Plástico reforzado con fibra

El plástico reforzado con fibra ( FRP ; también llamado polímero reforzado con fibra , o en inglés americano fibra ) es un material compuesto hecho de una matriz de polímero reforzada con fibras . Las fibras son generalmente de vidrio (en fibra de vidrio ), carbono (en polímero reforzado con fibra de carbono ), aramida o basalto . En raras ocasiones, se han utilizado otras fibras como papel, madera, boro o amianto . El polímero suele ser un plástico termoendurecible de epoxi , éster de vinilo o poliéster , aunque todavía se utilizan resinas de fenol formaldehído .

Los FRP se utilizan habitualmente en las industrias aeroespacial, automotriz, marina y de la construcción. Se encuentran habitualmente en blindajes balísticos y cilindros para aparatos de respiración autónomos .

La baquelita fue el primer plástico reforzado con fibra. Leo Baekeland se había propuesto originalmente encontrar un sustituto para la goma laca (elaborada a partir de la excreción de las cochinillas de la laca ). Los químicos habían comenzado a reconocer que muchas resinas y fibras naturales eran polímeros, y Baekeland investigó las reacciones del fenol y el formaldehído. Primero produjo una goma laca soluble de fenol-formaldehído llamada "Novolak" que nunca llegó a ser un éxito comercial, luego se dedicó a desarrollar un aglutinante para el amianto que, en ese momento, se moldeaba con caucho. Al controlar la presión y la temperatura aplicadas al fenol y al formaldehído , descubrió en 1905 que podía producir el material duro moldeable de sus sueños (el primer plástico sintético del mundo ): la baquelita. ^{[1] [2]} Anunció su invención en una reunión de la Sociedad Química Estadounidense el 5 de febrero de 1909. ^[3]

En la década de 1930 se estaba investigando ampliamente el desarrollo de plástico reforzado con fibra para uso comercial. En el Reino Unido , pioneros como Norman de Bruyne llevaron a cabo una importante investigación . Fue de especial interés para la industria de la aviación. ^[4]

La producción en masa de fibras de vidrio se descubrió en 1932, cuando Games Slayter , un investigador de Owens-Illinois, dirigió accidentalmente un chorro de aire comprimido a una corriente de vidrio fundido y produjo fibras. La primera patente para este método de producción de lana de vidrio se solicitó en 1933. ^[5] Owens se unió a la empresa Corning en 1935 y el método fue adaptado por Owens Corning para producir su "fibreglas" patentado (una "s") en 1936. Originalmente, la fibra de vidrio era una lana de vidrio con fibras que atrapaban una gran cantidad de gas, lo que la hacía útil como aislante, especialmente a altas temperaturas.

En 1936, Du Pont desarrolló una resina adecuada para combinar la "fibra de vidrio" con un plástico para producir un material compuesto. El primer antecesor de las resinas de poliéster modernas es la resina de Cyanamid de 1942. En ese entonces, se utilizaban sistemas de curado con peróxido . ^[6] Con la combinación de fibra de vidrio y resina, el contenido de gas del material fue reemplazado por plástico. Esto redujo las propiedades de aislamiento a valores típicos del plástico, pero ahora, por primera vez, el compuesto mostró una gran resistencia y promesa como material estructural y de construcción. De manera confusa, muchos compuestos de fibra de vidrio continuaron llamándose " fibra de vidrio " (como nombre genérico) y el nombre también se utilizó para el producto de lana de vidrio de baja densidad que contiene gas en lugar de plástico.

A Ray Greene, de Owens Corning, se le atribuye la producción del primer barco de materiales compuestos en 1937, pero no siguió adelante en ese momento debido a la naturaleza frágil del plástico utilizado. En 1939, se informó que Rusia había construido un barco de pasajeros con materiales plásticos y Estados Unidos un fuselaje y alas de avión. ^[7] El primer automóvil con carrocería de fibra de vidrio fue el Stout Scarab de 1946. Solo se construyó un ejemplar de este modelo. ^[8] El prototipo Ford de 1941 podría haber sido el primer automóvil de plástico, pero existe cierta incertidumbre en torno a los materiales utilizados, ya que fue destruido poco después. ^{[9] [10]}

El primer avión fabricado con plástico reforzado con fibra fue el Fairchild F-46 , que voló por primera vez el 12 de mayo de 1937, o el Bennett Plastic Plane, construido en California. ^[11] Se utilizó un fuselaje de fibra de vidrio en un Vultee BT-13A modificado , designado XBT-16, con base en Wright Field a fines de 1942. ^[12] En 1943, se llevaron a cabo más experimentos para construir piezas estructurales de aeronaves a partir de materiales compuestos, lo que dio como resultado el primer avión, un Vultee BT-15 , con un fuselaje de GFRP, designado XBT-19, que voló en 1944. ^{[13] [14] [15]} Republic Aviation Corporation había realizado un desarrollo significativo en las herramientas para componentes de GFRP en 1943. ^[16]

