Materiales Compuestos Parte 2
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- Sustancias añadidas a las resinas para aportar características especiales o reducir costes.
- Principales efectos:
- Reducción de costes
- Disminuir el peso final
- Controlar la viscosidad de la resina durante el proceso de moldeo
- Reducir la contracción de la matriz
- Modificar las propiedades reológicas
- Aumentar la rigidez
- Mejorar el acabado superficial
JAP 31
Cargas y aditivos: Efectos
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- Reforzantes - Debido a su geometría reparten los esfuerzos en la pieza - Microesferas de vidrio (huecas o macizas) entre 10 y 150 µm - Grandes cantidades no afectan a la viscosidad de la resina - Pueden recibir ensimaje (capa lubrificante, de unión o antiestática)
- No reforzantes
- Se utilizan para disminuir el coste sin perder propiedades - Origen mineral CaCO3, talco, sílice cristalina - También hay cargas ignífugas, cargas conductoras de calor o
electricidad - ↓ resistencia a la tracción y a la flexión - ↑ densidad y viscosidad - ↑ dureza, módulo de elasticidad y estabilidad dimensional
JAP 32
Cargas
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- Compuestos que se añaden para aumentar o mejorar sus propiedades, pero en menor cantidad que las cargas
- Sistemas catalíticos: Sustancias necesarias para producir el curado (catalizador, acelerador, inhibidor, estabilizante térmico, antioxidante)
- Lubrificantes Interno Modifican la fuerzas de cohesión ↓ viscosidad Externo (agente de desmoldeo) Parte externa
- Agentes tixotrópicos: Evitan el escurrimiento de la resina en zonas verticales o inclinadas.
- Pigmentos: Sustancias sólidas de origen mineral u orgánico que se utilizan como colorantes
- Pastas colorantes: Dispersiones de pigmentos que se incorporan y dispersan fácilmente en la resina
- Colorantes: Sustancias solubles en agua o disolventes orgánicos, poco utilizadas debido a su baja resistencia química y térmica
JAP 33
Aditivos
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- Gel de recubrimiento - Primera capa que protege del ataque medioambiental y químico - Primera capa que se aplica sobre el molde - Formado por resinas + pigmentos y aditivos - Los hay con distintas viscosidades y sistemas de curado - Espesor para piezas: 0,25 y 0,4 mm - Espesor para moldes: 0,4 a 0,6 mm
- El tiempo útil relacionado con la calidad del gelcoat
- Proporciona:
- Color (hay de distintos colores) - Brillo - Resistencia al calor - Resistencia a la abrasión - Ausencia de porosidad
JAP 34
Recubrimientos: Gelcoat
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- Para moldes: - Protegen del estireno al molde - Poseen brillo, baja contracción, elevada flexibilidad, alta resistencia
al rayado y a los disolventes
- Industriales: - Muy utilizados pero no para aplicaciones que necesiten protección
química o medioambiental - Proporcionan buenas propiedades mecánicas y alguna coloración
- Para usos alimentarios: - Deben ser aptos para estar en contacto con líquidos
- Resistentes a la abrasión: - Contienen compuestos inorgánicos de elevada dureza - Usados en silos o suelos de camiones frigoríficos
- Metalizados: - Pigmentos metálicos grano fino (0.1mm) grano grueso (0.4mm)
JAP 35
Gelcoat: Clasificación según uso (I)
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- Isoftálicos (isogeles): - Base resinas isoftálicas. Los + usados en aplicaciones navales. - Excelente flexibilidad y buen brillo
- Sanitarios: - Elevada resistencia al agua caliente y manchas - No soportan la abrasión
- Resistentes al fuego: - Cuentan con compuestos orgánicos que liberan agua al arder - No soportan esfuerzos mecánicos o la intemperie (amarillamiento)
- Resistencia química: - Resina resistente a los agentes químicos + postcurado a alta Tª
JAP 36
Gelcoat: Clasificación según uso (II)
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- De brocha y rodillo: - Viscosidades entre 7500 y 1200 cPs - Índice tixotrópico (grado de escurrimiento) entre 3,5 y 4,5 - Buen poder cubriente
- De proyección
- Baja viscosidad (3000 – 3500 cPs) - Diluyente: estireno, acetona - Índice tixotrópico (grado de escurrimiento) entre 3,5 y 4,5
JAP 37
Gelcoat: Clasificación por aplicación
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- La última capa del laminado no puede curar completamente (inhibidor humedad)
- Parecido al gelcoat + pequeña cantidad de parafina (forma capa) - Resinas base poliéster o viniléster + pigmentos y aditivos suspensión - Distintos colores
- Mejora el aspecto de la pieza zona interna - Como el gelcoat, protege a las fibras de refuerzo
- En el caso de tener que realizar una reparación hay que eliminar la
capa de parafina por medio de abrasivos.
