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Materiales de matriz polimérica




Enviado por Karina Linares



  1. Introducción
  2. Materiales compuestos de matriz
    polimérica
  3. Importancia de los materiales
    compuestos
  4. Propiedades
  5. Ventajas y desventajas
  6. Aplicaciones
  7. Conclusiones
  8. Bibliografía y
    referencias

INTRODUCCIÓN

La necesidad de reducir peso e incrementar
la funcionalidad, combinada con mínimo mantenimiento en
automoción, aeronáutica y otras aplicaciones ha
permitido el desarrollo de los plásticos reforzados con
fibras (FRP´s). Estos materiales se caracterizan por una
alta resistencia y rigidez y por su bajo peso, propiedades que
resultan ser superiores en muchos casos a las de los materiales
metálicos. Adicionalmente, la relación entre la
resistencia a la fatiga y el peso es excelente. Por tanto, estos
materiales han remplazado a los convencionales como componentes
resistentes o estructurales en un gran número de
aplicaciones.

El secreto de los materiales compuestos reside en la
elección de un sistema de matriz adecuado y su
asociación con fibras de refuerzo, obteniéndose
como resultado un nuevo material con cualidades diferentes, que
no son alcanzables por cada uno de los materiales predecesores de
manera aislada.

Los materiales compuestos de matriz polimérica
combinan una matriz plástica con fibras de vidrio o de
carbono. Sus atractivas propiedades les hacen ser competitivos
con otros materiales del mercado.

Es el esfuerzo fibroso el que consigue dotar al material
compuesto de la resistencia mecánica adecuada, mientras
que la matriz aporta elasticidad, resistencia química y
térmica, y, sobre todo, bajo peso. Raras veces los
refuerzos se presentan en forma de partículas; lo normal
es que se trate de fibras, que pueden ser cortas o, según
las prestaciones exigidas al material resultante.

Los procesos de conformación utilizados son
numerosos (inyección, extrusión, etc.) y dependen
tanto de la naturaleza termoplástica o termoestable del
material, como de la propia aplicación concreta (forma de
la pieza, prestaciones deseadas, imperativos de
producción, etc.). En el caso de fabricación de
tubos de plástico reforzado con fibras de vidrio, el
procedimiento más común es el bobinado.

MATERIALES
COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMÉRICA

Un compuesto con matriz polimérica, CMP (en
inglés PMC), es un material compuesto que consiste en un
polímero incorporado a una fase de refuerzo como fibras o
polvos. Consiste en una fase primaria de polímero en la
cual es embebida una fase secundaria a base de fibras,
partículas u hojuelas. Estos, son los de mayor importancia
comercial de las tres clases de compuestos
sintéticos.

En un CMP, las materias primas son un polímero y
una fase de refuerzo. Se procesan separadamente antes de
convertirse en fases del compuesto.

En los CMP se usan como matrices los tres tipos de
polímeros básicos, termoplásticos,
termofijos y elastómeros. Los más comunes son los
polímeros termofijos.

La primera generación de compuestos, con sistemas
de matriz que fueron termofijos epóxicos general y
relativamente frágiles, eran poco resistentes al impacto y
muy susceptibles a la delaminación. En los últimos
años, las industrias aeroespacial y de materiales, han
investigado los polímeros matriz, con la meta de mejorar
la resistencia y tolerancia al daño de estructuras hechas
de esos sistemas.

Estos materiales son de buenas propiedades
mecánicas, resistentes a la corrosión y a los
agentes químicos, y que dadas sus particulares
características, pueden ser moldeados con absoluta
libertad de formas.

El primer ejemplo comercial del uso de materiales
compuestos con matriz polimérica fue aplicado a partes
automotrices, cuando la Toyota Motor Company aplicó El
nylon 6 para incorporarlo en las cubiertas de las bandas de
tiempo de los motores de combustión interna.

Recientemente, las líneas de conducción de
combustible en el automóvil Honda Acura han sido una
muestra más de aplicación de materiales compuestos
de matriz polimérica, ya que se han manufacturado a partir
de una matriz reforzada con fibras de nylon 12, el cual es
más ligero y más resistente a la corrosión,
comparado con el aluminio que se usaba anteriormente para
fabricar estas tuberías.

