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 polimérica reforzada con fibras . Las fibras suelen ser de vidrio (en fibra de vidrio ), de carbono (en polímero reforzado con fibra de carbono ), de aramida o de basalto . En raras ocasiones se han utilizado otras fibras como papel, madera, boro o amianto . El polímero suele ser un plástico termoestable de epoxi , éster vinílico o poliéster , aunque todavía se utilizan resinas de fenol formaldehído .
Los FRP se utilizan comúnmente en las industrias aeroespacial, automotriz, marina y de la construcción. Se encuentran comúnmente en armaduras balísticas y cilindros para aparatos respiratorios autónomos .
La baquelita fue el primer plástico reforzado con fibra. Inicialmente, Leo Baekeland se había propuesto encontrar un sustituto para la goma laca (elaborada a partir de excreciones de chinches 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 tuvo éxito en el mercado, luego se dedicó a desarrollar un aglutinante para el amianto que, en ese momento, se moldeaba con caucho. Controlando la presión y la temperatura aplicadas al fenol y al formaldehído , descubrió en 1905 que podía producir el material duro y moldeable que soñaba (el primer plástico sintético del mundo ): la baquelita. [1] [2] Anunció su invento en una reunión de la Sociedad Química Estadounidense el 5 de febrero de 1909. [3]
En la década de 1930 se investigaba exhaustivamente el desarrollo de plástico reforzado con fibra para uso comercial. En el Reino Unido , pioneros como Norman de Bruyne llevaron a cabo una investigación considerable . Fue de particular interés para la industria de la aviación. [4]
La producción en masa de hilos de vidrio se descubrió en 1932, cuando Games Slayter , un investigador de Owens-Illinois, dirigió accidentalmente un chorro de aire comprimido hacia una corriente de vidrio fundido y produjo fibras. Una patente para este método de producción de lana de vidrio se solicitó por primera vez en 1933. [5] Owens se unió a la empresa Corning en 1935 y Owens Corning adaptó el método para producir su "fibra de vidrio" patentada (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.
Du Pont desarrolló en 1936 una resina adecuada para combinar la "fibra de vidrio" con un plástico para producir un material compuesto . El primer antepasado de las resinas de poliéster modernas es la resina Cyanamid de 1942. En aquella época 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 usó para el producto de lana de vidrio de baja densidad que contenía gas en lugar de plástico.
A Ray Greene de Owens Corning se le atribuye la producción del primer barco compuesto en 1937, pero no prosiguió en ese momento debido a la naturaleza quebradiza 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 que tuvo una carrocería de fibra de vidrio fue el Stout Scarab de 1946 . Sólo se construyó uno de este modelo. [8] El prototipo Ford de 1941 podría haber sido el primer automóvil de plástico, pero existe cierta incertidumbre sobre los materiales utilizados, ya que fue destruido poco después. [9] [10]
El primer avión de 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 finales de 1942. [12] En 1943, se llevaron a cabo más experimentos para construir piezas estructurales de aviones 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. . [dieciséis]
La producción de fibra de carbono comenzó a finales de la década de 1950 y se utilizó, aunque no ampliamente, en la industria británica hasta principios de la década de 1960. En esta época también se producían fibras de aramida, que aparecieron por primera vez con el nombre comercial Nomex de DuPont . Hoy en día, cada una de estas fibras se utiliza ampliamente en la industria para cualquier aplicación que requiera plásticos con resistencia o cualidades elásticas específicas. 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 deportivas. [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 material 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 finales de la década de 1970, cuando la producción mundial de polímeros superó la del acero , convirtiendo a los polímeros en el material omnipresente que son hoy. Los plásticos reforzados con fibra han sido un aspecto importante de esta industria desde el principio.
Un polímero generalmente se fabrica mediante polimerización de crecimiento escalonado o polimerización por adición . Cuando uno o más polímeros se combinan con varios agentes para mejorar o alterar de alguna manera las propiedades del material, el resultado se denomina plástico . Los plásticos compuestos se refieren a aquellos tipos de plásticos que resultan de unir dos o más materiales homogéneos con diferentes propiedades materiales para obtener un producto final con ciertos materiales y propiedades mecánicas 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.