JAP 38
Recubrimientos: Topcoat
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- Es el refuerzo más utilizado en construcción de embarcaciones - Buenas características mecánicas junto con bajo coste
- Compuestas fundamentalmente por sílice junto con diversos óxidos,
normalmente silicato de sodio y silicato de calcio. - La cantidad de estos silicatos afectan a la propiedades
- La alta resistencia es debida a los enlaces covalentes entre Si y O, formando retícula tridimensional con estructura amorfa propiedades isotrópicas
- Obtención mediante estiramiento a muy alta Tª de vidrio fundido
JAP 39
Fibra de vidrio (I)
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- A partir de bolas: De unos 20 mm de diámetro (horno 1550ºC) - Silionne: Fibras continuas ↑ props. cecánicas. Estirado mecánico. - Verranne: Fibras discontinuas estirado por fluido
- Por fusión directa: - Se pasa por agujeros en una superifice de Pt - Se obtienen fibras a partir de monofilamentos muy delgados
- Ensimaje - Depósito de una capa de compuestos orgánicos para mejorar el
contacto fibra-matriz (silanos) a partir de dispersión acuosa
- Formas de presentación - Hilos - Mechas (formadas por haces de filamentos continuos) - Fieltros continuos o discontinuos - Estructuras textiles
JAP 40
Fibra de vidrio (II)
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- Vidrio E (Eléctrico) - Es la fibra más barata y usada en construcción de barcos - Borosilicato de calcio y aluminio sin/poco potasio y sodio - Buenas propiedades eléctricas y resistencia a la humedad
- Vidrio A (Alto contenido en álcali) - Menos resistente y módulo elástico más bajo que el vidrio E - Buena resistencia al ataque de soluciones químicas y ácidas
- Vidrio C (Chemical) - Elevada resistencia química (estructuras en atmósferas agresivas) - Propiedades mecánicas intermedias entre E y A
- Vidrio R o S (Resistance – Strength) - Es la fibra con mayor resistencia (tracción y fatiga) - Aplicaciones aeroespaciales y militares
- Vidrio B (Boro) Excelentes propiedades eléctricas y durabilidad
- Vidrio D (Dieléctrico) Altas propiedades eléctricas JAP 41
Fibra de vidrio: Tipos
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- Alta adherencia fibra-matriz recubrimientos para cada matriz
- Excelente resistencia mecánica, con valores específicos (esfuerzo/densidad) superiores al acero
- Buenas propiedades como aislante eléctrico incluso en espesores reducidos
- Incombustibilidad, no propaga la llama ni origina con el calor humos ni toxicidad
- Estabilidad dimensional, bajo coeficiente de dilatación
- Imputrescibilidad, insensible a la acción de roedores o insectos
- Bajo coste
- Débil conductividad térmica
- Excesiva flexibilidad JAP 42
Fibra de vidrio: Propiedades
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- Precursores: Poliacrilonitrilo (PAN), alquitrán y celulosa - El PAN se utiliza en forma de copolímero
- Oxidación controlada y carbonización de las fibras (1200-3000ºC) - Cuanto ↑ Tª, ↑ resistencia y módulo elástico
- Estabilización y oxidación: Se alargan la fibras para orientarlas - Carbonización: Atmósfera N2. Eliminación H y N. Props fibras f(Tª) - Grafitización: Atmósfera no oxidante - Tratamiento de superficie: Ensimaje
JAP 43
Fibra de carbono (I)
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- Fibras de alto módulo (HM): Es la fibra de carbono más rígida
- Fibras de alta resistencia (HR): Mayor resistencia a la tensión
- Fibras de módulo intermedio (III): - Es la fibra más barata (menor Tª de generación) - Buena resistencia aunque menor rigidez
JAP 44
Fibra de carbono: Tipos
Designación Alto módulo (HM) Alta resistencia (HR) Tipo III
Diámetro de hilo (µm) 7 8 7 - 8
Densidad (kg/m3) 1810 - 1870 1740 - 1760 1820
Módulo de elasticidad (GPa) 390 230 290
Resistencia a tracción (GPa) 2,1 – 2,7 2,6 – 5 3,1
Elongación a la rotura (%) 0,7 2 1,1
Módulo específico 210 130 160
Coeficiente expansión térmica (10-6/ºC) 2,56 2,56 2,56
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- Coeficiente de expansión térmica: (es posible estabilidad dimensional) - Negativo en la dirección el eje de la fibra - Positivo en sentido transversal
- Elevada resistencia y rigidez
- Alta resistencia a la vibración.