De la combinación de matriz-refuerzo, es este
último el que le otorga las principales propiedades
mecánicas al nuevo material.

De hecho las fibras de refuerzo ya constituyen por si
solas el elemento resistente del material. Sin embargo,
aisladamente, su eficiencia no es la óptima. Es necesario
entonces combinarlas con una matriz que las proteja de factores
externos y con algún tipo de esfuerzo en particular.
Pueden ser cortas, largas o estar entretejidas, a estas se les
pide como requisito la compatibilidad con los materiales que
forman la matriz; es decir, que la resistencia de la interface
sea similar a la de la matriz. La orientación de las
fibras de refuerzo es sumamente importante.

Termofijos endurecidos

Una aproximación al endurecimiento de la matriz,
es mediante el "aleado" polimérico de resinas
frágiles con termoplásticos más duros o
sistemas de caucho. Esto puede tomar la forma de mezclas
poliméricas con discretas fases secundarias, redes
interconectadas, o copolímeros aleatorios o de
bloque.

Termoplásticos

Los polímeros termoplásticos de alto
desempeño proveen combinaciones de dureza y resistencia a
la temperatura que no pueden ser alcanzadas por la mayoría
de los sistemas de matriz de termofijo (NRC 1987). Mientras que
la dureza de las matrices termofijas puede mejorar la resistencia
a la delaminación del compósito, las propiedades
excepcionales de los termoplásticos de alto
desempeño, no se han traducido bien en un desempeño
mejorado de los compósitos. También la alta
temperatura de fusión y la alta temperatura de viscosidad
requieren que los sistemas termoplásticos sean procesados
a temperaturas y presiones significativamente mayores que para
aquellas requeridas en los termofijos, limitando la
configuración y tamaño de las partes a la capacidad
en tamaño de la prensa.

Fibras

Los compósitos de matriz polimérica se han
desarrollado en los materiales estructurales importantes debido a
la amplia variedad de fibras de reforzamiento de las que se
dispone. Las fibras de vidrio y de carbono son hasta ahora los
tipos más comunes y son producidas por un gran
número de fabricantes en todo el mundo.

Otros materiales, tales como las aramidas, el cuarzo,
boro, cerámica o polietileno también están
disponibles y proveen propiedades únicas. Hoy en
día, desarrollos en nuevas fibras están produciendo
materiales de bajo módulo y tendrán aplicaciones de
alto volumen, tales como automotriz, construcción e
infraestructura. Otros tipos de fibras se usan en
compósitos poliméricos y confieren propiedades
especiales. La tabla 1.4 enlista muchas de estas junto con
propiedades y usos comunes.

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Resinas

La función más importante de la matriz
polimérica es permitir que las fibras compartan las
cargas. Esto requiere que la matriz sea más flexible que
la fibra y esté sujeta de alguna manera a ella. Ya que el
método empleado para manufacturar el compósito
puede tener una gran influencia en la efectividad de la
transferencia de carga, las fibras reforzadoras se venden
usualmente con un recubrimiento, especialmente diseñado
para promover el enlace químico entre la matriz y la
superficie de la fibra.

La matriz también sirve de recubrimiento o
protección para las fibras y por lo tanto deberá
ser elegida no solo por su habilidad de trabajar con la fibra
como medio de transferencia de carga, sino también por su
desempeño en el medio ambiente. Las matrices
poliméricas pueden dividirse en dos clasificaciones
generales: termofijas y termoplásticas. Tal
como su nombre lo dice, se emplea calor durante su
procesamiento.

Un material termofijo es generalmente procesado como un
líquido entrecruzado, o curado, mediante la
aplicación de calor para formar una estructura
química irreversible. En contraste, un
termoplástico es fundido, formado y luego enfriado en un
proceso reversible en el cual los materiales no están
entrecruzados. Incluso hay materiales, tales como las poliamidas,
que exhiben características de ambos tipos. Los materiales
de matrices termofijas incluyen epoxis, poliésteres,
poliamidas y fenoles, entre otros. Los epoxis son hasta ahora el
material más empleado como matriz para compósitos
poliméricos avanzados. La tabla 1.5 enlista tipos de
materiales disponibles, propiedades físicas y
límites de servicio para matrices.

