Los productos de caucho reforzado son uno de los grupos más grandes de materiales compuestos , aunque rara vez se los denomina como tales. Algunos ejemplos conocidos son los neumáticos de automóviles , las mangueras y las cintas transportadoras .
Los productos de caucho reforzado combinan una matriz de caucho y un material de refuerzo para lograr relaciones elevadas de resistencia a flexibilidad. El material de refuerzo, normalmente un tipo de fibra , proporciona la resistencia y la rigidez. La matriz de caucho, con baja resistencia y rigidez, proporciona estanqueidad al aire y al fluido y sostiene los materiales de refuerzo para mantener sus posiciones relativas. Estas posiciones son de gran importancia porque influyen en las propiedades mecánicas resultantes.
Una estructura compuesta en la que todas las fibras se cargan por igual en todas partes cuando se les aplica presión se denomina estructura isotrópica y el tipo de carga se denomina carga isotensoidal. Para cumplir con el concepto isotensoidal, la geometría de la estructura debe tener un perfil meridiano isotensoide y las fibras deben ubicarse siguiendo trayectorias geodésicas. Una trayectoria geodésica conecta dos puntos arbitrarios en una superficie continua por medio del camino más corto posible.
Para lograr una carga óptima en una manguera de goma recta , las fibras deben colocarse bajo un ángulo de aproximadamente 54,7 grados angulares, también conocido como el ángulo mágico . El ángulo mágico de 54,7 equilibra exactamente la tensión longitudinal inducida por la presión interna y la tensión circunferencial, como se observa en la mayoría de los cilindros de fibra enrollados a presión biológica, como las arterias. Si el ángulo de la fibra está inicialmente por encima o por debajo de 54,7, cambiará bajo una mayor presión interna hasta que se eleve al ángulo mágico donde las tensiones circunferenciales y las tensiones longitudinales se igualan, con adaptaciones concomitantes en el diámetro de la manguera y la longitud de la manguera. Una manguera con un ángulo de fibra inicialmente bajo se elevará bajo presión a 54,7, induciendo un aumento del diámetro de la manguera y una disminución de la longitud, mientras que una manguera con un ángulo de fibra inicialmente alto caerá a 54,7, induciendo una disminución del diámetro de la manguera y un aumento de la longitud. El estado de equilibrio es un ángulo de fibra de 54,7. En esta situación, las fibras tienden a cargarse puramente en tensión, por lo que aproximadamente el 100% de su resistencia resiste las fuerzas que actúan sobre la manguera debido a la presión interna. (El ángulo mágico para formas cilíndricas de 54,7 grados angulares se basa en cálculos en los que se descuida la influencia del material de la matriz. Por lo tanto, dependiendo de la rigidez del material de caucho utilizado, el ángulo de equilibrio real puede variar unas pocas décimas de grado con respecto al ángulo mágico). [ cita requerida ]
Cuando las fibras de la estructura de refuerzo se colocan bajo ángulos mayores de 54,7 grados angulares, las fibras intentan reubicarse en su trayectoria óptima cuando se las somete a presión. Esto significa que las fibras se reorientarán hasta que alcancen su equilibrio de fuerza. En este caso, esto provocará un aumento de la longitud y una disminución del diámetro. Con ángulos menores de 54,7 grados ocurrirá lo contrario. Un producto que hace uso de este principio es un músculo neumático.
Para un cilindro con un diámetro constante, el ángulo de refuerzo también es constante y es de 54,7º. Esto también se conoce como el ángulo mágico o ángulo neutro. El ángulo neutro es el ángulo en el que una estructura enrollada está en equilibrio. Para un cilindro, este es de 54,7º, pero para una forma más compleja como un fuelle que tiene un radio variable a lo largo de la longitud del producto, este ángulo neutro es diferente para cada radio. En otras palabras, para formas complejas no hay un ángulo mágico sino que las fibras siguen una trayectoria geodésica con ángulos que varían con el cambio de radio. Para obtener una estructura de refuerzo con carga isotensoidal, la geometría de la forma compleja debe seguir un perfil meridiano isotensoide.
El refuerzo de tejido de milésimas se puede aplicar a los productos de caucho mediante diferentes procesos. Para las mangueras rectas, los procesos más utilizados son el trenzado, el espiralado, el tejido y el envoltorio. Los tres primeros procesos tienen en común que se aplican múltiples hebras de fibras al producto simultáneamente sobre un patrón predeterminado en un proceso automatizado. El cuarto proceso comprende el envoltorio manual o semiautomático de láminas de caucho reforzadas con capas de tejido. Para el refuerzo de productos de caucho con formas complejas, como los fuelles, la mayoría de los fabricantes utilizan estas láminas de caucho reforzadas con tejido. Estas láminas se fabrican calandrando el caucho sobre capas de tejido pretejido. Los productos se fabrican envolviendo (principalmente de forma manual) estas láminas alrededor de un mandril hasta que se aplica suficiente caucho y refuerzo. Sin embargo, la desventaja de utilizar estas láminas es que es imposible controlar la posición de las fibras individuales del tejido cuando se aplican sobre formas complejas. Por lo tanto, no se pueden lograr trayectorias geodésicas y, por lo tanto, tampoco es posible la carga isotensoide. Para obtener una carga isotensoide en una forma compleja, la forma debe tener un perfil isotensoideal y se requiere un posicionamiento geodésico de la estructura de la fibra. Esto se puede lograr mediante procesos de bobinado automatizados como el bobinado de filamentos o el espiralado.