Plásticos reforzados con fibras para niños

Los plásticos reforzados con fibras (PRF) son materiales especiales. Están hechos de un polímero, que es como el "pegamento" o la "matriz". Este polímero se mezcla con otras sustancias y fibras. Juntos, forman un material muy resistente y útil.

¿Qué son los Plásticos Reforzados con Fibras?

Los materiales plásticos cambiaron mucho el siglo pasado. Se hicieron más fáciles de producir y más baratos. Sus buenas características hicieron que se usaran mucho en la industria y la construcción. Para hacerlos aún mejores, se les añadió fibras. Así nacieron los plásticos reforzados con fibras, que son más fuertes y duraderos.

Tipos de Polímeros en los PRF

Los polímeros, que son la base de los plásticos, se dividen en dos grupos principales: termoplásticos y termoestables.

Polímeros Termoestables: ¿Cómo funcionan?

Los polímeros termoestables son como líquidos o semilíquidos al principio. Para que se vuelvan sólidos, necesitan un proceso llamado "curado". Esto se hace con calor, químicos o radiación. Una vez que se curan, se vuelven muy duros. No pueden volver a derretirse sin dañarse.

Las resinas termoestables más usadas son:

Resinas Epoxi: Fuertes y Resistentes

Las resinas epoxi son muy importantes. Pueden unirse a muchas otras sustancias. Esto las hace muy fuertes. Se encogen poco al endurecerse. Soportan bien temperaturas altas (hasta 180 °C) y resisten muchos productos químicos.

Hay dos tipos principales de resinas epoxi:

• TGMDA (dianilina tetraglicil metileno): Se usa en aplicaciones de alta tecnología. Es muy densa cuando se endurece.
• DGEBA (diglicil éter de bisfenol A): Se endurece con menos densidad que la anterior.

La densidad de endurecimiento es lo que hace que tengan propiedades diferentes. También existen otras resinas epoxi, como las novolacas.

La elección del "agente de curado" es clave. Este agente decide cómo de bien resistirá la resina al calor y a las fuerzas. Hay tres tipos:

• Aminas: Algunas curan a temperatura ambiente, pero no soportan mucho calor. Otras necesitan más calor (120 a 175 °C) y dan mejores propiedades.
• Anhídridos: Curan resinas epoxi a temperaturas de 120 a 175 °C.

Resinas de Poliéster no Saturado: Versátiles y Adaptables

Estas resinas son muy comunes en los materiales compuestos. Se pueden curar de muchas maneras: con químicos, calor o radiación. Su composición química define sus características. Por ejemplo, si son flexibles, duras o resistentes. Esto permite adaptarlas a muchas necesidades.

Sus propiedades pueden variar mucho:

• Resistencia a la flexión: 80 – 140 MPa.
• Resistencia a la tracción: 40 – 85 MPa.
• Módulo de tracción: 2 – 3.5 GPa.
• Porcentaje de estiramiento: 1.2 – 4.8.

Polímeros Termoplásticos: Duros y Reciclables

También existen polímeros termoplásticos reforzados. Estos se han desarrollado para soportar altas temperaturas y golpes fuertes. Son más duros que los termoestables y absorben menos agua. Además, no necesitan un tiempo de curado específico. Esto reduce costos y facilita su reciclaje.

Los termoplásticos más importantes son:

• PEEK (Poliéster Eterketona): Es un material muy resistente. Soporta temperaturas entre -60 y 250 °C. Es muy fuerte, resistente al desgaste y no se quema fácilmente. También es un buen aislamiento eléctrico.
• PPS (Sulfuro de Polifenileno): Resiste muy bien químicos y temperaturas altas (hasta 232 °C). Es inerte a la mayoría de los químicos.
• PEI (Polieterimida): No se quema fácilmente, emite poco humo y es estable a altas temperaturas.
• PAI (Poliamidaimida): Se moldea como termoplástico, pero después de un proceso especial, se vuelve más resistente al calor.

Cargas: Mejorando los Materiales

Las cargas son productos que se añaden a los PRF. Sirven para darles características especiales o para hacerlos más baratos. Se usan en mayor cantidad que los aditivos.

Hay dos tipos de cargas: las que refuerzan y las que no.

Cargas Reforzantes: Dando Fuerza Extra

Las más usadas son las microesferas de vidrio. Su forma ayuda a distribuir las fuerzas en el material. Así, evitan que se concentren tensiones. No hacen que la resina sea muy espesa, por lo que se pueden usar en grandes cantidades. Pueden ser sólidas o huecas, y miden entre 10 y 150 micras.

También hay otras microesferas más caras:

• Microesferas huecas de carbono: Muy ligeras, entre 5 y 150 micras.
• Microesferas huecas orgánicas (epoxi, fenólicas, poliestireno): Ligeras, entre 10 y 800 micras.

Cargas no Reforzantes: Reduciendo Costos

Estas cargas son minerales. Se añaden para reducir el costo del material. Las más comunes son carbonatos, silicatos y sílices.

