliéster con un contenido en catalizador del 2%, prácticamente no se observa aumento de temperatura, por encima de la temperatura ambiente. La Figura 3 pone de manifiesto que menores espesores de laminado evitan temperaturas elevadas, que pueden dañar al material y al molde, debido a la mala conductividad térmica de las resinas. El calor generado no se reparte por toda la masa, sino que se queda concentrado en una zona.
Por este motivo los laminados deben ser realizados en varias etapas, permitiendo que por la superficie expuesta se disipe el calor generado por la reacción exotérmica, evitando problemas como marcas, grietas y decoloraciones en la pieza.
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Figura 3: Curvas exotérmicas en función del espesor del laminado. Probeta de resina de poliéster catalizada al 2%.
Los factores a tener en cuenta durante el proceso de curado son: -
Tipo de resina.
-
Temperatura ambiente, siendo la óptima de 17 a 22ºC.
-
Tipo y cantidad de catalizador y acelerador.
-
Espesor del laminado.
-
Procesos de curado y postcurado.
-
Humedad relativa del ambiente.
-
Presencia o ausencia de cargas.
-
Luz solar
2.4.2 Clasificación de las resinas a) Resinas de poliéster b) Resinas de viniléster c) Resinas epoxi d) Resinas fenólicas e) Resinas bismaleimida f) Resinas poliimida g) Esteres de cianato h) Polieteramida
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2.4.2.1 Resinas de poliéster Son las resinas más utilizadas mundialmente, constituyendo el 90% del total de las matrices termoestables. Estas resinas son los sistemas más sencillos y económicos entre las matrices termoestables presentando facilidad de uso y buena resistencia química. Por ello son las resinas más utilizadas en la construcción de embarcaciones en serie.
Figura 4: Esquema de reacción de formación de una cadena de poliéster lineal.
Figura 5: Esquema de reacción del proceso de curado de una resina de poliéster mediante polimerización adicional del estireno.
Las resinas de poliéster se obtienen mediante la reacción de policondensación de dos monómeros, algún ácido dicarboxílico (es decir que posee dos grupos ácidos, normalmente se utiliza el anhídrido maleico o ácido fumárico) y un diol (compuesto que cuenta con dos grupos hidroxilo (-OH)), con la particularidad que alguno de los monómeros debe de tener una insaturación (doble enlace) (Figura 4). El subproducto de esta reacción de condensación es agua, por lo que normalmente lo que se hace es formar el polímero, eliminar el agua en
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forma de vapor, y posteriormente aplicarlo. El polímero resultante se disuelve en un medio reactivo (normalmente estireno) para disminuir la viscosidad de la resina y permitir la impregnación de las fibras por parte de la resina. Se utiliza el estireno porque contiene un grupo insaturado que puede reaccionar con la insaturación de la resina de poliéster, permitiendo la formación de la estructura reticulada rígida mediante la reacción de endurecimiento (Figura 5). La cantidad de estireno presente en el producto final viene a ser el 40-45%. El estado de suministro de una resina de poliéster es estabilizada con un inhibidor de reticulación, normalmente una hidroquinona, debido a su tendencia natural a polimerizar y forman un gel.
Las resinas comerciales poseen muy distintos valores de propiedades, debido a que son formuladas en función de su posterior utilización. De forma general presentan baja temperatura de transición vítrea, y pueden ser atacadas por algunos disolventes (por ejemplo una larga exposición a agua caliente), pero no suele ser común este problema en ambiente marino. Tampoco su rigidez y resistencia son muy elevadas. Durante la etapa de endurecimiento tienen a disminuir su volumen entre un 6 y 10 %, constituyendo uno de sus problemas. La viscosidad de las resinas se puede controlar mediante el grado de polimerización del poliéster y la proporción de estireno. Un grado de polimerización más bajo y/o una cantidad de estireno más elevada da lugar a una menor viscosidad. A temperatura ambiente la viscosidad de resinas para laminados manuales está alrededor de 300 cPs.
Existen distintos tipos de resinas en función de los monómeros utilizados: -
Resinas ortoftálicas: Son las más frecuentes y las más baratas. Se obtienen a partir de la combinación de anhídrido maleico y anhídrido ftálico con glicoles. Absorben hasta una 2.5% de agua en inmersiones prolongadas.
-
Resinas isoftálicas: Presentan mejores propiedades de resistencia al desgaste y a los agentes químicos y menor absorción de agua que las ortoftálicas, lo que has hace más resistentes en ambientes marinos. En este caso se sustituye en su formulación el anhídrido ftálico por ácidos isoftálicos (Figura 6). Como luego veremos, la mayor parte de los gelcoats de uso naval son de este tipo.
-
Resina isoftálica NPG: En este caso se sustituye el polipropilenglicol por neopentil glicol para mejorar la resistencia química de la resina.
-
Resinas bisfenólicas: Este tipo de resinas presentan mejores propiedades mecánicas y químicas que las resinas ortoftálicas e isoftálicas, pero con un coste mayor. Se
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obtienen a partir de bisfenol A y ácido fumárico con polipropilenglicol. Son las resinas con mejor comportamiento en medios corrosivos.
Figura 6: Esquema de la estructura de una matriz de poliéster isoftálica.
Las resinas de poliéster son muy utilizadas en procesos de laminado por moldeo por contacto, con molde abierto tanto manual como de proyección simultánea, y en procesos de molde cerrado, como infusión, RTM y prensado, por ejemplo. En el ámbito naval se utilizan en la construcción de cascos, cubiertas, superestructuras, estructuras internas, mobiliario interior y pequeños compartimentos, entre otros.
Como vimos anteriormente para la aplicación de las resinas debemos pasar por proceso de curado, pasando de estado líquido a sólido. Para facilitar el proceso de polimerización a temperatura ambiente hay que añadir a la resina unas sustancias denominadas catalizador (o iniciador) y acelerador (o activador) en las cantidades indicadas por el fabricante.
El catalizador genera radicales libres iniciando la reacción de polimerización. Suelen tratarse de peróxidos orgánicos en estado líquido y se adicionan en una cantidad entre el 1 y 3 % en peso. El catalizador a utilizar se elige en función de la temperatura de curado de la resina, y del carácter exotérmico de la reacción. El catalizador y el acelerador utilizados determinan el tiempo que tarda el sistema en pasar de estado líquido a gel y su posterior endurecimiento. Si se añade poco catalizador la reacción es incompleta y no se alcanzan las propiedades buscadas, mientras que si se añade en exceso, se producirá un aumento excesivo de la temperatura, provocando la evaporación del monómero.
El acelerador se elige en función del catalizador. Trabajando a temperatura ambiente el acelerador suele ser una pequeña cantidad de sales orgánicas de cobalto, que añaden a la resina en estado líquido antes de incorporar el catalizador. La cantidad de acelerador a utilizar es muy pequeña entre 0,1 y 0,3% en peso, por lo que suele ya venir incluido en la resina, denominándose entonces, resina preacelerada. De esta manera también se evitan posibles
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accidentes por la mezcla directa del catalizador y acelerador y su fuerte reacción exotérmica que puede dar lugar a una explosión.
En la Tabla 1, se muestran las combinaciones de catalizador y acelerador más utilizadas en resinas de poliéster curadas a temperatura ambiente.
Tabla 1: Sistemas catalíticos más usuales para resinas de poliéster.
Catalizador
Acelerador
Peróxido de benzoilo Peróxido de benzoilo Peróxido de benzoilo Peróxido de metiletilcetona Peróxido de acetilacetona
Dimetil-Anilina Dietil-Anilina Dimetil-p-toluidina Naftalato de cobalto Naftalato de cobalto Naftalato de cobalto
Peróxido de ciclohexanona La
combinación
más
utilizada
en
la
Tiempo de gel Largo Largo Largo Corto
Tiempo de endurecimiento De medio a rápido Largo Muy largo Lento
Medio
Rápido
Medio
Progresivo
construcción
naval
es
el
peróxido
de
metiletilcetona/naftalato de cobalto, porque presenta un buen curado en condiciones ambientales, sin necesidad de postcurado y una fácil dosificación, aunque el tiempo de gel es corto.
La temperatura de trabajo ideal para el curado se encuentra entre 17 y 22ºC, aunque también se puede trabajar entre 15 y 25ºC, pero lo que no se debe hacer nunca es laminar por debajo de 10ºC o por encima de 30ºC.
Las resinas deben conservarse en su recipiente original cerrado para evitar la evaporación, y en lugares oscuros, para evitar la polimerización por la acción de la luz y la temperatura.
2.4.2.2 Resinas de viniléster Las resinas de viniléster se obtienen a partir de una reacción de poliadición de una resina epoxi con un ácido insaturado acrílico o metacrílico, incluyendo una insaturación en su cadena. Al igual que en el caso de las resinas de poliéster, el polímero generado se disuelve en estireno para reducir su viscosidad y facilitar su aplicación. Esta disolución contiene entre un 30 al 40% de monómero reactivo, es decir, monómero que no ha reaccionado y que lo hará
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posteriormente produciéndose un endurecimiento a través de polimerización de radicales, que se lleva a cabo con los mismos catalizadores que en el caso de las resinas de poliéster.
Figura 7: Esquema de reacción de formación de una cadena viniléster.
Este tipo de resinas poseen mejores propiedades mecánicas, químicas y térmicas que las resinas de poliéster, alto grado de resiliencia, buena resistencia a la fatiga y su contracción durante el curado es menor, sólo un 1%. También cuentan con un menor porcentaje de disolvente, reduciendo las concentraciones de estireno. Su viscosidad es similar a las de las resinas de poliéster, presentan buena adhesión sobre las fibras de refuerzo y buena resistencia al fuego, aunque no son autoextinguibles (inicialmente, aunque se puede conseguir mediante modificaciones). Su principal desventaja es el precio, puesto que son de 1,5 a 2 veces más caras que las resinas de poliéster.
Estas resinas fueron desarrolladas inicialmente para la fabricación de materiales compuestos resistentes a agentes químicos. Su buena resistencia es debido a la baja cantidad de grupos éster que contiene la cadena, puesto que son los grupos más susceptibles de ser atacados. Se las puede considerar resinas intermedias entre las resinas epoxi y las de poliéster, con buenas propiedades físico-químicas y ciclos de curado relativamente cortos. En la industria naval se utilizan fundamentalmente en la construcción de cascos de embarcaciones o piezas sumergidas la mayor parte del tiempo. También se emplean en combinación con resinas de poliéster en las primeras capas de laminado para evitar osmosis, y en la fabricación de depósitos, tanques, tuberías y otras piezas que necesiten una alta resistencia química.
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2.4.2.3 Resinas epoxi Las resinas epoxi se basan en los epóxidos, normalmente derivados de bisfenol A, que curan mediante reacciones de poliadición con agentes de curado normalmente diaminas. Como antes la reacción se controla mediante catalizadores y aceleradores, resultando las resinas epoxi una mezcla de resina, catalizadores, aceleradores, modificadores termoplásticos y otros aditivos. Las propiedades del material, como resistencia térmica, modo de endurecimiento y ductilidad, dependen del tipo de epóxido y agente de reticulación utilizados.
El proceso de curado es similar al de las resinas de poliéster y viniléster, pero la cantidad de agente endurecedor suele ser fijo, no hay un intervalo como pasaba en el caso de las resinas de poliéster y viniléster. Un defecto de endurecedor da como resultado una reacción incompleta, mientras que un exceso provoca una reacción diferente, modificándose el peso molecular de la resina y obteniendo un material con propiedades inferiores a las previstas. Para que se pueda producir el curado completo es necesario aplicar calor, mediante procesos de curado o postcurado. Para poder trabajar a temperatura ambiente es necesario utilizar agentes catalíticos especiales.
Figura 8: Resinas epoxi difuncionales y tetrafuncionales y un agente de curado diamina.
Las resinas epoxi poseen las mejores propiedades mecánicas (debido a su gran adhesión sobre las fibras es posible obtener laminados con un gran contenido en fibra), mayor resistencia JAP – Departamento de Ingeniería de Materiales y Fabricación - UPCT
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térmica y buena resistencia a la abrasión, baja contracción durante el curado (menor del 1%), buenas propiedades eléctricas y térmicas, y buena resistencia al ataque de agentes químicos. También presentan baja absorción de agua, por lo que son muy adecuadas para estructuras marinas. Incluso se pueden mejorar sus propiedades añadiendo determinados aditivos como sustancias inertes para mejorar las propiedades mecánicas, la contracción puede eliminarse mediante aditivos o una adecuada combinación con las fibras de refuerzo, o se pueden conseguir mejores elongaciones que las resinas de poliéster. Su principal problema es el alto precio. Otro inconveniente es su alta viscosidad lo que dificulta su aplicación.
Existen distintos tipos de resinas epoxi en el mercado, debiendo de elegir la adecuada en función de nuestras necesidades y técnicas que vayamos a utilizar. Se utilizan en estructuras que necesiten la máxima resistencia con el mínimo peso, por ejemplo en embarcaciones de regata, de alta velocidad y aplicaciones militares. También se utilizan en herramientas, equipos químicos, depósitos de almacenamiento, adhesivos y tuberías por ejemplo.
2.4.2.4 Resinas fenólicas Las resinas fenólicas se obtienen mediante una reacción de condensación entre un grupo fenol, normalmente cresoles, p-fenilfenol y octilfenol, con formaldehído, generándose agua como subproducto, que debe ser eliminada antes de la etapa de moldeo para evitar pérdida de propiedades. Para realizar el curado se necesario aplicar calor y presión, dando lugar a un material duro, insoluble e infusible. Además es posible modificar las propiedades al añadir cargas y refuerzos. Históricamente fueron las primeras resinas utilizadas en materiales compuestos.
Existen dos tipos de resinas fenólicas, las novolacas y las resoles, que se pueden clasificar según su presentación (polvos de moldeo, resinas líquidas o resinas en disolución) o según la técnica de moldeo (moldeo a baja, media o alta presión).
Estas resinas presentan una elevada resistencia a la temperatura, buena resistencia al fuego, resistencia a la abrasión, excelentes características eléctricas, buena resistencia a agentes químicos, estabilidad dimensional, buena adhesión a otras matrices termoestables y resistencia al choque. Su principal aplicación es en el campo de la protección frente al fuego y las altas temperaturas en interiores de distintos medios de transporte.
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2.4.2.5 Otras resinas En este apartado se agrupan los otros tipos de resinas indicadas anteriormente, pero que no son casi utilizadas en la industria naval.
-
Resinas bismaleimidas: Utilizadas en aplicaciones militares, presentan una excelente resistencia a altas temperaturas, entre 275 y 300ºC, pero no son fácilmente aplicables.
Figura 9: Esquema de preparación de resinas bismaleimidas y poliimidas.
-
Resinas poliimídicas: Utilizadas en aplicaciones militares, presentan una excelente resistencia a altas temperaturas hasta 250ºC. Tienen una elevada absorción de agua, presentando también problemas en su procesado, siendo necesario trabajar durante el moldeo a 300ºC y realizar un postcurado a 400ºC.
-
Resinas ésteres cianato: Utilizadas en aplicaciones militares y eléctricas, tienen elevadas resistencia, dureza y propiedades eléctricas, junto con una baja absorción de humedad y buena estabilidad dimensional.
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Figura 10. Estructura y reacción de curado por trimerización de un éster cianato.
-
Resinas polieteramidas: Utilizadas en aplicaciones militares, eléctricas
y
automoción, presentan excelentes resistencia a altas temperaturas.
2.5 Cargas y aditivos Las cargas y aditivos son una serie de sustancias que se añaden a las resinas para aportarles características especiales o reducir el coste. También pueden proporcionar mejoras durante el proceso de moldeo o mejoras en las piezas acabadas. Sus principales efectos: -
Reducción de costes
-
Disminuir el peso final
-
Controlar la viscosidad de la resina durante el proceso de moldeo
-
Reducir la contracción de la matriz
-
Modificar las propiedades reológicas
-
Aumentar la rigidez
-
Mejora del acabado superficial
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2.5.1 Cargas Existen dos tipos de cargas: -
Reforzantes: Debido a su geometría reparten los esfuerzos en la pieza, evitando concentraciones de tensiones, y reduciendo el peso. Dentro de este tipo las más utilizadas son las microesferas de vidrio, que se suelen utilizar en altos porcentajes al no afectar a la viscosidad de la resina. Existen microesferas huecas y macizas, y su diámetro suele estar entre 10 y 150 micras y pueden incluso recibir un tratamiento tipo ensimaje (película fina formada por una dispersión acuosa de compuestos químicos con acción lubrificante, de unión o antiestático) para aumentar su unión a las resinas.
