Plástico reforzado con fibra

El plástico reforzado con fibra ( FRP ) (también polímero reforzado con fibra ) es un material compuesto hecho de una matriz de polímero reforzada con fibras. Las fibras suelen ser de vidrio, carbono, aramida o basalto. Raramente, se han utilizado otras fibras como papel o madera o asbesto. El polímero suele ser un plástico epoxi, vinilestre o termosetenente de poliéster; Las resinas de fenol formaldehído todavía están en uso.

Los FRP se usan comúnmente en las industrias aeroespaciales, automotrices, marinas y de construcción. También se encuentran comúnmente en la armadura balística.

Definición de proceso

Un polímero generalmente se fabrica mediante polimerización del crecimiento de pasos o polimerización de adición. Cuando se combina con varios agentes para mejorar o alterar de alguna manera las propiedades del material de los polímeros, el resultado se conoce como plásticos plásticos. Los plásticos reforzados con fibra son una categoría de plásticos compuestos que usan específicamente materiales de fibra para mejorar mecánicamente la resistencia y la elasticidad de los plásticos. El material plástico original sin refuerzo de fibra se conoce como thematrix o agente de unión. La matriz es un plástico resistente pero relativamente débil que se ve reforzado por filamentos o fibras de refuerzo más rígidas más fuertes. La extensión de que la resistencia y la elasticidad se mejoran en un plástico reforzado con fibra depende de las propiedades mecánicas de la fibra y la matriz, su volumen relativo entre sí y la longitud y orientación de la fibra dentro de la matriz. ^[1] El refuerzo de la matriz ocurre por definición cuando el material FRP exhibe una mayor resistencia o elasticidad en relación con la resistencia y la elasticidad de la matriz sola. ^[2]

Historia

Bakelite fue el primer plástico reforzado con fibra. El Dr. Leo Baekeland originalmente se había propuesto encontrar un reemplazo para la goma laca (hecho de la excreción de los escarabajos LAC). Los químicos habían comenzado a reconocer que muchas resinas y fibras naturales eran polímeros, y Baekeland investigó las reacciones de fenol y formaldehído. Primero produjo una goma laca soluble de fenol-formaldehído llamado 'Novolak ' que nunca se convirtió en un éxito del mercado, luego se convirtió en desarrollar una carpeta para Asbestowhich, en ese momento, se moldeó con caucho. Al controlar la presión y la temperatura aplicadas al fenol y el formaldehído, encontró que en 1905 podía producir su material dura soñable (el primer plástico sintético del mundo): bakelita. ^{[3] [4]} Anunció su invención en una reunión de la American Chemical Society el 5 de febrero de 1909. ^[5]

El desarrollo de plástico reforzado con fibra para uso comercial se estaba investigando ampliamente en la década de 1930. En el Reino Unido, pioneros realizaron una investigación considerable como Norman de Bruyne. Fue particularmente de interés para la industria de la aviación. ^[6]

La producción en masa de hebras de vidrio se descubrió en 1932 cuando Games Slayter, un investigador de Owens-Illinois, dirigió accidentalmente un chorro de aire comprimido a una corriente de vidrio fundido y produjo fibras. Una patente para este método de producción de lana de vidrio se solicitó por primera vez en 1933. ^[7] Owens se unió a la empresa de Corning en 1935 y el método fue adaptado por Owens Corning para producir su patentado 'Fibreglas ' (uno 'S ') en 1936. Originalmente, Fibreglas era una lana de vidrio con fibras de fibra que atrapan un gran trato de gas, lo que es útil en 1936.

Du Pont desarrollaron una resina adecuada para combinar el 'fibreglas' con un plástico para producir un material compuesto. El primer antepasado de las resinas de poliéster modernas es la resina de cianamida de 1942. Para entonces, se utilizaron sistemas de curado de peróxido. ^[8] Con la combinación de fibreglas y resina, el contenido de gas del material fue reemplazado por plástico. Esto se redujo a las propiedades de aislamiento a los valores típicos del plástico, pero ahora, por primera vez, el compuesto mostró una gran resistencia y promesa como material estructural y de construcción. Confusamente, muchos compuestos de fibra de vidrio continuaron siendo llamados 'fibra de vidrio' (como nombre genérico) y el nombre también se usó para el producto de lana de vidrio de baja densidad que contiene gas en lugar de plástico.

