mini|440x440px|Plásticos reforzados con fibras. Los plásticos reforzados con fibras ("PRF") están compuestos por un polímero, también llamado "la matriz", que junto a las cargas y aditivos forman la resina y unas fibras determinadas.

Historia

La aparición y el desarrollo de los materiales plásticos puede considerarse una de las grandes revoluciones del siglo pasado en lo referente a los materiales. Los avances conseguidos en los métodos de producción de estos materiales, los cuales comportaron unos precios muy asequibles, unidos a sus excelentes características hicieron que fueran rápidamente aceptados y empleados por el sector de la industria y el de la construcción. El perfeccionamiento de estas características fue el siguiente paso en la consecución de materiales cada vez más adecuados a las necesidades productivas y el refuerzo con fibras de los materiales plásticos es, sin duda, el mejor ejemplo de dicho perfeccionamiento.

Matrices Podemos clasificar los plásticos básicamente en termoplásticos y termoestables. Los primeros tienen las macromoléculas unidas por fuerzas de baja intensidad, que pueden ser rotas con un simple calentamiento, dando lugar al plástico fundido. En cambio, las macromoléculas de los plásticos termoestables están unidas por fuerzas que llegan a igualar las que unen a los propios átomos dentro de ellas mismas, por lo que se romperán antes de separarse. Esto conlleva que no pasen de estado sólido a líquido al incrementar la temperatura.

Matrices termoestables

Las resinas líquidas termoestables consisten en una serie de precursores líquidos o semilíquidos, que deben curarse para alcanzar el estado sólido, por medios químicos, térmicos a altas temperaturas, o por medio de radiaciones, tales como: UV, gamma, electrones o microondas. Una vez curadas, tienen gran cantidad de enlaces cruzados y no pueden volver a fundir sin sufrir una grave degradación. Las resinas más utilizadas son:

Resinas epoxi

La importancia de las matrices epoxi está en la capacidad del radical epóxido para reaccionar con una gran variedad de otros radicales orgánicos y formar enlaces cruzados sin la aparición de un producto condensado. Las resinas epoxi se caracterizan por tener baja retracción, buen comportamiento a temperatura elevada de hasta y buena resistencia a los agentes químicos.

Podemos distinguir dos tipos principales de resinas epoxi, según la estructura química en la que se basan: TGMDA (dianilina tetraglicil metileno): esta molécula es el componente más importante de las formulaciones de resinas epoxi para aplicaciones de alta tecnología. Presenta una alta densidad de entrecruzamiento. DGEBA (diglicil éter de bisfenol A): cura a menor densidad de entrecruzamiento que la anterior. La diferencia entre la densidad de entrecruzamientos en el curado será la que determinará las diferentes propiedades de las resinas.

Además de estas dos, podemos encontrar otras resinas epoxi con características en función de las anteriores, como son las novolacas, las resinas epoxi trifuncionales y la resina epoxi bisfenol F.

En las resinas epoxi es muy importante la elección del "agente de curado", ya que éste determina las propiedades térmicas y mecánicas últimas de la resina. Hay tres tipos básicamente: Aminas: las aminas alifáticas curan la resina a temperatura ambiente, pero poseen baja temperatura de servicio; las aromáticas proporcionan las resinas con mejores propiedades, pero requieren temperaturas de curado de ; y las cicloalifáticas tienen propiedades intermedias entre las dos anteriores. Anhídridos: curan resinas epoxi Bisfenol A a .

Resinas de poliéster no saturado

Constituyen la familia más importante de resinas termoestables utilizadas en materiales compuestos. El curado de estas resinas puede realizarse de múltiples maneras, con aditivos químicos, calentamiento o radiación. Además, la configuración y composición química de la resina poliéster endurecida determinan sus características y sus propiedades, tales como: flexibilidad, dureza, resistencia mecánica, química, etc. De manera que mediante una elección acertada de dichos parámetros, podemos variar considerablemente las características de la resina elegida. En definitiva, las resinas de poliéster no saturado son el sistema más versátil, pudiendo ser adaptado a multitud de procesos y necesidades.

Como hemos dicho, dentro de esta familia hay gran variabilidad de propiedades, he aquí los rangos de valores que podemos encontrar: Resistencia a flexión (MPa): 80 – 140. Resistencia a tracción (MPa): 40 – 85. Módulo de tracción (GPa): 2 – 3.5. Porcentaje de elongación: 1.2 – 4.8.

Matrices termoplásticas

Por otra parte, es posible encontrar matrices termoplásticos reforzadas con altas prestaciones. Estas matrices se han desarrollado con el doble objetivo de obtener materiales aptos para altas temperaturas que tengan elevada resistencia al impacto. El resultado de los avances en este campo son matrices más duras, con mayores resistencias que las termoestables y una menor absorción de agua. Además no tienen un tiempo determinado para su moldeo ni necesitan curado, lo que supone menores costes, y el proceso de reciclaje es más fácil.

Las matrices más importantes son el poliéster eterketona (PEEK), el sulfuro de polifenileno (PPS) y la polieterimida (PEI); y la poliamidaimida (PAI). Sus características más relevantes son: PEEK: El PEEK es un material termoplástico parcialmente cristalino, que ofrece una combinación única de altas propiedades mecánicas, resistencia a la temperatura o rango de temperaturas de trabajo entre y excelente resistencia química. Otras características: Alto límite de fatiga y elevada tenacidad. Muy buena resistencia al desgaste. Resistencia intrínseca a la llama. Muy bajo nivel de humo durante la combustión. Buenas propiedades dieléctricas y de aislamiento eléctrico. PPS: Al igual que el anterior, este material presenta propiedades termoplásticas incluso en el material compuesto final. Presenta una resistencia química y térmica sobresaliente de hasta continuos y una excelente resistencia a la baja temperatura. Además es inerte a la mayoría de los compuestos químicos en un amplio rango de temperaturas. Requiere alta temperatura para su proceso. PEI: Características más importantes: Resistencia inherente a la llama, baja emisión de humos, resistencia a altas temperaturas por largo tiempo, estabilidad dimensional, estabilidad química e hidrolítica. PAI: Esta matriz se moldea como un material termoplástico pero que tras el post curado presenta propiedades parcialmente termoestables, lo que permite aumentar la resistencia a altas temperaturas.

