El preimpregnado es un material compuesto elaborado a partir de fibras "preimpregnadas" y una matriz polimérica parcialmente curada , como resina epoxi o fenólica , o incluso termoplástico mezclado con cauchos o resinas líquidas . [1] Las fibras a menudo toman la forma de un tejido y la matriz se utiliza para unirlas entre sí y con otros componentes durante la fabricación. La matriz termoestable sólo está parcialmente curada para permitir una fácil manipulación; Este material B-Stage requiere almacenamiento en frío para evitar un curado completo. El preimpregnado B-Stage siempre se almacena en áreas frías ya que el calor acelera la polimerización completa. Por lo tanto, las estructuras compuestas construidas con preimpregnaciones requerirán en su mayoría un horno o autoclave para curar. La idea principal detrás de un material preimpregnado es el uso de propiedades mecánicas anisotrópicas a lo largo de las fibras, mientras que la matriz polimérica proporciona propiedades de relleno, manteniendo las fibras en un solo sistema.
El preimpregnado permite impregnar las fibras sobre una superficie plana trabajable, o más bien en un proceso industrial, y luego dar a las fibras impregnadas una forma que podría resultar problemática para el proceso de inyección en caliente. El preimpregnado también permite impregnar una gran cantidad de fibra y luego almacenarla en un área fría (por debajo de 20 °C) durante un período prolongado para curarla más tarde. El proceso también puede llevar mucho tiempo en comparación con el proceso de inyección en caliente y el valor agregado para la preparación de preimpregnados se encuentra en la etapa del proveedor del material.
Esta técnica se puede utilizar en la industria de la aviación. Como en principio, el preimpregnado tiene el potencial de procesarse en tamaños de lote. A pesar de que la fibra de vidrio tiene una alta aplicabilidad en aviones, específicamente en motores de aviones pequeños, la fibra de carbono se emplea en este tipo de industria a un ritmo mayor y su demanda está aumentando. Por ejemplo, la caracterización del Airbus A380 se realiza mediante una fracción de masa. Esta fracción de masa es de aproximadamente el 20%, y el Airbus A350XWB de una fracción de masa de aproximadamente el 50% de los preimpregnados de fibra de carbono. Los preimpregnados de fibra de carbono se utilizan en los perfiles aerodinámicos de la flota de Airbus desde hace más de 20 años.
El uso de preimpregnado en la industria automotriz se utiliza en cantidades relativamente limitadas en comparación con otras técnicas como el laminado automatizado de cinta y la colocación automatizada de fibras. La razón principal detrás de esto es el costo relativamente alto de las fibras preimpregnadas, así como de los compuestos utilizados en los moldes. Ejemplos de tales materiales son la masa de moldeo en masa (BMC) o la masa de moldeo en láminas (SMC).
Existen muchos productos que utilizan el concepto de preimpregnado entre los que se encuentra el siguiente.
Existen muchos tipos de fibras que pueden ser excelentes candidatas para la preparación de fibras preimpregnadas. [2] Las fibras más comunes entre estos candidatos son las siguientes fibras.
Se distinguen los sistemas matriciales según su temperatura de endurecimiento y el tipo de resina. La temperatura de curado influye en gran medida en la temperatura de transición vítrea y, por tanto, en la temperatura de funcionamiento. Los aviones militares utilizan principalmente sistemas de 180 °C.
La matriz preimpregnada consta de una mezcla de resina y endurecedor, en algunos casos un acelerador. [3] La congelación a -20 °C evita que la resina reaccione con el endurecedor. Si se interrumpe la cadena de frío , la reacción comienza y el preimpregnado queda inutilizable. También existen preimpregnados de alta temperatura que se pueden almacenar durante un tiempo determinado a temperatura ambiente. Estos preimpregnados pueden entonces curarse sólo en un autoclave a temperatura elevada.
Se utilizan principalmente resinas a base de resina epoxi. También se encuentran disponibles preimpregnados a base de éster vinílico. Dado que las resinas de éster vinílico deben acelerarse previamente con un acelerador de amina o cobalto, su tiempo de procesamiento a temperatura ambiente es más corto que con los preimpregnados a base de epoxi. Los catalizadores (también llamados endurecedores) incluyen peróxidos como peróxido de metiletilcetona (MEKP), peróxido de acetil acetona (AAP) o peróxido de ciclohexanona (CHP). La resina de éster vinílico se utiliza bajo estrés de alto impacto.
Las propiedades de los componentes de la resina y la fibra influyen en la evolución de las microestructuras de preimpregnados VBO (solo bolsa de vacío) durante el curado. Sin embargo, en general, las propiedades de las fibras y las arquitecturas de los lechos de fibras están estandarizadas, mientras que las propiedades de la matriz impulsan tanto el desarrollo del preimpregnado como del proceso. [4] Por lo tanto, es fundamental comprender la dependencia de la evolución microestructural de las propiedades de la resina y ha sido investigada por numerosos autores. La presencia de áreas preimpregnadas secas puede sugerir la necesidad de resinas de baja viscosidad. Sin embargo, Ridgard explica que los sistemas preimpregnados de VBO están diseñados para permanecer relativamente viscosos en las primeras etapas del curado para impedir la infiltración y permitir que persistan suficientes áreas secas para que se produzca la evacuación del aire. Debido a que las mantenciones de vacío a temperatura ambiente utilizadas para evacuar el aire de los sistemas VBO a veces se miden en horas o días, es fundamental que la viscosidad de la resina inhiba el flujo frío , lo que podría sellar prematuramente las vías de evacuación de aire. [5] Sin embargo, el perfil de viscosidad general también debe permitir un flujo suficiente a la temperatura de curado para impregnar completamente el preimpregnado, para que no queden áreas secas generalizadas en la pieza final. [6] Además, Boyd y Maskell [7] sostienen que para inhibir la formación y el crecimiento de burbujas a bajas presiones de consolidación, tanto las características viscosas como elásticas del preimpregnado deben ajustarse a los parámetros de procesamiento específicos encontrados durante el curado y, en última instancia, garantizar que un La mayor parte de la presión aplicada se transfiere a la resina. En conjunto, la evolución reológica de las resinas VBO debe equilibrar la reducción tanto de los huecos causados por gases atrapados como de los huecos causados por un flujo insuficiente.
A temperatura ambiente, la resina reacciona muy lentamente y, si se congela, permanecerá estable durante años. Por tanto, los preimpregnados sólo pueden curarse a altas temperaturas. [8] Pueden procesarse con la técnica de prensado en caliente o con la técnica de autoclave. Mediante presión se aumenta la fracción volumétrica de fibra en ambas técnicas.
Las mejores calidades se pueden producir con la técnica del autoclave. La combinación de presión y vacío da como resultado componentes con muy pocas inclusiones de aire. [9]
Al endurecimiento puede seguirle un proceso de templado, que sirve para una reticulación completa.
Los avances recientes en los procesos fuera de autoclave (OOA) [10] son prometedores para mejorar el rendimiento y reducir los costos de las estructuras compuestas. Utilizando sólo bolsas de vacío (VBO) para presiones atmosféricas, los nuevos procesos OOA prometen entregar menos del 1 por ciento de contenido vacío requerido para las estructuras primarias aeroespaciales. Dirigida por científicos de materiales del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea , la técnica ahorraría los costos de construcción e instalación de autoclaves de estructuras grandes (100 millones de dólares ahorrados en la NASA) y haría económicamente viables las pequeñas series de producción de 100 aviones. [11]
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