En términos de aplicabilidad y rendimiento (mecánico y térmico), los plásticos han evolucionado tradicionalmente hacia los plásticos reforzados, una estrategia altamente efectiva para aumentar su resistencia, rigidez, resistencia térmica y durabilidad, manteniendo las ventajas inherentes de los materiales termoplásticos. Este artículo explora los principios, beneficios y aplicaciones de los polímeros y termoplásticos reforzados con fibra en un momento de creciente interés por el uso de refuerzos.
El refuerzo de plásticos está directamente relacionado con el tipo y la geometría de la fibra, lo que afecta la aplicación final en términos de rendimiento mecánico, peso, sostenibilidad, reología, precio y otros factores. Todos ellos determinan la fibra seleccionada para el material/aplicación en cuestión.
Las fibras de refuerzo típicas incluyen las siguientes:
Fibras de vidrio: las fibras de vidrio son ampliamente utilizadas debido a su alta resistencia, rigidez y costo relativamente bajo. Están disponibles en diferentes formas, incluyendo hebras cortadas y rovings continuos, proporcionando una gran variedad de diseños de compuestos.
Fibras de carbono: las fibras de carbono ofrecen una excepcional relación resistencia-peso, alta rigidez y excelente resistencia a la fatiga. Los termoplásticos reforzados con fibra de carbono se encuentran en aplicaciones en las industrias aeroespacial, automotriz y de artículos deportivos. El factor clave en aplicaciones de alto valor añadido que superan a las fibras de vidrio es su ligereza.
Fibras de aramida: las fibras de aramida como el Kevlar® exhiben una resistencia y resistencia al impacto sobresalientes junto con una excelente resistencia a la abrasión. Los termoplásticos reforzados con aramida se utilizan en compuestos balísticos, componentes aeroespaciales y equipos deportivos de alto rendimiento, aunque con mucha menos frecuencia que las fibras de vidrio y carbono.
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Fibras naturales: las fibras naturales como el cáñamo, lino y yute están ganando atención por sus características medioambientales. Aunque no son tan fuertes como las fibras sintéticas, ofrecen buena resistencia específica, baja densidad y biodegradabilidad, lo que las hace adecuadas para interiores de automóviles, materiales de construcción y bienes de consumo. Su principal característica es su baja huella de carbono.
Fibras de basalto: derivadas de roca volcánica natural, las fibras de basalto son conocidas por su excepcional resistencia al calor y durabilidad, lo que las hace ideales para su uso en termoplásticos. Estas fibras cuentan con impresionantes propiedades mecánicas, incluyendo alta resistencia a la tracción, rigidez y, sobre todo, estabilidad térmica.
La Longitud de la Fibra Importa
La longitud de la fibra es crucial para lograr los niveles de rendimiento deseados. En general, cuanto más larga sea la fibra en el compuesto y por lo tanto en el producto plástico final, mejor será el rendimiento general. Esta característica depende de la longitud inicial del grado de fibra seleccionado y las condiciones de procesamiento que pueden romperlas en fibras individuales más cortas, reduciendo así el rendimiento mecánico final. El rendimiento físico de una fibra puede evaluarse mediante calcinación y mediciones de longitud de fibra en compuestos y piezas finales.
El refuerzo de fibra corta (“chopped”) implica el uso de fibras que varían desde unos pocos hasta varios milímetros de longitud (3-8 mm) orientadas aleatoriamente dentro de la matriz polimérica, aunque preferentemente en la dirección del flujo del plástico. Este tipo de refuerzo se utiliza comúnmente en procesos de moldeo por inyección y moldeo por compresión para aplicaciones que requieren formas intrincadas y geometrías complejas, como componentes interiores de automóviles y bienes de consumo. Los termoplásticos reforzados con fibra corta ofrecen soluciones rentables para mejorar las propiedades mecánicas y la estabilidad dimensional. Es la fibra más común para aplicaciones de uso general.
