Preimpregnado

El preimpregnado es un material compuesto hecho de fibras "preimpregnadas" y una matriz polimérica parcialmente curada , como resina epoxi o fenólica , o incluso termoplástico mezclado con cauchos o resinas líquidas . ^{[ 1 ]} Las fibras suelen adoptar la forma de un tejido y la matriz se utiliza para unirlas entre sí y a otros componentes durante la fabricación. La matriz termoestable solo se cura parcialmente para facilitar su 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 generalmente requerirán un horno o autoclave para su curado. 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 polimérica proporciona propiedades de relleno, manteniendo las fibras en un solo sistema.

El preimpregnado permite impregnar las fibras sobre una superficie plana y manejable, o mejor dicho, mediante un proceso industrial, para luego darles forma, lo que podría resultar problemático en el proceso de inyección en caliente. El preimpregnado también permite impregnar una gran cantidad de fibra y almacenarla en un área refrigerada (por debajo de 20  °C) durante un período prolongado para su posterior curado. Este proceso puede ser más lento que el de inyección en caliente, y el valor añadido de la preparación del preimpregnado reside en la etapa del proveedor del material.

Esta técnica puede utilizarse en la industria aeronáutica. En principio, los preimpregnados permiten su procesamiento en lotes. Si bien la fibra de vidrio tiene una alta aplicabilidad en aeronaves, especialmente en motores de aviones pequeños, la fibra de carbono se emplea en este sector con mayor frecuencia y su demanda va en aumento. Por ejemplo, la caracterización del Airbus A380 se realiza mediante una fracción de masa de aproximadamente el 20 %, mientras que la del Airbus A350XWB es de alrededor del 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 es relativamente limitado en comparación con otras técnicas como el laminado automático de cintas y la colocación automatizada de fibras. La razón principal es el elevado costo de las fibras de preimpregnado, así como de los compuestos utilizados en los moldes. Ejemplos de estos materiales son el compuesto de moldeo a granel (BMC) o el compuesto de moldeo en láminas (SMC).

Este material se utiliza para fabricar las puertas de la cabina del Airbus A320 . Este material proporciona resistencia a las balas. ^{[ 2 ]}

Existen muchos productos que utilizan el concepto de preimpregnado, entre los cuales se encuentra el siguiente.

• Deportes de motor
• Viajes espaciales
• Equipamiento deportivo
• Navegación
• Tecnología ortopédica en ortesis y prótesis.
• En ingeniería eléctrica, como "capa intermedia" en placas de circuitos multicapa y como material aislante para máquinas eléctricas y transformadores.
• Las palas del rotor en las turbinas eólicas

Hay muchos tipos de fibras que pueden ser excelentes candidatas para la preparación de fibras preimpregnadas. ^{[ 3 ]} Las fibras más comunes entre estas candidatas son las siguientes.

• fibras de vidrio
• Paño de vidrio
• Fibras de basalto
• fibras de carbono
• fibras de aramida

Los sistemas de matriz se distinguen según su temperatura de endurecimiento y el tipo de resina. La temperatura de curado influye considerablemente en la temperatura de transición vítrea y, por lo tanto, en la temperatura de funcionamiento. Los aviones militares utilizan principalmente  sistemas de 180 °C .

La matriz del preimpregnado consiste en una mezcla de resina y endurecedor, y en algunos casos, un acelerador. ^{[ 4 ]} La congelación a -20  °C impide que la resina reaccione con el endurecedor. Si se interrumpe la cadena de frío , comienza la reacción y el preimpregnado se vuelve inutilizable. También existen preimpregnados de alta temperatura que pueden almacenarse durante un tiempo determinado a temperatura ambiente. Estos preimpregnados solo pueden curarse en un autoclave a temperatura elevada.

Si bien el tipo principal de resinas utilizadas se basa en resina epoxi , también existen preimpregnados a base de éster vinílico. Dado que las resinas de éster vinílico deben preacelerarse con un acelerador de amina o cobalto , su tiempo de procesamiento a temperatura ambiente es menor que el de los preimpregnados a base de epoxi. Los catalizadores (también llamados endurecedores) incluyen peróxidos como el peróxido de metil etil cetona (MEKP), el peróxido de acetil acetona (AAP) o el peróxido de ciclohexanona (CHP). La resina de éster vinílico se utiliza bajo esfuerzos de alto impacto.

Las propiedades de la resina y los constituyentes de la fibra influyen en la evolución de las microestructuras de los preimpregnados VBO (solo en bolsa de vacío) durante el curado. Sin embargo, en general, las propiedades de la fibra y las arquitecturas del lecho de fibra están estandarizadas, mientras que las propiedades de la matriz impulsan tanto el desarrollo del preimpregnado como del proceso. ^{[ 5 ]} 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 secas en el preimpregnado puede sugerir la necesidad de resinas de baja viscosidad. Sin embargo, Ridgard explica que los sistemas de preimpregnados 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. Dado que los vacíos a temperatura ambiente utilizados 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 del aire. ^{[ 6 ]} Sin embargo, el perfil de viscosidad general también debe permitir un flujo suficiente a la temperatura de curado para impregnar completamente el preimpregnado, para evitar que queden áreas secas generalizadas en la pieza final. ^{[ 7 ]} Además, Boyd y Maskell ^{[ 8 ]} sostienen que para inhibir la formación y el crecimiento de burbujas a bajas presiones de consolidación, tanto las características viscosas como elásticas del preimpregnado deben ajustarse a los parámetros de procesamiento específicos que se presentan durante el curado, y en última instancia, asegurar que la mayor parte de la presión aplicada se transfiera a la resina. En conjunto, la evolución reológica de las resinas VBO debe equilibrar la reducción tanto de los huecos causados ​​por gases atrapados como de los huecos causados ​​por un flujo insuficiente.

A temperatura ambiente, la resina reacciona muy lentamente y, si se congela, permanece estable durante años. Por lo tanto, los preimpregnados solo pueden curarse a altas temperaturas. ^{[ 9 ]} Pueden procesarse mediante la técnica de prensado en caliente o la técnica de autoclave. Mediante presión, se incrementa la fracción volumétrica 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 muy pocas inclusiones de aire. ^{[ 10 ]}

Tras el curado, se puede aplicar un proceso de atemperado, que sirve para lograr una reticulación completa.

Los recientes avances en los procesos fuera de autoclave (OOA) ^{[ 11 ]} son ​​prometedores para mejorar el rendimiento y reducir los costos de las estructuras compuestas. Utilizando únicamente bolsas de vacío (VBO) para presiones atmosféricas, los nuevos procesos OOA prometen ofrecer un contenido de vacío inferior al 1% requerido para las estructuras primarias aeroespaciales. Liderada por científicos de materiales del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea , la técnica ahorraría los costos de construcción e instalación de autoclaves para estructuras grandes (ahorro de 100 millones de dólares en la NASA) y haría económicamente viables las series de producción pequeñas de 100 aeronaves. ^{[ 12 ]}

• Material compuesto
• polímero reforzado con fibra de carbono
• Fabricación de materiales compuestos fuera de autoclave