La producción de fibra de carbono comenzó a fines de la década de 1950 y se utilizó, aunque no ampliamente en la industria británica hasta principios de la década de 1960. Las fibras de aramida también se producían en esta época, apareciendo primero bajo el nombre comercial Nomex por DuPont . Hoy en día, cada una de estas fibras se usa ampliamente en la industria para cualquier aplicación que requiera plásticos con una resistencia específica o cualidades elásticas. Las fibras de vidrio son las más comunes en todas las industrias, aunque los compuestos de fibra de carbono y fibra de carbono-aramida se encuentran ampliamente en aplicaciones aeroespaciales, automotrices y de artículos deportivos. ^[17] Estas tres ( vidrio , carbono y aramida ) siguen siendo las categorías importantes de fibra utilizadas en FRP.

La producción mundial de polímeros en la escala actual comenzó a mediados del siglo XX, cuando los bajos costos de materiales y producción, las nuevas tecnologías de producción y las nuevas categorías de productos se combinaron para hacer que la producción de polímeros fuera económica. La industria finalmente maduró a fines de la década de 1970, cuando la producción mundial de polímeros superó a la de acero , lo que convirtió a los polímeros en el material omnipresente que son hoy. Los plásticos reforzados con fibra han sido un aspecto significativo de esta industria desde el principio.

Un polímero se fabrica generalmente mediante polimerización por crecimiento escalonado o polimerización por adición . Cuando uno o más polímeros se combinan con diversos agentes para mejorar o alterar de alguna manera sus propiedades materiales, el resultado se denomina plástico . Los plásticos compuestos se refieren a aquellos tipos de plásticos que resultan de la unión de dos o más materiales homogéneos con diferentes propiedades materiales para obtener un producto final con ciertas propiedades mecánicas y materiales deseadas. Los plásticos reforzados con fibra son una categoría de plásticos compuestos que utilizan específicamente materiales de fibra para mejorar mecánicamente la resistencia y elasticidad de los plásticos.

El material plástico original sin refuerzo de fibra se conoce como matriz o agente aglutinante . La matriz es un plástico resistente pero relativamente débil que se refuerza con filamentos o fibras de refuerzo más fuertes y rígidos. El grado en que se mejoran la resistencia y la elasticidad en un plástico reforzado con fibra depende de las propiedades mecánicas tanto de la fibra como de la matriz, su volumen relativo entre sí y la longitud y orientación de la fibra dentro de la matriz. ^[18] El refuerzo de la matriz se produce por definición cuando el material FRP exhibe una mayor resistencia o elasticidad en relación con la resistencia y elasticidad de la matriz sola. ^[17]

El FRP implica dos procesos distintos: el primero es el proceso mediante el cual se fabrica y forma el material fibroso, el segundo es el proceso mediante el cual los materiales fibrosos se unen a la matriz durante el moldeo. ^[17]

La fibra de refuerzo se fabrica en orientaciones bidimensionales y tridimensionales:

1. El polímero reforzado con fibra de vidrio bidimensional se caracteriza por una estructura laminada en la que las fibras solo están alineadas a lo largo del plano en la dirección x y la dirección y del material. Esto significa que no hay fibras alineadas en el espesor total ni en la dirección z ; esta falta de alineación en el espesor total puede generar una desventaja en cuanto a costos y procesamiento. Los costos y la mano de obra aumentan porque las técnicas de procesamiento convencionales utilizadas para fabricar compuestos, como el laminado manual en húmedo, el autoclave y el moldeo por transferencia de resina, requieren una gran cantidad de mano de obra calificada para cortar, apilar y consolidar en un componente preformado.
2. Los compuestos poliméricos reforzados con fibra de vidrio tridimensionales son materiales con estructuras de fibra tridimensionales que incorporan fibras en la dirección x, la dirección y y la dirección z . El desarrollo de orientaciones tridimensionales surgió de la necesidad de la industria de reducir los costos de fabricación, aumentar las propiedades mecánicas a través del espesor y mejorar la tolerancia al daño por impacto; todos eran problemas asociados con los polímeros reforzados con fibra bidimensional.

Las preformas de fibra son el modo en que se fabrican las fibras antes de unirlas a la matriz. Las preformas de fibra suelen fabricarse en láminas, esteras continuas o como filamentos continuos para aplicaciones de pulverización. Las cuatro formas principales de fabricar la preforma de fibra son mediante las técnicas de procesamiento textil de tejido , tejido de punto , trenzado y costura .