Al material plástico original sin refuerzo de fibras se le conoce como matriz o aglutinante . La matriz es un plástico resistente pero relativamente débil que está reforzado por filamentos o fibras de refuerzo más rígidos. El grado en que se mejoran la resistencia y la elasticidad en un plástico reforzado con fibras depende de las propiedades mecánicas tanto de la fibra como de la matriz, su volumen entre sí y la longitud y orientación de la fibra dentro de la matriz. [18] El refuerzo de la matriz ocurre 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:
Las preformas de fibra son la forma en que se fabrican las fibras antes de unirse a la matriz. Las preformas de fibra se fabrican a menudo 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 , trenzado y costura .
Generalmente se utiliza una estructura rígida para establecer la forma de los componentes de FRP. Las piezas se pueden colocar sobre una superficie plana denominada "placa de calafateo" 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 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 "preimpregnado". Las fibras secas se "mojan" con resina, ya sea a mano o se inyecta la resina en un molde cerrado. Luego se cura la pieza, dejando la matriz y las fibras con la forma creada por el molde. A veces se utiliza calor y/o presión para curar la resina y mejorar la calidad de la pieza final. Los diferentes métodos de formación se enumeran a continuación.
Se colocan láminas individuales de material preimpregnado en un molde de estilo femenino junto con una vejiga en forma de globo. El molde se cierra y se coloca en una prensa calentada. Finalmente, se presuriza la vejiga forzando 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 considera 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, se coloca una "preforma" o "carga" de SMC o BMC 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, hasta ingeniería de precisión, todo en un tiempo de curado máximo de 20 minutos. [20]
Se apilan láminas individuales de material preimpregnado y se colocan en un molde abierto. El material está cubierto con una película antiadherente, material de purga/respiración y una bolsa de vacío . Se aplica vacío a una parte y se coloca todo el molde en un autoclave (recipiente a presión calentado). La pieza se cura con 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 laminadas exactas 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]
Se envuelven láminas de material preimpregnado alrededor de un mandril de acero o aluminio. El material preimpregnado se compacta con cinta de violonchelo de nailon o polipropileno. Las piezas normalmente se curan por lotes envasándolas al vacío y colgándolas en un horno. Después del curado, se retiran el violonchelo y el mandril dejando un tubo de carbono hueco. Este proceso crea tubos de carbono huecos fuertes y robustos.
El conformado por laminado húmedo combina el refuerzo de fibra y la matriz a medida que se colocan en la herramienta de conformado. [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 trabajando en ella. 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 utiliza una bolsa de vacío para comprimir una bandeja húmeda. Las fibras de vidrio se utilizan con mayor frecuencia 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 empujan hebras continuas de fibra de vidrio a través de una pistola manual que corta las hebras y las combina con una resina catalizada como el poliéster. El vidrio cortado impregnado se dispara sobre la superficie del molde en cualquier espesor y diseño que el operador humano considere apropiado. Este proceso es bueno para grandes tiradas de producción 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, quedando una forma geométrica final aunque se puede dejar en algunos casos. [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 rugosa. El material saturado se extruye desde una matriz cerrada calentada y se 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 llamada 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 fuerza a entrar en una cavidad que está bajo vacío en el moldeo por transferencia de resina . La resina se introduce completamente en la cavidad bajo vacío en un moldeo por transferencia de resina asistido por vacío. Este proceso de moldeado permite tolerancias precisas y formas detalladas, 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 resistencia a la deformación del polímero. Los polímeros reforzados con vidrio son más fuertes y más resistentes a las fuerzas deformantes cuando las fibras del polímero son paralelas a la fuerza que se ejerce, y son más débiles cuando las fibras son perpendiculares. Por 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 en el material cuando los procesos de producción no logran orientar adecuadamente las fibras en paralelo a las fuerzas esperadas. Cuando se ejercen fuerzas perpendiculares a la orientación de las fibras, la resistencia y elasticidad del polímero es menor que la de la matriz sola. En componentes de resina fundida hechos de polímeros reforzados con vidrio como UP y EP, la orientación de las fibras se puede orientar en tejidos 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 que se formen puntos débiles en el polímero.
