Pultrusión

Existe una gran variedad de procesos para la fabricación de composites, en general, consiste en colocar el refuerzo impregnado con una resina termoestable en la forma y dirección requeridas para que se consigan unas determinadas características. Siempre, el compuesto final tendrá unas propiedades superiores a los componentes por separado.

La pultrusión es un proceso continuo, automático y de molde cerrado, especialmente diseñado para altos volúmenes de producción, en cuyo caso es económicamente muy rentable. Básicamente consiste en tirar de los refuerzos impregnados con resina y el correspondiente sistema catalítico, a través de un molde a alta temperatura, de tal manera que se produce el curado de la resina en su interior y se obtienen perfiles de sección constante con la geometría del molde. Los refuerzos son impregnados con la resina mediante un baño de resina situado a la entrada del molde o por inyección de ésta en el interior del molde.

El proceso de pultrusión se utiliza para la obtención de piezas sólidas o huecas de sección constante, sustituyendo así a materiales tradicionales como son el acero, el hormigón o la madera. Una de las principales características de este proceso es la gran variedad de materiales que se pueden utilizar diferentes tipos de resinas, fibras, cargas, etc.) cubriendo un amplio espectro de propiedades del composite final.

Más del 90% de los productos fabricados mediante pultrusión son de fibra de vidrio-poliéster. Cuando se requiere una alta resistencia a la corrosión se usan resinas de viniléster. Si es una combinación de altas propiedades mecánicas y eléctricas se usan las resinas de epoxi y cuando se necesitan combinar una alta resistencia a la temperatura y altas propiedades mecánicas se usan las resinas epoxi combinadas con fibras de aramida o de carbono

DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

La pultrusión es un proceso utilizado para la producción de tramos continuos de formas estructurales de plásticos reforzados con fibra. Las materias primas incluyen una mezcla de resina líquida (que contiene resinas, cargas y aditivos especializados) y fibras de refuerzo. El proceso consiste en tirar de estas materias primas (en lugar de empujar, como es el caso de extrusión) a través de una matriz de acero caliente, para formar, usando un dispositivo de tracción continua. Los materiales de refuerzo son suministrados en forma continua, tales como, rollos de fieltro de fibra de vidrio (mat) y/o hilos de fibra de vidrio (roving).

Refuerzos

Los refuerzos son saturados con la mezcla de resina ("wet-out") en la impregnación de resina y tirados a través de la matriz. La gelificación (o endurecimiento) de la resina se inicia por el calor del dado. El perfil rígido curado, formado se corresponde con la forma del dado.

Mientras que el diseño de la máquina de pultrusión varía con la geometría de la pieza, el concepto básico del proceso de pultrusión se describe en el siguiente esquema.

Elementos del proceso de pultrusión

Dispensador de refuerzo

Este consta de nasas o estanterías de hilo, dispensadores de fieltro y el velo. En algunos casos se pueden usar también bobinadoras o trenzadoras si la trama de refuerzo axial es necesaria.

Impregnador de resina

Esto puede consistir en un baño de resina simple o de un dispositivo de impregnación con a presión o vacío.

El impregnador de resina satura (humedece) el refuerzo con una solución que contiene la resina, cargas, pigmentos y catalizadores, además de los otros aditivos necesarios. El interior de impregnador de resina es cuidadosamente diseñado para optimizar el "wet-out" (saturación completa) de los refuerzos.

Dado de preformado o preformador

Estos sirven de guía para que el refuerzo impregnado adopte la posición correcta, quite el exceso de resina, ofrecer pre-compactación aproximado del perfil con el fin de ayudar a la eliminación del aire, humedad y para reducir la presión en la matriz principal. Los materiales comúnmente utilizados para la formación de guías son: teflón, polietileno de ultra alto peso molecular, acero cromado y diversas aleaciones de acero.

Dado de pultrusión

Este es una matriz de acero mecanizado o de cerámica que se calienta y produce el perfil final. El dado puede ser de más 1 m de longitud. El dado es calentado generalmente por un sistema de resistencias eléctricas.

Al pasar el material a través de la matriz, la transferencia de calor, inicia la reacción de curado y la velocidad de tracción dependerá de que la resina se haya curado completamente en el momento en que deja el dado.