1. El tejido se puede realizar de manera convencional para producir fibras bidimensionales, así como en un tejido multicapa que puede crear fibras tridimensionales. Sin embargo, el tejido multicapa requiere múltiples capas de hilos de urdimbre para crear fibras en la dirección z, lo que crea algunas desventajas en la fabricación, a saber, el tiempo para preparar todos los hilos de urdimbre en el telar . Por lo tanto, la mayoría del tejido multicapa se utiliza actualmente para producir productos de ancho relativamente estrecho o productos de alto valor donde el costo de producción de la preforma es aceptable. Otro de los principales problemas que enfrenta el uso de telas tejidas multicapa es la dificultad de producir una tela que contenga fibras orientadas en ángulos distintos a los rectos entre sí.
2. La segunda forma principal de fabricar preformas de fibra es el trenzado. El trenzado es adecuado para la fabricación de telas planas o tubulares de ancho estrecho y no es tan eficaz como el tejido en la producción de grandes volúmenes de telas anchas. El trenzado se realiza sobre la parte superior de mandriles que varían en forma o dimensión de sección transversal a lo largo de su longitud. El trenzado se limita a objetos de un tamaño aproximado al de un ladrillo. A diferencia del tejido estándar, el trenzado puede producir telas que contienen fibras en ángulos de 45 grados entre sí. El trenzado de fibras tridimensionales se puede realizar mediante el trenzado de interbloqueo de cuatro pasos, dos pasos o multicapa. El trenzado de cuatro pasos o en filas y columnas utiliza un lecho plano que contiene filas y columnas de portadores de hilo que forman la forma de la preforma deseada. Se añaden portadores adicionales al exterior de la matriz, cuya ubicación y cantidad precisas dependen de la forma y estructura exactas de la preforma requerida. Hay cuatro secuencias separadas de movimiento de filas y columnas, que actúan para entrelazar los hilos y producir la preforma trenzada. Los hilos se introducen mecánicamente en la estructura entre cada paso para consolidarla, como se hace con una caña en el tejido. El trenzado en dos pasos es diferente del proceso de cuatro pasos porque el proceso de dos pasos incluye una gran cantidad de hilos fijados en la dirección axial y una menor cantidad de hilos de trenzado. El proceso consta de dos pasos en los que los portadores de trenzado se mueven completamente a través de la estructura entre los portadores axiales. Esta secuencia relativamente simple de movimientos es capaz de formar preformas de prácticamente cualquier forma, incluidas las formas circulares y huecas. A diferencia del proceso de cuatro pasos, el proceso de dos pasos no requiere compactación mecánica: los movimientos involucrados en el proceso permiten que la trenza se apriete únicamente con la tensión del hilo. El último tipo de trenzado es el trenzado entrelazado de múltiples capas que consta de una serie de trenzadores circulares estándar que se unen para formar un marco de trenzado cilíndrico. Este marco tiene una serie de pistas de trenzado paralelas alrededor de la circunferencia del cilindro, pero el mecanismo permite la transferencia de portadores de hilo entre pistas adyacentes formando una tela trenzada de múltiples capas con hilos entrelazados con capas adyacentes. El trenzado entrelazado multicapa se diferencia de los trenzados de cuatro y dos pasos en que los hilos entrelazados se encuentran principalmente en el plano de la estructura y, por lo tanto, no reducen significativamente las propiedades en el plano de la preforma. Los procesos de cuatro y dos pasos producen un mayor grado de entrelazado a medida que los hilos trenzados se desplazan a través del espesor de la preforma, pero, por lo tanto, contribuyen menos al rendimiento en el plano de la preforma. Una desventaja del equipo de entrelazado multicapa es que, debido al movimiento sinusoidal convencional de los portadores de hilo para formar la preforma, el equipo no puede tener la densidad de portadores de hilo que es posible con las máquinas de dos y cuatro pasos.
3. Las preformas de fibra para tricotar se pueden realizar con los métodos tradicionales de tricotado por urdimbre y trama, y ​​muchos consideran que el tejido producido es un tejido bidimensional, pero las máquinas con dos o más lechos de agujas son capaces de producir tejidos multicapa con hilos que atraviesan las capas. Los avances en los controles electrónicos para la selección de agujas y la transferencia de bucles de tricotado, y en los sofisticados mecanismos que permiten sujetar áreas específicas del tejido y controlar su movimiento, han permitido que el tejido se forme en la forma de preforma tridimensional requerida con un mínimo de desperdicio de material.
4. El cosido es posiblemente la más sencilla de las cuatro técnicas principales de fabricación textil y la que se puede realizar con la menor inversión en maquinaria especializada. Básicamente, el cosido consiste en insertar una aguja, que lleva el hilo de la costura, a través de una pila de capas de tela para formar una estructura 3D. Las ventajas del cosido son que es posible coser tanto tela seca como preimpregnada, aunque la pegajosidad del preimpregnado dificulta el proceso y generalmente crea más daño dentro del material preimpregnado que en la tela seca. El cosido también utiliza las telas bidimensionales estándar que se usan comúnmente en la industria de los compuestos, por lo que existe una sensación de familiaridad con los sistemas de materiales. El uso de tela estándar también permite un mayor grado de flexibilidad en la disposición de la tela del componente que es posible con los otros procesos textiles, que tienen restricciones en las orientaciones de las fibras que se pueden producir. ^[19]