Otras cargas no reforzantes importantes son:

• Cargas ignífugas: Ayudan a que el material no se queme. Ejemplos: hidrato de aluminio, óxido de antimonio.
• Cargas conductoras: Hacen que el material conduzca electricidad o calor. Ejemplos: polvos metálicos, negro de humo.

Aditivos: Pequeños Cambios, Grandes Mejoras

Los aditivos se usan en menor cantidad que las cargas. Su objetivo es mejorar las propiedades del material. Cada aditivo suele mejorar una característica específica. Se pueden usar varios juntos, pero con cuidado para no cambiar otras propiedades del polímero.

Tipos de aditivos comunes:

• Lubricantes: Ayudan a que la resina sea menos espesa o a que no se pegue a los moldes.
• Agentes antiestáticos: Evitan que se acumule electricidad estática en la superficie.
• Agentes antioxidantes: Protegen el material de los rayos UV y el ozono.
• Agentes que modifican las propiedades mecánicas: Cambian la rigidez del material sin afectar otras cosas.
• Agentes retardantes de la llama e ignífugos: Hacen que el material sea más resistente al fuego.
• Conservantes: Protegen el material de microorganismos, insectos o roedores.
• Pigmentos: Dan color al material.
• Colorantes: También dan color, pero se usan menos por su baja resistencia química.
• Pastas colorantes: Son pigmentos en una pasta, fáciles de mezclar con la resina.

Fibras: El Corazón del Refuerzo

Las fibras son el componente principal que da fuerza al material compuesto. La resistencia, rigidez y dureza del PRF dependen mucho de la fibra que se use.

Las fibras más utilizadas son:

Fibra de Vidrio: La Más Común

Es la fibra más usada en los PRF, sobre todo en la industria. Esto es porque es fácil de conseguir, tiene buenas propiedades y es barata.

Hay muchos tipos de fibra de vidrio, con diferentes características:

• aislamiento eléctrico
• resistencia química
• alta elasticidad
• propiedades dieléctricas (relacionadas con la electricidad)
• transparencia a los rayos X

Las diferencias entre ellas están en los silicatos que contienen.

Características principales de la fibra de vidrio:

• Se adhiere bien a la matriz.
• Muy resistente, incluso más que el acero en proporción a su peso.
• Es un buen aislante eléctrico y permite el paso de ondas electromagnéticas.
• No se quema, no produce humo ni sustancias tóxicas.
• Es muy estable en tamaño, no se dilata mucho.
• Compatible con materiales orgánicos.
• No se pudre, ni la atacan roedores o insectos.
• Conduce poco el calor, lo que ayuda a ahorrar energía.
• Es muy flexible.
• Es barata.

Se fabrica estirando vidrio fundido a muy alta temperatura.

Fibra de Carbono: Para Mayor Rigidez

Cuando la fibra de vidrio no es lo suficientemente rígida, se usa fibra de carbono. Aunque es mucho más cara, su uso se justifica en aplicaciones que requieren mucha rigidez.

Hay tres tipos principales de fibras de carbono:

• Fibra de carbono de alto módulo de elasticidad (HM).
• Fibra de carbono de alta resistencia (HR).
• Fibra de carbono tipo III.

Propiedades de la fibra de carbono

• Muy alta elasticidad y resistencia a la tracción.
• No se deforma antes de romperse.
• Baja densidad (es ligera).
• Resiste temperaturas muy altas (1500 a 2000 °C).
• Casi no se dilata con el calor.
• Muy resistente a las bases.
• Buena conductora de electricidad y calor.
• Es cara.
• Baja resistencia a golpes de poca energía.
• Puede causar corrosión al contacto con metales.

Se fabrica calentando y transformando fibras orgánicas, como el poliacrilonitrilo (PAN) o el alquitrán.

Fibras Orgánicas: Resistencia al Impacto

Aquí se incluyen fibras como las de polietileno. Pero las más importantes son las fibras de aramida, por su uso y sus características especiales.

Tipos de aramida

• Fibras de bajo módulo (E = 70 GPa).
• Fibras de alto módulo (E = 130 GPa).

Las aramidas son famosas por su alta resistencia a los golpes. Son muy duras y absorben mucha energía. Por eso se usan incluso en chalecos de protección.

Otras características importantes:

• Muy alta resistencia a la tracción, cinco veces más fuerte que el acero.
• Estable entre -30 y 200 °C.
• Alta elasticidad y poca deformación antes de romperse.
• Muy estables químicamente, excepto con ácidos fuertes. También son resistentes al fuego y se autoextinguen.

Sus desventajas son: baja resistencia a la compresión y flexión, pierden fuerza con la humedad y no se adhieren bien a algunos polímeros. Además, son caras.

La fibra de aramida se fabrica mediante un proceso de extrusión e hilado.

Otras Fibras: Para Usos Especiales

Las fibras anteriores son las más comunes. Pero hay otras fibras con propiedades aún más altas, aunque son muy costosas.

Fibras Cerámicas: Para Temperaturas Extremas

Estas fibras se usan en la industria aeroespacial para refuerzos que soportan temperaturas muy altas. Además de la resistencia al calor, son muy fuertes y estables químicamente. Su fabricación es muy difícil y cara. Por eso, se usan solo en este sector y en hornos industriales que alcanzan hasta 950 °C.