-
No reforzantes: Se utilizan para disminuir el coste del material compuesto, sin perder propiedades. Normalmente son de origen mineral, destacando los carbonatos (carbonato de calcio), los silicatos (silicato de magnesio o talco) y la sílice (cristalina). Existen otras cargas no reforzantes que afectan a propiedades determinadas, como las cargas ignífugas y las cargas conductoras del calor o la electricidad. La incorporación de cargas no reforzantes debe de hacerse con cuidado y bajo las recomendaciones del fabricante, puesto que suponen una disminución de la resistencia a la tracción y a la flexión, por el contrario, aumentan la densidad y viscosidad de la resina, y aumentan la dureza, el módulo de elasticidad y estabilidad dimensional del material compuesto.
2.5.2 Aditivos Los aditivos son unos compuestos que se añaden a las resinas para aumentar o mejorar sus propiedades, pero en cantidades inferiores a las cargas. Hay distintos tipos de aditivos:
-
Sistemas catalíticos: Sustancias necesarias para producir el curado de las resinas. Son el catalizador, el acelerador, estabilizadores térmicos, antioxidantes o el inhibidor.
-
Lubrificantes: Existen dos tipos, internos o externos. Los lubricantes internos modifican las fuerzas de cohesión intermoleculares, disminuyendo la viscosidad de la resina pero sin alterar sus propiedades, mientras que los lubricantes externos reducen la tendencia a pegarse en los moldes al situarse en la parte externa del material. Los lubricantes externos también reciben el nombre de agentes de desmoldeo.
-
Agentes tixotrópicos: Se utilizan para evitar que las resinas se escurran en zonas verticales o con cierto grado de inclinación. El más utilizado es el polvo de sílice.
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Pigmentos: Sustancias sólidas de origen mineral u orgánico que se utilizan como colorantes.
-
Pastas colorantes: Dispersiones de pigmentos en forma de pasta que se incorporan y dispersan fácilmente en la resina.
-
Colorantes: Sustancias solubles en agua o disolventes orgánicos, poco utilizadas debido a su baja resistencia química y térmica.
2.6 Recubrimientos 2.6.1 Gelcoat El gelcoat o gel de recubrimiento es la primera capa de resina que protege al material del ataque medioambiental o químico. Es la primera capa que se aplica sobre el molde, formando posteriormente la superficie que estará en contacto con el exterior.
El tiempo de vida útil de la pieza vendrá dado por la calidad del gelcoat. Se encarga de ocultar y proteger las fibras de refuerzo del ataque de la humedad y del medioambiente, proporcionando además una superficie más atractiva. Proporciona también el color, el brillo (incoloro o coloreado), la resistencia al calor y la resistencia a la abrasión, junto con una ausencia total de porosidad superficial. Estas capas protectoras están formadas por resinas a las que se añaden pigmentos y aditivos en suspensión. Las hay de distintos colores, viscosidad y utilizan distintos sistemas de curado. En función de su uso los gelcoats se pueden clasificar de la siguiente manera:
-
Gelcoats para moldes: Utilizados en la fabricación utilizando moldes en plásticos reforzados con fibra de vidrio, debido al ataque que sufre el molde por parte del estireno en el que está disuelta la resina. Poseen brillo, una baja contracción y elevada flexibilidad junto a una alta resistencia al rayado y a los disolventes.
-
Gelcoats industriales: Son los más utilizados y fueron desarrollados para la fabricación de piezas industriales donde el gelcoat debe proporcionar buenas propiedades mecánicas y una determinada coloración, pero no son adecuados en aplicaciones que requieran protección química o medioambiental.
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Gelcoats para usos alimentarios: Son aquellos gelcoats aptos para estar en contacto con alimentos líquidos, por lo que no todos los gelcoats estándares no cumplen este requisito, limitando la gama de colores
-
Gelcoats resistentes a la abrasión: Utilizados en superficies expuestas a la abrasión como silos o suelos de camiones frigoríficos, conteniendo compuestos inorgánicos de dureza elevada.
-
Gelcoats isoftálicos: También llamados isogeles, tienen como base resinas isoftálicas. Son los más adecuados para piezas que vayan a estar expuestas al exterior o en aplicaciones navales, con excelente flexibilidad y buen brillo.
-
Gelcoats metalizados: Gelcoats incoloros o coloreados con pigmentos metálicos de grano fino (0,1 mm) o grueso (0,4 mm), con una excelente estabilidad a la luz.
-
Gelcoats sanitarios: Gelcoats con elevada resistencia al agua caliente y a las manchas, pero no deben de utilizarse en aplicaciones donde se produzca abrasión
-
Gelcoats resistentes al fuego: Gelcoats con cargas ignífugas a base de compuestos orgánicos que liberan agua al arder. No deben utilizarse si las piezas van a estar sometidas a esfuerzos mecánicos o a la intemperie, porque las resinas utilizadas no son resistentes a los rayos ultravioletas produciéndose un amarillamiento general.
-
Gelcoats de resistencia química: La resina utilizada es resistente a los agentes químicos pero además es necesario un proceso de postcurado a temperatura elevada para conseguir los valores de propiedades deseados.
En función de su aplicación los gelcoats se pueden clasificar de la siguiente manera: -
Gelcoats de brocha y rodillo: Poseen viscosidades entre 7500 y 12000 cPs, índice tixotrópico (grado de escurrimiento) entre 3,5 y 4,5 y buen poder cubriente.
-
Gelcoats de proyección: Poseen baja viscosidad (entre 3000 y 3500 cPs) obtenida utilizando un diluyente como estireno o acetona, lo que permite su aplicación con pistola de proyección o equipo de presión. También tienen un índice tixotrópico entre 3,5 y 4,5.
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Los espesores de aplicación recomendados para los gelcoats oscilan entre 0,25 y 0,4 mm para piezas, y entre 0,4 a 0,6 mm para moldes. Si se utilizan espesores menores no se puede asegurar la protección y ocultamiento de las fibras, y espesores mayores pueden sufrir agrietamientos al aplicarse esfuerzos, debido a su fragilidad.
2.6.2 Topcoat Al concluir un laminado, la última capa de resina no puede alcanzar un curado completo debido a encontrarse en contacto con la humedad del aire, que actúa como inhibidor. Para evitar esto, se debe aplicar sobre esta última capa algún recubrimiento que la proteja de la humedad, asegurando entonces el curado completo. El topcoat es un producto similar al gelcoat, pero contiene una pequeña cantidad de parafina. Durante el proceso de curado, esta parafina difunde hacia el exterior formando una delgada película impermeable a la humedad.
Los topcoats actúan también como compensadores del laminado, compensando en la cara rugosa la utilización del gelcoat en la cara buena. Sirven para presentar una superficie más decorativa y proteger a las fibras de la acción del ataque de agentes externos. Si hay que realizar un laminado sobre una superficie protegida con topcoat (alguna reparación por ejemplo) hay que eliminar la película de parafina por medio de abrasivos, para poder garantizar una buena adhesión al laminado base.
Los topcoats están compuestos por resinas de base poliéster o viniléster a las que se añaden pigmentos y aditivos en suspensión. Se pueden encontrar en el mercado con una gran variedad de colores.
3. Materiales de refuerzo Los materiales compuestos están formados por una matriz y por materiales de refuerzo. Estos materiales de refuerzo aportan la resistencia y rigidez necesarias para conseguir un buen comportamiento mecánico. Los materiales de refuerzo más utilizados en la construcción naval son las fibras de vidrio, las fibras aramídicas (kevlar) y las de carbono, en distintas formas como filtros, sistemas mallados y sistemas no mallados. A continuación se detallará los distintos tipos de refuerzos, características y presentación.
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3.1 Fibras La clasificación más sencilla que se puede realizar es tomando como criterio su origen, pudiendo ser inorgánicas ó orgánicas.
3.1.1 Fibras inorgánicas 3.1.1.1 Fibra de vidrio La fibra de vidrio ya era utilizada por los egipcios para reforzar vasos y ánforas de cerámica, pero no fue hasta mediados de la década de los años 30 del pasado siglo cuando se empieza a investigar la utilización de este material como reforzante de matrices poliméricas en Estados Unidos. Veinte años después se comenzó a utilizar de manera masiva en la construcción naval al reducirse el precio del material y desarrollar nuevos métodos de fabricación. La fibra de vidrio es el refuerzo más utilizado en construcción de embarcaciones, debido a sus buenas características mecánicas y su bajo coste.
Las fibras de vidrio están compuestas fundamentalmente por sílice, combinada con diversos óxidos (alúmina, alcalinos y alcalinotérreos), normalmente un silicato alcalino (silicato de sodio) y uno alcalinotérreo (silicato de calcio). Las propiedades del material dependerán de la cantidad de estos silicatos.
La alta resistencia que presentan las fibras de vidrio es debida a los enlaces covalentes entre el silicio y los radicales de oxígeno. Los átomos forman una retícula tridimensional con estructura amorfa; por lo que presentan características isotrópicas (propiedades iguales en todas las direcciones).
Aunque hay varios procedimientos para obtención de fibras de vidrio, todos se basan en el mismo principio, estiramiento a muy alta temperatura por distintos medios, de una vena de vidrio fundido y su inmediata solidificación. Hay que destacar dos procedimientos:
1) A partir de bolas: La materia prima (arena, caolín o dolomita) se introduce en un horno a 1550ºC, obteniendo bolas de un diámetro de 20 mm, que se pasan a otro horno y posteriormente son hiladas. De esta manera se obtienen dos tipos distintos de fibras: a) Silionne: Fibras continúas obtenidas mediante estirado mecánico. Presentan las mejores propiedades mecánicas. b) Verranne: Fibras discontinuas obtenidas por estirado por fluido.
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2) Por fusión directa: El vidrio pasa por unos agujeros, distribuidos sobre una superficie de platino. Las fibras se obtienen estirando monofilamentos de vidrio muy delgados.
Una vez obtenidas las fibras se deposita sobre ellas una película química que mejora la formación de los hilos, su estirado, su enrollado y su posterior tejido. Esta fase se denomina ensimaje, y se realiza cuando la temperatura de las fibras de vidrio está entre 80 y 120ºC. La cantidad de ensimaje que se deposita sobre el vidrio es baja (entre 0,3 y 3 %) y está constituido por una dispersión acuosa de distintos compuestos químicos con acción lubrificante, antiestática y que facilitarán la formación de puentes entre la fibra y la matriz (silanos).
La fibra de vidrio se presenta en distintas formas, tanto en forma de hilos para estructuras textiles complejas como en forma de mechas, formadas por haces de filamentos continuos, para utilizarse en fieltros continuos o discontinuos. Una vez dada la forma final de la fibra hay que secarla para extraer el exceso de agua utilizada como disolvente del ensimaje.
Podemos encontrar muy distintos tipos de fibra de vidrio: -
Vidrio E (Eléctrico): Desarrollada inicialmente para aplicaciones eléctricas también se emplea en la construcción de barcos, es la fibra de vidrio más barata y las más utilizada. Es básicamente un vidrio de borosilicato de calcio y aluminio con un contenido muy bajo o nulo de potasio y sodio. Tiene buenas propiedades eléctricas y posee una buena resistencia a la humedad.
-
Vidrio A (Alto contenido en álcali): Es menos resistente y tiene un módulo elástico más bajo que el vidrio E, pero presenta una buena resistencia al ataque de soluciones químicas y ácidas, debido a los altos contenidos de elementos alcalinos.
-
Vidrio C (Chemical): Fibra con una elevada resistencia química, utilizada en estructuras que se ven sometidas a atmósferas agresivas, como capas superficiales de estructuras anticorrosión. Tiene valores de propiedades mecánicas entre los del vidrio A y E.
-
Vidrio R ó S (Resistance (francés) o strength (inglés)): Es la fibra con mayor resistencia. Se utiliza principalmente en aplicaciones militares y aeroespaciales. Posee
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una relación resistencia/peso superior al vidrio E, ofreciendo una mayor resistencia a la tracción y a la fatiga.
-
Vidrio B (Boro): Fibra con excelentes propiedades eléctricas y gran durabilidad. Es borosilicato de calcio de bajo contenido en álcali.
-
Vidrio D (Dieléctrico): Fibra con altas propiedades eléctricas se utiliza para componentes electrónicos de telecomunicaciones.
Entre las principales características de las fibras de vidrio hay que destacar: -
Alta adherencia fibra-matriz, gracias a recubrimientos apropiados para cada tipo de matriz).
-
Excelente resistencia mecánica, con valores específicos (esfuerzo/densidad) superiores al acero.
-
Buenas propiedades como aislante eléctrico incluso en espesores reducidos.
-
Incombustibilidad, no propaga la llama ni origina con el calor humos ni toxicidad.
-
Estabilidad dimensional, con un bajo coeficiente de dilatación.
-
Imputrescibilidad, insensible a la acción de roedores o insectos.
-
Débil conductividad térmica.
-
Excesiva flexibilidad.
-
Bajo coste.
La Tabla 2 muestra los valores teóricos de propiedades mecánicas de las fibras más usuales. Estos estos valores pueden disminuir durante los procesos de fabricación.
Tabla 2: Propiedades de distintos tipos de fibra de vidrio.
Tipo
Vidrio E
Vidrio R/S
Vidrio C
Resistencia a la tracción (GPa)
3,4 – 3,5
3,4 – 4,6
3,1
Módulo elástico (GPa)
72 – 73
85 - 87
71
Densidad (kg/m3)
2600
2500 – 2530
2450
Alargamiento a la rotura (%)
3,4 – 4,8
4,2 – 5,4
3,5
Resistencia específica (GPa·cm3/g)
1,3 – 1,35
1,7 – 1,85
1,3
Módulo E específico (GPa·cm3/g)
27,7 - 28,2
34 – 34,9
29
Coeficiente expansión térmica (10-6/ºC)
5
4 – 5,1
7,2
Diámetro del filamento (µm)
8 – 20
10
20
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3.1.2.1 Fibra de carbono Aunque las fibras de carbono ya fueron utilizadas por Edison en el siglo XIX como filamentos para bombillas, el desarrollo de su utilización como refuerzo en materiales compuestos comenzó en la década de los sesenta del siglo pasado. Combinando fibras de carbono y resinas epóxicas es posible obtener materiales con elevada resistencia y elevado módulo de elasticidad, con muy bajo peso.
Hay distintos materiales que pueden utilizarse como precursores en la fabricación de fibras de carbono, pero los más utilizados de mayor a menor son el poliacrilonitrilo (PAN), el alquitrán y la celulosa. Aunque el PAN es el más utilizado normalmente no se utiliza puro al 100%, sino en forma de copolímero con metil acrilato, metil metacrilato, vinil acetato, ácido itacónico o cloruro de vinilo.
Para la obtención de la fibra de carbono se lleva a cabo la oxidación controlada y posterior carbonización de las fibras precursoras a altas temperaturas (de 1200 a 3000ºC), de forma que cuanto mayor es la temperatura empleada las fibras obtenidas presentan mayores valores de resistencia y módulo elástico. Las fases del proceso para la obtención de fibras de carbono a partir de fibras de PAN son las siguientes: -
Estabilización y oxidación: Las fibras se estabilizan en el aire a temperaturas de 200 y 300ºC mientras están siendo alargadas para inducirles la orientación molecular necesaria.
-
Carbonización: Posteriormente son carbonizadas a temperaturas superiores a los 1000ºC en nitrógeno, para eliminar fundamentalmente H y N de la fibra original, transformándose en fibras de carbono, obteniendo fibras de distintas propiedades en función de la temperatura alcanzada.
-
Grafitización: Para obtener fibras de mejores propiedades, se puede realizar un último tratamiento a temperaturas hasta 3000ºC en atmósfera no oxidante.
-
Tratamiento de superficie: Como en el caso de las fibras de vidrio, las fibras de carbono deben ser preparadas para poder ser utilizadas y mejorar su adhesión a la matriz.