Dispositivo de tiro

Al haber un espacio adecuado entre la salida de la tobera y el dispositivo de tracción, el producto se enfría y la resina es lo suficientemente dura para ser atrapado por el dispositivo de tracción. Esto puede ser un mecanismo de rodillos, un transporte tipo oruga o un sistema de rodillos reciprocantes. Las velocidades de tiro dependerán, además del tiempo y temperatura de curado, del tipo de resina y el tamaño y la forma del producto. Los valores típicos de la industria están en el rango 0.5m/min y 1.5m/min.

Una separación física de 3 metros (10 pies) o más entre la salida de la tobera y el dispositivo de tracción es necesaria, con el fin de permitir que el producto caliente pultruído enfríe en la atmósfera, en una corriente de agua forzada o enfriamiento por aire. Esto permite al producto desarrollar la fuerza suficiente para resistir las fuerzas de sujeción, para sujetar el producto y tirar de él a través del dado.

Debido al tiro, los filamentos de fibra se encuentran en tensión cuando el curado ocurre en el molde calentado. Como consecuencia de esta tensión, las fibras tienen valores más altos de la fuerza y se ajustan más, lo que permite una buena compactación, con más fibras dispuestas en un determinado volumen.

Dispositivo de corte

Se trata de un corte con sierra que está programado para cortar el producto a la longitud deseada.

La sierra esta fabricada de un material duro y resistente (generalmente carburo de diamante). La sierra está sujeta al producto de pultrusión durante la operación de aserrado o con un avance paralelo al pultruído (igual velocidad).

En algunas aplicaciones, una unidad de RF (generador de onda de radio frecuencia) se utiliza para precalentar el refuerzo antes de entrar en el molde. E calentador de RF se posiciona entre el impregnador de resina y el preformador. Las RF generalmente se utilizan solamente con una parte de los refuerzos (roving).

Aplicaciones

Actualmente las principales aplicaciones de este proceso se centran en construcción, bienes de consumo y transporte, por ejemplo:

- construcción de vehículos/ aislante térmico

- tecnología ferrocarril (interiores de trenes, vías)

- conductos para cables

- cubiertas y rejillas para plantas de tratamiento de aguas

- tecnología médica, antenas (mástiles de aeropuertos), satélites

- perfiles para vigas, fachadas de edificios, ventanas, puentes, escaleras.

- palos de golf, cañas de pescar

- farolas, bancos y entablados exteriores

- mangos de martillos, etc.

Perfiles

Perfiles típicos obtenidos por pultrusión

Postes pultruídos para molinos

Postes de alumbrado

Caña de pescar telescópica

torres para radar de aeropuerto

En el Eurotúnel que une Francia y el Reino Unido alrededor de 2.900 toneladas de materiales composites soportan 1.300 km de cables eléctricos y cientos de miles de fibras ópticas para el alumbrado, ventilación, control y sistemas de ventilación. Fuente: Fibrotec

Propiedades de los productos pultruidos

En cada mercado de aplicación de los materiales pultruídos, éstos siempre deben competir con los materiales tradicionales como madera, aluminio, PVC (cloruro de polivinilo), hormigón y acero.

Las principales ventajas de los perfiles obtenidos por pultrusión frente a los materiales tradicionales son las siguientes:

- Calidad constante y estabilidad dimensional: fácil de reparar, bajas tolerancias.

- Bajo peso: estos materiales son hasta un 80% más ligeros que el acero y un 30% más ligeros que el aluminio, por esto son una alternativa importante cuando reducir peso es un requerimiento.

- Gran resistencia y rigidez: para un mismo peso un composite pultruido es más resistente y rígido que el acero, simplemente variando el tipo y orientación de los refuerzos.

- Buen acabado superficial

- Elevada resistencia química y a la corrosión: muchos perfiles poseen un velo superficial sintético que les proporciona una capa rica en resina mejorando incluso su ya elevada resistencia química y a la corrosión

- Aislante térmico y eléctrico: no son eléctricamente conductores y tienen una conductividad térmica 250 veces más baja que el aluminio y 60 veces más baja que el acero

- Nulo mantenimiento: debido a sus excelentes propiedades (corrosión) estos materiales requieren un nulo o muy pequeño mantenimiento

- Fácil diseño e instalación: debido a su ligereza

- Transparencia magnética y a radiofrecuencias: adecuados para aplicaciones medias, antenas, etc.