Generalmente se utiliza una estructura rígida para determinar la forma de los componentes de FRP. Las piezas se pueden colocar sobre una superficie plana denominada "placa de sujeción" o sobre una estructura cilíndrica denominada "mandril". Sin embargo, la mayoría de las piezas de plástico reforzado con fibra se crean con un molde o "herramienta". Los moldes pueden ser moldes hembra cóncavos, moldes macho o el molde puede encerrar completamente la pieza con un molde superior e inferior.

El proceso de moldeo de los plásticos FRP comienza colocando la preforma de fibra sobre o dentro del molde. La preforma de fibra puede ser fibra seca o fibra que ya contiene una cantidad medida de resina llamada "preimpregnada". Las fibras secas se "humedecen" con resina, ya sea a mano o inyectando la resina en un molde cerrado. Luego, la pieza se cura, dejando la matriz y las fibras en la forma creada por el molde. A veces se utiliza calor o presión para curar la resina y mejorar la calidad de la pieza final. A continuación, se enumeran los diferentes métodos de formación.

Se colocan láminas individuales de material preimpregnado en un molde de tipo hembra junto con una vejiga con forma de globo. El molde se cierra y se coloca en una prensa calentada. Finalmente, la vejiga se presuriza para forzar las capas de material contra las paredes del molde.

Cuando la materia prima (bloque de plástico, bloque de caucho, lámina de plástico o gránulos) contiene fibras de refuerzo, una pieza moldeada por compresión se califica como un plástico reforzado con fibras. Más típicamente, la preforma de plástico utilizada en el moldeo por compresión no contiene fibras de refuerzo. En el moldeo por compresión, una "preforma" o "carga", de SMC , BMC se coloca en la cavidad del molde. El molde se cierra y el material se forma y cura en su interior mediante presión y calor. El moldeo por compresión ofrece excelentes detalles para formas geométricas que van desde patrones y detalles en relieve hasta curvas complejas y formas creativas, pasando por ingeniería de precisión, todo ello dentro de un tiempo máximo de curado de 20 minutos. ^[20]

Se colocan láminas individuales de material preimpregnado en un molde abierto. El material se cubre con una película desprendible, material de purga/respiración y una bolsa de vacío . Se aplica vacío a la pieza y se coloca todo el molde en un autoclave (recipiente de presión calentado). La pieza se cura con un vacío continuo para extraer los gases atrapados en el laminado. Este es un proceso muy común en la industria aeroespacial porque permite un control preciso sobre el moldeo debido a un ciclo de curado largo y lento que dura entre una y varias horas. ^[21] Este control preciso crea las formas geométricas exactas del laminado necesarias para garantizar la resistencia y la seguridad en la industria aeroespacial, pero también es lento y requiere mucha mano de obra, lo que significa que los costos a menudo lo limitan a la industria aeroespacial. ^[20]

Las láminas de material preimpregnado se envuelven alrededor de un mandril de acero o aluminio. El material preimpregnado se compacta con cinta adhesiva de nailon o polipropileno. Las piezas se curan normalmente en lotes mediante bolsas de vacío y colgadas en un horno. Después del curado, se retiran la cinta adhesiva y el mandril, dejando un tubo de carbono hueco. Este proceso crea tubos de carbono huecos fuertes y robustos.

El moldeado por laminación húmeda combina el refuerzo de fibra y la matriz a medida que se colocan en la herramienta de moldeado. ^[17] Las capas de fibra de refuerzo se colocan en un molde abierto y luego se saturan con una resina húmeda vertiéndola sobre la tela y trabajándola en la tela. Luego se deja el molde para que la resina se cure, generalmente a temperatura ambiente, aunque a veces se usa calor para asegurar un curado adecuado. A veces se usa una bolsa de vacío para comprimir una laminación húmeda. Las fibras de vidrio son las más utilizadas para este proceso, los resultados se conocen ampliamente como fibra de vidrio y se utilizan para fabricar productos comunes como esquís, canoas, kayaks y tablas de surf. ^[20]