Ray Greene de Owens Corning se le atribuye la producción del primer barco compuesto en 1937, pero no procedió más lejos en ese momento debido a la naturaleza frágil del plástico utilizado. En 1939, se informó que Rusia construyó un barco de pasajeros de materiales plásticos, y Estados Unidos un fuselaje y alas de un avión. ^[9] El primer automóvil en tener un cuerpo de fibra de vidrio fue el Scarab Scarab de 1946. Solo se construyó uno de este modelo. ^[10] El prototipo Ford de 1941 podría haber sido el primer automóvil de plástico, pero hay cierta incertidumbre alrededor de los materiales utilizados ya que fue destruido poco después. ^{[11] [12]}

El primer avión de plástico reforzado con fibra fue el Fairchild F-46, volado por primera vez el 12 de mayo de 1937, o el avión de plástico Bennett construido en California. ^[13] Se usó un fuselaje de fibra de vidrio en un Vultee BT-13A modificado designado el XBT-16 con sede en Wright Field a fines de 1942. ^{[14] En 1943 se realizaron experimentos adicionales adicionales de la construcción de piezas de aeronaves estructurales a partir de materiales compuestos que resultan en el primer avión, Avulte BT-15, con un fuselaje de GFRP, designaron el} flogó en 1944. ^{XBT - 19 , que} Republic Aviation Corporation había realizado un desarrollo significativo en las herramientas para los componentes GFRP en 1943. ^[18]

La producción de fibra de carbono comenzó a fines de la década de 1950 y se utilizó, aunque no ampliamente, en la industria británica a partir de principios de la década de 1960. Las fibras de aramida también se estaban produciendo alrededor de esta época, apareciendo primero bajo el nombre comercial Nomex por DuPont. Hoy, cada una de estas fibras se usa ampliamente en la industria para cualquier aplicación que requiera plástica con fuerza específica o cualidades elásticas. Las fibras de vidrio son las más comunes en todas las industrias, aunque los compuestos de fibra de carbono y fibra de carbono-aramida se encuentran ampliamente en aplicaciones aeroespaciales, automotrices y deportivas. ^[2] Estos tres (vidrio, carbono, andaramida) continúan siendo las categorías importantes de fibra utilizadas en FRP.

La producción global de polímeros en la escala presente hoy comenzó a mediados del siglo XX, cuando los bajos costos de materiales y producciones, nuevas tecnologías de producción y nuevas categorías de productos combinadas para hacer que la producción de polímeros sea económica. La industria finalmente maduró a fines de la década de 1970 cuando la producción mundial de polímeros superó la del acero, lo que convirtió a los polímeros en el material ubicuo que es hoy. Los plásticos reforzados con fibra han sido un aspecto significativo de esta industria desde el principio.

Descripción del proceso

FRP implica dos procesos distintos, el primero es el proceso por el cual se fabrica y forma el material fibroso, el segundo es el proceso por el cual los materiales fibrosos están unidos con la matriz durante el moldeo. ^[2]

Fibra

La fabricación de tela de fibra

La fibra de refuerzo se fabrica en orientaciones bidimensionales y tridimensionales

1. El polímero bidimensional reforzado con fibra se caracteriza por una estructura laminada en la que las fibras solo están alineadas a lo largo del plano en la dirección X y la dirección y del material. Esto significa que no se alinean fibras en el grosor o la dirección z, esta falta de alineación en el grosor a través del grosor puede crear una desventaja en el costo y el procesamiento. Los costos y la mano de obra aumentan porque las técnicas de procesamiento convencionales utilizadas para fabricar compuestos, como la colocación de manos húmedas, el autoclave y el moldeo de transferencia de resina, requieren una gran cantidad de mano de obra calificada para cortar, apilar y consolidar en un componente preformado.

2. Los compuestos de polímero tridimensional reforzado con fibra son materiales con estructuras de fibra tridimensionales que incorporan fibras en la dirección X, la dirección Y y la dirección Z. El desarrollo de orientaciones tridimensionales surgió de la necesidad de la industria de reducir los costos de fabricación, aumentar las propiedades mecánicas de espesor y mejorar la tolerancia al daño por impacto; Todos fueron problemas asociados con polímeros bidimensionales reforzados con fibra.

La fabricación de preformas de fibra

Las preformas de fibra son cómo se fabrican las fibras antes de unirse a la matriz. Las preformas de fibra a menudo se fabrican en hojas, esteras continuas o como filamentos continuos para aplicaciones de pulverización. Las cuatro formas principales de fabricar la preforma de fibra es a través de las técnicas de procesamiento textil de tejido, tejido, trenzado y costuras.

1. El tejido se puede hacer de manera convencional para producir fibras bidimensionales, así como un tejido multicapa que puede crear fibras tridimensionales. Sin embargo, se requiere que el tejido multicapa tenga múltiples capas de hilos de urdimbre para crear fibras en la dirección Z creando algunas desventajas en la fabricación, a saber, el momento de configurar todos los hilos de urdimbre en el telar. Por lo tanto, la mayoría de los tejidos multicapa se usan actualmente para producir productos de ancho relativamente estrechos, o productos de alto valor donde el costo de la producción de preformas es aceptable. Otro de los principales problemas que enfrenta el uso de telas tejidas multicapa es la dificultad de producir una tela que contenga fibras orientadas con ángulos distintos de 0 'y 90 ' entre sí respectivamente.