- Buen comportamiento a la fatiga.
- Buena conductividad térmica y eléctrica
- Resistencia a altas temperaturas
- Elevada resistencia química a ácidos, disolventes y álcalis
- No se ven afectadas por el contacto con el agua de mar
JAP 45
Fibra de carbono: Propiedades
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- Materiales muy ligeros, ↑ resistencia a tensión y rigidez (↓ carbono) - Usado en cascos y velas como fibras reforzantes
- Resistencia transversal baja (enlaces por puentes de H) - Resistencia longitudinal excelente (anillos aromáticos + amida)
- Reacción 1,4-fenilendiamina y cloruro de tereftaloílo medio orgánico - Disolución cristalina en ácido sulfúrico concentrado estirado/hilado - Cadenas poliméricas orientadas grandes propiedades
JAP 46
Fibras aramídicas: Kevlar®
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- Klevar® 29: Alta resistencia y baja densidad (chalecos, cuerdas, etc.) - Klevar ® 49: Alta resistencia, alto módulo elástico y baja densidad
- Alta resistencia específica a la tracción - Excelente resistencia al impacto, alta absorción de energía - Menor densidad que el resto de fibras sintéticas - Excelente resistencia a la corrosión, sólo atacadas por ácidos muy
fuertes - Buena resistencia a la fatiga - Buen amortiguamiento de las vibraciones - Resistencia a las llamas y autoextinguible - Elevada resistencia térmica, Tª descomposición > 420ºC - Coeficiente de dilatación negativo - La rotura se produce progresivamente
- Alto precio, baja resistencia a compresión - Sensible a la humedad y luz ultravioleta
JAP 47
Fibras aramídicas: Tipos y props
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JAP 48
Fieltros (mats)
Estructuras textiles sin orientación preferente (intercalada y aleatoria) Formados por fibras continuas, hilvanadas o cortadas 40-50 mm Para mantener las fibras unidas un ligante que depende de matriz.
Estructuras textiles isotrópicas bidimensionales, valores no muy elevados de resistencia y rigidez Usados para mejorar la adherencia entre capas de laminado
Mats hilos cortados (100-900 g/m2) Mats hilos contínuos Mismo gramaje. + deformables en todas direc.