Las fibras obtenidas mediante esta sucesión de etapas son fibras de filamentos continuos con un contenido en carbono entre el 92 y 100%, en función de la temperatura alcanzada durante la generación. Las otras presentaciones de las fibras de carbono se obtienen posteriormente.
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En función de la temperatura de tratamiento las fibras de carbono se pueden clasificar en diferentes tipos, como se puede ver en la Figura 11:
Figura 11: Distintos tipos de fibra de vidrio en función de la temperatura durante su generación.
-
Fibras de alto módulo (HM): Requiere la mayor temperatura durante la generación, y es la fibra de carbono más rígida.
-
Fibras de alta resistencia (HR): Se carboniza a la temperatura que proporciona la mayor resistencia tensil (hasta 2000ºC), siendo la fibra de carbono más fuerte.
-
Fibras de módulo intermedio (III): Se obtiene a la temperatura más baja de generación, presenta un valor de rigidez inferior a las anteriores pero la resistencia es buena, siendo la fibra más barata.
Una característica especial de las fibras de carbono, es el hecho de que presentan un coeficiente de expansión térmica negativo en la dirección de las fibras y positivo en sentido transversal, lo que permite en combinación con matrices adecuadas, obtener materiales que no presenten deformaciones térmicas en un amplio intervalo de temperaturas, esto es, un material con elevada estabilidad dimensional. Además de esta propiedad hay que destacar las siguientes propiedades: -
Elevada resistencia y rigidez.
-
Alta resistencia a la vibración.
-
Buen comportamiento a la fatiga.
-
Buena conductividad térmica.
-
Buena conductividad eléctrica.
-
Bajo coeficiente de dilatación térmica.
-
Resistencia a altas temperaturas.
-
Elevada resistencia química a ácidos, disolventes y álcalis.
-
No se ven afectadas por el contacto con el agua de mar.
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La principal desventaja de las fibras de carbono es su precio, lo que suelen ser utilizadas con otros materiales de refuerzo más económicos.
Tabla 3: Propiedades de diferentes fibras de carbono provenientes de PAN.
Designación
Alto módulo Alta resistencia Tipo III (HM)
(HR)
Diámetro de hilo (µm)
7
8
7-8
Densidad (kg/m3)
1810 - 1870
1740 - 1760
1820
Módulo de elasticidad (GPa)
390
230
290
Resistencia a tracción (GPa)
2,1 – 2,7
2,6 – 5
3,1
Elongación a la rotura (%)
0,7
2
1,1
Módulo específico
210
130
160
Coeficiente expansión térmica (10-6/ºC)
2,56
2,56
2,56
3.1.2 Fibras orgánicas 3.1.2.1 Fibras aramídicas La primera y más conocida de la fibras de este tipo es el Kevlar® desarrollada por la empresa Du Pont en 1965. Son materiales muy ligeros que presentan una alta resistencia a la tensión y rigidez, aunque ligeramente inferiores a las fibras de carbono, lo que las hace muy utilizadas en aplicaciones aeronáuticas, espaciales, y en menor medida en la industria naval para la fabricación de cascos de embarcaciones y velas en forma de fibras reforzantes.
Figura 12: Cadenas y estructura de repetición del Kevlar. Se muestra también los enlaces por puente de hidrógeno.
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Este tipo de materiales son poliamidas aromáticas. Las cadenas de polímero están constituidas por grupos amida y anillos aromáticos (Ver Figura 12). Las cadenas poliméricas se mantienen unidas mediante enlaces de hidrógeno, por lo que la resistencia transversal no es buena. Por el contrario la resistencia longitudinal es excelente porque los anillos aromáticos le dan una enorme rigidez y estabilidad térmica a las cadenas y éstas presentan una estructura similar a la de una barra.
El proceso de obtención de las fibras de Kevlar® comienza tras una reacción de condensación entre los monómeros 1,4-fenilendiamina y cloruro de tereftaloílo, que da lugar a las cadenas de poliamida. Esta reacción se lleva a cabo en medio orgánico porque la cadena de poliamida no es soluble en agua. Una vez precipitado el polímero se disuelve en ácido sulfúrico concentrado, formando una disolución cristalina que se estira y se hila, obteniendo un material con las cadenas poliméricas orientadas, lo que le proporciona sus grandes propiedades.
Aunque entre las fibras aramídicas la más conocida es el Klevar® no es la única. Existen otras fibras aramídicas como el Nomex® y Technora® con propiedades también muy interesantes. Debido a las propiedades del Klevar® también se comercializa un material denominado Twaron® con la misma estructura pero fabricado con un proceso ligeramente modificado. En cualquier caso, existen distintos tipo de Klevar®, los dos más utilizados son:
-
Klevar 29: Tiene alta resistencia y baja densidad. Es utilizado principalmente en la fabricación de chalecos antibalas y también de cuerdas y cables.
-
Klevar 49: Tiene alta resistencia, alto módulo elástico y baja densidad. Es este tipo el que se utiliza en la fabricación de materiales compuestos y el utilizado en la construcción naval.
Entre las principales características de las fibras aramídicas se puede destacar: -
Alta resistencia específica a la tracción.
-
Excelente resistencia al impacto, con una alta absorción de energía.
-
Menor densidad que el resto de fibras sintéticas utilizadas en materiales compuestos.
-
Excelente resistencia a la corrosión en cualquier medio, sólo son atacadas por ácidos muy fuertes.
-
Buena resistencia a la fatiga.
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Tema 10: Materiales compuestos
-
Buen amortiguamiento de las vibraciones.
-
Buenas características dieléctricas.
-
Resistencia a las llamas y además autoextinguible.
-
Elevada resistencia térmica, con una temperatura de descomposición superior a 420ºC.
-
Coeficiente de dilatación negativo.
-
La rotura se produce progresivamente.
Como principales inconvenientes estos materiales presentan una reducida resistencia a la compresión, su sensibilidad a la humedad y también a los rayos ultravioleta. Aunque el principal motivo de su uso restringido es su precio.
Tabla 4: Principales propiedades de fibras aramídicas.
Tipo
Kevlar 29
Kevlar 49
Resistencia a la tracción (GPa)
2,8 – 3,0
2,8 – 3,4
Módulo elástico (GPa)
58 – 80
120 – 186
Densidad (kg/m3)
1390 – 1440 1450 – 1470
Alargamiento a la rotura (%)
3,4 – 3,4
1,9 – 2,4
Resistencia específica (GPa·cm3/g)
1,9 – 2,2
1,9 – 2,3
Módulo E específico (GPa·cm /g)
40 – 56
83 – 127
Coeficiente expansión térmica (10-6/ºC)
-2,0 - -6,0
-2,0 - -6,0
Diámetro del filamento (µm)
12
12
3
3.2 Estructuras textiles Las características del material compuesto dependen en gran medida de la cantidad de material de refuerzo y de su posicionamiento. Para facilitar el procesado de las fibras estas se suelen configurar en distintos ordenamientos planos, que reciben el nombre genérico de estructurales textiles, y que pueden dividirse en: -
Fieltros.
-
Sistemas no mallados (tejidos, ensamblados y trenzados).
-
Sistemas mallados (mallas y encadenados).
3.2.1 Fieltros (mats) Los fieltros son estructuras textiles de fibras de refuerzo que no poseen una orientación preferente, con una distribución intercalada y aleatoria. Para mantener unidas las fibras antes
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de la impregnación, se les aplica algún tipo de ligante en función del tipo de matriz que posteriormente se vaya a utilizar (poliéster, viniléster, epoxi, etc.). Los fieltros pueden estar formados por fibras continuas, hilvanadas o fibras cortadas de una longitud entre 40 y 50 mm. Para la fabricación de fieltros con fibras de vidrio se usan hilos de silionne. Los fieltros se consideran estructuras textiles isotrópicas bidimensionales, con valores no muy elevados de resistencia y rigidez. Los fieltros se utilizan para mejorar la adherencia interlaminar entre capas de laminado sucesivas. A la mayoría de fieltros se les denomina comercialmente mats.
Figura 13: Dos tipos de fieltros, a) Fieltro de fibras cortas y b) Fieltro de fibras continúas.
Los fieltros de hilos cortados se suelen presentar en rollos bobinados sobre un tubo soporte de cartón y varían en cuanto al gramaje, que se encuentra entre 100 y 900 gr/m2. Los mats de hilos continuos se presentan en cuanto a gramaje en forma similar, pero son fieltros más deformables, y permite un mayor alargamiento en todas las direcciones, lo que permite utilizarlos preferiblemente en el caso de moldeo entre molde y contramolde de formas complejas por compresión, inyección o vacío.
Un ejemplo de utilización de fieltros en la construcción naval, es el velo de superficie que es un fieltro de fibra de vidrio C de bajo gramaje (entre 30 y 80 gr/m2) que se coloca en contacto con el gelcoat exterior durante el proceso de laminación. Este fieltro tiene dos funciones principales, proporcionar resistencia mecánica al frágil gelcoat y resistencia química frente al ambiente exterior, al ser capaz de absorber una gran cantidad de resina. Además proporciona una mayor resistencia al impacto y a la abrasión, impidiendo que se observen los tejidos utilizados en el laminado.
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3.2.2 Sistemas no mallados 3.2.2.1 Tejidos Son estructuras textiles formadas por fibras que se cruzan perpendicularmente, denominadas trama y urdimbre. Los hilos de urdimbre son aquellos situados en el sentido longitudinal, mientras que los de trama son los discurren de forman perpendicular, dando lugar a puntos de entrecruzamiento denominados ligamentos (Figura 14). En un tejido, las direcciones de máxima resistencia coinciden con las direcciones de la trama y la urdimbre (0º y 90º).
Figura 14: Esquema genérico de un tejido.
Existen diferentes tipos de tejidos: -
Tela o tafetán (plain weave): Es el más sencillo y utilizado, en este caso la trama pasa alternativamente por encima y por debajo de cada hilo de urdimbre, a modo de un sencillo enrejado.
-
Sarga (twill): Es un tipo de tejido que presenta líneas en diagonal, en este tipo la urdimbre se divide en series cortas de hilos (de tres, cuatro o cinco), de los cuales sólo uno cubre la trama en la primera pasada y el siguiente hilo en la segunda pasada, etc. Así los puntos de ligadura se trasladan un espacio a cada pasada de la trama. La sarga tiene derecho y revés.
-
Satén (satin): Los hilos de la urdimbre se dividen en series mayores que en la sarga (de cinco a ocho series). Cada hilo de urdimbre hace una basta (hilo sin ligar) sobre cuatro pasadas de trama y se entrelaza con la quinta pasada de trama con una progresión de dos a la derecha o a la izquierda. Presenta derecho y revés.
-
Raso: En el satén, las bastas van en sentido vertical, mientras que en el raso van en sentido horizontal. En este caso, cada pasada de trama hace una basta sobre cuatro
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hilos de urdimbre y se enlaza con el quinto hilo de urdimbre con una progresión de dos a la derecha o a la izquierda. También presenta derecho y revés.
Figura 15: Esquemas de distintos tipos de tejidos: a) Tafetán, b) Sarga y c) Satén.
Las sargas, satenes y rasos, al tener un menor número de ligamentos que los tafetanes y telas son tejidos más deformables.
3.2.2.2 Ensamblados En este caso, los hilos de trama y de urdimbre no se entrecruzan formando ligamentos. Las fibras paralelas se encuentran superpuestas unas a otras en distintas orientaciones, y para mantenerlas unidas sin que se deformen, normalmente se encuentran cosidas mediante una fibra ligera auxiliar (Figura 16).
Figura 16: Comparación de la estructura de un tejido y un ensamblado.
Este tipo de estructura textil, presenta mejores propiedades mecánicas que los fieltros y que los tejidos, al encontrarse los hilos perfectamente alineados con el sentido del esfuerzo. Estos ensamblados son los refuerzos utilizados en piezas de altos requerimientos estructurales. En función de la orientación de las fibras existen ensamblados unidireccionales, biaxiales, triaxiales, cuatriaxiales y multiaxiales. Los ensamblados son muy utilizados en la construcción naval.
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Figura 17: Ejemplos de ensamblados: a) Unidireccional y b) biaxial.
3.2.2.3 Trenzados Los trenzados presentan fibras con un cierto ángulo respecto del esfuerzo aplicado (Figura 18). Se confeccionan en forma de calcetín o en forma de cintas, y el ángulo que forman puede elegirse. Prácticamente no se utilizan en construcción naval, sólo en pequeñas piezas.
Figura 18: Esquema de trenzado.
3.2.3 Mallados y encadenados También son ordenamientos textiles planos que se confeccionan mediante mallado o encadenado de una fibra o conjunto de fibras a otra fibra o conjunto de fibras. Para su confección son necesarias máquinas especiales, de género de punto.
Los mallados o también denominados tejidos multiaxiales son estructuras textiles confeccionadas a partir de fibras con distintas orientaciones, con una estructura que no se deforma proporcionada durante la acción de tejido (Figura 19). Estos mallados pueden presentar problemas de impregnación debido a la gran cantidad de fibras que los constituyen. Además en función del número y cantidad de capas que forman el mallado, pueden ser realmente rígidos.
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Figura 19: Esquema de mallado.
En los encadenados las fibras presentan orientaciones poco usuales, por lo que no es posible obtener buenos valores de resistencia con este tipo de refuerzo. Además, las fibras de vidrio y carbono presentan baja resistencia al entrelazamiento y baja resistencia a las flexiones a las que son sometidas durante la confección.
Figura 20: Esquema de encadenado.
4. Materiales de núcleo Se denomina estructura sándwich aquella formada por dos pieles o láminas delgadas exteriores, no necesariamente del mismo espesor y material, que encierran un núcleo de mayor espesor y baja densidad íntimamente unidos entre sí, generalmente por una capa de adhesivo capaz de transmitir las cargas axiales y las de cortadura hacia y desde el núcleo y que hace que el material compuesto se comporte como una estructura continua. Cada una de las partes del sándwich (básicamente pieles y núcleo) tiene una misión estructural distinta para aportar adecuadas propiedades mecánicas al conjunto. Los revestimientos o pieles absorben los esfuerzos de flexión y cargas aplicadas en su plano. Son los que proporcionan prácticamente la totalidad de la rigidez a flexión del material compuesto. El núcleo separa las pieles entre sí para aumentar la inercia a flexión de las mismas respecto a un eje o línea neutra y soporta los esfuerzos de cortadura. Aumentando la distancia entre las pieles se obtiene un aumento de la rigidez a flexión.
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Figura 21: Esquema de una estructura sándwich.
Este tipo de material compuesto se utiliza en la fabricación de grandes superficies de interiores de barcos, cascos de barcos y yates, tabiques de separación, puertas y cabinas.
4.1 Tipos de núcleos 4.1.1 Maderas naturales 4.1.1.1 Madera de balsa Esta madera es originaria del centro y sur de América. Dentro de las maderas duras es la más blanda y ligera, con una densidad entre 100 y 250 kg/m3. Debido a su alta rigidez, es difícil de adaptar a formas curvas, por lo que se suele utilizar en forma de bloques pequeños unidos entre sí por un material de soporte normalmente un tejido de poco gramaje. También existen paneles planos rígidos en los que los bloques de madera son encolados con adhesivos de madera estructurales.
Figura 22: Madera de balsa en pequeños bloques encolados (Nida-Core Corporation).
La disposición de las fibras de madera debe ser perpendicular al laminado, para obtener las máximas propiedades mecánicas, con una excelente resistencia a la compresión. En las direcciones perpendiculares al grano, las propiedades mecánicas disminuyen. La madera de
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balsa posee el módulo y la resistencia a la compresión más altos de los materiales utilizados como núcleo.
Antes de utilizarse debe de eliminarse la materia orgánica presente y reducir su humedad hasta el 10%. Valores superiores de humedad provocarían un hinchamiento y podredumbre de la madera, lo que supondría la deslaminación de las pieles exteriores. La madera de balsa es compatible con la mayoría de las resinas utilizadas en la construcción naval, pero al tratarse de un material poroso es recomendable sellar su superficie para que no se pueda producir la absorción masiva de la resina.
La madera de balsa ha adquirido una gran aceptación en los cascos de embarcaciones de 15 metros o más de longitud, y todavía se utiliza para reparaciones del suelo de muchas viejas embarcaciones, en mamparos y divisiones interiores.