El refuerzo de fibra larga utiliza fibras que miden varios centímetros de longitud (1.25-2.5 cm, según se mide en los pellets finales) y típicamente alineadas u orientadas en una dirección específica dentro de la matriz polimérica. Este método es adecuado para componentes estructurales en las industrias automotriz, aeroespacial y de construcción porque proporciona propiedades mecánicas superiores, incluyendo alta rigidez, resistencia a la tracción y resistencia a la fatiga, así como una resistencia al impacto excepcional.
El refuerzo de fibra continua implica el uso de fibras ininterrumpidas alineadas en una sola dirección a lo largo de la pieza compuesta. Esta técnica se utiliza en procesos de fabricación avanzados como el “automated fibre placement” (AFP) o “automated tape laying” (ATL). Ofrece propiedades mecánicas excepcionales que lo hacen ideal para aplicaciones de alto rendimiento en las industrias aeroespacial, de defensa y automotriz. Las fibras continuas permiten diseñar componentes ligeros, pero estructuralmente eficientes y proporcionan altas relaciones resistencia-peso y flexibilidad para formas y estructuras complejas. En este caso, la longitud de la fibra no es un problema porque la fibra generalmente está incrustada en una cinta UD que cubre toda la longitud en una bobina.
A diferencia de las fibras cortas, las fibras molidas son hebras de materiales de refuerzo finamente molidas y procesadas a longitudes uniformes (0.1-0.3 mm). Ofrecen ventajas específicas en aplicaciones de materiales compuestos en una amplia gama de industrias. El refuerzo de fibra molida mejora el rendimiento de los termoplásticos en las industrias automotriz, manufacturera, de construcción, marina y aeroespacial al mejorar la resistencia al impacto, la rigidez y la estabilidad dimensional. También se pueden utilizar en procesos de compounding donde la capacidad de mezcla es menor, por ejemplo, extrusión monohusillo.
Como se mencionó anteriormente, las fibras pueden mejorar muchas propiedades diferentes de los plásticos, incluyendo propiedades mecánicas, temperatura de servicio, tenacidad y resistencia al impacto, estabilidad dimensional, reducción de peso y resistencia a la corrosión, proporcionando así mejoras importantes en industrias de alto valor añadido, a saber:
Industria automotriz: los componentes compuestos ligeros, pero de alta resistencia se utilizan en paneles de carrocería de vehículos, molduras interiores y refuerzos estructurales para mejorar la eficiencia del combustible y la seguridad en choques.
Aeroespacial: los termoplásticos reforzados con fibra de carbono se utilizan en componentes de aeronaves para reducir el peso mientras se mantiene la integridad estructural y la resistencia a la fatiga.
Construcción: los termoplásticos reforzados con fibra encuentran aplicaciones en materiales de construcción como perfiles estructurales, paneles y refuerzos, que proporcionan durabilidad, resistencia a la corrosión y facilidad de instalación.
Deporte y Ocio: desde marcos de bicicletas hasta raquetas de tenis, los termoplásticos reforzados con fibra proporcionan soluciones ligeras y de alto rendimiento para los fabricantes de artículos deportivos, son claros ejemplos de sustitución metálica por compuestos o composites reforzados.
Electrónica: En electrónica predomina el uso de fibra de vidrio para la mejora mecánica de diferentes componentes y por sus características aislantes, no obstante, el uso de fibra de carbono se puede contemplar para la obtención de compuestos conductores eléctricos reforzados. Carcasas electrónicas, conectores y alojamientos para proporcionar blindaje electromagnético y estabilidad estructural.
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Además de estos campos de aplicación, los termoplásticos reforzados continúan siendo un área dinámica de innovación en materiales con varias tendencias clave que están moldeando su desarrollo y adopción en diferentes industrias. Algunas tendencias que destacan en los termoplásticos reforzados basadas en las mejoras logradas incluyen las siguientes:
Mayor Uso de Refuerzos de Fibra de Carbono
Los termoplásticos reforzados con fibra de carbono (CFRTP) están ganando popularidad debido a su excepcional relación resistencia-peso, rigidez y resistencia a la fatiga. Las industrias aeroespacial, automotriz y de artículos deportivos están adoptando cada vez más los CFRTP para componentes estructurales ligeros, lo que lleva a avances en técnicas de procesamiento y esfuerzos de reducción de costos, principalmente al sustituir materiales termoestables por termoplásticos.
