Los composites de matríz termoplástica

Se abren nuevas posibilidades de aplicación para los composites al asociar las fibras contínuas con matrices termoplásticas. Varios factores los diferencian tanto de los composites de fibra cortada en la misma matriz como de los de matriz termoestable

Los TRE o composites termoplásticos estampables reforzados con fibra cortada son materiales cuyos métodos de transformación se podrían denominar "clásicos" en tanto que se comportan durante el prensado como los materiales de SMC, es decir, en caliente y bajo presión fluyen para llenar el molde. Por ello, su preparación no requiere precauciones especiales una vez se ha definido la mejor forma de preparar los patrones y la ventana térmica de moldeo más adecuada.Con contenidas relativamente bajos en la masa de moldeo, las fibras no resultan dañadas al poder moverse libremente dentro de la misma hasta que se inicia el enfriamiento del termoplástico, cuando ya han adoptado su posición definitiva.

Los materiales de fibra continua

Distinto es el caso cuando se trata de materiales en los que la fibra no puede desplazarse sino con limitaciones debido a su longitud. En este caso, el moldeo de los semielaborados se parece más a la estampación de chapa metálica en tanto que su deformabilidad es limitada y que, si se sobrepasa su límite, se generan tensiones indebidas en las fibras e incluso roturas, que pueden generar deformaciones posteriores al enfriamiento de la matriz o pérdidas tempranas de características mecánicas debidas a la fluencia de la misma.

En productos moldeados con estos materiales se observa además que, donde se producen dobleces de bajo radio, en el exterior de la curva la matriz tiene tendencia a formar grietas transversales debidas a que la fibra intenta seguir el camino más fácil durante el estado fluído de la matriz y en estas dobleces queda un exceso de resina en la cara externa que, sin refuerzo, tiende a agrietarse por las contracciones de enfriamiento.


Figura 1 Los termoplásticos reforzados de fibra larga encuentran aplicación en la protección balística combinando capas de distintos materiales unidas térmicamente para aumentar los diferenciales de resistencia a la penetración, así como en aplicaciones en que se requiera una ligereza extrema (foto cortesía de Linde+Wieman)

Los materiales en forma de lámina deformable, que se obtenían en general por impregnación en disolución de tejidos de fibra contínua de bajo gramaje, se han empleado en la construcción aeronáutica y en especial, en la de elementos para helicópteros, tales como derivas, alerones, carcasas de carrozado y capotas de radar. Para obtener los gruesos necesarios se utilizan varias capas de tejido preimpregnado, que hace necesarias precauciones adicionales para que en cada capa se solapen adecuadamente las deformaciones de las fibras.

Una primera solución a estos problemas fue emplear un proceso de preparación que permitiese el uso de mechas de fibras de mayor título, consistente en impregnar en una primera fase rovings de 1200 y 2400 tex y con ellos producir en caliente un cuerpo bobinado (mediante filament winding) que, cortado por una generatriz, se convertía en una plancha mucho más deformable. La técnica utilizada para obtener la unión fibra/matriz es parecida a la pultrusión.

Diversos productos utilizados en las mismas aplicaciones citadas mostraban una mejora notable, al partir de plancha de mucho mayor grosor, que hacía innecesaria la superposición de varias planchas para el moldeo. Sin embargo, pasar a la tejeduría, por los procedimientos clásicos, de un material tan rígido en frío como el roving pre-impregnado planteaba problemas sin fácil solución. De todos modos, las posibilidades del material son tan importantes que se han hecho grandes avances para aplicarlo industrialmente.

Sistemas de impregnación de las fibras contínuas

Se han emprendido diversos caminos para permitir la preparación de estos materiales en forma de rovings, tejidos o fieltros preimpregnados con matriz termoplástica. La impregnación con la matriz en solución presenta una serie de problemas que lo hacen un procedimiento muy costoso y limitado a los casos en que el valor del material producido y de sus aplicaciones lo justifique.

Por ello se han buscadodistintos sistemas que permitan tejer o aglomerar de otro modo materiales de fibra contínua. Una opción es la de asociar íntimamente fibras de vidrio con fibras de termoplástico para formar un roving que puede tejerse sin haber efectuado la fusión que las convierte en una mecha unitaria. El proceso de esta asociación implica un sistema específico de fabricación de las fibras de vidrio, a las que deben asociarse las finísimas fibras de termoplástico antes de formar la mecha.