2. La segunda forma importante de fabricar preformas de fibra es el trenzado. El trenzado es adecuado para la fabricación de tela plana o tubular de ancho estrecho y no es tan capaz de tejer en la producción de grandes volúmenes de telas anchas. El trenzado se realiza sobre los mandreles que varían en forma o dimensión transversal a lo largo de su longitud. El trenzado se limita a objetos de un tamaño de ladrillo. A diferencia del tejido estándar, el trenzado puede producir tela que contenga fibras a 45 grados de ángulos entre sí. El trenzado de fibras tridimensionales se puede realizar utilizando cuatro pasos, trenzamiento de enclavamiento de dos pasos o multicapa. El trenzado de cuatro pasos o filas y columnas utiliza una cama plana que contiene filas y columnas de portadores de hilo que forman la forma de la preforma deseada. Se agregan operadores adicionales al exterior de la matriz, cuya ubicación precisa y cantidad depende de la forma y la estructura de preforma exacta requeridas. Hay cuatro secuencias separadas de movimiento de fila y columna, que actúan para entrelazar los hilos y producir la preforma trenzada. Los hilos se forzan mecánicamente a la estructura entre cada paso para consolidar la estructura en un proceso similar al uso de una caña en el tejido. El trenzado de dos pasos es diferente al proceso de cuatro pasos porque el dos pasos incluye una gran cantidad de hilos fijados en la dirección axial y una menor cantidad de hilos de trenzas. El proceso consta de dos pasos en los que los portadores de trenzas se mueven completamente a través de la estructura entre los portadores axiales. Esta secuencia relativamente simple de movimientos es capaz de formar preformas de cualquier forma, incluidas formas circulares y huecas. A diferencia del proceso de cuatro pasos, el proceso de dos pasos no requiere compactación mecánica. El último tipo de trenzado es el trenzado entrelazado de múltiples capas que consiste en una serie de trenzas circulares estándar que se unen para formar un marco de trenzado cilíndrico. Este marco tiene una serie de pistas de trenzas paralelas alrededor de la circunferencia del cilindro, pero el mecanismo permite la transferencia de portadores de hilos entre pistas adyacentes que forman una tela trenzada con múltiples capas con hilos entrelazados a capas adyacentes. La trenza de enclavamiento multicapa difiere de las trenzas de cuatro pasos y de dos pasos en que los hilos entrelazados están principalmente en el plano de la estructura y, por lo tanto, no reducen significativamente las propiedades en el plano de la preforma. Los procesos de cuatro y dos pasos producen un mayor grado de interconectado a medida que los hilos de trenzado viajan a través del grosor de la preforma, pero por lo tanto contribuyen menos al rendimiento en el plano de la preforma. Una desventaja del equipo de enclavamiento multicapa es que debido al movimiento sinusoidal convencional de los portadores de hilados para formar la preforma, el equipo no puede tener la densidad de los portadores de hilo que es posible con las dos máquinas de dos pasos y cuatro pasos.

3. Las preformas de fibra de tejido se pueden hacer con los métodos tradicionales de urdimbre y tejido [trama], y la tela producida a menudo es considerada por muchos como tela bidimensional, pero las máquinas con dos o más camas de aguja son capaces de producir telas múltiples con ñames que atraviesan las capas. Desarrollos en controles electrónicos para la selección de agujas y la transferencia de bucle de punto, y en los mecanismos sofisticados que permiten que se mantengan áreas específicas de la tela y se controle su movimiento. Esto ha permitido que la tela se forme en la forma de preforma tridimensional requerida con un mínimo de desperdicio de material.

4. La costura es posiblemente la más simple de las cuatro técnicas principales de fabricación textil y una que se puede realizar con la inversión más pequeña en maquinaria especializada. Básicamente, las costuras consisten en insertar una aguja, transportar el hilo de la puntada, a través de una pila de capas de tela para formar una estructura 3D. Las ventajas de la costura son que es posible coser la tela seca y prepregada, aunque la pegajosidad del prepregio dificulta el proceso y generalmente crea más daño dentro del material prepregado que en la tela seca. La costura también utiliza las telas bidimensionales estándar que comúnmente se usan dentro de la industria compuesta, por lo tanto, existe una sensación de familiaridad con respecto a los sistemas de materiales. El uso de la tela estándar también permite un mayor grado de flexibilidad en la colocación de telas del componente de lo posible con los otros procesos textiles, que tienen restricciones en las orientaciones de la fibra que se pueden producir. ^[19]

Formando procesos

Por lo general, se usa una estructura rígida para establecer la forma de los componentes de FRP. Las piezas se pueden colocar en una superficie plana denominada 'placa de calafateo ' o en una estructura cilíndrica denominada 'mandrel '. Sin embargo, la mayoría de las piezas de plástico reforzadas con fibra se crean con un molde o 'herramienta. ' Los moldes pueden ser moldes femeninos cóncavos, moldes machos o el molde puede encerrar completamente la pieza con un molde superior e inferior.