Se introducen hebras continuas de fibra de vidrio a través de una pistola manual que las corta y las combina con una resina catalizada, como el poliéster. El vidrio cortado impregnado se proyecta sobre la superficie del molde con el grosor y el diseño que el operador humano considere apropiados. Este proceso es bueno para grandes producciones a un costo económico, pero produce formas geométricas con menos resistencia que otros procesos de moldeo y tiene poca tolerancia dimensional. ^[20]

Las máquinas tiran de los haces de fibras a través de un baño húmedo de resina y los enrollan sobre un mandril de acero giratorio en orientaciones específicas. Las piezas se curan a temperatura ambiente o a temperaturas elevadas. Se extrae el mandril, dejando una forma geométrica final, aunque en algunos casos se puede conservar. ^[20]

Los haces de fibras y las telas cortadas se pasan a través de un baño húmedo de resina y se les da la forma de la pieza en bruto. El material saturado se extruye a partir de una matriz cerrada calentada que cura mientras se tira continuamente a través de la matriz. Algunos de los productos finales de la pultrusión son formas estructurales, es decir, vigas en I, ángulos, canales y láminas planas. Estos materiales se pueden utilizar para crear todo tipo de estructuras de fibra de vidrio, como escaleras, plataformas, sistemas de pasamanos, tanques, tuberías y soportes de bombas. ^[20]

También se denomina infusión de resina . Las telas se colocan en un molde en el que luego se inyecta resina húmeda. Normalmente, la resina se presuriza y se introduce a presión en una cavidad que está al vacío en el moldeo por transferencia de resina . La resina se introduce completamente en la cavidad al vacío en el moldeo por transferencia de resina asistido por vacío. Este proceso de moldeo permite tolerancias precisas y un modelado detallado, pero a veces puede no saturar completamente la tela, lo que genera puntos débiles en la forma final. ^[20]

El FRP permite la alineación de las fibras de vidrio de los termoplásticos para adaptarse a programas de diseño específicos. Especificar la orientación de las fibras de refuerzo puede aumentar la fuerza y ​​la resistencia a la deformación del polímero. Los polímeros reforzados con vidrio son más fuertes y resistentes a las fuerzas deformantes cuando las fibras de polímeros son paralelas a la fuerza que se ejerce, y son más débiles cuando las fibras son perpendiculares. Por lo tanto, esta capacidad es a la vez una ventaja o una limitación dependiendo del contexto de uso. Los puntos débiles de las fibras perpendiculares se pueden utilizar para bisagras y conexiones naturales, pero también pueden provocar fallas del material cuando los procesos de producción no orientan correctamente las fibras paralelas a las fuerzas esperadas. ^[22] Cuando las fuerzas se ejercen perpendicularmente a la orientación de las fibras, la fuerza y ​​la elasticidad del polímero son menores que la matriz sola. En los componentes de resina fundida hechos de polímeros reforzados con vidrio como UP y EP, la orientación de las fibras puede estar orientada en tramas bidimensionales y tridimensionales. Esto significa que cuando las fuerzas son posiblemente perpendiculares a una orientación, son paralelas a otra orientación; esto elimina la posibilidad de puntos débiles en el polímero.

La falla estructural puede ocurrir en materiales FRP cuando:

• Las fuerzas de tracción estiran la matriz más que las fibras, lo que provoca que el material se corte en la interfaz entre la matriz y las fibras.
• Las fuerzas de tracción cerca del extremo de las fibras exceden las tolerancias de la matriz, separando las fibras de la matriz.
• Las fuerzas de tracción también pueden superar las tolerancias de las fibras, provocando que estas se fracturen y provoquen la falla del material. ^[17]

Un material de matriz de polímero termoendurecible , o un material de matriz de polímero termoplástico de grado de ingeniería, debe cumplir ciertos requisitos para ser adecuado para los FRP y garantizar un refuerzo exitoso de sí mismo. La matriz debe poder saturarse adecuadamente y, preferiblemente, unirse químicamente con el refuerzo de fibra para lograr la máxima adhesión dentro de un período de curado adecuado. La matriz también debe envolver completamente las fibras para protegerlas de cortes y muescas que reducirían su resistencia y para transferir fuerzas a las fibras. Las fibras también deben mantenerse separadas entre sí para que, si se produce un fallo, este se localice lo más posible y, si se produce un fallo, la matriz también debe despegarse de la fibra por razones similares. Finalmente, la matriz debe ser de un plástico que permanezca química y físicamente estable durante y después de los procesos de refuerzo y moldeo. Para ser adecuado como material de refuerzo, los aditivos de fibra deben aumentar la resistencia a la tracción y el módulo de elasticidad de la matriz y cumplir las siguientes condiciones: las fibras deben superar el contenido crítico de fibra; la resistencia y rigidez de las propias fibras deben superar la resistencia y rigidez de la matriz por sí sola; y debe haber una unión óptima entre las fibras y la matriz