Tabla 5: Principales propiedades de la madera de balsa, para planchas de madera de balsa constituidas por pequeños bloques unidos por un tejido de soporte.
Densidad (kg/m3)
90
155
220
Resistencia al corte (MPa)
1,6
3
4,5
Módulo cortante (MPa)
96
166
237
Resistencia a la tracción (MPa)
7
13,5
20,6
Resistencia a la compresión (MPa)
5,4
12,7
21,9
Módulo de compresión (MPa)
1850 4100 6840
4.1.1.2 Cedro rojo Este tipo de madera es originaria de América del Norte, Reino Unido y Nueva Zelanda. Se trata de una madera blanda y aromática, de color pardo rojizo que tras una larga exposición a la intemperie se vuelve gris plateado. Tiene una densidad aproximada de 370 kg/m3. Se utiliza como material de núcleo en la construcción de embarcaciones unitarias sin molde (construcción one-off). Normalmente se presenta en forma de listones fresados que permiten ser montados de una manera rápida y sencilla, utilizando la técnica de Strip-planking® (Figura 23).
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Figura 23: Fabricación de una canoa con madera de cedro rojo que posteriormente será recubierta con fibra de vidrio impregnada con resina epoxi (OJA canoas).
Tabla 6: Principales propiedades de la madera de cedro rojo.
Densidad (kg/m3)
320
Resistencia al corte (MPa)
6,83
Carga de rotura a la flexión (MPa)
53,8
Módulo de elasticidad (MPa)
8270
Resistencia a la compresión (MPa) 19,11
4.1.1.3 Contrachapado marino Se trata de un tablero realizado mediante delgadas láminas de madera, denominadas placas o chapas estructurales, unidas para formar un tablero estable y resistente. El número de hojas siempre es impar y la dirección de cada chapa es perpendicular a las dos con las que está en contacto (Figura 24). El adhesivo utilizado para unir las chapas debe ser fenólico para soportar el ataque de los hongos y de la humedad en ambiente marino.
Figura 24: a) Imagen de un tablero de contrachapado marino, b) vista en corte y c) detalle de la orientación de las chapas. JAP – Departamento de Ingeniería de Materiales y Fabricación - UPCT
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El contrachapado marino se utiliza en estructuras sándwich sustituyendo a las espumas sintéticas sustituyéndolas en aquellas zonas donde ocurren grandes esfuerzos de compresión o tracción, como por ejemplo la zona donde se instalan herrajes.
En el mercado existe una gran variedad de contrachapados marinos en función del uso, de su fabricación o de las diferentes maderas utilizadas. Las maderas más utilizadas son okume, iroko, teca, caoba, sapelli, cedro, acacia, pinos spruce y douglas, y en menor medida moabi, sipo y balsa. Se pueden utilizar uno o varios tipos de madera. La Tabla 7 muestra las principales propiedades de un contrachapado marino de madera de okume.
Tabla 7: Principales propiedades de un contrachapado marino de madera de okume y adhesivo fenólico (Salimer).
Espesor (mm)
5
15
25
Densidad (kg/m3)
500
500
500
Resistencia al corte (MPa)
5,5
5,5
5,5
Carga de rotura a la flexión longitudinal (MPa)
48
33
30
Módulo de elasticidad transversal (MPa) Resistencia a la compresión longitudinal (MPa)
300 2700 3200 20
16
16
4.1.2 Espumas sintéticas Se denomina espuma plástica o sintética a aquellos plásticos que contienen un gas en forma de burbujas. El volumen ocupado por el gas puede llegar hasta el 95% del total. Las burbujas pueden estar comunicadas entre sí (espumas de celda abierta) o ser burbujas aisladas (espumas de celda cerrada) Figura 25, aunque también existen espumas mixtas con burbujas de ambos tipos. Aunque se pueden fabricar espumas de la mayor parte de los plásticos, sólo se fabrican de algunos materiales por motivos económicos, técnicos o prácticos.
Figura 25: Tipos de celdas en las espumas.
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Las propiedades de las espumas dependen fundamentalmente de: La composición del polímero. Estado del polímero (orientación, cristalinidad, historia térmica). Densidad de la espuma. Estructura de las celdas (tamaño, geometría, fracción de celdas abiertas). Composición del gas espumante.
En general, el núcleo de espuma puede obtenerse de dos formas: -
A partir de bloques, planchas, hojas, etc., mediante operaciones de mecanizado hasta llegar a la forma deseada.
-
Fabricándola “in situ”, obteniendo mediante colada (por presión diferencial o gravedad) la pieza o conjunto.
A continuación se presentarán las espumas más utilizadas en la construcción naval.
4.1.2.1 Espumas de cloruro de polivinilo (PVC) La espuma de PVC es un material de altas prestaciones, utilizada sobre todo en aplicaciones marinas. Se comercializa en paneles prefabricados (Figura 26). Se fabrican combinando un copolímero de polivinilo con otras sustancias como plastificadores, estabilizantes, compuestos de entrecruzamiento y agentes de soplado. Para la obtención de la espuma, la mezcla de sustancias es calentada en un molde bajo presión para que se produzca la reacción de entrecruzamiento. Tras esta fase, se sumerge en agua caliente para continuar su expansión hasta obtener la densidad deseada. Los diámetros de celda pueden variar de 0,254 hasta 2,5 mm. Las espumas se clasifican en función de la densidad (alta, media y baja densidad) con valores entre 40 y 210 kg/m3 y también en función de la estabilidad térmica.
Figura 26: Espuma de PVC de 75 kg/m3 (Cel Components)
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Las espumas de PVC presentan buena resistencia mecánica, buena resistencia térmica, poseen buenas características como aislante acústico y tienen una alta resistencia a la penetración del agua. Poseen las mejores propiedades entre las espumas utilizadas y además son muy adaptables, lo que hace que sean las más utilizadas. La mayor parte de las espumas de PVC de celda cerrada que se utilizan en la construcción naval mantienen sus propiedades mecánicas hasta 60ºC. Si la temperatura de servicio es mayor, hay que utilizar espumas estabilizadas a una temperatura mayor.
Entre las espumas de PVC, podemos encontrarlas con estructura entrecruzada o lineal. En el caso de las espumas lineales sin entrecruzamiento entre las cadenas, tienen una capacidad de absorción de impactos muy alta, mayor que en el caso de espumas de PVC de celda cerrada.
Tabla 8: Principales propiedades de las espumas de PVC.
Estructura/densidad (kg/m3)
Lineal
Entrecruzada
Entrecruzada
Entrecruzada
80
75
80
96
Resistencia al corte (MPa)
1,17
-
1,00
1,5
Módulo de corte (MPa)
20
11
30
45
Resistencia a la tracción (MPa)
1,38
1,21
1,79
2,48
Resistencia a la compresión
0,86
1,1
1,17
1,79
(MPa)
4.1.2.2 Espumas de poliuretano (PU) Los poliuretanos son una familia de polímeros con características diversas en función de los productos de partida, los utilizados en construcción naval son aquellos termoestables. Para su obtención se utilizan un isocianato y un poliol de tipo poliéter o poliéster. El carácter líquido de estos reactivos, conlleva que se suele realizar la polimerización al mismo tiempo que se realiza el moldeo. Las espumas pueden ser de celda abierta o cerrada. Las de celda abierta tienen estructuras flexibles y las de cerrada, estructuras rígidas. El intervalo de densidades de las espumas va de 10 a 900 kg/m3, en función de la composición.
Las espumas de poliuretano tienen propiedades inferiores a las de PVC, pero tienen una buena resistencia mecánica y tenacidad, resisten la abrasión, poseen buena resistencia química, baja conductividad térmica y elevada resistencia eléctrica. A temperatura ambiente trabajan mejor que las espumas de PVC y son más resistentes a las altas temperaturas.
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En construcción naval se suelen utilizar como material aislante, reserva de flotabilidad, material de soporte en la confección de estructuras internas y como núcleo de estructuras sándwich en embarcaciones de eslora muy reducida
4.1.2.3 Espumas de poliestireno (PS) Este tipo de espumas se obtienen de inyectar aire en poliestireno obteniendo espumas muy ligeras (98% es aire), resistentes a la absorción de agua y a los microrganismos. El mayor inconveniente de este tipo de espumas es que son solubles al estireno por lo que no se pueden usar con resinas de poliéster y viniléster. Poseen una reducida resistencia mecánica, por lo que no se pueden usar como materiales estructurales, y baja conductividad térmica. La densidad de estos materiales se encuentra entre 10 y 45 kg/m3.
Se comenzaron a producir desde el año 2000 por la empresa Dow Chemical, comercializándose bajo la marca Styrofoam®, con tal popularidad que en el mundo anglosajón se confunde el nombre de la marca con la del propio material. En la construcción naval sólo se utiliza como material aislante o de flotación.
Tabla 9: Principales propiedades de las espumas de poliestireno (PS)
Denominación
Styrofoam IB-F Styrofoam LB Styrofoam HD 300-F
Densidad (kg/m3)
28
30
45
Módulo a compresión (MPa)
10 – 18
12 – 20
25 - 33
Resistencia al corte (MPa)
0,2
0,25
0,5
Módulo de corte (MPa)
4
4,5
6
Resistencia a la tracción (MPa)
0,45
0,5
1
Módulo a tensión (MPa)
10 – 18
12 – 20
25 – 33
Temperatura límite (ºC)
-50 / +75
-50 / +75
-50 / +75
4.1.2.3 Espumas de estireno-acrilonitrilo (SAN) La espuma fabricada con este copolímero tiene mejor resistencia química y térmica y mayor rigidez que la de poliestireno. Su comportamiento es similar al PVC, mientras que en capacidad de absorción de impactos se comporta como la espuma de PVC lineal, lo hace como la entrecruzada en el caso de capacidad estática. Este material es compatible con cualquier resina de poliéster, viniléster y epoxi, siendo un material duro y fácil de mecanizar. Se puede encontrar con el nombre comercial Corecell® M-Foam
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y es utilizable tanto en
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zonas donde ocurren esfuerzos, superestructuras, cubierta o casco mediante laminación, infusión o preimpregnado.
Tabla 10: Principales propiedades de las espumas SAN (Gurit).
Denominación
Corecell M60 Corecell M100 Corecell M200
Densidad (kg/m3)
65
107.5
200
Módulo a compresión (MPa)
45
107
317
Resistencia al corte (MPa)
0,68
1,45
2,95
Módulo de corte (MPa)
20
41
98
Resistencia a la tracción (MPa)
0,81
2,11
4,29
Módulo a tensión (MPa)
44
109
334
Temperatura límite (ºC)
110
110
110
4.1.2.4 Espuma de polimetacrilimida (PMI) Las espumas de PMI se obtienen mediante una reacción de expansión térmica de un ácido metacrílico y metacrilonitrilo, seguida de una etapa de espumado, en la que el copolímero se convierte en espuma de polimetacrilimida. El material obtenido es un plástico celular rígido con células cerradas y distribuidas homogéneamente. Estas espumas poseen muy buenas propiedades como alta resistencia térmica, excelente resistencia a la fluencia, excelente absorción de energía, peso reducido, bajas emisiones de humo y fácil procesado. Se puede encontrar con el nombre comercial de Rohacell®, existiendo diferentes grados en función de su densidad (Tabla 11).
Tabla 11: Principales propiedades de las espumas PMI (Evonik Industries).
Denominación
Rohacell 51 IG Rohacell 110 IG Rohacell 200 IG
Densidad (kg/m3)
52
110
205
Módulo a compresión (MPa)
63
145
320
Resistencia al corte (MPa)
0,8
2,4
4,8
Módulo de corte (MPa)
19
50
145
Resistencia a la tracción (MPa)
1,3
2,5
4,8
Módulo a tensión (MPa)
55
110
250
4.1.2.5 Espumas de tereftalato de polietileno (PET) Esta tipo de material se ha comenzado a utilizar recientemente, se trata de un termoplástico con un buen balance de propiedades mecánicas, resistencia a la temperatura, densidad y JAP – Departamento de Ingeniería de Materiales y Fabricación - UPCT
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precio, siendo altamente adaptable y reciclable. Es compatible con los distintos tipos de resinas (epoxi, viniléster, poliéster y fenólica). Puede ser procesado a altas temperaturas (hasta 150ºC) y ofrece una sobresaliente resistencia a la fatiga, resistencia química, buena adhesión y una alta consistencia. Se puede encontrar con el nombre comercial de Rohacell®, existiendo diferentes grados en función de su densidad (Tabla 12).
Tabla 12: Principales propiedades de las espumas PET (Gurit).
Denominación
G-PET 80 G-PET 110 G-PET 135
Densidad (kg/m3)
80
114
135
Módulo a compresión (MPa)
48
77
95
Resistencia al corte (MPa)
0,53
0,94
1,19
Módulo de corte (MPa)
13
27
35
Resistencia a la tracción (MPa)
1,49
1,91
2,16
Módulo a tensión (MPa)
89
143
177
4.1.2.6 Espumas sintácticas A diferencia de las anteriores espumas sintéticas, estas espumas se obtienen mediante la incorporación de microesferas huecas de diferentes materiales. Las más comunes son las compuestas de microesferas de vidrio con resina epoxi o fenólica con aditivos y agentes de curado para dar lugar a un material moldeable, que puede ser curado y de bajo peso. También existen espumas sintácticas de matriz metálica y de carbono. Estos materiales presentan una elevadísima resistencia a la compresión, por lo que se utilizan en elementos destinados a la inmersión profunda como submarinos, boyas y aparatos de rescate submarino. Se puede encontrar con el nombre comercial de SprayCore®.
4.1.3 Núcleos de nido de abeja Los materiales con estructura nido de abeja se realizan a partir de láminas delgadas de diversos materiales metálicos (aleaciones de aluminio) y no metálicos (fibra de vidrio, papel, polipropileno, fibras aramídicas como Nomex®) unidas entre sí mediante adhesivos de distintos tipos o soldadura, formando estructuras regulares y repetitivas normalmente a base de prismas rectos de lados comunes en forma de “panal”, siendo la forma más común la forma hexagonal (Figura 27) aunque no la única (Figura 28).
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Figura 27: Nido de abeja hexagonal de Nomex® (izquierda) y aluminio (derecha).
Figura 28: Distintas configuraciones típicas de panel de abeja.
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La morfología de un núcleo se define según Normas MIL teniendo en cuenta los siguientes parámetros: -
Tamaño de la celdilla: Se suele determinar por el diámetro del círculo que puede inscribirse en la celdilla o la distancia entre dos caras opuestas. Varía entre 1,6 y 9,5 mm.
-
Nodo: Zona de adhesión o pegado entre celdillas contiguas.
-
Altura del núcleo: Distancia entre las caras externas del núcleo o espesor del mismo.
-
Espesor de la hoja o lámina que forman las celdillas.
-
Dirección longitudinal o de “placas”.
-
Dirección transversal (dirección de expansión del núcleo).
-
Densidad: Depende del material, espesor de la hoja y tamaño y forma de la celdilla.
Estos materiales se pueden fabricar por procesos de expansión y por procesos de corrugado u ondulación, siendo el método más empleado el de expansión (Figura 29).
Figura 29: Procesos de obtención de los núcleos de nido de abeja (expansión y corrugado).
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Utilizando núcleos de nido de abeja es posible obtener estructuras extremadamente ligeras. En la industria naval se utilizan en embarcaciones de alto rendimiento, especialmente en cubiertas y mamparos, debido a que en zonas sumergidas se podría producir absorción de agua. Tienen un elevado coste y complejo sistema de encolado, por lo que su utilización es limitada.
4.1.4 Materiales con microcápsulas El último desarrollo en el campo de materiales para núcleos se trata de materiales conformados por fibras que cuentan con microcápsulas de polímeros. Entre otras ventajas estos materiales con microcápsulas tienen una menor densidad y son más rígidos. Vamos a ver a continuación un par de ejemplos de materiales de estas características.