Los procesos de moldeo de los plásticos FRP comienzan colocando la preforma de fibra en el molde o en el molde. La preforma de fibra puede ser fibra seca, o fibra que ya contiene una cantidad medida de resina llamada 'Prepreg '. Las fibras secas están 'mojadas ' con resina, ya sea a mano o la resina se inyecta en un molde cerrado. La parte se cura luego, dejando la matriz y las fibras en la forma creada por el molde. El calor y/o la presión a veces se usan para curar la resina y mejorar la calidad de la parte final. Los diferentes métodos de formación se enumeran a continuación.

Moldura de vejiga

Las láminas individuales de material prepregado se colocan y se colocan en un molde de estilo femenino junto con una vejiga con forma de globo. El molde está cerrado y se coloca en una prensa con calefacción. Finalmente, la vejiga se presuriza forzando las capas de material contra las paredes del molde.

Moldura de compresión

Cuando la materia prima (bloque de plástico, bloque de goma, lámina de plástico o gránulos) contiene fibras de refuerzo, una parte moldeada por compresión califica como plástico reforzado con fibra. Más típicamente, la preforma de plástico utilizada en el moldeo de compresión no contiene fibras de refuerzo. En el moldeo de compresión, un 'preform ' o 'carga ', de SMC, BMC se coloca en la cavidad del molde. El molde está cerrado y el material se forma y se cura dentro por presión y calor. El moldeo por compresión ofrece excelentes detalles para formas geométricas que van desde el patrón y los detalles de alivio hasta las curvas complejas y las formas creativas, hasta la ingeniería de precisión, todo dentro de un tiempo máximo de curado de 20 minutos. ^[20]

Bolsa de autoclave y vacío

Las láminas individuales de material prepregado se colocan y se colocan en un molde abierto. El material está cubierto con película de lanzamiento, material de sangrado/respirador y una bolsa de vacío. Se tira un vacío sobre la pieza y todo el molde se coloca en un autoclave (recipiente a presión calentado). La parte se cura con un vacío continuo para extraer gases atrapados del laminado. Este es un proceso muy común en la industria aeroespacial porque ofrece un control preciso sobre el moldeo debido a un ciclo de cura largo y lento que es de una a varias horas. ^[21] Este control preciso crea las formas geométricas laminadas exactas necesarias para garantizar la fuerza y ​​la seguridad en la industria aeroespacial, pero también es lento y intensivo en el trabajo, lo que significa que los costos a menudo lo limitan a la industria aeroespacial. ^[20]

Envoltura de mandril

Las láminas de material prepregado están envueltas alrededor de un mandril de acero o aluminio. El material prepregado se compacta con cinta de nilón o violonización de polipropileno. Las piezas generalmente se curan por lotes con bolsas de vacío y colgando en un horno. Después de curar el violonchelo y el mandril se eliminan dejando un tubo de carbono hueco. Este proceso crea tubos de carbono huecos fuertes y robustos.

Bandeja húmeda

La formación de bandeja húmeda combina refuerzo de fibra y la matriz a medida que se colocan en la herramienta de formación. ^[2] Las capas de fibra de refuerzo se colocan en un molde abierto y luego se saturan con una resina húmeda vertiéndola sobre la tela y trabajando en la tela. Luego se deja el molde para que la resina se cure, generalmente a temperatura ambiente, aunque el calor a veces se usa para garantizar una cura adecuada. A veces se usa una bolsa de vacío para comprimir una bandeja húmeda. Las fibras de vidrio se usan más comúnmente para este proceso, los resultados se conocen ampliamente como fibra de vidrio y se usan para hacer productos comunes como esquís, canoas, kayaks y tablas de surf. ^[20]

Pistola de helicóptero

Los hilos continuos de fibra de vidrio se empujan a través de una pistola de mano que corta los hilos y los combina con una resina catalizada como el poliéster. El vidrio picado impregnado se dispara sobre la superficie del molde en cualquier grosor y diseño que el operador humano piense que es apropiado. Este proceso es bueno para grandes ejecuciones de producción a un costo económico, pero produce formas geométricas con menos resistencia que otros procesos de moldeo y tiene una tolerancia dimensional deficiente. Diseño Tanks LLC es uno de los principales fabricantes que utiliza este proceso. ^[20]

