Materiales Compuestos (Composites)

Transcripción

1 Tema 11 (I) : Materiales compuestos poliméricos. 1. Tipos de materiales compuestos 2. Materiales compuestos reforzados con fibras. 3. Matrices y fibras. 4. Teoría del refuerzo. Criterios de diseño 5. Plásticos reforzados (FRP). Aplicaciones en construcción. 6. Fibras plásticas para refuerzo. MATERIALES II Curso Ciencia y Tecnología de la Edificación. C. Guadalajara Profesor Gonzalo Barluenga Badiola Materiales Compuestos (Composites) Constituidos por diferentes materiales, elementos o componentes, que no forman sistema, pero que muestran efectos conjuntos a escala macroscópica. Se diseñan para mejorar el comportamiento físico o mecánico de materiales homogéneos. La combinación de materiales produce un aumento de las propiedades del conjunto, aunque se distinguen claramente cada uno de ellos. Ejemplos: hormigón armado, paneles laminados, vidrios de seguridad, etc.

2 Tipos de Materiales Compuestos Compuestos reforzados: Inclusión de un material de refuerzo (fibras) en un medio continuo (matriz). Mejora el comportamiento de ambos (compatibilidad): La inclusión del refuerzo mejora las propiedades mecánicas de la matriz. La matriz protege al refuerzo del ambiente. Compuestos laminados: láminas de uno o varios materiales unidos superficialmente (material de unión). Se busca adaptar el comportamiento de un material conocido a una aplicación concreta. Se diseñan a la carta. Composites reforzados Constan de una matriz y un refuerzo en forma de fibra o malla. Las matrices pueden ser poliméricas, metálicas o conglomeradas. Las fibras pueden ser metálicas, de vidrio, de carbono o poliméricas. Pueden ser largas o cortas y su distribución en la matriz orientada o aleatoria. Los procesos de conformación incluyen la mezcla de componentes y el posicionamiento en el producto final.

3 Tipos de Composites (M Olivares, 2003) Composites con materiales poliméricos Los plásticos reforzados con fibras (FRP) mejoran sus propiedades físicas y mecánicas. Constan de una matriz polimérica reforzada con otros materiales (vidrio, carbono, etc.). Las resinas deben tener buen comportamiento mecánico y físico, durabilidad y facilidad de procesado. Suelen ser resinas termoestables, lo que condiciona el procesado de los productos (Poliester, Vinilester y Epoxídicas). Las fibras poliméricas sirven como refuerzo de materiales conglomerados y para control de fisuración.

4 Resinas de Poliéster Son las más utilizadas ya que son las más baratas. Los poliesteres insaturados pueden polimerizar en condiciones controladas pasando de líquido a sólido, lo que facilita el procesado. La reticulación del poliéster se consigue aportando monómeros de estireno. Ventajas: Fácil de utilizar; Bajo costo (1.5 3 /kg) Desventajas: Moderadas propiedades mecánicas; Emisiones altas de estireno en moldes abiertos; Elevada retracción por curado; Tiempos de trabajo limitados Resinas Vinilester Tiene una estructura muy similar al Poliéster, con menor reticulación y menos sensibilidad al agua. Tiene mayores prestaciones que el poliéster pero requiere de un procesado más complejo para alcanzar las prestaciones finales. Se utilizan en elementos como barreras hídricas. Ventajas: Resistencia ambiental/química muy alta; Mayores propiedades mecánicas que el Poliéster Desventajas: Requiere un post-curado para conseguir las elevadas propiedades; Mas cara que el Poliéster; Alta retracción por curado

5 Resinas Epoxídicas Son una familia de resinas termoestables de elevadas prestaciones. Tiene múltiples aplicaciones en forma líquida o de pasta. No requiere condiciones especiales de curado (activador). Ventajas: Altas propiedades térmicas y mecánicas; Mayor resistencia al agua; Mayor tiempo de trabajo; Baja retracción por curado Desventajas: Más caras que las Viniléster; Mezcla crítica de componentes; Manipulación corrosiva Refuerzo de Matrices poliméricas Pueden ser en forma de fibras o en forma de mallas. Fibras: Son segmentos de material de pequeño espesor constituidos por uno o varios filamentos. Dependiendo de su longitud pueden ser largas (roving u ovillos) o cortas (dispersables o hilo íntegro). Mallas: es un tipo de tejido fabricado a partir de fibras largas de igual o diferentes grosores en trama y urdimbre. Pueden ser unidireccionales o bidireccionales.