El Coremat® es un material formado por fibras sintéticas no tejidas de poliéster, de orientación completamente aleatoria, que incorpora microesferas cerradas de plástico de cloruro de polivinilideno (PVDC), junto con un ligante soluble en estireno (Figura 30). Se utiliza como material de núcleo en estructuras que requieran una gran rigidez a menor precio que usando espumas sintéticas, reduciendo la cantidad de resina necesaria. Se fabrica con un espesor entre 1 y 5 mm, y para mejorar la adhesión, debe ser laminado entre ordenamientos planos de tipo fieltro. En construcción naval el Coremat® se puede utilizar en cascos, cubiertas y superestructuras de barcos y yates.
Figura 30: Esquema interno del Coremat® XM.
Existen dos tipos fundamentales: -
Coremat® Xi: Este tipo es el tipo básico. Consume 600 g de resina por mm de espesor. Contiene un indicador que cambia de color al ser impregnado con resina. Es
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muy suave y maleable cuando está húmedo y por lo tanto adecuado para conseguir formas complejas. -
Coremat® XM: Este material tiene un contenido del 55% en esferas, tiene un patrón hexagonal y espesor muy constante (Figura 31). Se puede utilizar con resinas de poliéster y viniléster, empleándolo mediante laminado manual por contacto y proyección simultánea. Tiene un consumo muy bajo de resina (500 g de resina por mm de espesor) y una resistencia a la tracción en húmedo muy alta.
Figura 31: Aspecto exterior de dos tipos distintos de Coremat®, (izquierda) Coremat® Xi y Coremat® XM.
Tabla 13: Principales propiedades de dos presentaciones de Coremat® impregnadas con resina de poliéster.
Denominación
Coremat® Xi (3 mm) Coremat® XM (3mm)
Densidad (kg/m3)
630
540
Módulo a compresión (MPa)
10
10
Resistencia al corte (MPa)
5
3
Módulo de corte (MPa)
35
25
Resistencia a la tracción (MPa)
4
4
Otro ejemplo de este tipo de materiales es el Spherecore® o Spheretex®. En este caso se utiliza un fieltro o tejido de fibra de vidrio (larga o corta) o hebras e hilos, en cuyo interior se depositan microesferas de material termoplástico de entre 6 a 10 µm rellenas de un propelente al pasar la fibra por una disolución acuosa. Posteriormente se aplica calor de forma que el propelente del interior de las microesferas se expande, aumentando el volumen de estas entre 20 y 50 veces, y por tanto aumentando el tamaño de la fibra de vidrio. De esta manera las microesferas rellenan los huecos entre las fibras de vidrio y se reduce posteriormente el consumo de resina. Dependiendo del tipo de producto se puede comprimir el material base y mantener comprimido mediante su cosido con una fibra ligera auxiliar.
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El Spherecore® SBC es un material que puede ser utilizado sustituyendo otros materiales como el contrachapado marino, la madera de balsa o la espuma de PVC como material de núcleo en estructuras sándwich. El acrónimo SBC corresponde a (Stich-Bonded-Compressed) es decir (Cosido-Unido-Comprimido) indicando las distintas etapas durante su fabricación. Se fabrica en espesores de 6, 8 y 10 mm.
Figura 32: Imágenes de distintos productos Spherecore® y Spheretex®: 1) Spherecore S, 2) Spherecore SBC y 3) Spheretex.
5. Procesos de fabricación La característica propia de los materiales compuestos de que tanto las piezas como el material se obtienen simultáneamente durante el proceso de fabricación, hace que este sea de gran importancia, puesto que las propiedades del material pueden ser diferentes en función del proceso de fabricación. Aunque hay muy diversos métodos de obtención de materiales compuestos, el gran tamaño de las piezas en la construcción naval reduce el número de procesos se ve bastante reducido.
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Los procesos más idóneos para la construcción de embarcaciones completas o sólo componentes son los siguientes: -
Moldeo por contacto o Laminación por contacto o Proyección simultánea o Impregnadores
-
Moldeo asistido por vacío o Laminación por contacto asistido por vacío o Preimpregnados o Preimpregnados parciales
-
Moldeo por vía líquida o Moldeo por transferencia de resina (RTM) o Moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM) o Infusión
-
Moldeo con autoclave
A la hora de elegir un tipo de proceso de fabricación para una aplicación determinada, hay que tener en cuenta una multitud de factores distintos. A modo de aproximación general y simplificada vamos a comparar los distintos métodos, teniendo en cuenta la cantidad de refuerzo, el coste de herramientas y equipos, las emisiones de compuestos orgánicos volátiles (VOC) o el número de unidades a fabricar, para la fabricación de embarcaciones de recreo o de algún componente.
El contenido de refuerzo en la pieza es un parámetro importante, puesto que es el refuerzo el que se encarga de resistir los esfuerzos. Aunque no siempre un mayor porcentaje de refuerzo es deseable si lo que se consigue son fibras sin impregnarse (secas) o impregnadas en exceso. El contenido de refuerzo se obtiene mediante un ensayo de calcinación, en el que una probeta del material es pesada y posteriormente se calienta por encima de 600ºC en un horno de laboratorio. De esta manera se elimina la resina y los residuos obtenidos son el refuerzo. Como se puede observar en la Figura 33 los laminados con mayor porcentaje de refuerzo son aquellos obtenidos mediante procesos que utilizan una presión externa para compactar el laminado antes de llegar al punto de gel de la resina.
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Figura 33: Porcentaje de refuerzo obtenido en la pieza de material compuesto según el método de fabricación.
En cuanto al coste de herramientas y equipos, cada método tiene sus distintas necesidades. Pero hay que tener en cuenta que los métodos que presentan un mayor coste (Figura 34) como los métodos de preimpregnados o moldeo por transferencia de resina asistido por vacío o no dan lugar a materiales con mejores propiedades.
Figura 34: Coste de herramientas y equipos de los distintos procesos de fabricación de materiales compuestos.
Otro factor muy importante a la hora de elegir el método de fabricación puede ser el necesario cumplimiento de las normas de exposición a compuestos orgánicos volátiles (VOC) como por ejemplo el estireno, presente en las resinas de poliéster y viniléster. La evaporación del
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estireno es más importante durante la fase dinámica (resina en estado líquido hasta que alcanza el punto de gel) aunque también tiene lugar durante la fase estática (resina en estado sólido) debido al aumento de la temperatura que se produce durante la reacción exotérmica. Como se puede observa en la Figura 35, la mayores emisiones de estireno se produce en la proyección simultánea, mientras que se reducen en gran medida al trabajar con preimpregnados, moldeo por transferencia de resina asistido por vacío o no e infusión.
Figura 35: Emisiones de VOC en función del método de fabricación.
Figura 36: Número de unidades necesario para amortizar los gastos de implementación de los distintos procedimientos de fabricación.
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Finalmente, el número de unidades que deben producirse determina en gran medida la elección del proceso de fabricación. Hay que tener en cuenta que en la construcción naval se puede considerar como una producción elevada 20 unidades al año, lejos de las 10000 unidades año en la industria general. Esto conlleva que en la mayoría de astilleros y pequeños talleres se sigan utilizando métodos prácticamente artesanales como el laminado por contacto manual, laminados por vacío y preimpregnados, mientras que las grandes empresas multinacionales utilicen los métodos de moldeo por transferencia de resina asistido por vacío o no (RTM o VARTM) (Figura 36).
5.1 Técnicas de moldeo por contacto Estas técnicas se caracterizan por ser las más sencillas, económicas y artesanales. Las características físicas y mecánicas del material obtenido dependerán en gran medida de lo cuidadoso que sea el operario. Se suelen utilizar resinas que curan a temperatura ambiente.
5.1.1 Laminado manual La técnica de laminado manual es la más antigua entre todas las técnicas utilizadas en la fabricación de piezas de materiales compuestos. Este proceso se basa en la aplicación sucesiva de capas de material de refuerzo sobre un molde, para impregnarlas gradualmente con resina mediante la acción de un rodillo o brocha (Figura 37), de manera que se consigue la impregnación del refuerzo y se intenta evitar que queden burbujas de aire atrapadas entre las capas de estratificado. La presión de compactación del laminado varía entre 0 y 0,1 kg/m2, aunque es difícil aplicar siempre la misma presión debido al tratarse de un proceso manual.
Figura 37: Esquema del proceso de laminado manual.
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Se utilizan dos tipos distintos de rodillos. Para extender la matriz polimérica se utiliza el llamado rodillo de lana, que no se ve afectado por el ataque químico de la resina. También se utilizan rodillos metálicos de consolidación para extraer el aire atrapado entre las capas de material. Estos rodillos están formados por ruedas dentadas de diferentes diámetros para “pinchar” el laminado, y permitir que salga el aire. También se emplean brochas para extender la resina en lugares estrechos y reducidos. Para preparar el material de refuerzo se utilizan tijeras y cúteres.
Con este método pueden emplearse la mayoría de matrices de poliéster, viniléster y epoxi, con viscosidades entre 300 y 600 cPs. Se suelen utilizar resinas que no requieran procesos de curado o postcurado. La totalidad de los tejidos, ensamblados y fieltros pueden ser aplicados mediante esta técnica, al igual que los materiales de núcleo.
Las principales ventajas del método de laminado manual, el más utilizado en la construcción naval son: 1) Bajo coste de materiales y equipos. 2) Buena adaptación a la construcción de estructuras sándwich y monolíticas utilizando todo tipo de resinas y estructuras textiles. 3) No existe límite de tamaño de pieza a fabricar. 4) No son necesarios costosos procesos térmicos posteriores para alcanzar las máximas propiedades. 5) Es el proceso ideal para producciones bajas o unitarias.
Pero también presenta algunos inconvenientes: 1) Los laminados obtenidos no suelen ser muy homogéneos, con contenidos bajos de refuerzo (25-35%). 2) Es necesaria una numerosa mano de obra. 3) La calidad final depende de la acción del hombre y factores ambientales como temperatura y humedad. Son necesarios estrictos controles de calidad. 4) Se producen elevadas emisiones de compuestos orgánicos volátiles (COV). 5) Se producen una gran cantidad de desperdicios.
5.1.2 Proyección simultánea El proceso de proyección simultánea en proyectar fibra cortada entre chorros de resina catalizada mediante un equipo especial de proyección, de tal manera que se depositen JAP – Departamento de Ingeniería de Materiales y Fabricación - UPCT
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simultáneamente sobre el molde. Tras el depósito, se realiza el compactado mediante rodillos o espátulas para mejorar la impregnación y eliminar el aire atrapado entre las distintas capas (Figura 38). De hecho esta etapa de compactación es más importante que en laminado manual, porque los materiales proyectados contienen una considerable cantidad de aire. La presión de compactación del laminado es entre 0 y 0,1 kg/m2, como en el laminado manual. La proyección simultánea se puede considerar una evolución del laminado manual con una mayor productividad y muy utilizado para la fabricación de piezas de grandes dimensiones como pesqueros y embarcaciones de pasaje.
Figura 38: Esquema del proceso de proyección simultánea.
Figura 39: Esquemas de los dos tipos de equipos de proyección, a) interna y b) externa.
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El equipo utilizado es una pistola de proyección alimentada mediante una bomba con resina previamente catalizada, y un cabezal de rodillos cortadores que efectúa el corte del hilo de roving y lo proyecta en forma de pequeños filamentos de 20 a 50 mm. Este mismo equipo recibe el nombre de saturadora si se utiliza sin refuerzo. Existen dos tipos de equipos de proyección (Figura 39): -
Mezcla interna: El cabezal de proyección tiene dos conductos aislados para la resina, por uno de ellos se proyecta resina preacelerada y por el otro resina precatalizada, de manera que la mezcla se produce en el exterior tras pasar por la boquilla de la pistola.
-
Mezcla externa: En este caso los dos conductos independientes conducen resinas preacelerada y el otro sólo catalizador.
Las principales ventajas del proceso de proyección simultánea: -
Proceso más productivo que el laminado manual (hasta un 30%), siendo ideal para producir pocas piezas de gran tamaño o muchas de tamaño medio.
-
Se pueden utilizar los mismos moldes que en el laminado manual, construyendo estructuras sándwich y monolíticas.
-
Se pueden utilizar todos los tipos de resinas, aunque los equipos de resina epoxi son especiales.
-
El coste del refuerzo es menor, al estar constituido por hilos roving.
-
Como en el caso de la laminación manual, no requiere procesos térmicos posteriores.
Pero también presenta algunos inconvenientes: -
El coste y mantenimiento del equipo de proyección simultánea es elevado.
-
La calidad del laminado es muy irregular y bajo contenido de refuerzo (20-30%).
-
No se pueden utilizar estructuras textiles (tejidos, mallados, ensamblados).
-
Es necesaria una numerosa mano de obra.
-
Es el método de fabricación más contaminante, con grandes emisiones de VOC.
5.1.3 Moldeo con impregnadores En este caso, se sumerge una estructura textil de un baño de resina catalizada, para luego extraer el exceso de resina mediante la compresión del material a través de diversos rodillos de compactación. Tras la impregnación, el material se transporta y se deposita sobre el molde, para luego realizar el compactado y desburbujeo mediante rodillos y espátulas. Esta técnica se puede situar a medio camino entre el laminado manual y los preimpregnados, desarrollada inicialmente para la industria naval. JAP – Departamento de Ingeniería de Materiales y Fabricación - UPCT
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Figura 40: Esquema del proceso de impregnación de tejidos.
Hay distintos tipos de equipos impregnadores, en función de su movilidad (estacionarios o portátiles) e incluso montados sobre rieles:
Entre las principales ventajas de este método de fabricación, se pueden destacar: -
Los laminados contienen un mayor contenido de refuerzo (entre 35 y 55%).
-
Alta velocidad de fabricación de laminados (hasta 6 m lineales/minuto).
-
Los laminados son de mejor calidad y más homogéneos.
-
No se necesitan moldes especiales (mismos que para laminado manual), y se pueden construir estructuras sándwich y monolíticas.
-
Se pueden procesar todo tipo de estructuras textiles.
-
La emisión de COV es muy localizada
Pero sus principales desventajas o limitaciones son: -
Los impregnadores son equipos costosos y necesitan un riguroso mantenimiento.
-
Los operarios que los manejan deben de tener alta capacitación.
-
Se sigue necesitando una elevada mano de obra para la compactación y desburbujeo.
-
Hay limitaciones en cuanto a la viscosidad de la resina.
5.2 Técnicas de moldeo asistidas por vacío Las técnicas de moldeo asistidas por vacío permiten conseguir materiales compuestos con mejores propiedades físicas y mecánicas que los obtenidos por las técnicas de moldeo por contacto, aunque los costes suelen ser ligeramente superiores. Mediante presión (en concreto, depresión) se prensa el laminado, mejorando la adhesión interlaminar entre las capas y obteniendo un material con una mayor densidad. JAP – Departamento de Ingeniería de Materiales y Fabricación - UPCT
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5.2.1 Moldeo por vacío-laminado manual Este método es una extensión del método de moldeo por contacto-laminado manual, aplicándose presión al laminado una vez que se ha realizado completamente pero con la resina sin haber alcanzado el estado gel. Esta presión se obtiene al extraer el aire de una bolsa de vacío donde se coloca el laminado. La presión aplicada será función de la capacidad del equipo de vacío utilizado. Como se puede observar en la Figura 41, para aplicar la presión se utilizan una serie de materiales fungibles que permiten realizar el compactado, extraer el exceso de resina, evitar que ellos mismos queden adheridos, facilitar el desmoldeo y reducir las emisiones de VOC. Se trata de: -
Tejidos pelables (peel-plies).
-
Films separadores y films sangradores desmoldeantes.
-
Manta de absorción/aireación.
-
Film de nylon para bolsa de vacío.
-
Masillas de cierre (tacky-tape).
Figura 41: Esquemas del proceso moldeo por vacío de un laminado manual.
Los tejidos pelables se aplican como último material en la secuencia de laminado. Están diseñados para ser extraídos de la superficie del laminado con facilidad, favoreciendo los posteriores procesos de adhesión secundaria, masillado o pintado, sin necesidad de abrasión mecánica previa, puesto que suelen dejar una superficie ligeramente rugosa. Suelen estar constituidos de poliamidas (nylon) o fibras de poliéster, en forma de rollos o cintas, con un gramaje de entre 60 a 80 g/m2.