Filamento

Las máquinas tiran de los paquetes de fibra a través de un baño húmedo de resina y enrollan sobre un mandril de acero giratorio en orientaciones específicas, las piezas se curaron a temperatura ambiente o temperaturas elevadas. Se extrae Mandrel, dejando una forma geométrica final, pero se puede dejar en algunos casos. ^[20]

Pultrusión

Los paquetes de fibra y las telas de hendidura se tiran a través de un baño húmedo de resina y se forman en la forma áspera de la parte. El material saturado se extruye de un curado de matriz cerrado con calefacción mientras se tira continuamente a través del troquel. Algunos de los productos finales de la pultrusión son formas estructurales, es decir, haz, ángulo, canal y lámina plana. Estos materiales se pueden utilizar para crear todo tipo de estructuras de fibra de vidrio, como escaleras, plataformas, sistemas de pasamanos de tanque, tuberías y soportes de bomba. ^[20]

Moldeo de transferencia de resina

También se llama infusión de resina . Las telas se colocan en un molde en el que se inyecta la resina húmeda. La resina típicamente se presuriza y se ve obligada a una cavidad que está al vacío en el moldeo de transferencia de resina. La resina se arrastra por completo a la cavidad bajo vacío en el moldeo de transferencia de resina asistida por vacío. Este proceso de moldeo permite tolerancias precisas y formas detalladas, pero a veces puede no fallar en saturar completamente la tela que conduce a puntos débiles en la forma final. ^[20]

Ventajas y limitaciones

FRP permite que la alineación de las fibras de vidrio de los termoplásticos se adapte a programas de diseño específicos. Especificar la orientación de las fibras de refuerzo puede aumentar la resistencia y la resistencia a la deformación del polímero. Los polímeros reforzados con vidrio son más fuertes y más resistentes a las fuerzas de deformación cuando las fibras de los polímeros son paralelas a la fuerza que se ejerce, y son más débiles cuando las fibras son perpendiculares. Por lo tanto, esta capacidad es a la vez una ventaja o una limitación dependiendo del contexto de uso. Los puntos débiles de las fibras perpendiculares se pueden usar para bisagras y conexiones naturales, pero también pueden conducir a una falla del material cuando los procesos de producción no pueden orientar adecuadamente las fibras paralelas a las fuerzas esperadas. Cuando las fuerzas se ejercen perpendicular a la orientación de las fibras, la resistencia y la elasticidad del polímero es menor que la matriz sola. En componentes de resina fundida hechos de polímeros reforzados con vidrio como UP y EP, la orientación de las fibras puede orientarse en tejidos bidimensionales y tridimensionales. Esto significa que cuando las fuerzas son posiblemente perpendiculares a una orientación, son paralelas a otra orientación; Esto elimina el potencial de puntos débiles en el polímero.

Modos de falla

La falla estructural puede ocurrir en los materiales de FRP cuando:

• Las fuerzas de tracción estiran la matriz más que las fibras, lo que hace que el material corte en la interfaz entre la matriz y las fibras.

• Las fuerzas de tracción cerca del extremo de las fibras exceden las tolerancias de la matriz, separando las fibras de la matriz.

• Las fuerzas de tracción también pueden exceder las tolerancias de las fibras, lo que hace que las fibras se fracturen, lo que conduce a una falla material. ^[2]

Requisitos materiales

Un material de matriz de polímero ThermoSet, o material de matriz de polímero termoplástico de grado de ingeniería debe cumplir con ciertos requisitos para ser adecuado para FRP y garantizar un refuerzo exitoso de sí mismo. La matriz debe poder saturarse adecuadamente, y preferiblemente unirse químicamente con el refuerzo de fibra para una adhesión máxima dentro de un período de curado adecuado. La matriz también debe envolver completamente las fibras para protegerlas de cortes y muescas que reducirían su fuerza y ​​transferir fuerzas a las fibras. Las fibras también deben mantenerse separadas entre sí, de modo que si ocurre la falla, se localiza tanto como sea posible, y si se produce una falla, la matriz también debe desacreditar la fibra por razones similares. Finalmente, la matriz debe ser de plástico que permanezca química y físicamente estable durante y después de los procesos de refuerzo y moldeo. Para ser adecuado como material de refuerzo, los aditivos de fibra deben aumentar la resistencia a la tracción y el módulo de elasticidad de la matriz y cumplir con las siguientes condiciones; Las fibras deben exceder el contenido crítico de la fibra; La fuerza y ​​la rigidez de las fibras en sí debe exceder la fuerza y ​​la rigidez de la matriz sola; y debe haber unión óptima entre fibras y matriz