Velo de superficie (30-80 g/m2) Resistencia mecánica y química
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JAP 49
Sistemas no mallados - Tejidos
Estructuras textiles formadas por fibras cruzadas perpendicularmente Ligamentos: Puntos de entrecruzamiento Máxima resistencia en la dirección de trama y urdimbre
Tela o tafetán (plain weave) La trama pasa alternativamente por encima y debajo de los hilos de urdimbre
Sarga (twill) Sólo un hilo de urdimbre cada 3-5 cubre la trama cada vez, desplazándose un ligamento un espacio formando líneas en diagonal
Satén (satin) Series de urdimbre de 5-8 hilos. Bastas (hilo sin ligar) verticales sobre 4 hilos de trama
Raso Bastas en sentido horizontal, hilos de trama sobre 4 hilos de urdimbre
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JAP 50
Sistemas no mallados - Ensamblados
Fibras paralelas superpuestas unas a otras en distintas orientaciones, y unidas mediante una fibra ligera auxiliar Presentan mejores propiedades mecánicas que fieltros y tejidos Tipos: Unidireccionales, biaxiales, triaxiales, cuatriaxiales, multiaxiales Muy usados en construcción naval Piezas altos requerimientos
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JAP 51
Sistemas no mallados - Trenzados
Presentan fibras con un cierto ángulo respecto del esfuerzo aplicado Se confeccionan en forma de calcetín o en forma de cintas Se puede modificar el ángulo Casi no se utilizan en construcción naval sólo pequeñas piezas
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JAP 52
Sistemas no mallados – Mallados/Encadenados
Mallados (tejidos multiaxiales) - Estructuras textiles confeccionadas con fibras con distintas orientaciones. - No se deforman durante acción - Problemas de impregnación debido a la gran cantidad de fibras - Pueden ser muy rígidos f(cantidad fibra) Encadenados - Formados con fibras con orientaciones poco habituales - No se puede obtener buena resistencia - Fibras de vidrio y carbono no son muy adecuadas para su fabricación En ambos casos hay que utilizar máquinas especiales (de punto)
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JAP 53
Estructura sándwich
Estructura formada por dos pieles o láminas delgadas exteriores, un núcleo de mayor espesor unidos entre sí con adhesivo Se usa en grandes superficies de interiores de barcos, cascos, tabiques de separación, puertas y cabinas
Piel: Pueden ser del mismo/distinto material y espesor Absorben los esfuerzos de flexión, cargas aplicadas en su plano Núcleo: Suporta los esfuerzos de cortadura y separa las pieles para aumentar la rigidez a flexión Adhesivo: Transmite las cargas, hace el material se comporte como una estructura continua
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JAP 54
Maderas naturales – Madera de balsa
Madera más blanda y ligera entre las duras (100-250 kg/m3) Debido a su rigidez no se adapta a formas curvas se utiliza en forma de pequeños bloques unidos por material de soporte o adhesivo
Las fibras deben estar perpendiculares al laminado Excelente resistencia y módulo a compresión (+ altos entre núcleos) Muy usada en cascos de embarcaciones de 15 m o +, reparaciones Antes de utilizar: reducir materia orgánica y disminuir humedad <10% Material compatible con todas la resinas, pero mejor sellar superficie
Densidad (kg/m3) 90 155 220
Resistencia al corte (MPa)
1,6 3 4,5
Módulo cortante (MPa)
96 166 237
Resistencia a la tracción (MPa)
7 13,5 20,6
Resistencia a la compresión (MPa)
5,4 12,7 21,9
Módulo de compresión (MPa)
1850 4100 6840
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JAP 55
Maderas naturales – Cedro rojo
Densidad (kg/m3) 320
Resistencia al corte (MPa) 6,83
Carga de rotura a la flexión (MPa) 53,8
Módulo de elasticidad (MPa) 8270
Resistencia a la compresión (MPa) 19,11
Originaria de Estados Unidos, Reino Unido y Nueva Zelanda Madera blanda, aromática, de color rojizo (al aire se vuelve gris) Densidad aprox. 320 kg/m3
Material núcleo en construcción sin molde (one-off) Se presenta en forma de listones fresados que se pueden montar de manera rápida y sencilla (strip-planking®)
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JAP 56
Maderas naturales – Contrachapado marino