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Existen diferencias en las propiedades del producto
final y son usualmente el factor determinante en la
selección del tipo de resina. Existen muchos tipos de
materiales poliméricos empleados como matriz. Los
materiales convencionales, tales como los poliésteres,
poliestireno, nylon, y como los que no son usualmente pensados
como matrices poliméricas avanzadas, son incluso
ampliamente usadas en la industria automotriz, en medicina y
otras aplicaciones comerciales.

IMPORTANCIA DE
LOS MATERIALES COMPUESTOS

La importancia ingenieril de los materiales
compuestos es muy grande ya que se combinan las propiedades y
prestaciones de los materiales constituyentes cuando se
diseña y se fabrica el material compuesto correctamente.
La mayor parte de los materiales compuestos
están formados por dos o más fases, una matriz
continúa que rodea a las demás fases
que se denominan fases dispersas y que se clasifican en
función de su microestructura o geometría. La
microestructura de la fase dispersa incluye la forma,
tamaño, distribución y orientación de las
partículas. Cuando se dan las proporciones de material
matriz y material disperso hay que distinguir claramente entre
relaciones en peso o en volumen ya que las densidades de estas
fases pueden ser muy diferentes. Por esto, concentraciones de
material fibroso dispersado en una matriz del 50 % en volumen
puede equivaler a una concentración muy
diferente en % en peso.

PROPIEDADES

En la selección de un material compuesto, se
busca generalmente una combinación óptima de
propiedades más que una propiedad en particular. Por
ejemplo, el fuselaje y las alas de un avión deben ser de
peso ligero y tener una combinación de resistencia,
rigidez y tenacidad. Es difícil encontrar un material
monolítico que satisfaga estos requerimientos. Varios
polímeros reforzados con fibra poseen esta
combinación de propiedades.

Las propiedades de un material compuesto se determinan
por tres factores:

1. Los materiales usados como fases componentes
en el compuesto.

2. La forma geométrica de los
componentes y la estructura resultante del sistema
compuesto.

3. La manera en la cual las fases
interactúan entre sí.

Regla de las mezclas. Las propiedades de un
material compuesto son función de los materiales
iniciales. Ciertas propiedades del compuesto pueden calcularse
por medio de la regla de las mezclas, la cual implica el
cálculo del promedio ponderado de las propiedades de los
materiales constituyentes. La masa del material compuesto es la
suma de las masas de la matriz y de las fases de refuerzo,
es decir:

Mc = Mm + Mr

Donde M = masa, y los subíndices
c, m y r indican el compuesto, la
matriz y las fases de refuerzo,
respectivamente.

Las propiedades más interesantes en estos
materiales desde el punto de vista físico-mecánico
son: resistencia mecánica, rigidez, resistencia a
corrosión, resistencia a la abrasión, peso, vida a
fatiga, aislamiento térmico, aislamiento acústico,
dureza y durabilidad, baja densidad.

Sin duda alguna, es la fibra de vidrio el refuerzo
más utilizado en la fabricación de materiales
compuestos de matriz polimérica, debido a sus buenas
características, entre las que se resaltan:

· Excelente adherencia
fibra-matriz

· Resistencia mecánica
específica (resistencia a tracción/densidad)
superior a la del acero en la dirección de la
fibra

· Baja conductividad
térmica

· Buena resistencia a los agentes
químicos

· Propiedades
isotrópicas.

VENTAJAS Y
DESVENTAJAS

La temperatura de servicio u
operación de un CMP es probablemente el parámetro
más importantemente considerado al elegir la naturaleza
química de la matriz. Debido a su temperatura de
transición vítrea, los CMP están limitados a
aplicaciones entre 260 y 316°C.

La humedad tiende a "plastificar" o
ablandar a la matriz. Tal como los efectos de la temperatura, las
propiedades del compósito se miden después de la
exposición al agua variando los tiempos y temperaturas.
Los efectos de la humedad, como los de elevadas temperaturas, son
generalmente reversibles.