Material de fibra de vidrio

'Plastics reforzados de fibra de vidrio ' o FRPS (comúnmente denominado fibra de vidrio) use fibras de vidrio de grado textil. Estas fibras textiles son diferentes de otras formas de fibras de vidrio utilizadas para atrapar deliberadamente el aire, para aplicaciones aislantes (ver lana de vidrio). Las fibras de vidrio textil comienzan como combinaciones variables de SIO ₂, Al ₂O ₃, B ₂O ₃, Cao o MgO en forma de polvo. Estas mezclas se calientan a través de la fusión directa a temperaturas de alrededor de 1300 grados Celsius, después de lo cual se usan troqueles para extruir los filamentos de fibra de vidrio en diámetro que varía de 9 a 17 µm. Estos filamentos se enrollan en hilos más grandes y giran sobre bobinas para el transporte y el procesamiento posterior. La fibra de vidrio es, con mucho, el medio más popular para reforzar el plástico y, por lo tanto, disfruta de una gran cantidad de procesos de producción, algunos de los cuales son aplicables a las fibras de aramida y de carbono también debido a sus cualidades fibrosas compartidas.

Roving es un proceso en el que los filamentos se giran en roscas de mayor diámetro. Estos hilos se usan comúnmente para tejidas de refuerzo de telas y esteras de vidrio, y en aplicaciones de pulverización.

Las telas de fibra son material de refuerzo de tela en forma de web que tiene direcciones de urdimbre y trama. Las esteras de fibra son esteras de fibras de vidrio no tejidas en forma de web. Las esteras se fabrican en dimensiones cortadas con fibras picadas o en esteras continuas usando fibras continuas. El vidrio de fibra picada se usa en procesos donde las longitudes de los hilos de vidrio se cortan entre 3 y 26 mm, los hilos se usan en plásticos más comúnmente destinados a procesos de moldeo. Los hilos cortos de fibra de vidrio son cortos hilos de 0.2–0.3 mm de fibras de vidrio que se utilizan para reforzar los termoplásticos con mayor frecuencia para el moldeo por inyección.

Fibra de carbono

Las fibras de carbono se crean cuando las fibras de poliacrilonitrilo (PAN), resinas de tono o rayón están carbonizadas (a través de la oxidación y la pirólisis térmica) a altas temperaturas. A través de procesos adicionales de grafitización o estiramiento de la resistencia o elasticidad de las fibras se pueden mejorar respectivamente. Las fibras de carbono se fabrican en diámetros análogos a las fibras de vidrio con diámetros que varían de 4 a 17 µm. Estas fibras llegaron a hilos más grandes para el transporte y procesos de producción adicionales. ^[2] Los procesos de producción adicionales incluyen tejido o trenzado en telas de carbono, telas y esteras análogas a las descritas para vidrio que luego pueden usarse en refuerzos reales. ^[1]

Material de fibra de aramida

Las fibras de aramida se conocen más comúnmente como Kevlar, Nomex y Technora. Las aramidas generalmente se preparan por la reacción entre un grupo de amina y un grupo de haluro de ácido carboxílico (aramida); ^[1] Comúnmente, esto ocurre cuando una poliamida aromática se hunde de una concentración líquida de ácido sulfúrico en una fibra cristalizada. ^[2] Las fibras se giran en hilos más grandes para tejer en grandes cuerdas o telas tejidas (aramid). ^[1] Las fibras de aramida se fabrican con diferentes grados para basarse en cualidades variables para la resistencia y la rigidez, de modo que el material puede estar un poco adaptado a las preocupaciones específicas de las necesidades de diseño, como cortar el material resistente durante la fabricación. ^[2]

Ejemplo de combinaciones de polímeros y refuerzo

Material de refuerzo [2] Las propiedades	de materiales de matriz más comunes	mejoran
Fibras de vidrio	UP, EP, PA, PC, POM, PP, PBT, VE	Resistencia, elasticidad, resistencia al calor
Fibras de madera	PE, PP, ABS, HDPE, PLA	Resistencia a la flexión, módulo de tracción, resistencia a la tracción
Fibras de carbono y aramida	EP, UP, VE, PA	Elasticidad, resistencia a la tracción, resistencia a la compresión, resistencia eléctrica.
Partículas inorgánicas	Termoplásticos semicristalinos, arriba	Contracción isotrópica, abrasión, resistencia a la compresión

Aplicaciones

Los plásticos reforzados con fibra son los más adecuados para cualquier programa de diseño que exige ahorro de peso, ingeniería de precisión, tolerancias finitas y la simplificación de piezas tanto en producción como en operación. Un artefacto de polímero moldeado es más barato, más rápido y más fácil de fabricar que el artefacto de aluminio o acero fundido, y mantiene tolerancias similares y, a veces, mejores tolerancias y resistencias de materiales.

