Tema 11: Materiales compuestos poliméricos.

Transcripción

1 Tema 11: Materiales compuestos poliméricos. 1. Tipos de materiales compuestos 2. Materiales compuestos reforzados con fibras. Matrices y fibras. Teoría del refuerzo. Criterios de diseño Plásticos reforzados (FRP). Aplicac. en construcción. Fibras plásticas para refuerzo. 3. Materiales compuestos laminados. Materiales de unión: Adhesivos y sellantes. Tipos y propiedades de los adhesivos. Materiales laminados híbridos (sándwich). Productos laminados. Aplicaciones en construcción. MATERIALES II Curso Ciencia y Tecnología de la Edificación. C. Guadalajara Profesor Ana M.ª Marín Palma

2 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.

3 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.

4 (M Olivares, 2003) Tipos de Composites

5 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.

6 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.

7 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. Desventajas: Moderadas propiedades mecánicas. Emisiones altas de estireno en moldes abiertos. Elevada retracción por curado. Tiempos de trabajo limitados

8 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. Más cara que el Poliéster. Alta retracción por curado

9 Resinas Epoxídicas Son una familia de resinas termoestables de elevadas prestaciones. 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. Mezclado de componentes. Riesgos en su manipulación (personal especializado).

10 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 o cortas. 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.

11 Formas presentación de las fibras (hilos): uno o más filamentos continuos filamento no continuo o fibras cortada filamento continuo, unido sin torsión hilos simples o doblados, retorcidos juntos muchos hilos doblados juntos

12 Composites de fibra larga (Láminas)

13

14 Composites de fibra corta Fibras continuas alineadas Fibras discontinuas y alineadas Fibras discontinuas y orientadas al azar

15 Microestructura de los composites

16 Materiales de refuerzo de polímeros Por su naturaleza/composición, pueden ser: Vidrio: Fabricadas por estiramiento de vidrio fundido en filamentos (sílice y otros componentes). 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.

17 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. 4. Relación entre la cantidad de fibra y de resina en el material ( Fracción Volumétrica de Fibra ). 5. La geometría y orientación de las fibras en el composite.

18 Composites con Matriz polimérica

19 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. Composites de fibra corta: Proyección, vertido, inyectado, vacío.

20 Fabricación de composites fibra larga (Pultrusión) Proceso continuo, automático, altos volúmenes producción, rentable. Consiste en tirar de los refuerzos impregnados con resina y el correspondiente sistema catalítico, a través de un molde a alta temperatura, de tal manera que se produce el curado de la resina en su interior y se obtienen perfiles de sección constante con la geometría del molde. Los refuerzos son impregnados con la resina mediante un baño de resina situado a la entrada del molde o por inyección de ésta en el interior del molde.

21 Fabricación de composites fibra corta Vertido y compactación Proyección sobre molde Inyección en molde Moldeo por vacío

22 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.

23 (F Hernández Olivares, 2008)

24 Refuerzos estructurales

25 Revestimientos Perfiles FRP

26 Conducciones y elementos modulares

27 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: PE (Polietileno), PP (Polipropileno), PVA (PolyVinyl Alcohol). Son las más baratas (frente a acero o vidrio), pero tienen menor capacidad mecánica.

28 Fibras poliméricas

29 Materiales Compuestos Laminados Se combinan láminas de diferentes materiales, unidas con adhesivos. Aluminio Cerámica Piedra Compuestos de cemento Plásticos Madera Buscan: combinar las propiedades de los componentes industrializar productos y reducir espesores. El elemento clave es el adhesivo (unión de materiales a priori incompatibles).

30 Materiales adhesivos Materiales poliméricos capaces de unir dos sustratos (soporte y adherendo) por superficies de contacto. Se distingue entre materiales adhesivos y selladores: Los selladores cierran el hueco entre productos, garantizando la estanquidad de una unión (junta). Los adhesivos tienen la capacidad de transferir tensiones del producto soportado al soporte. Se aplican en forma pastosa y endurecen con el tiempo. La rigidez del adhesivo debe ser menor que la del soporte (no deben transmitirse tensiones al adherendo). Deben ser deformables (desplazamientos relativos).

31 Mecánica: compresión. Mecanismos de unión Cohesión: capacidad de unión entre las partículas de un material (fuerzas internas o de cohesión). Adhesión: capacidad de unión de las partículas de dos materiales diferentes (fuerzas de adhesión).

32 Modos de fallo de las uniones adhesivas Separación por adhesión: cuando la separación se produce en la interfase sustrato-adhesivo. 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.