- Propiedades de retardante a la llama

- Elevada resistencia al arrastre y a la fatiga

Sin embargo, la pultrusión también tiene ciertos inconvenientes, a continuación se recogen los más importantes:

- Alta dificultad para fabricar piezas que no sean unidimensionales y de sección constante.

- Necesidad de un molde de altas prestaciones con acabado muy fino (para no impedir el avance de la pieza en el proceso), de un sistema de calentamiento y, en ocasiones, de presurización interior. Todo ello hace que el costo del molde sea muy elevado y que se necesiten series muy largas de producción para amortizarlo.

- La velocidad del proceso es relativamente baja comparada con la velocidad de la extrusión.

- Problemas de adhesión cuando es necesario unir piezas mediante adhesivos, debido al acabado tan fino de las piezas. Para obtener uniones de altas prestaciones es necesario preparar las superficies de unión mediante un proceso previo mecánico (lijado de la superficie), químico (baño con sustancias que catalizan la reacción de adhesión) o añadir un peel-ply (devanador) en la entrada del molde.

- En perfiles de pultrusión altamente unidireccionales no es posible realizar uniones mecánicas con altos requerimientos estructurales.

Materiales

Resinas

Las resinas termoestables más comunes utilizadas para pultrusión son: poliéster insaturada (85%), viniléster (7%), epoxi (5%), fenólicas (2%) y otras (1%). Otras, que hoy están cobrando importancia, son las resinas poliuretánicas

Aditivos: el uso de varios aditivos líquidos utilizados en el sistema de resina puede ser adecuado para proporcionar un rendimiento específico.

Rellenos: constituyen la mayor proporción de una formulación, después la resina base. Los rellenos más utilizados son el carbonato de calcio, silicato de alúmina (arcilla) y el trihidrato de alúmina.

- Carbonato de calcio se utiliza principalmente como un extensor de volumen para proporcionar la formulación de menor costo de resina cuando el rendimiento no es crítico.

- Trihidrato de alúmina es un relleno que se utiliza por su capacidad para suprimir las llamas y emisión de humo.

Los rellenos pueden ser incorporados en las resinas en cantidades de hasta el 50% de la formulación de resina total en peso. La limitación del volumen habitual se basa en el desarrollo de la viscosidad útil, que depende del tamaño de las partículas y las características de la resina.

Aditivos para fines especiales incluyen pantallas de radiación ultravioleta para mejorar la resistencia a la intemperie, óxido de antimonio para el retraso de la llama, pigmentos para la coloración, y los agentes para la suavidad de la superficie y evitar la aparición de grietas. Los agentes de desmoldeo (estearatos metálicos o fosfato de ésteres orgánicos) son importantes para una adecuada liberación de la pared de la matriz para proporcionar superficies lisas y baja fricción del procesamiento.

Ejemplo de formulación de la resina:

Producto: sección rectangular 2.5 x 1.8 pulgadas

Mezcla de resina	Phr
Resina deseada	100
Catalizador (LT)	0.5
Catalizador (HT)	0.25
Relleno	20
Desmoldante	1

Fibras

En cuanto a las fibras, se utilizan según las diferentes presentaciones industriales (hilos (roving), fieltro (mat) de hilos contínuos, tejido biaxial, laminados biaxiales, tejidos multiaxiales y velos de superficie) y la más empleada es la fibra de vidrio (90%), para mayores requerimientos estructurales se emplean las de carbono o aramida.

Roving

Mat

Velo superficial

Fibras y resinas naturales

Otro modo de conseguir que la pultrusión sea más competitiva es utilizando materiales de bajo o nulo costo, como son las fibras y las resinas naturales.

Actualmente se está investigando la sustitución de los refuerzos tradicionales de fibra de vidrio por fibras naturales, se ha demostrado que son económicamente viables y ofrecen propiedades de alto valor añadido como son:

- Bajo costo y baja densidad por lo que pueden reducir el peso final del perfil

- Propiedades específicas comparables con las fibras de vidrio

- No abrasivas con el equipo durante su procesado y reducción de irritaciones en la piel de los operarios

- Se necesita un 80% menos de energía para su obtención, comparada con la fibra de vidrio

- Emisiones neutrales de CO₂ por lo que el impacto medioambiental es nulo

- Son biodegradables y reciclables (existen complicaciones en el reciclado de la fibra de vidrio)

En la literatura se han encontrado perfiles obtenidos y caracterizados por pultrusión con refuerzos como cáñamo en forma de hilo, mat o tejido, yute y lino con un polímero termoplástico como polipropileno.