Estructura formada por delgadas láminas de madera (placas-chapas) Maderas: okume, iroko, teca, caoba, sapelli, cedro, acacia… En menor medida: moabi, sipo y balsa Maderas iguales o diferentes Nº de placas impar y dirección perpendicular a las dos adyacentes Adhesivo fenólico Soportar ataque hongos y humedad Los hay de distintos tipos f(uso, fabricación, madera usada) Estructuras sándwich zonas grandes esfuerzos compresión/tracción
*
Espesor (mm) 5 15 25
Densidad (kg/m3) 500 500 500
Resistencia al corte (MPa) 5,5 5,5 5,5
Carga de rotura a la flexión longitudinal (MPa)
48 33 30
Módulo de elasticidad transversal (MPa) 300 2700 3200
Resistencia a la compresión longitudinal (MPa)
20 16 16
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JAP 57
Espumas sintéticas
Plásticos que contienen gas en forma de burbujas (vol hasta 95%) Celda abierta o cerrada: Burbujas comunicadas/no Mixtas: Mezcla Propiedades f(): Composición polímero y gas Estado (orientación, cristalinidad, historia térmica) Densidad Estructura celdas (tamaño, geometría, fracción celdas abiertas)
Sólo se fabrican espumas de aquellos plásticos de interés: A partir de bloques, planchas por mecanizado “In situ”, mediante colada obteniendo la pieza
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Estructura/densidad (kg/m3) Lineal
80
Entrecruzada
75
Entrecruzada
80
Entrecruzada
96
Resistencia al corte (MPa) 1,17 - 1,00 1,5
Módulo de corte (MPa) 20 11 30 45
Resistencia a la tracción (MPa) 1,38 1,21 1,79 2,48
Resistencia a la compresión (MPa) 0,86 1,1 1,17 1,79
58
Espumas cloruro de polivinilo (PVC)
Material de altas prestaciones muy utilizado en aplicaciones marinas Se comercializa en forma de paneles prefabricados, obtención: - Copolímero de polivinilo + plastificantes, estabilizantes, comp. de entrecruzamiento, agentes soplado - Calentamiento en molde bajo presión Reacción reticulación - Expansión en agua caliente Densidad deseada
Clasificación: f(ρ)=alta, media, baja (40-210 kg/m3) f(estabilidad térmica)
Buenas resistencias mecánica, térmica Alta resistencia a la penetración del agua Mejores props entre las espumas usadas hasta 60ºC celda cerrada Estructuras: Lineal (alta absorción de impactos), entrecruzada
JAP
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JAP 59
Espumas de poliuretano (PU)
Materiales con props muy diversas Uso naval (termoestables) Polimerización in-situ (molde) Reactivos líquidos Isocianato + poliol poliéter o poliéster Estructura: Celda abierta (flexible) celda cerrada (rígida) ρf(composición) 10 a 900 kg/m3
Propiedades inferiores a las de PVC, pero mejores a Tª ambiente y alta Buena resistencia mecánica y tenacidad Resisten la abrasión Buena resistencia química ↓ conductividad térmica, ↑ resistencia eléctrica
Usadas como aislante, reserva de flotabilidad, material de soporte de estructuras internas y núcleo estructura sándwich de embarcaciones pequeñas
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JAP 60
Espumas de poliestireno (PS)
Denominación Styrofoam
IB-F
Styrofoam
LB
Styrofoam
HD 300-F
Densidad (kg/m3) 28 30 45
Módulo a compresión (MPa) 10 – 18 12 – 20 25 - 33
Resistencia al corte (MPa) 0,2 0,25 0,5
Módulo de corte (MPa) 4 4,5 6
Resistencia a la tracción (MPa) 0,45 0,5 1
Módulo a tensión (MPa) 10 – 18 12 – 20 25 – 33
Temperatura límite (ºC) -50 / +75 -50 / +75 -50 / +75
Espumas muy ligeras (98% aire) Inyección aire en poliestireno 10 < ρ (kg/m3) < 45 Resistente a la absorción de agua y microorganismos Solubles en estireno (no se puede usar con resinas poliéster y viniléster) ↓ resistencia mecánica y conductividad térmica ≠ material estructural Construcción naval aislante o material de flotación
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JAP 61
Espumas de estireno-acrilonitrilo (SAN)
Denominación Corecell
M60
Corecell
M100
Corecell
M200
Densidad (kg/m3) 65 107.5 200
Módulo a compresión (MPa) 45 107 317
Resistencia al corte (MPa) 0,68 1,45 2,95
Módulo de corte (MPa) 20 41 98
Resistencia a la tracción (MPa) 0,81 2,11 4,29
Módulo a tensión (MPa) 44 109 334
Temperatura límite (ºC) 110 110 110
Resistencia química, térmica y rigidez > PS Comportamiento similar PVC absorción impacto (PVC lineal) Capacidad estática (PVC reticulado)
Material duro y fácil de mecanizar Compatible con cualquier resina de poliéster, viniléster y epoxi Utilizable en zonas donde ocurren esfuerzos, superestructuras, cubierta o casco mediante laminación, infusión o preimpregnado
