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 2017-2018. Ciencia y Tecnología de la Edificación. C. Guadalajara

Profesor Ana M.ª Marín Palma

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.

Tipos de Materiales Compuestos

• Compuestos reforzados: Inclusión de unmaterial de refuerzo (fibras) en un mediocontinuo (matriz).

• Mejora el comportamiento de ambos(compatibilidad):

– La inclusión del refuerzo mejora laspropiedades mecánicas de la matriz.

– La matriz protege al refuerzo del ambiente.

• Compuestos laminados: láminas de uno ovarios materiales unidos superficialmente(material de unión).

Se busca adaptar el comportamiento de unmaterial conocido a una aplicación concreta.Se diseñan “a la carta”.

Tipos de Composites

(M Olivares, 2003)

Composites reforzados

• Constan de una matriz y un refuerzo en forma de fibra omalla.

• Las matrices pueden ser poliméricas, metálicas oconglomeradas.

• Las fibras pueden ser metálicas, de vidrio, de carbono opoliméricas.

Pueden ser largas o cortas y su distribución en la matrizorientada o aleatoria.

• Los procesos de conformación incluyen la mezcla decomponentes y el posicionamiento en el producto final.

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.

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

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

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).

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.

uno o más filamentos continuos

Formas presentación de las fibras (hilos):

filamento no continuo o fibras cortada

filamento continuo, unido sin torsión hilos simples o doblados, retorcidos juntos

muchos hilos doblados juntos

Composites de fibra larga (Láminas)

Composites de fibra corta

Fibras continuas

alineadas

Fibras discontinuas

y alineadas

Fibras discontinuas

y orientadas al azar

Microestructura de

los composites

Materiales de refuerzo de polímeros

• Por su naturaleza/composición, pueden ser:

• Vidrio: Fabricadas por estiramiento de vidriofundido en filamentos (sílice y otros componentes).

Suelen ir recubiertas de un material plástico(ensimaje).

• Carbono: Fibras de muchos filamentos de grafitoproducidas a elevadas temperaturas.

• Aramida: Poliamida aromática, baja densidad y altaresistencia mecánica y química (problemas UVA).

• Poliméricas: Poliester o Polietileno. Bajo precio yprestaciones.

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.

Composites con Matriz polimérica

Fabricación de Composites poliméricos

• El procesado combina la mezcla adecuada de lamatriz y las fibras y la conformación delproducto.

• Puede realizarse de manera simultanea o en fases(elementos preimpregnados y superposición deláminas).

• Los más importantes son:

Composites de fibra larga: Pultrusión.

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

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.

Fabricación de composites fibra corta

Proyección sobre moldeVertido y compactación

Moldeo por vacíoInyección en molde

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.

(F Hernández Olivares, 2008)

Refuerzos estructurales

Revestimientos Perfiles FRP

Conducciones y

elementos

modulares

Fibras poliméricas para refuerzo

• Sus principales aplicaciones son el refuerzo ycontrol de fisuración de materiales inorgánicosfrágiles (conglomerantes).

• La incorporación de fibras cortas limita laanchura de las fisuras e incrementa la ductilidad.

• La distribución en la matriz es aleatoria, salvoaplicaciones 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.

Fibras

poliméricas

Materiales Compuestos Laminados• Se combinan láminas de diferentes materiales, unidas

con adhesivos.

• Buscan:• combinar las propiedades de los componentes• industrializar productos• y reducir espesores.

• El elemento clave es el adhesivo (unión de materiales apriori incompatibles).

• Aluminio

• Piedra

• Plásticos

• Cerámica

• Compuestos de cemento

• Madera

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).

Mecanismos de unión

Mecánica: compresión.

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).

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.

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

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)

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)

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)

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).

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).

Aplicaciones de materiales adhesivos

Adhesivos termofusibles

Aplicaciones de materiales adhesivos

Uniones mecánicas

adhesivas

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.

Laminados plásticos en construcción

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.)

Composición de paneles sándwich

Laminados plásticos híbridos (núcleo aislante)

Laminados plásticos híbridos (alveolados)

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.

Glosario de conceptos del Tema

•Materiales compuestos •Tipos de composites •Fabricación

•Efectos conjuntos •Composites poliméricos •Productos fibra larga

•Compuestos laminados •Composites matriz

polimérica

•Pultrusión

•Compuestos reforzados

(composites)

•Resinas Poliéster •Cintas preimpregnadas

•Características básicas •Resinas Vinilester •Enrollado

•Matriz •Resinas Epoxídicas •Productos fibra corta

•Refuerzo •Tipos de refuerzos •Proyección

•Fibras Cortas •Vertido y compactación

•Fibras largas •Inyección

•Mallas y Tejidos •Aplicaciones

•Materiales de refuerzo •Refuerzos poliméricos

•Factores del refuerzo

Glosario de conceptos del Tema

•Compuestos Laminados •Tipos de adhesivos

•Materiales Adhesivos •Ventajas e

inconvenientes

•Selladores •Aplicaciones

•Adhesivos •Laminados plásticos

•Mecanismos de unión •Con acabado plástico

•Mecanismos de adhesión •Laminados Híbridos

•Ensayos mecánicos •Tipo sandwich

•Propiedades •Composición

•En estado pastoso •Dimensionado

•En estado endurecido •Mecanismos de fallo

•Híbridos Alveolares