Materiales Compuestos Parte 2

- 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

- 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

- 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

- 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

- 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)

- 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)

- 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

- 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

- 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)

- 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)

- 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

- 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

- 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)

- 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

- 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

- 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®

- 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

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

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

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

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

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)

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

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

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®)

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

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

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

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

JAP 60

Espumas de poliestireno (PS)

Denominación Styrofoam

IB-F

Styrofoam

LB

Styrofoam

HD 300-F


Módulo a compresión (MPa) 10 – 18 12 – 20 25 - 33


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

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


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

JAP 62

Espuma de polimetacrilimida (PMI)

Denominación Rohacell

51 IG

Rohacell

110 IG

Rohacell

200 IG







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)

JAP 63

Espumas de tereftalato de polietileno (PET)

Denominación G-PET 80 G-PET 110 G-PET 135







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)

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)

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)

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

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

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

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

Materiales Compuestos Parte 2

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