Dentro de las fibras cerámicas, destacan los "whiskers". Son fibras inorgánicas muy cortas, con una estructura cristalina perfecta. Son muy resistentes a la tracción y a altas temperaturas.

Fibra de Boro: Uso Aeroespacial y Militar

Estas fibras se obtienen depositando boro sobre un material base, como el wolframio o el carbono. Las de wolframio son las más usadas, pero solo en el espacio, el ejército o la aviación, por su alto costo.

Propiedades destacadas:

• Densidad: 2570 kg/m³.
• Alta resistencia: 3600 MPa.
• Alto módulo de elasticidad: 400 GPa.
• Se puede combinar con epoxi, aluminio y titanio.

Fibra de Carburo de Silicio: Refuerzo Eficaz

Esta fibra se usa para reforzar polímeros y cerámicas. Es menos cara que la de boro, por lo que se usa más. Su fabricación es similar a la de la fibra de boro.

Propiedades importantes:

• Densidad: 2800 kg/m³.
• Resistencia a la tracción: 2.5 a 3 GPa.
• Módulo de elasticidad: 200 GPa.
• Soporta temperaturas muy altas: hasta 1250 °C.

Fibra de Cuarzo: Flexible y Resistente al Calor

Se forman filamentos a partir de cristales de cuarzo natural. Unos 200 filamentos forman una fibra flexible y muy resistente. Se puede usar con la mayoría de las resinas.

Algunas de sus propiedades:

• Densidad: 2200 kg/m³.
• Resistencia a la tracción: 3.45 GPa.
• Módulo de elasticidad: 71 GPa.
• Se estira un 1% antes de romperse, son muy elásticas.
• Excelente resistencia a los cambios bruscos de temperatura. Se pueden calentar hasta 1100 °C y enfriar en agua sin dañarse.

Fibras Metálicas: Conductividad y Resistencia

Tienen la desventaja de ser densas y caras (excepto el acero).

Las más usadas y sus características:

• Hierro y aleaciones: Alta resistencia y elasticidad, son magnéticas.
• Aceros inoxidables: Resisten la corrosión.
• Súper aleaciones de níquel y cobalto: Resisten fuerzas y químicos a altas temperaturas.
• Titanio, tantalio, níquel: Resisten altas temperaturas y la corrosión.
• Cobre y aleaciones: Buenos conductores de electricidad y calor.
• Aluminio y aleaciones: Baja densidad, buenos conductores de electricidad y calor.
• Plata, oro y metales preciosos: Buenos conductores de electricidad y calor, no se corroen.

Interfaz Fibra-Matriz: La Unión Perfecta

Las propiedades de un PRF dependen de la matriz, las fibras, las cargas y los aditivos. Pero es muy importante que la unión entre las fibras y la matriz sea correcta. Así, la resistencia y rigidez de las fibras se transmiten al material.

Una unión débil hace que el material sea menos rígido y resistente. Una unión fuerte lo hace más rígido y resistente, pero puede ser más frágil.

La "impregnabilidad" es importante. Es la capacidad de la matriz líquida de extenderse por la superficie de la fibra. Una buena impregnabilidad significa que la matriz cubrirá bien la fibra y eliminará el aire. Esto ocurre si la matriz no es muy espesa y si el sistema pierde energía al unirse.

Tipos de unión en la interfaz:

• Unión mecánica: Cuanto más rugosa sea la superficie, mejor se unen. Funciona bien para fuerzas que se aplican de lado.
• Unión electrostática: Ocurre cuando una superficie tiene carga positiva y la otra negativa. Funciona solo a distancias muy pequeñas.
• Unión química: Se forma entre grupos químicos de la fibra y la matriz. Su fuerza depende de cuántas uniones haya.
• Unión por reacción o interdifusión: Los átomos o moléculas de la fibra y la matriz se mezclan en la unión. En polímeros, es como un entrelazado de moléculas. En metales y cerámicas, puede formar una nueva capa en la unión.

Ventajas del PRF de Fibra de Vidrio frente al Acero

El plástico reforzado con fibra de vidrio (GFRP) tiene muchas ventajas sobre el acero, que se usa mucho en la construcción.

• Es ligero y resistente a los golpes.
• No propaga el calor ni el fuego.
• No conduce la electricidad.
• Es más duradero.
• No se oxida.

¿Cómo se Utilizan los PRF?

Hay muchísimas combinaciones de fibras y matrices. Esto permite crear materiales para casi cualquier necesidad.

Para elegir el PRF adecuado, hay que considerar cinco elementos: fibras, matriz, cargas, aditivos y la unión entre fibra y matriz. Es importante verificar que sean compatibles. A menudo se hacen pruebas antes de usar un PRF. Sin embargo, para combinaciones muy comunes, ya se sabe cómo se comportan, por lo que no siempre se necesitan pruebas tan detalladas.

Véase también

En inglés: Fibre-reinforced plastic Facts for Kids