Los films separadores son utilizados para separar el laminado del resto de materiales del proceso de vacío. Los films sangradores son iguales que los films separadores pero perforados según un patrón, para permitir que salga el exceso de resina del laminado. El patrón
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dependerá de la temperatura, el sistema de matriz, el tiempo de trabajo y presión de compactación. También hay films sangradores que sólo permiten el paso de gases. Las mantas de absorción y aireación son tejidos sintéticos no entramados, normalmente constituidos por fibras de poliéster recicladas de bajo peso (alrededor de 140 g/m2) y gran adaptabilidad. Deben de permitir la circulación del aire del interior de la bolsa de vacío y absorber el exceso de resina.
Los films de bolsa de vacío son los encargados de sellar todo el laminado, incluidos el resto de materiales utilizados para realizar el vacío. Suelen estar constituidos por nylon que es higroscópico, y sus propiedades mecánicas dependerán de la humedad ambiental, por lo que es recomendable una humedad relativa superior al 55%.
Las masillas de cierre se utilizan para proporcionar una junta entre el molde y la bolsa de vacío. Están constituidas por una mezcla de caucho sintético, cargas inertes, plastificantes y aditivos. Deben de poder eliminarse sin dejar impurezas ni residuos.
Este proceso se utiliza en la construcción de embarcaciones que precisen de laminados de muy buenas propiedades mecánicas y bajo peso. Se utiliza en la construcción de embarcaciones de competición, militares o fines específicos y como técnica auxiliar en la adhesión de núcleos en estructuras sándwich. Entre sus principales ventajas cabe destacar: -
La calidad de los laminados obtenidos es mejor que la de cualquier método por contacto, con altos porcentajes de refuerzo (40-55%), alta densidad y baja porosidad.
-
No tiene limitaciones respecto al tamaño de pieza.
-
Los materiales empleados son de uso frecuente, preferiblemente resinas epoxi.
-
Se pueden emplear todo tipo de estructuras textiles.
-
Las emisiones de COV se ven especialmente reducidas durante el curado.
El proceso también tiene una serie de inconvenientes: El proceso elaboración del laminado es más largo, bajando la productividad. El coste es ligeramente superior, aunque inferior a la utilización de preimpregnados. Es necesario mano de obra muy capacitada y durante el laminado mano de obra extra. Las resinas deben poseer tiempos de gel largos. Son necesarios moldes especialmente diseñados para este proceso. Se necesitan procesos térmicos posteriores.
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5.2.2 Laminado de preimpregnados (prepegs) Esta técnica permite separar los procesos de preparación de los procesos de moldeado. Así las piezas cortadas previamente son colocadas más fácilmente sobre el molde, de manera correcta y fácilmente rectificable. Si la cantidad de capas o los espesores son importantes (más de 1000 g/m2) hay que realizar compactados intermedios mediante vacío, para eliminar el aire atrapado entre capas. Una vez acabado el laminado la pieza todavía en su molde debe ser sometida a un aumento de presión y temperatura para que se produzca el curado final, como se puede observar en la Figura 42.
Figura 42: Esquema del proceso de laminado de preimpregnados.
Aunque se pueden utilizar distintos valores de presión y temperatura, en la construcción naval debido al gran tamaño de las piezas se suele utilizar casi exclusivamente sistemas de vacío, obteniendo materiales compuestos de una calidad muy superior a los obtenidos mediante técnicas de laminado por contacto asistida por vacío o no. En construcción naval se utiliza exclusivamente para embarcaciones de altas prestaciones (embarcaciones de regata, de alta velocidad, militares) debido al elevado coste del material.
Los preimpregnados son estructuras textiles impregnadas con resinas reactivas, que se mantienen a baja temperatura (entre -10 y -20ºC) para ralentizar el proceso de reticulación. Su tiempo de vida depende de las condiciones de almacenamiento, siendo entre 10 y 60 días sin congelación y de hasta 6 meses a temperaturas bajo cero. Contienen unos porcentajes de fibra-resina muy elevados y precisos, con gran uniformidad. Normalmente se utilizan resinas epoxi y fenólicas.
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Dependiendo de la temperatura de curado existen tres clases de preimpregnados: -
Preimpregnados de alta Tª: Son los que poseen mejores propiedades físicas y mecánicas. Su temperatura de curado es alrededor de 180ºC (sector aeroespacial).
-
Preimpregnados de media Tª: Temperatura de curado alrededor de 120ºC.
-
Preimpregnados de baja Tª: Temperatura de curado entre 60 y 120ºC. Son los más usados en la construcción naval debido al gran tamaño de las piezas.
A la hora de utilizar los preimpregnados hay que descongelarlos lentamente hasta alcanzar la temperatura de trabajo (de 15 a 30ºC), evitando que adquiera humedad conservándolos en sus envoltorios y en posición horizontal, para evitar el escurrimiento de la matriz. Como se puede observar en la Figura 42, se utilizan los mismos materiales fungibles que en el laminado manual asistido por vacío, aunque en su elección habrá que tener en cuenta la temperatura de curado y la presión de compactado utilizadas.
Como en el resto de casos, el proceso presenta una serie de ventajas: -
Los laminados poseen las mejores propiedades físicas y mecánicas (porcentajes de refuerzo de hasta un 65-70%, baja porosidad, alta homogeneidad).
-
Se pueden realizar tanto estructuras sándwich como monolíticas.
-
Los extensos tiempos de gel permiten organizar mejor las distintas operaciones, con una manipulación del material más sencilla y limpia, con menos residuos, y menos emisiones de COV.
Pero también tiene algunos inconvenientes: -
Principalmente el precio del material y el coste de los equipos e infraestructura.
-
Los operarios necesitan una alta cualificación y la productividad es menor.
-
Sólo se encuentran materiales preimpregnados con resinas epoxi, fenólicas y en menor medida viniléster.
-
Los moldes deben ser fabricados especialmente para este tipo de proceso.
-
Es necesario realizar compactados previos antes del curado final para garantizar buenos resultados.
5.2.3 Preimpregnados parciales Los podemos calificar como la segunda generación de los preimpregnados, su principal ventaja es que no necesitan compactaciones intermedias, esto es posible porque las fibras sólo son impregnadas parcialmente (en determinadas zonas, como se puede ver en la Figura 43), JAP – Departamento de Ingeniería de Materiales y Fabricación - UPCT
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de manera que el aire se puede extraer por las zonas de fibra seca y posteriormente durante el curado la resina impregna todo el material.
Figura 43: Diferencia de impregnación entre un preimpregnado total y parcial.
En el mercado se pueden encontrar preimpregnados parciales de todo tipo de estructuras textiles, pero sólo con resinas epoxi. Se están utilizando en la construcción de embarcaciones con alto valor añadido como veleros de crucero y lanchas motoras de alta velocidad, con costes inferiores a los del laminado de preimpregnados.
Las principales ventajas de los preimpregnados parciales: -
Los laminados obtenidos son de buena calidad, con elevados porcentajes de refuerzo (hasta un 60-65%), a menor coste que el laminado de preimpregnados.
-
No son necesarios los compactados intermedios, reduciendo el tiempo de preparación.
-
Mantienen el resto de ventajas de la laminación de preimpregnados.
Pero presentan los mismos inconvenientes que la laminación de preimpregnados junto a: -
Pueden aparecer defectos superficiales
-
Sólo hay disponibles impregnados parciales en resinas epoxi.
-
El proceso se considera aún en fase de desarrollo para el sector naval.
5.3 Técnicas de moldeo por vía líquida En estas técnicas la resina y las fibras de refuerzo entran en contacto en el interior de un molde cerrado. Primero se colocan las fibras secas y luego se introduce la resina catalizada. La presión de compactación se consigue mediante contramoldes rígidos o por vacío.
5.3.1 Moldeo por transferencia de resina (RTM) En este tipo de moldeo se colocan los refuerzos de fibra secos en el interior del molde y una vez cerrado y bajo presión, se inyecta la resina catalizada (Figura 44). Para reducir el tiempo de curado se puede aplicar temperatura. Las presiones de cierre del molde (entre 2 y 10 bar) y de inyección de la resina (entre 1,5 y 10 bar) hace necesario utilizar moldes muy robustos
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construidos de metales como acero, aluminio o cobre o materiales moldeados como resina epoxi.
Figura 44: Esquema del proceso de moldeo por transferencia de resina (RTM).
Para utilizar este proceso de fabricación son necesarios una serie de equipos y accesorios: -
Sistema de inyección de resina.
-
Moldes especialmente diseñados para el proceso.
-
Sistema de vacío.
-
Equipos auxiliares para preparación y corte de refuerzos secos.
-
Equipos y zonas para mecanización de piezas.
-
Cabinas de proyección de gelcoat.
-
Zona de polimerización.
En cuanto a las resinas que se pueden utilizar deben tener un tiempo de gel suficientemente largo para garantizar el llenado completo del molde. Cumplen este requisito epoxis, uretanos, poliéster iso y ortoftálicas y también resinas viniléster. Respecto a los refuerzos, los más utilizados son los fieltros (mats) de hilos continuos, hilos de fibra de vidrio cortados, fieltros de superficies (velos) así como estructuras textiles en forma de tejidos (rovings). También se utilizan preformas y estructuras textiles con ligantes termoplásticos que pueden termoconformarse.
Las principales ventajas del proceso por transferencia de resina son: -
Las piezas obtenidas presentan buen acabado superficial por ambas caras.
-
La productividad es elevada (hasta 3 piezas por día por molde).
-
Los laminados resultantes poseen buenas propiedades mecánicas.
-
Las pérdidas de material y las emisiones de COV son bajas.
-
Se pueden construir tanto estructuras monolíticas como sándwich.
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Aunque también tiene algunos inconvenientes: -
Elevado coste en equipos, especialmente en moldes y equipo bombeo de resina.
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Los moldes deben ser diseñados específicamente
-
La mano de obra debe ser altamente especializada.
-
El proceso presenta limitaciones para realizar formas de grandes dimensiones.
-
No es apto para producciones medias y bajas.
5.3.2 Moldeo por transferencia de resina asistido por vacío (VARTM) Esta es una variante simplificada del método RTM normal. En este caso la resina es introducida en la parte baja del molde a través de bajas presiones o inclusive por gravedad, como se puede ver en la Figura 45.
Figura 45: Esquema de funcionamiento del VARTM.
En este caso como las presiones de trabajo son muy bajas, los moldes no tienen que ser tan robustos y se pueden fabricar de materiales más económicos, como materiales compuestos. Pero estos moldes deben ser herméticos, por lo que necesitan un sistema de junta dinámica.
5.3.3 Moldeo por infusión El proceso de infusión consta de una serie de etapas como se puede ver Figura 46. Primero se colocan las fibras de refuerzo secas sobre el molde (se debe pintar el molde con gelcoat previamente si es necesario). A continuación todo el conjunto es compactado mediante vacío para extraer el aire entre capas de laminado. Tras esto se permite el paso de la resina catalizada a través de mangueras distribuidas por el molde, circulando por los huecos de las estructuras textiles. Una vez lleno de resina todo el conjunto se produce el curado a temperatura ambiente o elevando la temperatura para acelerar el proceso.
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Figura 46: Esquema de funcionamiento del proceso de infusión.
Este proceso tiene la ventaja de que se pueden utilizar moldes fabricados para otros métodos al utilizarse resinas que curan a temperatura ambiente, aunque deben ser estancos, suficientemente rígidos y fabricados con materiales con suficiente resistencia térmica si se necesitan procesos de postcurado.
Las resinas utilizadas deben poseer adecuadas características de viscosidad, tiempo de gel y reactividad. Son aptas la mayoría de resinas utilizadas como las de base poliésteres, vinilésteres y epoxis. En cuanto a los materiales de refuerzo se suele utilizar una combinación de diferentes estructuras textiles, situando aquellos con mejores propiedades de fluidez en el centro para crear una capa de flujo que ayude a la impregnación, mientras que los de mejores propiedades mecánicas se colocan en los extremos del laminado. Este método necesita menos materiales fungibles que el laminado por vacío convencional, no son necesarios films separadores y mantas de absorción.
Las principales ventajas del proceso de infusión: -
Es un método sencillo, rentable económicamente, con calidades de laminado muy aceptables (porcentaje de refuerzo entre 40 y 55%), mejores que las de los procesos de moldeo por contacto.
-
Se pueden aprovechar muchas herramientas de los métodos tradicionales de molde abierto y moldeo asistido por vacío.
-
Se producen menores emisiones de VOC
-
Se necesita menos mano de obra y se reducen las uniones secundarias.
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Pueden utilizarse la mayoría de las estructuras textiles, realizando tanto estructuras monolíticas como sándwich.
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Este proceso tiene la mejor relación coste/calidad para la construcción de piezas de gran tamaño.
Aunque también presenta ciertos inconvenientes: -
Este proceso no es rentable para la producción de piezas pequeñas.
-
Son necesarios materiales fungibles y materiales de refuerzo específicos que encarecen el proceso.
-
Las resinas deben poseer una viscosidad muy baja.
-
El proceso requiere mano de obra especializada.
-
La productividad no es muy alta.
-
El acabado superficial sólo es bueno por una de las dos caras.
5.4 Autoclave La autoclave es un recipiente cilíndrico presurizado de acero al carbono donde se introducen los laminados (generalmente preimpregnados), para someterlos a una mayor presión de compactación y temperatura de curado más elevada (Figura 47). Con una presión mayor se obtienen materiales más densos, con menor cantidad de poros y mayor resistencia mientras que una temperatura de curado mayor reduce el tiempo de curado y proporciona mejores propiedades. En el ámbito naval las autoclaves no son aplicables a la construcción de embarcaciones, se utilizan para pequeñas piezas, normalmente estructurales, como palos, botavaras, tangones, ruedas de timón, timones, orzas, cañas de timón, topes de palo, etc.
Figura 47: Esquema de un autoclave con el molde, laminado y bolsa de vacío en el interior.
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La autoclave se utiliza tras aplicar vacío al laminado y antes de realizar el curado. La presión de trabajo de una autoclave varía en función del espesor de la cámara, pero puede llegar a 20 bares. Esta presión se consigue introduciendo gases como aire, nitrógeno y dióxido de carbono. Si la temperatura a aplicar es inferior a 150ºC se utiliza aire, pero para temperaturas más elevadas (hasta 550ºC) hay que utilizar nitrógeno o dióxido de carbono para evitar el riesgo de combustión del aire, en esas condiciones.
Al tratarse de un proceso costoso, sólo es rentable si se utiliza con piezas de elevada resistencia, por lo que se suele utilizar fibras preimpregnadas como carbono, kevlar y vidrio, por ese orden, y resinas epoxi y fenólicas.
Las principales ventajas de la utilización de la autoclave: -
Permite obtener laminados de altas propiedades físicas y químicas.
-
Se obtienen piezas mejor curadas, más densas y homogéneas y con menor porosidad.
-
Se pueden obtener piezas de geometría compleja.
-
Las emisiones de COV se ven muy reducidas.
Pero presenta algunas desventajas: -
Estos equipos tienen elevados costes adquisición y mantenimiento.
-
Suele haber problemas de tamaño.
-
La producción es baja.
-
Las herramientas y útiles deben ser específicos.
-
El personal debe de estar altamente capacitado.
6. Adhesivos Un adhesivo es aquella sustancia que aplicada entre las superficies de dos materiales permite
una unión resistente a la separación. Denominamos sustratos o adherentes a los materiales que pretendemos unir por mediación del adhesivo. El conjunto de interacciones físicas y químicas que tienen lugar en la interfase adhesivo/adherente recibe el nombre de adhesión, mientras que la cohesión se refiere a las interacciones que se produce entre las moléculas de adhesivo (Figura 48). Cada vez más se utilizan adhesivos como elementos de unión, que son capaces de soportar esfuerzos de elevadas magnitudes.
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Figura 48: Diferencia entre la adhesión y la cohesión.
A modo de breve resumen histórico, los adhesivos han sido utilizados por el hombre desde la Prehistoria. Ya en estatuas en Babilonia en el año 4000 A.C. se usaban cementos bituminosos como adhesivos. Pero no fue hasta 1840 cuando los adhesivos tuvieron su primera aplicación industrial en los sellos de correo. Poco después en 1843 con el descubrimiento de la vulcanización fue posible unir el caucho al metal y en 1897 se desarrollaron los adhesivos en base látex. Como en otros casos, la II Guerra Mundial provocó un impulso espectacular del campo, apareciendo los adhesivos a base de nitrilos y acrílicos y posteriormente los epoxi, el primero de ellos fue Araldit. El empleo masivo de los adhesivos elásticos comenzó a principios de la década de los 80 del siglo pasado, desarrollándose luego equipos dosificadores automáticos o tratando de eliminar disolventes orgánicos de su formulación debido a los problemas de Seguridad e Higiene.