6 Composites de fibra larga (Láminas) Composites de fibra corta

7 Microestructura de los composites

8 Materiales de refuerzo de polímeros Por su naturaleza/composición, pueden ser: Vidrio: Fabricadas por estiramiento de vidrio fundido en filamentos (distintas composiciones: E, AR, etc.) Suelen ir recubiertas de un material plástico (ensimaje). Carbono: Fibras de muchos filamentos de grafito producidas a elevadas temperaturas. Aramida: Poliamida aromática, baja densidad y alta resistencia mecánica y química (problemas UVA). Poliméricas: Poliester o Polietileno. Bajo precio y prestaciones. Factores principales en el refuerzo 1. Las propiedades mecánicas básicas de la matriz y de las fibras 2. Compatibilidad entre fibra y matriz 3. La superficie de interacción (adherencia) entre la fibra y la resina (la intercara ). 4. La cantidad de fibra del composite ( Fracción Volumétrica de Fibra ). 5. La orientación de las fibras en el composite.

9 Composites con Matriz polimérica Refuerzos con fibras (composites)

10 Fabricación de Composites poliméricos El procesado combina la mezcla adecuada de la matriz y las fibras y la conformación del producto. Puede realizarse de manera simultanea o en fases (elementos preimpregnados y superposición de láminas). Los más importantes son: Composites de fibra larga: Pultrusión, Cintas preimpregnadas, Enrollado. Composites de fibra corta: Proyección, vertido, inyectado, vacío. Fabricación de composites fibra larga (Pultrusión)

11 Fabricación de composites fibra larga (cintas preimpregnadas) Fabricación de composites fibra larga (enrollado de fibra larga)

12 Fabricación de composites fibra corta Proyección sobre molde Vertido y compactación Fabricación de composites fibra corta Inyección en molde Embolsado y vacío

13 Aplicaciones de Composites poliméricos Estructurales: Elementos (vigas, forjados), Refuerzos estructurales. Cerramientos y cubiertas: Tableros y Paneles, Carpinterías y Perfilería: Revestimientos: Acabados interiores, Elementos modulares. Conducciones y accesorios. Depósitos y piscinas. (F Hernández Olivares, 2008)

14 Refuerzos estructurales Perfiles FRP Revestimientos

15 Conducciones y elementos modulares Fibras poliméricas para refuerzo Sus principales aplicaciones son el refuerzo y control de fisuración de materiales inorgánicos frágiles (conglomerantes). La incorporación de fibras cortas limita la anchura de las fisuras e incrementa la ductilidad. La distribución en la matriz es aleatoria, salvo aplicaciones proyectadas. Las más importantes son: Polietileno, Polipropileno, PVA. Son las más baratas (frente a acero o vidrio), pero tienen menor capacidad mecánica.

16 Fibras poliméricas Tema 11: Materiales compuestos reforzados. 1. Tipos de materiales compuestos 2. Materiales compuestos reforzados con fibras. 3. Matrices y fibras. 4. Teoría del refuerzo. Criterios de diseño 5. Plásticos reforzados (FRP). Aplicaciones en construcción. 6. Fibras plásticas para refuerzo.

17 Glosario de conceptos del Tema Materiales compuestos Tipos de composites Fabricación Efectos conjuntos Composites poliméricos Productos fibra larga Compuestos laminados Compuestos reforzados (composites) Composites matriz polimérica Resinas Poliéster Pultrusión Características básicas Resinas Vinilester Enrollado Cintas preimpregnadas Matriz Resinas Epoxídicas Productos fibra corta Refuerzo Tipos de refuerzos Proyección Fibras Cortas Fibras largas Mallas y Tejidos Materiales de refuerzo Factores del refuerzo Vertido y compactación Inyección Aplicaciones Refuerzos poliméricos