También se ha realizado un estudio con el objetivo de desarrollar nuevos tratamientos en las fibras naturales o aditivos para las resinas con el fin de mejorar la humectabilidad de la fibra natural durante el proceso de pultrusión.

El estudio de resinas naturales también está en auge y, en concreto para el proceso de pultrusión, se han realizado algunos estudios sobre la viabilidad de resinas epoxi basadas en aceite de soja y se han obtenido buenos resultados. Es decir, se pueden considerar como potenciales sustitutas de las resinas derivadas del petróleo.

La compañía Reichhold (uno de los fabricantes de resina de poliéster insaturada más importantes del mundo) ha desarrollado una resina de poliéster insaturada de baja viscosidad derivada de fuentes renovables, llamada Polylite® 31325-00. Esta resina, basada en aceite de soja con un contenido “verde” del 25%, está especialmente indicada para procesos por SMC, BMC y pultrusión.

Pultrusión reactiva

Se ha demostrado que las resinas de poliuretano tienen mejores propiedades mecánicas y físicas que las resinas de viniléster o de poliéster, usadas tradicionalmente en el mercado de pultrusión, por ejemplo, tienen excelentes propiedades para humectar la fibra, alta adhesión a las fibras de refuerzo, bajo contenido en zonas secas y poca contracción. También se ha estudiado el uso de materiales híbridos de resina de poliéster y poliuretano obteniéndose buenos resultados

Comparación de las propiedades de flexión de perfiles pultruídos con poliuretano y con resinas de poliéster. Composites Manufacturing (ACMA)

Además, la mayor resistencia de las resinas de PU frente a las convencionales lleva asociada una disminución en el espesor de los perfiles, consiguiendo perfiles más ligeros para una misma resistencia o incluso sustituyendo zonas de mat por refuerzos unidireccionales. Otra opción es que los transformadores mantengan el grosor de los perfiles para conseguir así una mayor resistencia y rigidez sin pérdida de durabilidad.

Otra ventaja añadida del uso de poliuretanos es su capacidad para ser procesados a velocidades de línea mayores y un acabado superior de las piezas, con menor pérdida de material que las resinas convencionales. Estos factores son de gran importancia para mejorar la productividad del sistema y disminuir el costo del producto. También se ha hecho un estudio que demuestra las ventajas medioambientales del uso de poliuretanos para pultrusión.

Para procesar PU por pultrusión se necesita un equipamiento especial que consiste en dos unidades de inyección, esto se debe al limitado tiempo de vida de la resina mezclada (15-22 minutos dependiendo de la temperatura ambiente y de la calidad de la mezcla). El sistema de inyección ofrece resina mezclada en una caja de inyección o en el molde. La utilización de un baño de resina también es posible siempre que se mantenga con una cantidad de resina mínima y recién mezclada.

Esquema de un sistema de inyección de PU en una máquina de pultrusión

Comparación pultrusión común y reactiva

A pesar de las propiedades mejoradas descritas anteriormente, el costo único de la resina de PU es similar a la resina insaturada de poliéster isoftálica. Aproximadamente, y teniendo en cuenta la variabilidad de los precios se puede señalar que una resina de PU es un 40-60% más cara que una resina de poliéster y muy similar a una viniléster. Sin embargo, como se ha visto anteriormente el uso de PU reduce el precio del procesado del perfil al disminuir su peso y sustituir mat por roving. Todo ello hace que el uso de PU disminuya el coste total frente al uso de una resina convencional de poliéster.

La compañía Resin Systems Inc. posee una línea propia de resinas basadas en poliuretanos y suministran a la empresa Omniglass Ltd., una compañía que fabrica perfiles para ventanas, de fibra de vidrio. Bayer Materials Science también desarrolla diferentes tipos de poliuretanos (Baydur® PUL) para transformar por pultrusión. Huntsman presentó en la 8th World Pultrusion Conference en Budapest (Hungría) las nuevas propiedades mecánicas mejoradas para una resina basada en poliuretanos y diseñada para pultrusión.