Cargas

En la industria de los materiales compuestos se utilizan diferentes productos que pueden ser incorporados al material compuesto fibra-resina para aportar características particulares o reducir el coste del mismo. En general, establecemos la distinción entre cargas y aditivos según la cantidad: las cargas siempre se utilizan en mayores cantidades que los aditivos.

Podemos dividir las cargas en dos grandes grupos, las reforzantes y las no reforzantes, que buscan la disminución del costo global del material compuesto.

Cargas reforzantes

Entre las cargas reforzantes, las más utilizadas son las microesferas de vidrio, cuyo interés principal reside en su geometría que reparte regularmente los esfuerzos de las piezas, evitando de esta forma las concentraciones de tensiones. Como la relación superficie/volumen es mínima, no influyen mucho en la viscosidad de la resina, por lo que se pueden usar en porcentajes altos. Pueden ser macizas o huecas, y tienen un diámetro comprendido entre 10 y 150 micras.

En algunos casos concretos pueden emplearse otros tipos de microesferas, con características superiores a las de vidrio pero considerablemente más caras:

Microesferas huecas de carbono: densidad de y diámetro entre 5 y 150 micras. Microesferas huecas orgánicas, como epoxi, fenólicas, poliestireno o cloruro de vinilo/acronitrilo: densidad entre y un diámetro de entre 10 y 800 micras y prestaciones sensiblemente menores.

Cargas no reforzantes

Entre las cargas no reforzantes, las más utilizadas son de origen mineral y se incorporan a la resina en proporciones compatibles con las características buscadas y el precio, que generalmente es bajo, debido a que estas cargas son simplemente extractos de rocas o minerales. Las más utilizadas son carbonatos, silicatos y sílices.

Además hay otra serie de cargas no reforzantes, entre las que destacan por su uso extendido las siguientes:

Cargas ignífugas: hidrato de aluminio, óxido de antimonio, boratos de zinc, productos orgánicos variados Cargas conductoras o de la electricidad o del calor: Polvos metálicos, microesferas metalizadas, negro de humo, filamentos metálicos muy finos.

Aditivos

Los aditivos son sustancias empleadas en los PRF en menor cantidad que las cargas con el objeto de incrementar las prestaciones del material. Cada tipo de aditivo tiene generalmente la propiedad de intervenir en una sola característica específica, por lo que es común emplear más de un tipo de aditivo conjuntamente, siempre que sean compatibles. Sin embargo es necesario advertir que si empleamos demasiados aditivos a la vez corremos el riesgo de modificar otras propiedades del polímero base, por lo que es conveniente limitar el número de aditivos utilizados en una misma matriz.

Estos son los tipos de aditivos más empleados:

Lubrificantes: interno (modifica las fuerzas de cohesión intermoleculares, disminuyendo la viscosidad de la resina sin alterar sus propiedades) o externo (aflora a la superficie de la resina para reducir su tendencia a pegarse a los moldes). Agentes antiestáticos: empleados en resinas incapaces de dispersar las cargas iónicas que se puede dar sobre la superficie del producto durante la fabricación. Agentes antioxidantes: garantizan unas prestaciones prolongadas del material frente a la acción de los rayos UV y del ozono. Agentes que modifican las propiedades mecánicas: se trata de monoceros añadidos durante la fabricación del compuesto polimérico de base y que influyen en un parámetro específico, como por ejemplo: la rigidez del material, manteniendo casi invariables las demás características. Agentes retardantes de la llama e ignífugos. Conservantes: impiden que el material sea ataca por microorganismos, insectos o roedores. Pigmentos: preparados a partir de productos insolubles, en forma sólida, de origen mineral u orgánico Colorantes: compuestos solubles en agua o disolvente orgánico que se utilizan poco debido a su mala resistencia química. Pastas colorantes: son dispersiones de pigmentos en un soporte pastoso, de fácil incorporación y dispersión en la resina.

Fibras

La fibra es el componente de refuerzo del material compuesto, por lo que las características del PRF, especialmente su resistencia mecánica, rigidez y dureza, van a estar muy determinadas por la fibra utilizada en su fabricación.

Estas son las fibras más utilizadas y sus características más importantes:

Fibra de vidrio

Esta es la fibra más empleada en los PRF, especialmente en aplicaciones industriales, debido a su gran disponibilidad, sus buenas características mecánicas y a su bajo coste.

Existe una gran "variedad de fibras de vidrio" disponibles en el mercado, en las que priman distintas características, entre las que destacan: aislamiento eléctrico resistencia química elevado módulo de elasticidad propiedades dieléctricas transparencia a los rayos X

Y, por supuesto, también encontramos vidrios que aúnan dos o más de estas características. Las diferencias radican básicamente en los silicatos presentes en el vidrio, normalmente un silicato alcalino y uno alcalinotérreo.

Las principales características de la fibra de vidrio son: Alta adherencia fibra-matriz Resistencia mecánica, con una resistencia específica de tracción/densidad superior a la del acero.