Los "plásticos reforzados con fibra de vidrio" o FRP (comúnmente denominados simplemente fibra de vidrio ) utilizan fibras de vidrio de calidad textil . Estas fibras textiles son diferentes de otras formas de fibras de vidrio utilizadas para atrapar aire deliberadamente, para aplicaciones aislantes (ver lana de vidrio ). Las fibras de vidrio textiles comienzan como combinaciones variables de SiO ₂ , Al ₂ O ₃ , B ₂ O ₃ , CaO o MgO en forma de polvo. Estas mezclas luego se calientan mediante fusión directa a temperaturas de alrededor de 1300 grados Celsius, después de lo cual se utilizan matrices para extruir filamentos de fibra de vidrio con un diámetro que varía de 9 a 17 μm. Luego, estos filamentos se enrollan en hilos más grandes y se hilan en bobinas para su transporte y procesamiento posterior. La fibra de vidrio es, con mucho, el medio más popular para reforzar el plástico y, por lo tanto, disfruta de una gran cantidad de procesos de producción, algunos de los cuales también son aplicables a las fibras de aramida y carbono debido a sus cualidades fibrosas compartidas.

El roving es un proceso en el que los filamentos se hilan para formar hilos de mayor diámetro. Estos hilos se utilizan comúnmente para reforzar tejidos y esteras de fibra de vidrio y en aplicaciones de pulverización.

Los tejidos de fibra ( tela de vidrio , etc.) son materiales de refuerzo de tejido en forma de banda que tienen direcciones de urdimbre y trama. Las esteras de fibra son esteras no tejidas en forma de banda de fibras de vidrio. Las esteras se fabrican en dimensiones cortadas con fibras cortadas, o en esteras continuas utilizando fibras continuas. La fibra de vidrio cortada se utiliza en procesos en los que se cortan longitudes de hilos de vidrio de entre 3 y 26 mm, los hilos se utilizan luego en plásticos destinados más comúnmente a procesos de moldeo. Las hebras cortas de fibra de vidrio son hebras cortas de 0,2 a 0,3 mm de fibras de vidrio que se utilizan para reforzar termoplásticos más comúnmente para moldeo por inyección.

Las fibras de carbono se crean cuando las fibras de poliacrilonitrilo (PAN), las resinas de brea o el rayón se carbonizan (mediante oxidación y pirólisis térmica) a altas temperaturas. Mediante procesos posteriores de grafitización o estiramiento, se puede mejorar la resistencia o elasticidad de las fibras respectivamente. Las fibras de carbono se fabrican en diámetros análogos a las fibras de vidrio con diámetros que varían de 4 a 17 μm. Estas fibras se enrollan en hilos más grandes para su transporte y otros procesos de producción. ^[17] Otros procesos de producción incluyen el tejido o trenzado en telas, paños y esteras de carbono análogos a los descritos para el vidrio que luego se pueden utilizar en refuerzos reales. ^[18]

Las fibras de aramida se conocen comúnmente como Kevlar, Nomex y Technora. Las aramidas se preparan generalmente mediante la reacción entre un grupo amina y un grupo haluro de ácido carboxílico (aramida); ^[18] Comúnmente, esto ocurre cuando una poliamida aromática se hila a partir de una concentración líquida de ácido sulfúrico en una fibra cristalizada. ^[17] Las fibras luego se hila en hilos más grandes para tejer en cuerdas grandes o telas tejidas (aramida). ^[18] Las fibras de aramida se fabrican con diferentes grados según la resistencia y la rigidez, de modo que el material se pueda adaptar para cumplir con requisitos de diseño específicos, como cortar el material resistente durante la fabricación. ^[17]

Los plásticos reforzados con fibra son los más adecuados para cualquier programa de diseño que exija ahorro de peso, ingeniería de precisión, tolerancias definidas y la simplificación de las piezas tanto en la producción como en la operación. Las fibras proporcionan resistencia y rigidez al material, mientras que la matriz de polímero mantiene unidas las fibras y transfiere las cargas entre ellas. Los compuestos de FRP tienen una amplia gama de aplicaciones en diversas industrias debido a su combinación única de propiedades, que incluyen una alta relación resistencia-peso, resistencia a la corrosión y flexibilidad de diseño. Un producto de polímero moldeado es más barato, más rápido y más fácil de fabricar que un producto de aluminio fundido o acero, y mantiene tolerancias y resistencias de material similares y, a veces, mejores.