La firma japonesa Sekisui Chemical ha desarrollado literas fabricadas con FFU (espuma de uretano reforzada con fibra de vidrio) mediante un proceso de pultrusión. La espuma de poliuretano (Baydur 60) la suministra Sumika Bayer Urethane y las literas están siendo utilizadas en Alemania.

Fabricación de perfiles curvos

La firma alemana Thomas Techkin + Innovation, especialistas en el proceso de pultrusión, han desarrollado una tecnología innovadora que permite la producción en continuo de perfiles curvos, a partir de materiales reforzados con fibra de vidrio. En esta nueva tecnología, llamada radiopultrusión, el actual principio de la pultrusión se modifica, es decir, el material ya no es tirado a través del molde, sino que el molde es desplazado sobre el material. De esta manera se asegura que la forma del perfil queda definida por su sección.

Ajustando la pendiente en la línea de pultrusión, la velocidad y las temperaturas en el interior del molde, se consiguen obtener perfiles con curvaturas repetibles. El radio del perfil obtenido es una función del ángulo de la pendiente de la línea de pultrusión y de los parámetros elegidos.

Pullwinding

La tecnología pullwinding se parece mucho a la pultrusión tradicional y se aplica únicamente a los perfiles de forma tubular.

En el pullwinding se usan roving de vidrio colocados longitudinalmente en circunferencia respecto al eje del perfil.

La estructura así obtenida después de la polimerización en el molde calentado como en la pultrusión tradicional, da origen a un producto con rigidez muy superior gracias a una mejor orientación de los refuerzos.

1.      Refuerzo

2.      Unidad de bobinado

3.      Dado

4.      Unidad de tiro

5.      Unidad e corte

Fabricación de compuestos sándwiches

La compañía KaZaK Composites Incorporated ha desarrollado una técnica para integrar la fabricación de compuestos sándwiches en el proceso de pultrusión. De este modo consiguen eliminar costos adicionales y mejorar la efectividad del proceso mediante dos vías:

- fabricación de paneles más largos con la misma mano de obra, por lo que el precio efectivo del producto disminuye

- el desarrollo de un material precursor sintáctico que se inyecta directamente en la línea de pultrusión y crea un núcleo terminado. Así se reduce el costo del núcleo y se eliminan costos adicionales al integrar el núcleo en el proceso.

Este núcleo (llamado KaZaKore) está formado por una resina fenólica y aditivos para reducir su densidad y mejorar sus propiedades mecánicas y su comportamiento frente al fuego. Este núcleo sustituye a materiales como madera de balsa o paneles de espuma, que tradicionalmente se han utilizado como núcleos. En contraposición a la madera de balsa, este material tiene propiedades uniformes y es inmune a la degradación medioambiental. El comportamiento frente al fuego y las propiedades mecánicas son elevados, comparables a los compuestos sándwiches que existen actualmente en el mercado.

Pultrusión de termoplásticos

A diferencia de la pultrusión tradicional, en la que se utilizan matrices termoendurecedoras, en este proceso se emplean matrices termoplásticas.

Con esta tecnología, por ejemplo, se producen perfiles compuestos en termoplástico con elevadas prestaciones mecánicas, gracias a las propiedades de la matriz de base (poliuretano termoplástico) que permite utilizar, como refuerzo, sobre todo fibra de vidrio longitudinal roving. Los perfiles obtenidos de esta manera presentan características mecánicas transversales superiores a aquellos fabricados con resinas termoendurecedoras reforzadas mat-roving-mat.

La pultrusión termoplástica ofrece además la posibilidad de revestir en continuo los perfiles con otras resinas termoplásticas (coextrusión), mejor aún si son compatibles químicamente, obteniendo también geometrías diversas de aquellas iniciales.

Además de los elevadísimos valores de resistencia mecánica y rigidez, otras ventajas de los perfiles pultrusionados termoplásticos con coextrusión en línea son una mayor resistencia al impacto y a la abrasión, la termoformación del perfil, el comoldeado y el acabado con colores fuertes típico de los perfiles de termoplástico