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JAP 62
Espuma de polimetacrilimida (PMI)
Denominación Rohacell
51 IG
Rohacell
110 IG
Rohacell
200 IG
Densidad (kg/m3) 52 110 205
Módulo a compresión (MPa) 63 145 320
Resistencia al corte (MPa) 0,8 2,4 4,8
Módulo de corte (MPa) 19 50 145
Resistencia a la tracción (MPa) 1,3 2,5 4,8
Módulo a tensión (MPa) 55 110 250
Material celular rígido con células cerradas y distribuidas homogéneamente, obtenido: - Expansión térmica de un ácido metacrílico y metacrilonitrilo - Etapa de espumado
Alta resistencia térmica, excelente resistencia a la fluencia, excelente absorción de energía, peso reducido, bajas emisiones de humo y fácil procesado
Clasificación f(densidad)
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JAP 63
Espumas de tereftalato de polietileno (PET)
Denominación G-PET 80 G-PET 110 G-PET 135
Densidad (kg/m3) 80 114 135
Módulo a compresión (MPa) 48 77 95
Resistencia al corte (MPa) 0,53 0,94 1,19
Módulo de corte (MPa) 13 27 35
Resistencia a la tracción (MPa) 1,49 1,91 2,16
Módulo a tensión (MPa) 89 143 177
Material termoplástico reciclable Buen equilibrio de propiedades mecánicas, resistencia Tª, ρ y precio Compatible con distintas resinas (epoxi, viniléster, poliéster y fenólica) Procesable a alta Tª (hasta 150ºC) ↑resistencia a fatiga, resistencia química Buena adhesión y ↑ consistencia Clasificación f(densidad)
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JAP 64
Espumas sintácticas
Espumas con microesferas huecas: - Resina epoxi o fenólica con microesferas vidrio material moldeable - Matriz metálica y de carbono
Elevadísima resistencia a la compresión usada en elementos de inmersión profunda (submarinos, boyas, aparatos de rescate submarino)
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JAP 65
Núcleos de nido de abeja (I)
-Estructuras regulares y repetitivas normalmente a base de prismas rectos de lados comunes en forma de “panal”
- Láminas delgadas de mat. metálicos (aleaciones Al) y no metálicos (GF, papel, PP, fibras aramídicas)
- Uniones por soldadura o adhesivos.
- Estructuras muy ligeras, pero ↑ coste y complicado sistema de encolado
- Embarcaciones de alto rendimiento (cubiertas)
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JAP 66
Núcleos de nido de abeja (II)
Morfología (Normas MIL): - Tamaño de la celdilla (1,6-9,5 mm) - Nodo (zona adhesión celdillas) - Altura del núcleo o espesor - Espesor de la hoja - Densidad
Métodos de fabricación: - Expansión (90%) - Corrugado
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JAP 67
Materiales con microcápsulas – Coremat (I)
Materiales conformados por fibras con microcápsulas de polímero Menor densidad y + rígidos
Coremat: fibras sintéticas no tejidas de poliéster orientación aleatoria, con microesferas cerradas de policloruro de polivinilideno (PVDC) y ligante soluble en estireno + barato que espumas sintéticas, gran rigidez y ↓ resina necesaria Espesor: 1 a 5 mm, laminación entre fieltros Usado en cascos, cubiertas y superestructuras de barcos y yates
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Denominación Coremat® Xi
3 mm)
Coremat® XM
(3mm)
Densidad (kg/m3) 630 540
Módulo a compresión (MPa) 10 10
Resistencia al corte (MPa) 5 3
Módulo de corte (MPa) 35 25
Resistencia a la tracción (MPa) 4 4 JAP 68
Materiales con microcápsulas – Coremat (II)
Coremat Xi - Tipo básico, con indicador de impregnado con resina - Consume 600 g de resina por mm de espesor - Suave y maleable húmedo formas complejas
Coremat XM - Patrón hexagonal, espesor constante y 55% de esferas - Compatible con resinas de poliéster y viniléster, - Laminado manual o proyección - Consume 500 g de resina por mm de espsor - Resistencia a tracción muy alta
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JAP 69
Materiales con microcápsulas – Spherecore, Spheretex
Fieltro tejido de fibra de vidrio (larga o corta) o hebras e hilos microesferas de mat. termoplástico (6 a 10 µm) rellenas propelente Se aplica calor y el propelente se expande (20 y 50 veces) Se rellenan los huecos entre las fibras menor consumo de resina Spherecore SBC: Stich-Bonded-Compressed Material base comprimido mediante su cosido con una fibra auxiliar Puede sustituir a contrachapado, madera de balsa, espuma PVC