La primera utilización de adhesivos estructurales en el ámbito de la construcción naval fue a mediados de la década de los años 80 del siglo pasado en el Departamento de Arquitectura Naval y Oceánica de la Universidad de Glasgow, para solucionar los problemas que estaban surgiendo con la soldadura de planchas de pequeño espesor en el emparrillado de fragatas para la armada británica. La característica de poder unir materiales disimilares hace de los adhesivos elementos imprescindibles en los materiales compuestos de estructura sándwich, que cada vez son más utilizados en la construcción naval, sobretodo en cascos de embarcaciones deportivas. También numerosos elementos en los barcos van unidos al casco mediante adhesivos, que a la vez realizan la función de sellantes. Por ejemplo, en las embarcaciones de recreo la unión de numerosos accesorios que soportan esfuerzos se realiza mediante adhesivos selladores elásticos, que son capaces de absorber cargas y formar una barrera impermeable al paso de fluidos. Otro ejemplo de la utilización de adhesivos, es la unión de la cubierta al casco, como se puede ver Figura 49.
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Figura 49: Unión de la cubierta al casco de una embarcación en el astillero Sinergia Composites Cartagena.
Las uniones realizadas por adhesivos presentan ventajas e inconvenientes que pasamos a desarrollar: • VENTAJAS o Pueden unirse materiales similares y disimilares: La unión mediante soldadura de materiales disimilares está dificultada por la diferencia en sus coeficientes de dilatación y conductividad térmica. Los adhesivos al presentar comportamiento viscoelástico pueden absorber esos cambios. o Permiten la unión de materiales con espesores pequeños: En chapas delgadas el calor necesario para soldar puede producir deformaciones debido a las tensiones residuales. o Se obtiene una mejor distribución de las tensiones: Por ejemplo los adhesivos no crean el tipo de tensiones que generan las uniones roscadas. o Se obtienen uniones más rígidas: El aumento del área de contacto aumenta la rigidez, si se compara con uniones realizadas mediante soldadura o remaches. o Se conservan las propiedades mecánicas de los sustratos: A diferencia de lo que ocurre en las uniones por soldadura las temperaturas de curado son relativamente bajas y no afecta a las propiedades de los materiales. o No les afecta la corrosión: Los materiales no metálicos sólo son atacados por ciertos agentes químicos y suelen ser resistentes a la acción del agua y la atmósfera. Los adhesivos no son conductores de la electricidad, excepto si se añaden aditivos específicamente para ello, de tal manera que se evita por ejemplo la corrosión galvánica bimetálica en una unión entre dos metales distintos.
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o Confieren a la unión propiedades de aislamiento y sellado: Debido a las propiedades viscoelásticas de los adhesivos pueden actuar como amortiguadores de vibraciones. o Ventajas de diseño y producción: La unión con adhesivos permite suavizar los contornos, cosa que no se puede hacer con uniones remachadas o soldaduras. También se evita la necesidad de hacer orificios para acoplar elementos de unión. Los valores de resistencia específica (resistencia/peso) es alta. La utilización de adhesivos pueden reducir el tiempo de producción, mano de obra, herramientas y elementos de unión. Aunque el precio de los adhesivos es sustancialmente mayor, su utilización reduce otros costes indirectos, favoreciendo el resultado final del proceso. • INCONVENIENTES o Son uniones fijas: No es posible desmontar una unión de este tipo, suponiendo una dificultad a la hora de ser reparadas. o Necesidad de preparación superficial: Puede variar desde una simple limpieza con disolventes a operaciones de abrasión mecánica. Esta preparación superficial es muy importante para obtener uniones de calidad, supone un aumento del precio debido a la mano de obra especializada y los productos utilizados. o Temperatura de servicio limitada: Los materiales poliméricos se ven afectados por la temperatura. La temperatura media de trabajo oscila entre 20 y 175ºC dependiendo del tipo de adhesivo. Además la humedad también puede afectar a sus propiedades. o La solicitación a pelado puede dañar la unión: En la mayoría de los adhesivos estructurales la resistencia es direccional de modo que resisten bien esfuerzos de cortadura o tracción. o Control estricto del proceso: Además de la preparación superficial, hay que realizar un pesado y mezclado adecuado de los componentes. También se puede requerir aplicar presión y calor, por lo que será necesario con los equipos necesarios para ello. o Efectos nocivos para la salud: Debido a la composición química de los adhesivos es necesario emplear medios de protección durante su manipulación (guantes, mascarillas, incluso protección ocular). o Caducidad limitada y almacenamiento: Al ser materiales que sufren curado tienen una fecha de caducidad, que se puede ver disminuida si las condiciones de almacenamiento no son las adecuadas.
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Figura 50: Distintos tipos de solicitación a una unión con adhesivo.
Existen muy diversos criterios de clasificación de los adhesivos como su composición, origen, estado físico (líquido, sólido, pasta, en polvo, film), modo de aplicación, método de curado o fraguado, materiales a unir, método de unión, temperatura de unión, etc. La norma europea UNE-EN 923:2006 realiza una clasificación en función de su naturaleza física y sus principales componentes.
Tabla 14: Clasificación de los adhesivos en la norma UNE-EN 923:2006. Adhesivo
Ligante
(naturaleza
Número de
Tipo
componentesa
fraguado:
física)
Notas
caliente (h), frío (c)a
Colab
Almidón, Dextrina
1
c
Éteres de celulosa
Los disolventes volátiles (principalmente agua) se
Caseína
evaporan durante el
Ésteres del ácido poliacrílico
fraguado
Alcohol polivinílico Polivinil pirrolidona
En pasta
b
Glutina
1
h
Almidón
1
c
Éter de celulosa, polímero de ésteres acrílicos
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Con disolvente b
y en dispersión
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Caucho natural, caucho sintético
1, (2)
c, h
Los disolventes volátiles o
de baja polaridad, por ejemplo:
los agentes de dispersión se
caucho butadieno-estireno.
evaporan ampliamente antes
Copolímeros butadieno-
o durante el fraguado
acrilonitrilo Policlorobutadieno Poliuretano Acetato de polivinilo Copolímeros de acetato de vinilo Polivinil propional Ésteres del ácido poliacrílico Éter polivinílico Cloruro de polivinilo Copolímeros de cloruro de vinilo Copolímeros de cloruro de vinilideno Poliéster Poliestireno Copolímeros de éster del ácido estireno-acrílico Plastisoles de cloruro de
1
h
polivinilo b
Termofusibles
Caucho de butadieno-estireno y
Sin disolventes volátiles ni agentes de dispersión
1
h
Silicatos solubles
1, (2)
c, (h)
Los disolventes volátiles o
Cemento hidráulico
1, (2)
c
el agua se evaporan junto
Reinas fenólicos, de melanina, de
2, (1)
h, c
con los productos de
caucho de estireno-isopreno Copolímeros de acetato de viniletileno Copolímeros de acetato de vinilo/viniléster Poliamida, poliamidoamidas Poliéster c
Reacción
conversión formados
urea, formaldehído, solubles en
durante el fraguado
agua Resina fenólica con polivinil
1, 2
h
acetales o con caucho nitrilo
Los productos de conversión volátiles se
Poliamidas, polibenzimidazoles
2
h
evaporan durante el
Resinas de silicona,
1
c
fraguado
endurecimiento por humedad
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Tema 10: Materiales compuestos Reacciónc
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Resinas de poliéster insaturado,
2
c
Polímeros de ésteres vinílicos y
Los componentes reactivos volátiles se incorporan a la
acrílicos
línea de pegado por vía química
Diésteres del ácido metracrílico y
1
c
Ésteres del ácido ciano acrílico
1
c
Poliisocianatos, endurecimiento
1
c
Poliisocianatos/polioles
2
c, (h)
Epoxi/poli (amido)amidas
2
c, (h)
Epoxi/ácido anhídrico
2
H
Resinas epoxi especiales
1
h
Sin componentes volátiles
dioles, fraguado anaeróbico
por humedad
a
Las soluciones alternativas se indican entre paréntesis.
b
Fraguado físico o físico-químico
c
Fraguado químico
En general, la adhesión puede llevarse a cabo según uno o varios de los siguientes mecanismos (Suelen aparecer mezclas de distintos mecanismos): -
Adhesión mecánica: El adhesivo penetra en el interior de los poros dentro de los cuales solidifica. Se consiguen mejores resultados sobre superficies que, además, sean rugosas, por lo que es conveniente que el adhesivo “moje” perfectamente la superficie del material. Por ello las superficies deben ser preparadas eliminando los contaminantes superficiales y aumentando el área superficial eficaz. Se han realizado distintos estudios relacionando el rendimiento de adhesión con la rugosidad superficial y aunque existe una relación, este mecanismo no es capaz de explicar todos los fenómenos de adhesión.
-
Mecanismo difusional: Mecanismo propuesto en la década de 1960, en base a los experimentos de adhesión de dos polímeros teniendo en cuenta el tiempo y la temperatura, utilizando la ley de difusión de Fick. La difusión entre los polímeros necesita de un cierto grado de movilidad de las cadenas y solubilidad mutua. Este mecanismo explica la auto-adhesión de polímeros, pero no se puede utilizar en las uniones entre materiales orgánicos e inorgánicos.
-
Mecanismo electrónico: Si dos materiales con distintas estructuras atómicas se ponen en contacto íntimo, se puede producir la transferencia de electrones, lo que produce interacción electrónica de las moléculas. No se suele aceptar como principal factor de la adhesión.
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-
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Mecanismo de adsorción: En este mecanismo se propone que al producirse un contacto íntimo entre sustrato y adhesivo, la adhesión se producirá a través de fuerzas intermoleculares entre átomos, moléculas e iones de las fases. Existen distintos tipos de enlaces, pero el más común son las fuerzas de Van der Waals.
Mediante un simple ensayo de rotura es posible evaluar la adhesión de dos sustratos. El fallo de la unión adhesiva puede ocurrir según tres posibles modos (Figura 51): -
Separación por adhesión: Cuando la separación se produce en la interfase sustrato adhesivo, posiblemente por la presencia de una capa de contaminación, un incorrecto proceso de preparación, segregación de componentes entre el adhesivo y sustrato o por la formación de una capa de bajas propiedades tras la exposición al medio ambiente.
-
Separación por cohesión: Cuando se produce la ruptura del adhesivo.
-
Ruptura de sustrato: Cuando el propio sustrato rompe antes que la unión adhesiva o que la interfase sustrato-adhesivo.
Figura 51: Esquemas de los distintos tipos casos que pueden aparecer tras la realización de un ensayo de rotura en una unión adhesiva. a) Fallo adhesivo (no deseable), b) Fallo intermedio, c) Fallo cohesivo (Fallo deseable) y d) Fallo de sustrato (Sobredimensionado de las fuerzas cohesivas).
Cuando se diseña una unión adhesiva se pretende que la rotura no sea en ningún caso adhesiva, de manera que la separación nunca se produzca en la interfase sustrato-adhesivo. A la hora de elegir un adhesivo hay que tener en cuenta una gran cantidad de aspectos: -
Naturaleza de los materiales a unir.
-
Estado de las superficies a unir.
-
Rigidez.
-
Resistencia mecánica de la unión.
-
Resistencia al pelado, vibraciones, fatiga, etc.
-
Temperatura de servicio.
-
Entrono químico (agentes atmosféricos, agua marina, productos corrosivos…).
-
Necesidad de estanqueidad o aislamiento (térmico, eléctrico…).
-
Facilidad para la aplicación (aplicación de presión, temperatura, superficie…).
-
Consideraciones económicas.
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6.1 Adhesivos estructurales Los adhesivos estructurales son aquellos que usados junto con un material estructural, actúa de modo que la junta no falle cuando se aplica al material tensiones de hasta su límite elástico. Normalmente se componen de dos polímeros, uno termoestable (modificado o no) y otro termoplástico incluyendo ciertos elastómeros. Se suele considerar a un adhesivo como estructural si a temperatura ambiente presenta más de 10 MPa de resistencia atracción.
Entre los adhesivos estructurales más utilizados se encuentran los de base epoxídica, derivadas de las resinas de poliéster, neopreno fenólico, nitrilo-fenólico, epoxi-fenólico, nylon-epoxi y caucho-fenólico. Vamos a ver las principales características de estos adhesivos.
6.1.1 Acrilatos Se trata de adhesivos en estado líquido, formados por dos componentes que se aplican por separado sobre las superficies a unir, uno de ellos es un activador que facilita que el curado se produzca a temperatura ambiente.
Normalmente endurecen en 3-4 minutos, aunque hay adhesivos que pueden tardar más de 5 minutos en hacerlo, lo que permite realizar la mezcla de los componentes y posteriormente realizar su aplicación mediante una mezcladora estática, no dependiendo la calidad de la unión del movimiento de las piezas para conseguirla. El 60-70% de su resistencia total se adquiere a los 15-30 minutos de aplicación.
Los adhesivos acrílicos tienen en general las siguientes características: -
Muy alta resistencia al cizallamiento y a la tracción.
-
Buena resistencia al impacto.
-
Amplia gama de temperaturas útiles.
-
Pueden unir casi todos los materiales.
-
Buena capacidad de relleno de holgura.
-
Buena resistencia ambiental.
6.1.2 Cianocrilatos Los adhesivos de cianocrilatos son líquidos de endurecimiento ultra-rápido formados por un solo componente. Han de ser extendidos en forma de una capa muy delgada, de forma que el inhibidor se libera y el monómero en contacto con la humedad ambiental y sobre la superficie
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de unión, es suficiente para iniciar el curado en pocos segundos. Los mejores resultados se obtienen con valores de humedad relativa en el ambiente entre el 40 y 60% a temperatura ambiente. Cuanto más baja es la humedad, más lento es el proceso de curado, mientras que valores altos de humedad pueden perjudicar los valores de resistencia final de la unión. Las superficies ácidas (pH < 7) retrasan y pueden incluso impedir el curado, mientras que superficies alcalinas (pH > 7), lo aceleran.
Estos adhesivos deben ser aplicados sobre superficies muy lisas y ajustadas, de modo que no sirven para superficies en las que deban realizar una función de relleno. No dan buenos resultados en materiales porosos. Las aplicaciones típicas de los adhesivos de cianocrilatos son: -
Uniones adhesivas en general, especialmente con plásticos de difícil unión, fijación muy rápida
-
Unir materiales diferentes, con gran estabilidad frente al envejecimiento y a la temperatura.
-
Unir metal con metal o con otros materiales.
6.1.3 Anaeróbicos Estos adhesivos son líquidos en presencia de oxígeno y curan a temperatura ambiente cuando se les priva de su contacto, por ejemplo al acoplar las piezas. El curado se produce rápidamente especialmente entre piezas metálicas. Al igual que los cianocrilatos son de endurecimiento muy rápido.
El curado no es siempre tan rápido como entre piezas metálicas, puesto que el metal actúa como catalizador. Los denominados materiales pasivos sólo tienen un ligero efecto catalizador por lo que resulta necesario utilizar catalizadores para conseguir un curado rápido y completo. Este catalizador se aplica a uno o ambos lados de la unión, antes de aplicar el adhesivo, para no mezclar los componentes ni afectar a la vida útil. La Tabla 15 muestra algunos materiales activos y pasivos. Las aplicaciones de los adhesivos anaeróbicos son entre otras: -
Fijación y sellado de roscas y bridas.
-
Unión de piezas cilíndricas.
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Tema 10: Materiales compuestos Tabla 15: Distintos materiales activos y pasivos.
