Mecanismos de degradación de los polímeros reforzados con fibra de vidrio

Introducción

Los materiales poliméricos han adquirido una importancia significativa, gracias a sus propiedades atractivas como la ligereza, facilidad de transformación y diseño. A pesar de las limitaciones iniciales en cuanto a su resistencia mecánica en comparación con los materiales tradicionales, el estudio de combinaciones con refuerzos de fibra conocidos como materiales compuestos han ampliado sus perspectivas de aplicación, como una alternativa de solución en diversas industrias.

Actualmente, estos materiales se utilizan en sectores exigentes como el aeroespacial, militar, transporte aéreo y construcción, cubriendo diversas aplicaciones con diferentes niveles de especificaciones y enfrentándose a ambientes que pueden provocar deterioro. La evaluación del comportamiento mecánico y la resistencia química de los materiales poliméricos reforzados con fibra en diversas aplicaciones, es crítica, especialmente en contextos que implican exposición prolongada con ambientes agresivos.

El propósito central de este contenido es analizar y entender los mecanismos de degradación de los polímeros reforzados con fibra de vidrio (GFRP) cuando están expuestos a diferentes agentes químicos del medio ambiente. Proporciona información sobre cómo estos agentes afectan las propiedades físicas y mecánicas de estos materiales.

¿Qué son los polímeros reforzados con fibra de vidrio?

Los Polímeros Reforzados con Fibras (FRP) son materiales compuestos; constituidos por la combinación de fibras y una matriz polimérica, Debido a su buena resistencia química estos materiales se presentan como materiales alternativos en la ingeniería por la posibilidad de ajustar sus propiedades finales a través de la selección sus componentes individuales, fibra y matriz, y de la técnica de procesado

Las fibras de los materiales compuestos: Son las responsables de brindarle las propiedades estructurales al material compuesto debido a que su rigidez y resistencia son superiores a la de la matriz. Entre las fibras más utilizadas se encuentran la fibra de vidrio (GFRP), la fibra de aramida (AFRP) y la fibra de carbono (CFRP).

• Las fibras de vidrio (GFRP): tienen como principal ventaja su bajo costo, sin embargo, son menos resistentes que otros tipos de fibras. 

• Las fibras de aramida (AFRP): Presentan un buen comportamiento ante cargas cíclicas y su alta dureza. Poseen una estructura anisotrópica (mayor resistencia y módulo de elasticidad en el sentido longitudinal), presentan una respuesta elástica lineal en tensión y presentan un comportamiento no lineal en compresión.

• Las fibras de carbono (CFRP): Son las más conocidas y utilizadas debido a que presenta mejores propiedades mecánicas con respecto a las anteriores, son fabricadas con polímeros tipo PITCH o PAN. Las fibras tipo PITCH se fabrican de petróleo refinado o brea, mientras que las fibras PAN son de poliacrilonitrilo. Ambas les confieren a los materiales alta resistencia y elasticidad.

La matriz de un material compuesto: Se encarga de proteger las fibras contra la abrasión y la corrosión ambiental, mantiene las fibras unidas y distribuye la carga entre ellas. Puede ser termoendurecible, el tipo más común, o termoplástica; los cuales, al recibir calor, se vuelven sólidos insolubles de manera irreversible, mientras que los termoplásticos se comportan como líquidos al calentarse.

Los tipos de matrices más utilizadas son las resinas de poliéster, viniléster y las epóxicas. Estos polímeros son del tipo termoendurecible, de gran resistencia química y fácil de procesar. Las resinas epóxicas tiene mejores propiedades mecánicas que el poliéster y viniléster y una alta durabilidad.

A continuación se muestra el siguiente video donde se muestra el proceso de produccion de GFRP fabricado por ONE WORLD se utiliza principalmente para el refuerzo no metálico del cable de fibra óptica ADSS.

Proceso de producción de GFRP (polímero reforzado con fibra de vidrio).

Mecanismos de degradación en polímeros con fibra de vidrio

La degradación de polímeros reforzados con fibra de vidrio puede ocurrir debido a diferentes agentes. A continuación, se describen los principales tipos de degradación:

Degradación termo oxidativa

La degradación termo oxidativa es un proceso en el que los polímeros se oxidan debido a la exposición al oxígeno y el calor. Este proceso es particularmente lento a temperatura ambiente, pero se acelera con el aumento de la temperatura y la presencia de radicales libres. La historia térmica del material y el proceso de fabricación influyen significativamente en la velocidad de producción de estos radicales. La oxidación se produce a través de un mecanismo en cadena que incluye iniciación, propagación y terminación, siendo un proceso autocatalítico donde los radicales libres formados atacan múltiples cadenas poliméricas.

Biodegradación

Este proceso ocurre cuando los polímeros son atacados por agentes biológicos, como microorganismos que generan enzimas capaces de romper las cadenas poliméricas. Aunque los polímeros sintéticos suelen ser biorresistentes debido a la dificultad de encontrar puntos terminales para el ataque enzimático, los materiales susceptibles a la hidrólisis, como los poliésteres y poliamidas alifáticas, son más propensos a la biodegradación. Los refuerzos de fibra natural también pueden sufrir biodegradación, lo que ha llevado a la búsqueda de polímeros específicamente diseñados para ser biodegradables, con aplicaciones en medicina, agricultura y embalaje.