Timón del Airbus A310

• Desventajas: peligros relacionados con granizos o impactos de aves mientras las aeronaves están en vuelo o en tierra ^{[23] [24] [25]}
• Las ventajas frente a un timón tradicional fabricado en chapa de aluminio son:
  • 25% reducción de peso
  • Reducción del 95% en componentes al combinar piezas y formas en piezas moldeadas más simples.
  • La reducción general de los costos de producción y operación, la economía de piezas resultan en menores costos de producción y el ahorro de peso crea ahorros de combustible que reducen los costos operativos de volar el avión.

Los colectores de admisión del motor están fabricados en PA 66 reforzado con fibra de vidrio.

• Las ventajas que esto tiene sobre los colectores de aluminio fundido son:
  • Hasta un 60% de reducción de peso
  • Mejora de la calidad de la superficie y de la aerodinámica.
  • Reducción de componentes mediante la combinación de piezas y formas en formas moldeadas más simples.

Pedales de acelerador y embrague para automóviles fabricados en PA 66 reforzado con fibra de vidrio (DWP 12-13)

• Las ventajas sobre el aluminio estampado son:
  • Los pedales se pueden moldear como unidades individuales combinando pedales y conexiones mecánicas, simplificando la producción y el funcionamiento del diseño.
  • Las fibras se pueden orientar para reforzarlas contra tensiones específicas, aumentando la durabilidad y la seguridad.

Las ventanas, puertas y fachadas de aluminio se aíslan térmicamente mediante plásticos termoaislantes de poliamida reforzada con fibra de vidrio. En 1977, Ensinger GmbH fabricó el primer perfil aislante para sistemas de ventanas.

El FRP se puede aplicar para reforzar las vigas , columnas , ^[26] y losas de edificios y puentes. Es posible aumentar la resistencia de los elementos estructurales incluso después de que hayan sido severamente dañados debido a las condiciones de carga . En el caso de elementos de hormigón armado dañados , esto requeriría primero la reparación del elemento eliminando escombros sueltos y rellenando cavidades y grietas con mortero o resina epoxi . Una vez reparado el elemento, el fortalecimiento se puede lograr mediante la colocación manual húmeda de láminas de fibra impregnadas con resina epoxi, aplicadas a las superficies limpias y preparadas del elemento.

Se suelen adoptar dos técnicas para el refuerzo de vigas, dependiendo de la mejora de resistencia deseada: refuerzo por flexión o refuerzo por cortante . En muchos casos puede ser necesario proporcionar ambas mejoras de resistencia. Para el refuerzo por flexión de una viga, se aplican láminas o placas de FRP a la cara de tensión del elemento (la cara inferior para un elemento simplemente apoyado con carga superior aplicada o carga de gravedad). Las fibras de tracción principales se orientan paralelas al eje longitudinal de la viga, de forma similar a su refuerzo interno de acero para flexión. Esto aumenta la resistencia de la viga y su rigidez ( carga necesaria para provocar la deflexión de la unidad), pero disminuye la capacidad de deflexión y la ductilidad.

Para el refuerzo por corte de una viga, el FRP se aplica en el alma (lados) de un miembro con fibras orientadas transversalmente al eje longitudinal de la viga. La resistencia a las fuerzas de corte se logra de manera similar a los estribos de acero internos , al unir las grietas de corte que se forman bajo la carga aplicada. El FRP se puede aplicar en varias configuraciones, dependiendo de las caras expuestas del miembro y el grado de refuerzo deseado, esto incluye: unión lateral, envolturas en U (U-jackets) y envolturas cerradas (envolturas completas). La unión lateral implica la aplicación de FRP solo a los lados de la viga. Proporciona la menor cantidad de refuerzo por corte debido a fallas causadas por el desprendimiento de la superficie del hormigón en los bordes libres del FRP. Para las envolturas en U, el FRP se aplica de forma continua en forma de "U" alrededor de los lados y la cara inferior (tensión) de la viga. Si todas las caras de una viga son accesibles, es deseable el uso de envolturas cerradas, ya que proporcionan la mayor mejora de la resistencia. El envoltorio cerrado implica la aplicación de FRP alrededor de todo el perímetro del elemento, de modo que no queden extremos libres y el modo de falla típico sea la ruptura de las fibras. Para todas las configuraciones de envoltorio, el FRP se puede aplicar a lo largo del elemento como una lámina continua o como tiras discretas, con un ancho y espaciado mínimos predefinidos.