Desarrollo de Sistemas de Refuerzo Híbridos
Los sistemas de refuerzo híbridos, que combinan principalmente carbono y vidrio, se están explorando para lograr efectos sinérgicos y personalizar las propiedades mecánicas para aplicaciones específicas. El precio equilibrado, el peso y el rendimiento son los puntos clave para combinar fibras de vidrio y carbono, también para minimizar la conductividad eléctrica de las fibras de carbono.
Uso de Polímeros de altas prestaciones
Los polímeros de alto rendimiento son otro punto de interés en compuestos y compuestos termoplásticos reforzados. Las propiedades sobresalientes que se pueden lograr y los precios más bajos de las fibras de vidrio/carbono hacen que estos compuestos sean muy atractivos para polímeros de alto rendimiento, especialmente el PEEK y otros polímeros de esta familia.
Integración de Fabricación Aditiva (Impresión 3D)
Las tecnologías de fabricación aditiva, como el “FDM” y el refuerzo continuo de fibra (CFR), se están combinando para producir piezas termoplásticas reforzadas con fibra complejas con propiedades mecánicas mejoradas, en este sentido las mejoras en los procesos de FDM han facilitado el poder trabajar con materiales más complicados desde el punto de vista de rigidez y viscosidad potenciando así el incremento de uso de los materiales reforzados con fibras.
Sostenibilidad y Materiales Reciclados
Ha habido un aumento en el desarrollo de termoplásticos reforzados sostenibles utilizando materiales reciclados y de fuentes renovables. Como materiales renovables, las fibras naturales están atrayendo mayor atención en los mercados automotriz y de construcción debido a su bajo peso, disponibilidad y precios reducidos. La aplicación principal de estas fibras es como reemplazo de rellenos minerales. Las fibras naturales también pueden utilizarse en el mercado de los bioplásticos que está en un momento de auge principalmente en pieza inyectada.
Las fibras recicladas a partir de reciclados químicos de resinas termoestables también son de creciente interés para reducir precios y el impacto ambiental de los productos finales manteniendo un buen nivel de refuerzo, el número de empresas dedicadas al reciclado de fibras también está en crecimiento.
Refuerzo de Fibra Continua
La fibra continua está ganando relevancia en el mundo de los refuerzos en términos de reemplazar estructuras fabricadas con resinas termoestables reforzadas. La principal ventaja de estos compuestos termoplásticos es la versatilidad de las matrices y la reciclabilidad.
Avances en Tecnologías de Procesamiento
Los continuos avances en tecnologías de procesamiento como la AFP o la ATL y los métodos de consolidación in situ están permitiendo la fabricación eficiente de estructuras termoplásticas complejas reforzadas con fibra.
Estas tecnologías ofrecen mayor rendimiento, precisión y escalabilidad, lo que facilita la producción en masa de componentes de alto rendimiento para aplicaciones aeroespaciales, automotrices e industriales.
En general, los plásticos reforzados con fibra están viviendo una segunda juventud con tecnologías emergentes, tendencias ambientales, nuevos polímeros y formatos de fibra que actualizan estos compuestos, encontrando nuevas aplicaciones en sectores no tradicionales como las industrias aeroespacial, automotriz, de electrónica de consumo, dispositivos médicos y energías renovables. El potencial de los termoplásticos reforzados principalmente la versatilidad, procesabilidad, durabilidad y personalización está impulsando su adopción en sectores emergentes que buscan materiales ligeros, duraderos y de alto rendimiento.
AIMPLAS consciente de estos cambios y desafíos está trabajando en todos estos sectores en cooperación con empresas para maximizar la eficacia de sus productos reforzados con fibra y cubriendo toda la cadena de valor, incluyendo el compounding, la transformación y el reciclaje de estos productos de manera eficiente.
Autor: Luis Roca, líder de Compounding, AIMPLAS.
