El preimpregnado es un material compuesto hecho de fibras "preimpregnadas" y una matriz de polímero parcialmente curada , como resina epoxi o fenólica , o incluso termoplástico mezclado con cauchos líquidos o resinas . [1] Las fibras a menudo toman la forma de un tejido y la matriz se utiliza para unirlas entre sí y a otros componentes durante la fabricación. La matriz termoendurecible solo se cura parcialmente para permitir una fácil manipulación; este material de etapa B requiere almacenamiento en frío para evitar el curado completo. El preimpregnado de etapa B siempre se almacena en áreas refrigeradas ya que el calor acelera la polimerización completa. Por lo tanto, las estructuras compuestas construidas con preimpregnados requerirán principalmente un horno o autoclave para curarse. 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 de polímero proporciona propiedades de relleno, manteniendo las fibras en un solo sistema.
El preimpregnado permite impregnar las fibras en una superficie plana trabajable, o mejor dicho, en un proceso industrial, y luego darles 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 refrigerada (por debajo de los 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 de la preparación del preimpregnado está en la etapa del proveedor del material.
Esta técnica se puede utilizar en la industria aeronáutica. En principio, el preimpregnado tiene el potencial de procesarse en lotes. A pesar de que la fibra de vidrio tiene una gran aplicabilidad en aeronaves, en particular en motores de aviones pequeños, la fibra de carbono se utiliza en este tipo de industria a un ritmo mayor y su demanda está aumentando. Por ejemplo, la caracterización del Airbus A380 se maneja por medio de una fracción de masa. Esta fracción de masa es de aproximadamente el 20%, y la del Airbus A350XWB por una fracción de masa de aproximadamente el 50% de preimpregnados de fibra de carbono. Los preimpregnados de fibra de carbono se han utilizado en los perfiles aerodinámicos de la flota de Airbus durante más de 20 años.
El uso de preimpregnados en la industria automotriz se realiza en cantidades relativamente limitadas en comparación con otras técnicas como la colocación automatizada de cintas y la colocación automatizada de fibras. La razón principal es el costo relativamente alto de las fibras de preimpregnados, así como de los compuestos utilizados en los moldes. Algunos ejemplos de dichos materiales son el compuesto de moldeo a granel (BMC) o el compuesto de moldeo en láminas (SMC).
Existen muchos productos que utilizan el concepto de preimpregnado entre los que se encuentran los siguientes.
Hay muchos tipos de fibras que pueden ser excelentes candidatos para la preparación de fibras preimpregnadas. [2] Las fibras más comunes entre estos candidatos son las siguientes fibras.
Los sistemas de matriz se diferencian según su temperatura de endurecimiento y el tipo de resina. La temperatura de endurecimiento 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 del preimpregnado está formada por una mezcla de resina y endurecedor, en algunos casos un acelerador. [3] La congelación a -20 °C impide que la resina reaccione con el endurecedor. Si se interrumpe la cadena de frío , se inicia la reacción y el preimpregnado se vuelve inutilizable. También existen preimpregnados de alta temperatura que se pueden almacenar durante un tiempo determinado a temperatura ambiente. Estos preimpregnados se pueden curar después solo en un autoclave a temperatura elevada.
Se utilizan principalmente resinas basadas en resina epoxi. También se encuentran disponibles preimpregnados basados en éster de vinilo. Dado que las resinas de éster de vinilo deben acelerarse previamente con un acelerador de amina o cobalto, su tiempo de procesamiento a temperatura ambiente es más corto que el de los preimpregnados basados en epoxi. Los catalizadores (también llamados endurecedores) incluyen peróxidos como el peróxido de metiletilcetona (MEKP), el peróxido de acetilacetona (AAP) o el peróxido de ciclohexanona (CHP). La resina de éster de vinilo se utiliza bajo una gran tensión de impacto.
Las propiedades de los componentes de resina y fibra influyen en la evolución de las microestructuras de preimpregnado VBO (solo bolsa de vacío) durante el curado. Sin embargo, generalmente, las propiedades de la fibra y las arquitecturas del lecho de fibra están estandarizadas, mientras que las propiedades de la matriz impulsan tanto el preimpregnado como el desarrollo 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 de preimpregnado secas puede sugerir la necesidad de resinas de baja viscosidad. Sin embargo, Ridgard explica que los sistemas de preimpregnado 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 bodegas 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 en frío , 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 las elásticas del preimpregnado deben ajustarse a los parámetros de procesamiento específicos encontrados durante el curado y, en última instancia, garantizar que la mayoría de la presión aplicada se transfiera a la resina. En conjunto, la evolución reológica de las resinas VBO debe equilibrar la reducción de los huecos causados por los gases atrapados y los huecos causados por un flujo insuficiente.
A temperatura ambiente la resina reacciona muy lentamente y si se congela se mantendrá estable durante años. Por ello, los preimpregnados solo pueden curarse a altas temperaturas. [8] Se pueden procesar con la técnica de prensado en caliente o con la técnica de autoclave. Mediante la presión se aumenta la fracción de volumen de fibra en ambas técnicas.
Las mejores calidades se pueden obtener con la técnica del autoclave. La combinación de presión y vacío da como resultado componentes con inclusiones de aire muy bajas. [9]
El curado puede ser seguido por un proceso de templado, que sirve para una reticulación completa.
Los recientes avances en los procesos fuera de autoclave (OOA) [10] prometen mejorar el rendimiento y reducir los costos de las estructuras compuestas. Al utilizar solo bolsas de vacío (VBO) para presiones atmosféricas, los nuevos procesos OOA prometen ofrecer menos del 1 por ciento de contenido de 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 grandes autoclaves de estructuras (100 millones de dólares ahorrados en la NASA) y haría económicamente viables las pequeñas series de producción de 100 aeronaves. [11]
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