Composites

Palabras Claves:
matriz, resistencia, termorrígido, dureza

Como primera medida...un compósito es cualquier material constituido por más de un componente. Hay un montón de compósitos alrededor suyo. El concreto es un compósito. Está formado por cemento, grava y arena, y a menudo contiene bastones de acero en su interior para refuerzo. Otros compósitoss están constituidos por una lámina de poliéster y una fina lámina de aluminio formando un sandwich.

En esta página vamos a hablar principalmente de los compósitos poliméricos. Obviamente nos referimos a los compósitos constituidos por polímeros o por polímeros y otra clase de materiales. Pero específicamente vamos a tratar con los compósitos de fibra reforzada. Estos son materiales en los cuales una fibra hecha de un material es incorporada a otro material. ¿Por qué hacemos ésto? Veamos...

Seco

Odio desilusionar a los rockeros, pero esta sección no tiene nada que ver con Polly Jean Harvey, aunque sí está relacionada con Los Beatles, como usted verá si sigue leyendo. De todos modos, hablemos de un ejemplo de uno de los primeros compósitos poliméricos de fibra reforzada hecho por los seres humanos. Hace mucho tiempo, los habitantes de América del Sur y Central usaron el latex de caucho natural, el poliisopreno, para hacer guantes, botas y pelotas de goma que usaban para un juego muy similar al básquet moderno. Pero si usted ha usado alguna vez guantes de goma, sabrá que un impermeable hecho de latex de caucho sería verdaderamente incómodo. De modo que en algún momento de mediados del siglo XIX, un hombre llamado Charles Macintosh apareció con una brillante idea...

Tomó dos capas de hilado de algodón y las incorporó al caucho natural, también conocido como poliisopreno, haciendo un sandwich de tres capas, como el que está a la derecha. (Recuerde que el algodón es una forma de polímero natural llamado celulosa.) Con ésto se logró un buen impermeable, porque el caucho impidió que pasara el agua y las capas de algodón lo hicieron cómodo para usar. Hasta hoy, en Inglaterra se le dice "macintosh" a los impermeables, o simplemente "mack". Y a eso se refieren Los Beatles cuando cantan en "Penny Lane": "And the banker never wears a mack/In the pouring rain, very strange" ("Y el bancario nunca usa impermeable/Bajo el aguacero, qué extraño").

¿Y por qué hacemos compósitos?: para lograr un material que tenga las propiedades de los dos componentes que los conforman. En este caso, combinamos la resistencia al agua del poliisopreno con el confort del algodón.

Los compósitos modernos están hechos, generalmente, de dos componentes, una fibra y una matriz. La fibra es casi siempre vidrio, pero a veces es Kevlar, fibra de carbono, o polietileno. La matriz es por lo general un termorrígido como una resina epoxi, el polidiciclopentadieno, o una poliimida. La fibra es incorporada a la matriz con el propósito de volverla a ésta más resistente. Los compósitos de fibra reforzada tienen dos características importantes. Son resistentes y livianos. A menudo son más resistentes que el acero, pero pesan mucho menos. Esto significa que los compósitos pueden ser usados para hacer más livianos a los autos, aumentando la eficiencia de la nafta. Y también significa menor contaminación.

Lo que Hacen las Fibras

Un compósito común de fibra reforzada en el FiberglasTM. Su matriz se hace por reacción de un poliéster con los dobles enlaces carbono-carbono de su cadena y con estireno. Se vierte una mezcla del estireno y el poliéster sobre una masa de fibras de vidrio.
El estireno y los dobles enlaces del poliéster reaccionan por polimerización vinílica por radicales libres y forman una resina entrecruzada. Las fibras de vidrio quedan atrapadas en el interior, donde actúan como refuerzo.

En el FiberglasTM las fibras no están alineadas en ninguna dirección en particular. Constituyen sólo una masa entrelazada, como se ve a la derecha. Pero podemos hacer que el compósito sea más resistente, alineando todas las fibras en la misma dirección. Las fibras orientadas hacen cosas extrañas en el compósito. Cuando usted estira el compósito en la dirección de las fibras, éste es muy resistente. Pero si lo estira en ángulos rectos a la dirección de las fibras, el material ya no es resistente en absoluto.

Esto no siempre es malo, porque a veces sólo necesitamos que el compósito sea resistente en una sola dirección. En ocasiones, el material que usted está haciendo, sólo estará bajo tensión en una dirección.

Pero otras veces requerimos resistencia en más de una dirección. De modo que simplemente orientamos las fibras en más de una dirección. A menudo hacemos ésto empleando un tejido de las fibras para reforzar el compósito. Este tejido le otorga al compósito buena resistencia en muchas direcciones.

Qué Hace la Matriz

¿Y qué hay de la matriz? Hemos hablado de lo que hacen las fibras por la matriz, ¿pero qué hace la matriz por las fibras? ¿Por qué no usamos sólo las fibras? En primer lugar, la matriz mantiene unidas a las fibras. Un montón de fibras sueltas no sería de gran utilidad. Además, si bien las fibras son resistentes, pueden ser quebradizas. Bajo tensión, la matriz puede absorber energía por deformación. Es decir, la matriz adiciona dureza al compósito. Y finalmente, a pesar de que las fibras tienen buena fuerza tensil (es decir, son resistentes cuando se las estira), por lo general tienen una pésima resistencia a la compresión. O sea, se arquean cuando usted las aprieta. La matriz le otorga al compósito, resistencia a la compresión.