La falla estructural puede ocurrir en materiales FRP cuando:
Un material de matriz polimérica termoestable , o un material de matriz polimérica termoplástica de grado de ingeniería, debe cumplir ciertos requisitos para ser primero adecuado para FRP y garantizar un refuerzo exitoso del mismo. La matriz debe poder saturarse adecuadamente y preferiblemente unirse químicamente con el refuerzo de fibra para una 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 una falla, se localice lo más posible, y si se produce una falla, 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 moldeado. Para ser adecuados como material de refuerzo, los aditivos de fibras deben aumentar la resistencia a la tracción y el módulo de elasticidad de la matriz y cumplir las siguientes condiciones; las fibras deben exceder el contenido crítico de fibra; la resistencia y rigidez de las fibras mismas deben exceder la resistencia y rigidez de la matriz 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. Luego, estas mezclas 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 oscila entre 9 y 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 diferencia, 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 son aplicables también 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 en hilos de mayor diámetro. Estos hilos se utilizan comúnmente para telas y esteras de vidrio de refuerzo y en aplicaciones de pulverización.
Los tejidos de fibra ( tela de vidrio , etc.) son materiales de refuerzo de tejido en forma de red que tienen direcciones de urdimbre y trama. Las esteras de fibra son esteras no tejidas de fibras de vidrio en forma de red. Las esteras se fabrican en dimensiones cortadas con fibras troceadas, o en esteras continuas utilizando fibras continuas. La fibra de vidrio picada se utiliza en procesos en los que se cortan longitudes de hilos de vidrio de entre 3 y 26 mm; luego, los hilos se utilizan en plásticos destinados más comúnmente a procesos de moldeo. Las hebras cortas de fibra de vidrio son hebras cortas de fibra de vidrio de 0,2 a 0,3 mm 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 adicionales 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 oscilan entre 4 y 17 µm. Estas fibras se enrollan en hilos más grandes para el transporte y procesos de producción posteriores. [17] Otros procesos de producción incluyen tejer o trenzar telas, telas y esteras de carbono análogas a las descritas para el vidrio que luego pueden usarse en refuerzos reales. [18]
Las fibras de aramida se conocen más comúnmente como Kevlar, Nomex y Technora. Las aramidas generalmente se preparan 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] Luego, las fibras se hilan en hilos más grandes para tejer grandes cuerdas o tejidos (aramida). [18] Las fibras de aramida se fabrican con distintos grados en función de su resistencia y rigidez, de modo que el material se pueda adaptar para cumplir 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 simplificación de las piezas tanto en la producción como en el funcionamiento. Las fibras proporcionan resistencia y rigidez al material, mientras que la matriz polimérica sostiene las fibras. juntos y transfiere cargas entre ellos. Los compuestos de FRP tienen una amplia gama de aplicaciones en diversas industrias debido a su combinación única de propiedades, incluida 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 acero o aluminio fundido, y mantiene tolerancias y resistencias del material similares y, a veces, mejores.
Timón del Airbus A310
Los colectores de admisión del motor están fabricados de PA 66 reforzado con fibra de vidrio.
Pedales de acelerador y embrague para automóviles fabricados con PA 66 reforzado con fibra de vidrio (DWP 12–13)
Las ventanas, puertas y fachadas de aluminio se aíslan térmicamente mediante el uso de plásticos aislantes térmicos fabricados con poliamida reforzada con fibra de vidrio. En 1977, Ensinger GmbH produjo el primer perfil aislante para sistemas de ventanas.
El FRP se puede aplicar para reforzar las vigas , columnas , [22] y losas de edificios y puentes. Es posible aumentar la resistencia de los miembros estructurales incluso después de que hayan sufrido daños graves debido a las condiciones de carga . En el caso de miembros de hormigón armado dañados , esto requeriría primero la reparación del miembro eliminando los escombros sueltos y rellenando las cavidades y grietas con mortero o resina epoxi . Una vez reparado el miembro, el fortalecimiento se puede lograr mediante la colocación manual y húmeda de láminas de fibra impregnadas con resina epoxi, aplicadas a las superficies limpias y preparadas del miembro.