Degradación térmica

Este tipo de degradación con la temperatura implica la ruptura de las cadenas moleculares a altas temperaturas, lo que puede generar especies gaseosas y pérdida de peso del material. La estabilidad térmica de los polímeros se relaciona con las energías de enlace entre los átomos que los componen, siendo los polímeros con energías de enlace más altas más estables térmicamente. La pirólisis, una forma de degradación térmica en un ambiente inerte, es otro aspecto importante en la evaluación de la estabilidad térmica de los polímeros.

Fotodegradación

Este mecanismo se presenta cuando los polímeros son expuestos a la radiación ultravioleta en presencia de oxígeno. Este proceso puede modificar las propiedades mecánicas de los polímeros a través de la formación de radicales libres generados por la absorción de fotones. Los efectos de la fotodegradación incluyen la formación de grietas y burbujas en la superficie, aumento de la fragilidad, cambios de color, aumento de la conductividad eléctrica y disminución de las propiedades mecánicas.

Degradación química debido al medio

Este tipo de mecanismo está relacionado con el efecto producido por el medio con el cual interactúen, produciendo cambios en las propiedades de los componentes particulares, es importante al diseñar estos materiales considerar la aplicación en cuanto al medio al cual van a estar expuestos debido a que estos pueden afectar la resistencia química. A continuación se presentan algunos tipos de degradacion por efectos de compuestos quimicos.

• Degradación en medios neutros: El agua, al ser absorbida por los polímeros, provoca cambios en sus propiedades físicas y mecánicas. Los polímeros reforzados con fibra de vidrio (GFRP) usados en ambientes húmedos o acuosos (lluvia, rocío, agua marina) pueden tener una larga vida útil si se diseñan adecuadamente. Sin embargo, el contacto con soluciones acuosas neutras puede afectar negativamente las propiedades de los compuestos termoestables reforzados.
• Degradación en medios alcalinos: Las soluciones alcalinas pueden degradar severamente la fibra de vidrio, la matriz de resina y la interfase, incluso a bajas concentraciones. En la ingeniería civil, los GFRP en contacto con hormigón (pH alto) requieren estudios para determinar su durabilidad. Estos materiales también se usan en la industria química, donde es crucial predecir su comportamiento en contacto con soluciones alcalinas.
• Degradación en medios ácidos: Las soluciones ácidas afectan significativamente a los GFRP, utilizados en refinerías, producción de pulpa y papel, y sistemas de depuración de gases. Las resinas de viniléster se emplean en aplicaciones que requieren resistencia a ambientes corrosivos, evaluando su resistencia a ácidos fuertes como el sulfúrico, clorhídrico y nítrico.
• Degradación en medios orgánicos: Los depósitos de composites en la industria petrolífera están diseñados para resistir hasta 30 años, pero pueden presentar problemas si no se protegen adecuadamente. Los compuestos de poliéster tienen mala resistencia a medios no acuosos, como gasolina y diésel, mostrando pérdidas significativas de resistencia y rigidez tras exposiciones prolongadas.

Aplicaciones de los polímeros reforzados con fibra de vidrio

Los polímeros reforzados con fibra de vidrio (GFRP, por sus siglas en inglés) tienen aplicaciones en diferentes industrias gracias a su propiedades de ligereza, resistencia mecánica y durabilidad.

En la industria aeroespacial, los GFRP son utilizados en la fabricación de componentes aeronáuticos como fuselajes, alas y partes interiores de aeronaves. Su alta relación resistencia-peso y resistencia a la corrosión los hace ideales para esta industria, donde cada gramo cuenta y la durabilidad es crucial. En el sector automotriz, los GFRP se emplean para producir piezas como parachoques, paneles de carrocería, y componentes estructurales. Estos materiales ayudan a reducir el peso del vehículo, mejorando la eficiencia del combustible y reduciendo las emisiones de carbono.

Los GFRP se usan en la construcción de puentes, edificios y estructuras marinas. Su resistencia a la corrosión y durabilidad en ambientes agresivos como el agua salada los hace superiores a los materiales tradicionales como el acero. En la construcción naval, los GFRP son esenciales para fabricar cascos de barcos y otras estructuras sometidas a ambientes marinos severos. Ofrecen una excelente resistencia a la corrosión y un mantenimiento reducido en comparación con los materiales convencionales.

En el sector de la energía eólica, los GFRP se utilizan para construir palas de turbinas eólicas. Su ligereza y resistencia permiten fabricar palas más largas y eficientes, contribuyendo a una mayor generación de energía renovable. En la industria química, los GFRP se emplean para fabricar tanques de almacenamiento, tuberías y otros equipos que deben resistir ambientes corrosivos. Su resistencia química y mecánica los hace ideales para estas aplicaciones.

En el siguiente video se muestra el proceso de fbricacion de tanques de polimeros con fibra de vidrio. Fuente: Mega Process.

Proceso de fabricación de tanque de plástico de fibra de vidrio.

Conclusiones

Los mecanismos de degradación de polímeros con fibra de vidrio varían en función de los agentes involucrados. La comprensión de estos procesos es determinante para mejorar la durabilidad y el rendimiento de los materiales poliméricos en diversas aplicaciones industriales y ambientales.

Es fundamental realizar estudios de durabilidad y resistencia, diferentes entornos para predecir el comportamiento de los materiales y asegurar su eficacia en aplicaciones industriales, como la construcción y la industria química y la civil.

Referencias

Fuente propia