Materiales activos Materiales pasivos (Curado rápido) (Curado lento o necesario activador) Latón Bronce Cobre Hierro Acero
Revestimientos anódicos Aluminio (de bajo contenido en cobre) Cerámica Vidrio Acero de alta aleación Níquel Capas de óxido Plásticos Plata Acero inoxidable Zinc
6.1.4 Resinas fenólicas Los adhesivos a base de resinas fenólicas proporcionan buenos valores de cortadura (hasta 40 MPa), pero presentan alta contracción durante el curado y tienen baja resistencia al pelado, al impacto y son frágiles, por lo que normalmente se utilizan junto con un elastómero o un termoplástico para mejorar estas propiedades. A continuación veremos algunos ejemplos:
-
Vinil-fenólicas: Las resinas de polivinilformol o polivinilbutirol copolimerizan con la resina fenólica cuyo porcentaje es directamente proporcional a la resistencia térmica y al pelado. Tiene buena resistencia a impacto, aceites, combustibles aromáticos, atmósferas salinas, etc. Las mayores desventajas que presentan son la necesidad de altas temperaturas y presiones para curar.
-
Nitrilo-fenólicas: Son mezclas de acrilonitrilo y novolacas. Si bien tienen propiedades mecánicas medias, son las de mayor durabilidad.
-
Epoxi-fenólicas: Resisten temperaturas de hasta 275ºC. Sin embargo, a temperatura ambiente son relativamente rígidas con poca resistencia al pelado.
El principal inconveniente de este tipo de resinas está en que liberan agua durante el curado, lo que exige la aplicación de altas presiones para mantener en contacto las superficies a unir. Es la resina más ampliamente utilizada en la fabricación de laminados de madera y en la unión metal-madera. Tienen también utilidades en la unión de combinaciones de vidrio, metal, caucho, madera y otros materiales.
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6.1.5 Resinas epoxi Estos adhesivos se pueden encontrar en muy diversas presentaciones (forma sólida, líquida, pasta o film) y pueden ser de endurecimiento (curado) en caliente con aporte de calor o a temperatura ambiente. Estos adhesivos pueden realizar la función de relleno de material entre las superficies de los materiales a unir. En general pueden añadirse aditivos para mejorar su resistencia química, a las altas temperaturas, etc. Tienen las siguientes propiedades: Gran poder de adherencia sobre vidrio, porcelana hormigón, caucho vulcanizado, materias plásticas, aleaciones metálicas, madera, materiales compuestos, etc. Poca contracción durante el curado. Muy buenas propiedades mecánicas y elásticas. Capacidad de trabajar desde muy bajas temperaturas hasta 200ºC. Buena resistencia química, incluso frente a ácidos no concentrados. Estabilidad frente al envejecimiento.
Este tipo de adhesivos y los acrílicos han desplazado a los fenólicos en el campo de los adhesivos en cuanto a propiedades mecánicas (rigidez, tenacidad al impacto, a fatiga, etc.) pero no en cuanto a propiedades térmicas y resistencia a los agentes externos.
Existen adhesivos epoxi modificadas para mejorar alguna propiedad, entre las que destacan: Nitrilo-epoxi: Son sistemas de durabilidad intermedia entre los epoxi comunes y los adhesivos de base fenólica. Son muy caros pero presentan excelentes propiedades.
Nilón-epoxi: Tienen muy buenas propiedades mecánicas pero se degradan con la humedad.
6.1.6 Poliuretanos Estos son adhesivos bicomponente, aunque existen una variedad de monocomponentes elásticos de curado con calor e incluso a temperatura ambiente en presencia de humedad ambiental. La molécula de agua ha de migrar al interior del adhesivo, donde se produce el enlace, sin generar subproductos. La velocidad de curado depende de la humedad relativa.
Su principal aplicación es el pegado de perfiles plásticos o metálicos entre los que se requiera una unión relativamente elástica, con suficiente superficie de pegado, y que pueda soportar vibraciones. Son adhesivos que permite adherir superficies porosas o irregulares entre las que deba hacerse una función de llenado o acoplamiento, pudiendo ser pintados, una vez que se ha JAP – Departamento de Ingeniería de Materiales y Fabricación - UPCT
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producido el curado. Estos adhesivos trabajan bien desde temperaturas bajas hasta unos 80ºC, pero no poseen elevada resistencia química o frente a radiaciones tales como ultravioletas.
6.1.7 Siliconas Estos materiales curan a temperatura ambiente, al reaccionar con la humedad ambiental, la molécula de agua es necesaria para que se produzca el entrecruzamiento y debe de difundir hasta el interior del adhesivo para que se produzca la reacción. Tras producirse la reacción se libera un subproducto que será diferente en función de la naturaleza química del material.
Por lo tanto, la velocidad de curado de estos adhesivos depende principalmente de la humedad relativa, produciéndose el curado desde el exterior hacia el interior de la línea de unión y limitando su profundidad a 10-15 mm. Las características principales de las siliconas son, entre otras: -
Excelente resistencia térmica, superando los 230ºC.
-
Son flexibles, tenaces y con una alta capacidad de alargamiento.
-
Son selladores eficaces para diversos tipos de fluidos.
-
Presentan un excelente relleno de holguras.
Algunas aplicaciones típicas para las siliconas, son: -
Formación de juntas y sellado.
-
Sellado en aplicaciones a altas temperaturas.
-
Sellado y unión adhesiva (especialmente en piezas pequeñas).
6.2 Preparación de las superficies La etapa de preparación de las superficies puede llegar a ser la más crítica a la hora de conseguir una buena unión, sobretodo en el caso de adhesiones estructurales. Hay que conseguir que la superficie quede completamente libre de contaminantes, eliminando películas superficiales no adherentes. Existen sistemas de limpieza mecánicos o químicos.
Los sistemas de limpieza mecánicos como arenados, telas o fieltros abrasivos pueden resultar más económicos y de menor complejidad que los químicos, pero sin embargo, el métodos químicos (como un ataque ácido) pueden conseguir un mayor rendimiento y aumento de la vida en servicio de la unión. La utilización conjunta de sistemas mecánicos y posterior
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tratamiento químico, da resultados excelentes con un aumento del área superficial, aunque n o es demasiado común la aplicación de esta técnica.
La limpieza mecánica puede ser adecuada para un diseño específico, pero si lo que se desea es un alto nivel de confianza, lo más normal es emplear un procedimiento químico, relegando al sistema mecánico como un complemento sólo necesario en el caso de necesitar una mejora en la resistencia de la junta.
6.2.1 Preparación de la superficie de metales La Figura 52 muestra un esquema general de los pasos que se efectúan en la preparación de la superficie de un metal, aunque en algún caso específico se pueda utilizar otros métodos distintos o eliminar alguna de las fases que vamos a desarrollar. A continuación se desarrollarán las distintas etapas. Desengrasado Vapor disolvente
Inmersión
Ataque ácido o limpiado alcalino
Frotamiento
Tratamiento mecánico Arenado
Pulido
Esmerilado
Cepillado
Eliminación de partículas Lavado Secado Acondicionado superficial
Imprimación
Aplicación del adhesivo
Figura 52: Esquema general del proceso de preparación de una superficie metálica
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-
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Desengrasado: Fase común a todos los procesos de preparación de superficies, puede realizar por inmersión de la zona a limpia, desengrasado con vapor o frotado con fieltros o tejidos empapados con un disolvente. El uso y elección del disolvente (acetona, alcohol isopropilo, xileno, tolueno, tetracloruro de carbono, etc.) debe realizar con precaución teniendo en cuenta la toxicidad, inflamabilidad y coste.
-
Ataque ácido o limpiado alcalino: Se utiliza un ácido o solución alcalina, dependiendo del adhesivo y de las condiciones de trabajo de la futura unión. Estos tratamientos son muy complicados en superficies de grandes dimensiones, por lo que se suelen utilizar los métodos mecánicos, pero teniendo la precaución de no generar puntos de corrosión o surcos que faciliten la propagación de grietas.
-
Lavado: El objetivo de esta etapa es la completa eliminación de la solución de limpieza o ataque ácido, usado en la etapa anterior. Si quedaran restos de esa fase, se podría producir corrosión en el adherente e incluso afectar al adhesivo. Puede realizarse de distintas maneras, sin que exista un criterio definido de cuál es la más indicada o el que mejor resultado da. Puede realizarse con agua caliente o fría, agua destilada o corriente y de distintas formas como inmersión o spray. El uso de agua corriente debe ser comprobado mediante ensayos previos para comprobar que no supone una merma en las propiedades de la unión.
-
Secado: Se puede realizar tras el lavado, aunque puede no ser necesario. Debe realizarse con aire limpio y exento de polvo. Debe controlarse la temperatura del aire para evitar la formación de óxidos en la superficie, utilizándose entre 35 y 90ºC. En el caso del acero debe ser inferior a 50ºC.
-
Acondicionado superficial: El objetivo de esta etapa es formar una película de composición química y espesor controlado en la superficie. No es un proceso estandarizado, pero si empleado algunas veces. Se trata de influir en la resistencia de la junta. La composición de esa película superficial es una mezcla compleja de nitratos, sulfatos, fosfatos, etc. De nuevo es necesario realizar ensayos previos para tratar de determinar las mejores características de la película para la aplicación.
-
Imprimación: Si al material preparado no se le va a aplicar inmediatamente el adhesivo para realizar la unión, puede ser necesario proteger la superficie, debido a la
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acción que tiene el oxígeno y la humedad sobre los metales volviendo a formar óxidos superficiales, la posible contaminación orgánica que se puede producir y los daños mecánicos que se pueden producir. Se puede proteger la superficie con una imprimación que nos indique el fabricante del adhesivo. Al aplicar la imprimación el material se puede almacenar en lugares limpios y secos.
6.2.2 Preparación de la superficie de plásticos Debido a la gran cantidad de materiales que se engloban en el concepto “plástico” no es posible indicar un único proceso de preparación para todos ellos. Las fases de preparación serán similares a las indicadas anteriormente, aunque en este caso no se pueden producir óxidos. El limpiado se puede efectuar con sistemas mecánicos o químicos, eligiéndose el método en función del tipo de superficie. En superficies polares (acetatos, acrílicos y poliamidas) se utilizan el chorreado con granalla fina, filtros o telas abrasivas, mientras que en el caso de superficies no polares (polietileno, poliestireno) se utilizan tratamientos químicos.
El proceso de preparación de la superficie de plásticos, en general, constará de un desengrasado, seguido de un tratamiento químico o mecánico. En el caso del tratamiento mecánico hay que realizar un proceso de eliminación de las partículas del producto del tratamiento. Posteriormente se realiza el lavado con agua destilado y finalmente el secado. También es importante aplicar el adhesivo inmediatamente después de finalizar el tratamiento superficial.
6.2.3 Preparación de la superficie de maderas En la unión entre dos maderas o de una madera con otro material mediante adhesivos es muy importante la naturaleza de la madera a la hora de elegir el adhesivo a utilizar. La madera es un material higroscópico (capaz de absorber humedad). Una madera con un alto índice de humedad puede provocar una excesiva absorción durante la unión, mientras que una madera muy seca, la humectación será pobre y la penetración baja. Los componentes de madera también son importantes, tanto la celulosa (predominante) como la lignina y otros como resinas, ceras y productos de oxidación que pueden aparecer tras el mecanizado.
En general no se utilizan tratamientos superficiales en las maderas, teniendo en cuenta que la madera debe estar bien limpia. En el caso de madera con una débil humectación el tratamiento consiste en un ligero lijado. En el caso de la presencia de sustancias oleosas se suele emplear
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una limpieza con una solución detergente o disolventes orgánicos, o bien, el adhesivo conjuntamente con el disolvente orgánico.
Los tratamientos químicos en la unión deben ser usados principalmente en uniones estructurales y en aplicaciones críticas. Si los requerimientos son menos exigentes se pueden utilizar sistemas mecánicos, chorreado o lijado.
7. Reciclado El uso cada vez más extendido de los materiales compuestos en la construcción naval, ha conllevado la necesidad de desarrollar estrategias para el tratamiento de estos materiales al finalizar su vida útil. Pero los desechos no se limitan sólo a esos componentes que llegan al final de su vida útil, también hay que tener en cuenta los residuos de fabricación como resina que queda en los tubos y cubos, pequeños trozos de telas o preimpregnados, recortes, polvo, piezas defectuosas, prototipos o moldes fabricados también de materiales compuestos con el mismo tamaño que las piezas fabricadas. La mayor parte de estos residuos de tratan de plásticos reforzados con fibra de vidrio o fibra de carbono. En el año 2006 se estima que se fabricaron en torno a 3 millones de toneladas de materiales reforzados con fibra de vidrio se fabricaron en Estados Unidos y Europa, de los que alrededor de un 20% fueron utilizados en la industria naval.
Aparte de la posibilidad de reutilización del buque en aplicaciones con menores exigencias o de algunos componentes normalizados como escotillas o timones, se está trabajando en la recuperación de los materiales. Puede ser difícil de reciclar materiales compuestos de matrices termoestables, pero es más posible en el caso de matrices termoplásticas. En ambos casos no es práctico intentar la deslaminación y reutilizar las capas (dado el estado actual de la técnica). Por tanto, es necesario reducir el residuo compuesto a dimensiones utilizables que pueden implicar aserrado o trituración para producir piezas de quizás unos pocos metros cuadrados seguidos de trituración o molienda para aumentar la densidad de los residuos para su transporte a las instalaciones de reciclado. Todas estas operaciones requieren consumos energéticos importantes y se debe considerar el equilibrio entre los beneficios y el grave impacto ambiental. Un aspecto a tener en cuenta es que la inclusión de fibras de refuerzo aumenta significativamente la tenacidad del material, lo que encarece estas operaciones. Además, en general los termoplásticos tienen una mayor dureza que las resinas termoestables y por lo tanto requerirán más energía todavía en esta etapa. La maquinaria necesaria es
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relativamente cara y por lo tanto, el proceso puede no ser económicamente viable a pequeña escala.
En el caso de los compuestos termoplásticos, existe la posibilidad de la granulación del material para el procesamiento por extrusión y / o moldeo por inyección. Ambos procesos causará la disminución de la longitud de la fibra y por lo tanto, el material tendrá que ser utilizado en aplicaciones menos exigentes como pueden ser pilotes en ambiente marino cargados ligeramente.
Un problema específico para la eliminación de estructuras de materiales compuestos utilizados en la industria marina es el tamaño. Un barco pequeño suele ser de dimensiones similares a un coche grande. Esto introduce una serie de problemas específicos como el transporte y la reducción de tamaño para permitir la utilización de los equipos de trituración. Otro problema para la empresa de reciclaje en este caso es la contaminación de los materiales recuperados. Al final de su vida el exterior de un barco ha recibido muchas capas de pintura de varios tipos, incluyendo anti-fouling, por lo que material puede estar contaminado con aceites, pinturas y materiales de núcleo como el corcho o Nomex.
También es posible recuperar las fibras de refuerzo y productos de degradación del sistema de matriz de polímero. En la práctica, esto será más factible a partir de una fuente conocida de composición conocida en lugar de una mezcla de sistemas de resinas diferentes. Las opciones para la recuperación de fibras y material de alimentación incluyen los siguientes:
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Incineración: Este procedimiento destruye la resina pero a 450-500ºC las fibras de vidrio permanecen inalteradas y a temperaturas entre 450-550ºC se pueden recuperar fibras de carbono pero con una reducción en sus propiedades mecánicas. Las temperaturas más bajas se utilizan para resinas de poliéster, mientras que las más altas son para sistemas de matriz epoxi.
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Pirolisis: Se realiza un calentamiento hasta temperaturas entre 400-600ºC en una atmósfera en ausencia de oxígeno, permitiendo la recuperación de fibras, gases y aceites.
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Transformación catalítica: Estos procesos proporcionan cierto control sobre la composición del producto, permitiendo reducir significativamente la temperatura de degradación.
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Digestión ácida: Se sumerge el material compuesto en un ácido que ataca a la resina.
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Procesos solvolíticos/solvotermales: Que incluyen reacciones de hidrólisis y glicólisis, que permiten recuperar fibras, compuestos orgánicos suspendidos y ácidos.
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Fluidos sub-, cerca- y super-críticos: Esto incluye normalmente agua (a 300-500°C) o dióxido de carbono. Se ha logrado despolimerizar fibra de vidrio / compuestos de poliéster obteniendo la fibra, el filler y el polímero utilizando monometiléter de dietilenglicol (DGMM) sub-crítico o alcohol bencílico (BZA) en un reactor discontinuo a 190-350ºC durante 1-8 horas.
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