Otro procedimiento parte de la idea de voluminizar mediante aire comprimido los rovings, que presentan entonces una estructura muy abierta, con lo que es posible "rellenarla" con termoplástico en polvo. Los dos procesos anteriores permiten tejer el roving asociado al termoplástico con sistemas más o menos clásicos, obtener fieltros y, naturalmente, rovings para fabricar perfilería.

Las relaciones fibra/matriz que permiten obtener estos procedimientos es muy elevada y, con ello, las características mecánicas de los productos que se fabriquen con estos materiales. Esta es la principal diferencia de estos productos con los que se obtienen a partir de placas de TRE, en las que la relación fibra/matriz es necesariamente más baja para permitir su moldeo por flujo bajo presión y calor.

Características diferenciales de las matrices termoplásticas y las termoestables

En general, las características mecánicas de los termoplásticos utilizados en estos materiales son tanto más elevadas que las de los termoestables alternativos que, si la influencia de estos últimos es muy baja a efectos de cálculo de resistencia, la de los termoplásticos se convierte en significativa.

Por ello, a igualdad de contenido de fibras, los termoplásticos reforzados pueden ofrecer una resistencia mecánica mayor. Por otra parte, los últimos procesos citados facilitan el uso de polímeros de elevadas características en muchos aspectos, siempre que puedan fibrarse o molturarse, con lo que se abre el camino para obtener materiales de propiedades nuevas y, con ello, el de nuevos campos de aplicación.


Figura 2 La eventual degradación por fluencia de los termoplásticos no tiene influencia en las aplicaciones en que el producto debe tener una vida limitada, como en la construcción automovilística, en donde estos materiales se benefician de la exigencia de una fácil reciclabilidad (foto cortesía de Linde+Wieman)

Sin embargo, los polímeros termoplásticos experimentan un fenómeno, la fluencia (que no debe confundirse con la capacidad de fluir en caliente), que es una degradación de mayor o menor importancia relacionada con el tiempo de exposición a los factores ambientales. Los termoestables no suelen degradarse por fluencia, sino por hidrólisis que, si están debidamente protegidos, es negligible y permite una gran duración sin pérdida apreciable de características.

Los termoplásticos, por contra, pueden degradarse por otros factores como son la tensofisuración o la pérdida de aditivos extraíbles que, al tener una proporción mayor de superficie expuesta que en los productos termoplásticos masivos, tanto al exterior como en la zona de contacto con las fibras, los hace más sensitivos a la degradación.

Nuevas posibilidades de aplicación

Aunque estamos en los inicios de estas tecnologías y, en consecuencia, los composites termoplásticos de alta tenacidad son aún relativamente costosos, es probable que el incremento de sus aplicaciones los haga equiparables en coste a los de matriz termoestable. La definición de sus aplicaciones deberá regirse entonces por las consideraciones expuestas, siendo probable que las matrices termoplásticas sean las elegidas para aplicaciones de vida limitada en que la eventual fluencia no sea un problema y las termoestables, para aplicaciones exteriores en que deban ser capaces de soportar los factores ambientales.

Actualmente, las matrices más utilizadas son el polipropileno, el policarbonato, las poliamidas y poliéterimidas, y los poliesteres termoplásticos, pero cabe imaginar las propiedades que se obtienen utilizando termoplásticos específicos para aplicaciones que los sean igualmente, por ejemplo, con el polisulfuro de fenileno o la poliétersulfona en las aplicaciones en que la resistencia al fuego sea un factor decisivo.

Pero uno de los factores que hacen objeto del máximo interés a estos materiales es que permiten obtener composites de alta resistencia mecánica con procedimientos de moldeo de gran velocidad. Por primera vez nos encontramos con materiales que pueden competir en características mecánicas con los metales y que pueden transformarse con igual velocidad, superándolos en resistencia a la corrosión, en ligereza y en calidad de acabado.

La mayoría de las aplicaciones de los metales en chapa fina, especialmente si precisan pintura, no están sometidas a temperaturas superiores a las que pueden soportar estos materiales sin deformación. Por ello será el coste de las materias contra las ventajas del material, en definitiva, los que marcarán los criterios de selección.