Polímeros reforzados con fibra de carbono

Timón de Airbus A310

• Las ventajas sobre un timón tradicional hecho de aluminio son:

• Reducción del 25% en el peso

• Reducción del 95% en los componentes combinando piezas y forma en partes moldeadas más simples.

• La reducción general de la producción y los costos operativos, la economía de las piezas resulta en costos de producción más bajos y los ahorros de peso crean ahorros de combustible que reducen los costos operativos de volar el avión.

Polímeros reforzados con fibra de vidrio

Los colectores de admisión del motor están hechos de PA 66 reforzados con fibra de vidrio.

• Ventajas Esto tiene sobre los colectores de aluminio fundidos son:

• Hasta una reducción de peso del 60%

• Mejor calidad de la superficie y aerodinámica

• Reducción de componentes combinando piezas y forma en formas moldeadas más simples.

Gas automotriz y pedales de embrague hechos de PA 66 reforzado con fibra de vidrio (DWP 12-13)

• Las ventajas sobre el aluminio estampado son:

• Los pedales se pueden moldear como unidades individuales que combinan pedales y enlaces mecánicos que simplifiquen la producción y operación del diseño.

• Las fibras pueden estar orientadas a reforzarse contra tensiones específicas, aumentando la durabilidad y la seguridad.

Las ventanas, puertas y fachadas de aluminio se aislan térmicamente mediante el uso de plásticos de aislamiento térmico hechos de poliamida reforzada con fibra de vidrio. En 1977, Ensinger GmbH produjo el primer perfil de aislamiento para los sistemas de ventanas.

Aplicaciones estructurales

FRP se puede aplicar para fortalecer las vigas, columnas y losas de edificios y puentes. Es posible aumentar la resistencia de los miembros estructurales incluso después de haber sido gravemente dañados debido a las condiciones de carga. En el caso de los miembros de concreto reforzado dañado, esto requeriría primero la reparación del miembro eliminando los restos sueltos y el relleno de cavidades y grietas con mortero o resina epoxi. Una vez que se repara el miembro, el fortalecimiento se puede lograr a través de la colocación húmeda de la mano de impregnando las hojas de fibra con resina epoxi y luego aplicarlas a las superficies limpias y preparadas del miembro.

Típicamente se adoptan dos técnicas para el fortalecimiento de las vigas, relacionadas con la mejora de la resistencia deseada: fortalecimiento de flexión o fortalecimiento del corte. En muchos casos puede ser necesario proporcionar ambas mejoras de fuerza. Para el fortalecimiento de flexión de una viga, las hojas o placas FRP se aplican a la cara de tensión del miembro (la cara inferior para un miembro simplemente soportado con carga superior aplicada o carga de gravedad). Las fibras de tracción principales están orientadas en el eje longitudinal del haz, similar a su refuerzo de acero de flexión interna. Esto aumenta la resistencia del haz y su rigidez (carga requerida para causar la deflexión de la unidad), sin embargo, disminuye la capacidad de deflexión y la ductilidad.

Para el fortalecimiento del corte de una viga, el FRP se aplica en la web (lados) de un miembro con fibras orientadas transversales al eje longitudinal del haz. La resistencia de las fuerzas de corte se logra de manera similar a los estribos de acero interno, al puentear las grietas de corte que se forman bajo carga aplicada. El FRP se puede aplicar en varias configuraciones, dependiendo de las caras expuestas del miembro y el grado de fortalecimiento deseado, esto incluye: vinculación lateral, wraps (U-Jackets) y envolturas cerradas (envolturas completas). La unión lateral implica aplicar FRP a los lados de la viga solamente. Proporciona la menor cantidad de fortalecimiento de corte debido a las fallas causadas por la desbordante de la superficie de concreto en los bordes libres de FRP. Para los muescas U, el FRP se aplica continuamente en forma 'u' alrededor de los lados y la cara inferior (tensión) del haz. Si se puede acceder a todas las caras de una viga, es deseable el uso de envolturas cerradas, ya que proporcionan la mayor mejora de la fuerza. La envoltura cerrada implica aplicar FRP alrededor de todo el perímetro del miembro, de modo que no hay extremos libres y el modo de falla típico es la ruptura de las fibras. Para todas las configuraciones de envoltura, el FRP se puede aplicar a lo largo de la longitud del miembro como una hoja continua o como tiras discretas, con un ancho y espaciado mínimo predefinidos.