33 Mecanismos de adhesión Los mecanismos de adhesión pueden ser de dos tipos: Mecánica: anclaje o penetración física del adhesivo en los huecos de un soporte rugoso y poroso. Físico-química: Por mojado/adsorción (tensión superficial) y enlaces químicos (fuertes o débiles). Adhesión mecánica Adhesión físico-química

34 Propiedades de los materiales adhesivos Relativas a su aplicación (estado pastoso): Viscosidad: capacidad de conformación y mojado. Tiempo de aplicación: hasta que se rigidizan. Curado: proceso por el que el adhesivo adquiere sus propiedades finales (activadores y catalizadores). Relativas a su comportamiento (endurecido): Rigidez y resistencia: Determinan la deformabilidad, tenacidad y capacidad de transmitir las tensiones. Adhesión: Adecuada para garantizar la continuidad. Higro-térmicas: Dependencia de la temperatura (TTV) Durabilidad: Sensibles a rayos UVA (envejecimiento)

35 Tipos de materiales adhesivos Por su origen: Naturales: Colas vegetales (aglutinantes) o animales. Sintéticos: Polímeros sintéticos en forma pastosa. Por su naturaleza: Orgánicos (elastómericos y plásticos) Inorgánicos (siliconas) Mixtos (cementos cola y yesos cola) Por su mecanismo de formación: Prepolimerizados: el polímero ya existe antes de la aplicación (termoplásticos). Reactivos: se polimerizan una vez aplicado. (Polimerización por adición o condensación)

36 Tipos de materiales adhesivos Por su comportamiento endurecido: Rígidos: estructura semicristalina y elásticos (TTV alta) Tienen alta resistencia y baja deformabilidad. (Epoxi, cianoacrilatos, anaeróbicos (para metales), ) Elastoméricos (flexibles): Alta deformación elástica. Se utilizan como sellantes, en apoyos, etc. (Siliconas, poliuretanos, silanos modificados) Tenaces: tienen fases semicristalinas y elastoméricas. Mejor comportamiento dinámico (amortiguamiento) (Acrílicos, epoxi tenaz, cianoacrilato tenaz) Espumas: Incorporan agentes aireantes (poliuretanos)

37 Ventajas de las Uniones adhesivas Buena resistencia frente a las tensiones de flexión y fatiga por vibración (absorción de energía por deform.). No modifica las propiedades del sustrato. Permite combinar materiales distintos. El adhesivo actúa como sellador de la unión. Aislamiento eléctrico. Se pueden unir metales con electronegatividades distintas, minimizando la corrosión por par galvánico. Ahorro de Peso (baja densidad). Permite unir superficies con formas irregulares, homogeneizando el aspecto final. Permite el desmontaje (exige tratamiento posterior).

38 Inconvenientes de las Uniones adhesivas Es necesario respetar el tiempo y condiciones de curado (condiciona el proceso de montaje y las propiedades). Es necesario preparar la superficie de aplicación (limpieza, absorción, rugosidad). Las uniones no son igual de resistentes en todas las direcciones (mal comportamiento en clivaje (despegue) y pelado (desprendimiento)). Requieren ensayos Variación de las propiedades con la temperatura (Temperatura de Transición Vítrea y de Fusión). Mal comportamiento a fuego (necesidad de protección). Problemas de durabilidad (envejecimiento, rayos UVA, ciclos higrotérmicos, disolventes).

39 Aplicaciones de materiales adhesivos

40 Adhesivos termofusibles

41 Aplicaciones de materiales adhesivos

42 Uniones mecánicas adhesivas

43 Materiales Laminados Plásticos Constituidos por una o más láminas de material polimérico, junto con otros materiales. Hay dos tipos principales: Laminados con acabado plástico: Se aprovecha la impermeabilidad y capacidad de pigmentar el polímero. Suelen usar termoestables (mayor durabilidad). Laminados Híbridos: constan de un núcleo de un material aislante (sandwich) o una estructura alveolada que separa las láminas de acabado exteriores.

44 Laminados plásticos en construcción

45 Laminados Híbridos (tipo Sándwich) Materiales laminados para cerramiento con aislante. Tipos de aislamiento (núcleo): Poliuretano rígido Poliestireno (expandido y extruido) Fibras minerales (Vidrio, Lana de roca) Vidrio celular Acabados exteriores: Chapa de Acero (lacado, inox, galvanizado), Aluminio y aleaciones Paneles derivados de madera Plásticos con o sin refuerzo (PVC, Poliéster, etc.)

46 Composición de paneles sándwich

47 Laminados plásticos híbridos (núcleo aislante)

48 Laminados plásticos híbridos (alveolados)

49 Tema 11: 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. 7. Materiales compuestos laminados. 8. Materiales de unión: Adhesivos y sellantes. 9. Tipos y propiedades de los adhesivos. 10. Materiales laminados híbridos (sándwich). 11. Productos laminados. 12. Aplicaciones en construcción.

50 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

51 Glosario de conceptos del Tema Compuestos Laminados Materiales Adhesivos Selladores Adhesivos Mecanismos de unión Mecanismos de adhesión Ensayos mecánicos Propiedades En estado pastoso En estado endurecido Tipos de adhesivos Ventajas e inconvenientes Aplicaciones Laminados plásticos Con acabado plástico Laminados Híbridos Tipo sandwich Composición Dimensionado Mecanismos de fallo Híbridos Alveolares