Si desea saber más sobre lo que significa ser resistente y duro y cuál es la diferencia entre resistencia y dureza, visite nuestra página que trata sobre las Propiedades Mecánicas de los Polímeros.

Comparando las Fibras

No todas las fibras son iguales. Tienen sus pro y sus contra. El vidrio es la fibra más conocida. ¿Por qué? Porque es muy económico. Puede parecer extraño que el vidrio sea usado como reforzante, cuando es realmente tan fácil de romper. Lo sé a través de años de experiencia destructiva en el laboratorio. Pero por alguna razón, cuando el vidrio es transformado en fibras diminutas, se comporta de modo muy distinto. Las fibras de vidrio son resistentes y flexibles.

Y ya que estamos...¿Se acuerda de las zapatillas de cristal que la Cenicienta usaba en el baile? Por cierto que no estaban hechas de cristal común. Eran de un material compósito de fibra reforzada de vidrio. Es decir, piénselo. ¿Zapatos de cristal? ¡Se hubieran roto en cuanto la Cenicienta pisara la superficie de grava a la entrada del palacio del Príncipe Encantado! Y si no, se hubieran hecho añicos cuando el torpe príncipe pisó el pie de la danzante Cenicienta. Pero las zapatillas hechas de compósito de vidrio reforzado, serían lo suficientemente resistentes ¡como para soportar el pisotón del pie real más grande del mundo!

Aún así, existen fibras más resistentes todavía. Lo cual es excelente, porque a veces el vidrio no es lo suficientemente resistente y duro. Para algunos objetos, como por ejemplo piezas de avión, sujetas a una gran tensión, se necesitan mejores fibras. Si no interesa el costo, usted puede usar fibras más resistentes, pero mucho más costosas, como el Kevlar, fibra de carbono o el Spectra. La fibra de carbono es generalmente más resistente que el Kevlar, o sea, puede soportar más fuerza sin romperse. Pero el Kevlar tiende a ser más duro. Esto quiere decir que puede absorber más energía sin romperse, más aún que la fibra de carbono. Pero el SpectraTM, que es un tipo de polietileno, es más resistente y más duro que el Kevlar y la fibra de carbono.

Comparando las Matrices

Hay diferentes necesidades para diferentes matrices. Cuando lo que queremos es ahorrar dinero, entonces tenemos matrices económicas con propiedades aceptables. Los sistemas poliéster insaturado/estireno de los que ya hablamos oportunamente, constituyen un buen ejemplo. Son ideales para usos diarios. Las carrocerías de los Chevrolet Corvette están constituidas por compósito a base de matrices de poliéster insaturado y fibras de vidrio. Pero presentan algunos inconvenientes. Se encogen mucho cuando curan, absorben agua con extrema facilidad y tienen una baja resistencia al impacto. Tampoco son demasiado resistentes a los agentes químicos.

Otro sistema de bajo costo es la llamada resina vinil éster. El primer paso a seguir para obtener una resina vinil éster es hacer reaccionar un diepóxido con ácido acrílico o metacrílico:

Luego se polimerizan los grupos vinilos, obteniendo una resina entrecruzada. A veces se emplean oligómeros más grandes, como éste:

Y curan del mismo modo, por medio de la polimerización de sus grupos vinilo. Las resinas vinil éster poseen algunas ventajas sobre los poliésteres insaturados. No absorben tanta agua y casi no encogen cuando curan. Además, presentan muy buena resistencia química. Debido también a los grupos hidroxilo, se unen perfectamente al vidrio. Viene bien si usted está usando vidrio como fibra.

Pero ni los vinil ésteres ni los poliésteres insaturados son adecuados para aplicaciones a altas temperaturas. En ese caso, debemos usar matrices como las resinas epoxi. Para obtenerlas, comenzamos con un diepóxido, tal como procedimos para hacer las resinas vinil éster. Sólo que esta vez no lo hacemos reaccionar con ácido acrílico, sino que lo curamos con una diamina. Los grupos epoxi reaccionan con la diamina y todo el sistema se entrecruza:

Debido a todos los grupos hidroxilo, las resinas epoxi se unen perfectamente a las fibras de vidrio. Pero poseen algunas propiedades que usted no las obtendría con matrices más baratas. No absorben agua ni tampoco se encogen con el curado. Y pueden ser usadas a altas temperaturas, hasta 160 oC en ciertos casos.

Pero para aplicaciones que requieran MUY altas temperaturas, no estamos seguros qué emplear. Existen muchas opciones. Las poliimidas resisten muy bien la temperatura, pero absorben mucha agua, lo cual causa su ruptura. Los polibenzoxazoles también son resistentes a la temperatura, pero son casi imposibles de procesar. Algunos están interesados en matrices totalmente hidrocarbonadas. En este terreno, la investigación aún no está desarrollada.

El interés está puesto mayormente en la industria aeroespacial. Existe gran avidez por construir un avión espacial que pueda volar de Tokio a Los Angeles en tres horas. Este avión entraría en una órbita terrestre durante su vuelo. Eso significa que tendría que re-ingresar a la atmósfera, lo cual generaría una impresionante cantidad de calor en la superficie del avión. Y se necesitan materiales compósitos que puedan soportar semejante tortura.

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