Las losas pueden fortalecerse aplicando tiras de FRP en su cara inferior (tensión). Esto dará como resultado un mejor rendimiento de flexión, ya que la resistencia a la tracción de las losas se complementa con la resistencia a la tracción de FRP. En el caso de vigas y losas, la efectividad del fortalecimiento de FRP depende del rendimiento de la resina elegida para la unión. Esto es particularmente un problema para el fortalecimiento del corte usando la unión lateral o las frases U. Las columnas generalmente están envueltas con FRP alrededor de su perímetro, como con envoltura cerrada o completa. Esto no solo da como resultado una mayor resistencia al corte, sino que es más crucial para el diseño de columnas, sino que resulta en una mayor resistencia a la compresión bajo carga axial. La envoltura de FRP funciona restringiendo la expansión lateral de la columna, que puede mejorar el confinamiento de manera similar a la que hace el refuerzo espiral para el núcleo de la columna.

Cable de ascensor

En junio de 2013, Kone Elevator Company anunció Ulrarope para su uso como reemplazo de cables de acero en ascensores. Selle las fibras de carbono en polímeros de alta fricción. A diferencia del cable de acero, UltraRope fue diseñado para edificios que requieren hasta 1,000 metros de elevación. Los ascensores de acero superan a 500 metros. La compañía estimó que en un edificio de 500 metros de altura, un ascensor usaría un 15 % menos de potencia eléctrica que una versión de acero. A junio de 2013, el producto había aprobado todas las pruebas de certificación de la Unión Europea y de los Estados Unidos. ^[22]

Consideraciones de diseño

FRP se usa en diseños que requieren una medida de resistencia o módulo de elasticidad de que los plásticos no reforzados y otras opciones de materiales no son adecuadas para la mecánica o económica. Esto significa que la consideración de diseño principal para usar FRP es garantizar que el material se use económicamente y de una manera que aprovecha específicamente sus mejoras estructurales. Sin embargo, este no es siempre el caso, la orientación de las fibras también crea una debilidad material perpendicular a las fibras. Por lo tanto, el uso de refuerzo de fibra y su orientación afecta la fuerza, la rigidez y la elasticidad de una forma final y, por lo tanto, la operación del producto final en sí. Orientar la dirección de las fibras, ya sea, unidireccional, bidimensional o tridimensional durante la producción afecta el grado de resistencia, flexibilidad y elasticidad del producto final. Las fibras orientadas en la dirección de las fuerzas muestran una mayor resistencia a la distorsión de estas fuerzas y viceversa, por lo tanto, las áreas de un producto que deben resistir las fuerzas se reforzarán con fibras en la misma dirección, y las áreas que requieren flexibilidad, como las bisagras naturales, utilizarán fibras en una dirección perpendicular a las fuerzas. El uso de más dimensiones evita esto o escenario y crea objetos que buscan evitar cualquier punto débil específicos debido a la orientación unidireccional de las fibras. Las propiedades de la resistencia, la flexibilidad y la elasticidad también se pueden ampliar o disminuir a través de la forma geométrica y el diseño del producto final. Estos incluyen dicha consideración de diseño, como garantizar un grosor de pared adecuado y crear formas geométricas multifuncionales que puedan moldearse como piezas individuales, creando formas que tienen más integridad material e estructural al reducir las juntas, las conexiones y el hardware. ^[2]

Preocupaciones de eliminación y reciclaje

Como subconjunto de plásticos de plástico, los plásticos son responsables de varios problemas y preocupaciones en la eliminación y el reciclaje de desechos plásticos. Los plásticos plantean un desafío particular en el reciclaje porque se derivan de polímeros y monómeros que a menudo no pueden separarse y devueltos a sus Estados Virgen, por esta razón, no todos los plásticos pueden ser reciclados para su reutilización, de hecho, algunas estimaciones reclaman que solo el 20% al 30% de los plásticos se pueden reciclar en absoluto. Los plásticos reforzados con fibra y sus matrices comparten estas preocupaciones ambientales y de eliminación. Además de estas preocupaciones, el hecho de que las fibras mismas son difíciles de eliminar de la matriz y preservar para reutilizar los medios de FRP amplifican estos desafíos. Los FRP son inherentemente difíciles de separar en los materiales base, es decir, en fibra y matriz, y la matriz en plásticos, polímeros y monómeros utilizables separados. Todas estas son preocupaciones para el diseño ambientalmente informado en la actualidad. Los plásticos a menudo ofrecen ahorros en energía y ahorros económicos en comparación con otros materiales. Además, con el advenimiento de nuevas matrices más ecológicas, como los bioplásticos y los plásticos degradables por UV, FRP ganará sensibilidad ambiental. ^[1]

Ver también

• Termoplástico reforzado con fibra larga

Referencias

>>>>> Nota: Artículo obtenido de https://en.wikipedia.org/wiki/fibre-reinforced_plastic <<<<