Normalmente se adoptan dos técnicas para el refuerzo de vigas, dependiendo de la mejora de resistencia deseada: refuerzo por flexión o refuerzo por corte . En muchos casos puede ser necesario proporcionar ambas mejoras de fuerza. Para el refuerzo por flexión de una viga, se aplican láminas o placas de FRP a la cara tensada del miembro (la cara inferior para un miembro simplemente apoyado con carga superior aplicada o carga por gravedad). Las principales fibras de tracción están orientadas paralelas al eje longitudinal de la viga, de forma similar a su refuerzo interno de acero a flexión. Esto aumenta la resistencia de la viga y su rigidez ( carga requerida para causar la deflexión unitaria), pero disminuye la capacidad de deflexión y la ductilidad.
Para el refuerzo a cortante 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 , puenteando 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 fortalecimiento deseado, esto incluye: unión lateral, envolturas en U (chaquetas en U) y envolturas cerradas (envolturas completas). La unión lateral implica aplicar FRP únicamente a los lados de la viga. Proporciona la menor cantidad de refuerzo al corte debido a fallas causadas por la desunión de la superficie del concreto en los bordes libres de FRP. Para las envolturas en U, el FRP se aplica continuamente 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 resistencia. El envoltorio cerrado implica la aplicación de FRP en todo el perímetro del elemento, de forma que no queden extremos libres y el modo de fallo típico sea la rotura de las fibras. Para todas las configuraciones de envoltura, el FRP se puede aplicar a lo largo del miembro como una hoja 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 a la 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 efectividad del refuerzo con FRP depende del desempeño de la resina elegida para el pegado. Esto es particularmente un problema para el refuerzo por corte mediante unión lateral o envolturas en U. Las columnas generalmente están envueltas con FRP alrededor de su perímetro, como en el caso de una envoltura cerrada o completa. Esto no sólo da como resultado una mayor resistencia al corte, sino que, lo que es más importante para el diseño de la columna , 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. [23] [24]
En junio de 2013, la empresa de ascensores KONE anunció el uso de Ultrarope como reemplazo de los cables de acero en los ascensores. Sella las fibras de carbono en polímero 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 un máximo de 500 m (1600 pies). La empresa estimó que en un edificio de 500 m (1600 pies) de altura, un ascensor utilizaría un 15% menos de energía eléctrica que una versión con cable de acero. En junio de 2013, el producto había superado todas las pruebas de certificación de la Unión Europea y Estados Unidos. [25]
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 principal de diseño para usar FRP es garantizar 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 tanto, el uso de refuerzo de fibras y su orientación afecta a la resistencia, rigidez, elasticidad y, por tanto, a la funcionalidad del propio producto final. Orientar las fibras de forma 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 causada por estas fuerzas, por lo que las áreas de un producto que deben resistir 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.
Orientar las fibras en más dimensiones evita este escenario de una u otra 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 pueden magnificarse o disminuirse mediante la forma geométrica y el diseño del producto final. Por ejemplo, garantizar el espesor de pared adecuado y crear formas geométricas multifuncionales que puedan moldearse 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 FR están sujetos 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 su estado virgen. Por esta razón, no todos los plásticos se pueden reciclar para su reutilización; de hecho, algunas estimaciones afirman que sólo entre el 20 % y el 30 % de los plásticos se pueden reciclar. Los plásticos reforzados con fibra y sus matrices comparten estas preocupaciones medioambientales y de eliminación. La investigación sobre métodos de eliminación seguros ha conducido a dos variaciones principales que implican la aplicación de calor intenso: en una, los aglutinantes se queman -en el proceso recuperando parte del costo del material hundido en forma de calor- y los elementos incombustibles se capturan mediante filtración; en el otro, el material incombustible se quema en un horno de cemento, convirtiéndose las fibras en parte integrante del material fundido resultante. [26] Además de las preocupaciones sobre la eliminación segura, el hecho de que las fibras en sí sean difíciles de eliminar de la matriz y conservarlas para su reutilización significa que los FRP amplifican estos desafíos. Los FRP son inherentemente difíciles de separar en materiales 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 ambientalmente informado hoy en día. Los plásticos suelen ofrecer ahorros energéticos y 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 medioambiental. [18]