Las losas se pueden reforzar aplicando tiras de FRP en su cara inferior (tensión). Esto dará como resultado un mejor rendimiento de flexión, ya que la resistencia a la tracción de las losas se complementa con la resistencia a la tracción del FRP. En el caso de vigas y losas, la eficacia del refuerzo de FRP depende del rendimiento de la resina elegida para la unión. Esto es particularmente un problema para el refuerzo por corte utilizando unión lateral o envolturas en U. Las columnas generalmente se envuelven con FRP alrededor de su perímetro, como con la envoltura cerrada o completa. Esto no solo da como resultado una mayor resistencia al corte, sino que, lo que es más crucial para el diseño de columnas , da como resultado una mayor resistencia a la compresión bajo carga axial. La envoltura de FRP funciona restringiendo la expansión lateral de la columna, lo que puede mejorar el confinamiento de manera similar a como lo hace el refuerzo en espiral para el núcleo de la columna. ^{[27] [28]}

En junio de 2013, la empresa de ascensores KONE anunció el uso de Ultrarope como sustituto de los cables de acero en ascensores. Sella las fibras de carbono en polímeros de alta fricción . A diferencia del cable de acero, Ultrarope fue diseñado para edificios que requieren hasta 1000 m (3300 pies) de elevación. Los ascensores de acero alcanzan una altura máxima de 500 m (1600 pies). La empresa estimó que en un edificio de 500 m (1600 pies) de altura, un ascensor consumiría un 15% menos de energía eléctrica que una versión con cables de acero. En junio de 2013, el producto había pasado todas las pruebas de certificación de la Unión Europea y los Estados Unidos. ^[29]

El FRP se utiliza en diseños que requieren una medida de resistencia o módulo de elasticidad para los cuales los plásticos no reforzados y otras opciones de materiales no son adecuados, ya sea mecánica o económicamente. La consideración de diseño principal para el uso de FRP es asegurar que el material se use de manera económica y de una manera que aproveche sus características estructurales específicas, pero este no siempre es el caso. La orientación de las fibras crea una debilidad del material perpendicular a las fibras. Por lo tanto, el uso de refuerzo de fibra y su orientación afecta la resistencia, rigidez, elasticidad y, por lo tanto, la funcionalidad del producto final en sí. Orientar las fibras de manera unidireccional, bidimensional o tridimensional durante la producción afecta la resistencia, flexibilidad y elasticidad del producto final. Las fibras orientadas en la dirección de las fuerzas aplicadas muestran una mayor resistencia a la distorsión de estas fuerzas, por lo que las áreas de un producto que deben soportar fuerzas se reforzarán con fibras orientadas paralelas a las fuerzas, y las áreas que requieren flexibilidad, como las bisagras naturales, tendrán fibras orientadas perpendicularmente a las fuerzas.

La orientación de las fibras en más dimensiones evita este escenario de disyuntiva y crea objetos que buscan evitar cualquier debilidad específica debido a la orientación unidireccional de las fibras. Las propiedades de resistencia, flexibilidad y elasticidad también se pueden magnificar o disminuir a través de la forma geométrica y el diseño del producto final. Por ejemplo, asegurar un espesor de pared adecuado y crear formas geométricas multifuncionales que se puedan moldear como una sola pieza mejora la integridad estructural y del material del producto al reducir los requisitos de juntas, conexiones y herrajes. ^[17]

Como subconjunto del plástico, los plásticos reforzados con fibra están expuestos a una serie de problemas y preocupaciones en la eliminación y el reciclaje de residuos plásticos . Los plásticos plantean un desafío particular en el reciclaje porque se derivan de polímeros y monómeros que a menudo no se pueden separar y devolver a sus estados vírgenes. Por esta razón, no todos los plásticos se pueden reciclar para su reutilización; de hecho, algunas estimaciones afirman que solo entre el 20% y el 30% de los plásticos se pueden reciclar. Los plásticos reforzados con fibra y sus matrices comparten estas preocupaciones ambientales y de eliminación. La investigación de métodos de eliminación seguros ha llevado a dos variaciones principales que implican la aplicación de calor intenso: en una, se queman los agentes aglutinantes (en el proceso se recupera parte del costo del material hundido en forma de calor) y los elementos incombustibles se capturan por filtración; en la otra, el material incombustible se quema en un horno de cemento, y las fibras se convierten en una parte integral del material fundido resultante. ^[30] Además de las preocupaciones relacionadas con la eliminación segura, el hecho de que las propias fibras sean difíciles de retirar de la matriz y conservar para su reutilización significa que los FRP amplifican estos desafíos. Los FRP son inherentemente difíciles de separar en materiales de base, es decir, en fibra y matriz, y la matriz es difícil de separar en plásticos, polímeros y monómeros utilizables. Todas estas son preocupaciones para el diseño informado sobre el medio ambiente en la actualidad. Los plásticos a menudo ofrecen ahorros en energía y ahorros económicos en comparación con otros materiales. Además, con la llegada de nuevas matrices más respetuosas con el medio ambiente, como los bioplásticos y los plásticos degradables por rayos UV , el FRP ganará sensibilidad ambiental. ^[18]

• Termoplástico reforzado con fibras largas
• Pre-preg
• Material compuesto