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).
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| 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.
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| Perfiles |
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| Perfiles típicos obtenidos por pultrusión |
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| Postes pultruídos para molinos |
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| Postes de alumbrado |
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| Caña de pescar telescópica |
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| torres para radar de aeropuerto |
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| 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
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Phr
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Resina deseada
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100
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Catalizador (LT)
|
0.5
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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.
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| 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.
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| Esquema de un sistema de inyección de PU en una máquina de pultrusión |
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| 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.
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1. Refuerzo
2. Unidad de bobinado
3. Dado
4. Unidad de tiro
5. Unidad e corte
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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