Junto con las ventajas, también hay
desventajas y limitaciones asociadas a estos materiales, por
ejemplo:

1) Las propiedades de muchos de
ellos son anisotrópicas, cambian en función de la
dirección en la cual se miden.

2) Los polímeros son
susceptibles al ataque de agentes químicos o solventes,
así como también a la radiación
UV.

3) Son generalmente costosos, aunque
esto puede reducirse incrementando el volumen.

4) Algunos de los métodos de
manufactura para su conformado son lentos y
costosos.

Tabla 3.1

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Con este analisis podemos concluir entre las ventajas y
desventajas, que a pesar de las limitantes que estos materiales
nos presentan, son mas las ventajas que nos otorgan debido a que
sus aplicaciones se van ampliando y la comodidad que nos brindan
con su uso es aun mayor, por lo que podemos dejar a un lado las
limitaciones. Con el tiempo tambien algunas de estas situaciones
se pueden ir mejorando, ya que el desarrollo de estos materiales
va creciendo y con ello la mejora en las propiedades.

APLICACIONES

Los campos de aplicación llegan a ser
innumerables, destacando la construcción de
automóviles, la aeronáutica, la construcción
(mecánica y civil) y la biomecánica, donde
están compitiendo con otros materiales de manera muy
satisfactoria e incluso han llegado a utilizarse en
exclusiva.

Los aviones stealth, tales como el F-177 y el B-2 son
posibles solo debido a las propiedades únicas de
compósitos poliméricos avanzados de alta
resistencia y bajo peso. Desde hélices de
helicópteros hasta carcasas de motores de cohetes y
blindaje balístico, estos materiales han disparado una
revolución en aplicaciones de nuevos productos.

Figura 1-Porcentajes de
aplicación de los FRP´s en diferentes sectores
productivos

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En los últimos años ha habido
un rápido crecimientos de estos materiales, los que han
ido remplazando a otros materiales, en especial a los
metales.

Las aplicaciones de acuerdo a cada
área son:

· Aeronáutica. Alas,
fuselaje, tren de aterrizaje.

· Automóviles. Piezas
de carrocería, alojamiento de faros, parrillas,
parachoques, bastidores de los asientos, árbol del
motor.

· Náutica. Cascos,
cubiertas, mástiles.

· Química.
Conducciones, recipientes de presión.

· Mobiliario y equipamiento.
Estanterías, armazones, sillas, mesas,
escaleras.

· Eléctrica. Paneles,
aislantes, cajas de interruptores.

· Deportes. Cañas de
pescar, palos de golf, piscinas, esquís,
canoas.

Fig.2 esquemática en
sección a través de una construcción
típica de compuestos para una pala de rotor de
helicóptero.

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CONCLUSIONES

El uso de compuestos de matriz polimérica
reforzado con fibras continuas en aplicaciones estructurales
está en aumento debido a sus importantes propiedades
mecánicas. Sin embargo, la aplicación fiable de
compuestos en los elementos estructurales se encuentra frenada
por la dificultad de evaluar su vida de servicio.

Además, el comportamiento mecánico de los
materiales compuestos (matriz polimérica) está muy
condicionado por la temperatura. Si el análisis del
comportamiento de fatiga en compuestos de matriz
polimérica es complejo, cuando otra variable tal como la
temperatura se introduce, el análisis es aún
más complicado debido al comportamiento
viscoelástico del polímero.

BIBLIOGRAFÍA Y
REFERENCIAS

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COMPUESTOS: PROCESOS DE FABRICACIÓN DE EMBARCACIONES.

Barcelona: Edicions UPC.

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National Academy Press.

Groover, M. P. (2010). Fundamentals of Modern
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Mata Cabrera, F. (s.f.). Tecnica
Industrial.
Obtenido de
http://www.tecnicaindustrial.es/tiadmin/numeros/13/40/a40.pdf

Viña, J. A. (2011). Influence of Temperature on
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Wessel, J. K. (2004). HANDBOOK OF ADVANCED
MATERIALS-ENABLING NEW DESIGNS.

Oak Ridge: WILEY-INTERSCIENCE.

 

 

Autor:

Mayara Anabel Díaz

Horacio Reséndiz

Karina Linares

Edgar Olivas

Luis Carlos López

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