Rendimiento, preparación y aplicación de materiales compuestos de aramida

El nombre completo de la aramida es fibra de poliamida aromática, un material sintético orgánico de alta resistencia, alto módulo, baja densidad y alta resistencia al desgaste, además de poseer propiedades químicas estables. En 1974, la Comisión Federal de Comercio de Estados Unidos (FTC) la denominó "fibra de aramida", lo que se define como: al menos el 85% de las cadenas de amida (-CONH-) conectan directamente dos anillos de benceno. A principios de la década de 1960, DuPont desarrolló la metaaramida HF-1, con excelente estabilidad térmica, denominada fibra Nomex. En mi país, se la denominaba aramida. Obtuvo la identificación de aramida 14 en 1981 y aramida 1414 en 1985. Dado que una sola fibra de aramida presenta defectos al usarse y su resistencia disminuye tras el contacto con el agua, la aramida suele utilizarse en materiales compuestos y como fibra de refuerzo para adaptarse a diferentes entornos de uso, mejorando además el rendimiento de los materiales.

1.1 Para-aramida
La para-aramida, también conocida como PPTA (poli-P-fenelenofereftalamida), se desarrolló con éxito en 1971 y se puso en producción al año siguiente. Su estructura de cadena principal es muy regular y sus macromoléculas se encuentran en un estado muy estirado. Es resistente a altas temperaturas, al fuego y a la corrosión química, con excelentes propiedades mecánicas y resistencia a la fatiga, y presenta baja densidad. Su resistencia es tres veces superior a la del acero y cuatro veces superior a la del hilo industrial de poliéster de alta resistencia. Su módulo inicial es de 4 a 10 veces superior al del hilo industrial de poliéster y más de 10 veces superior al de la fibra de poliamida. Presenta buena estabilidad, con cero contracción a 150 °C, y puede mantener una alta resistencia a altas temperaturas, como el 65 % de su resistencia original a 260 °C. Tiene buena adherencia al caucho y es una fibra ideal para cuerdas. Como el Kevlar-49 de DuPont en Estados Unidos, el Twaron de Enka en los Países Bajos y la aramida 1414 en China.

1.2 Meta-aramida
La metaaramida, también conocida como MPIA (poli-m-fenilenisoftalamida), comenzó a estudiarse en 1956 y se industrializó en 1967. Su cadena macromolecular es en zigzag y posee excelentes propiedades físicas y mecánicas, como la resistencia y el alargamiento tras la rotura. Destaca por su excelente resistencia al fuego y a la oxidación. Tras un uso continuo a 260 °C durante 1000 horas, mantiene el 65 % de su resistencia original; tras 7 días a 300 °C, mantiene su resistencia original. Es inflamable y autoextinguible tras la combustión; presenta buena estabilidad frente a ácidos, álcalis, agentes blanqueadores, agentes reductores y disolventes orgánicos. También presenta buena resistencia a la radiación. Sus inconvenientes son los mismos que los del nailon: poca estabilidad a la luz solar y dificultad para teñir.

1.3 Comparación del rendimiento de la aramida con otras fibras
La aramida posee buenas propiedades mecánicas. En comparación con otras fibras, se caracteriza por su resistencia a altas temperaturas, baja elongación, alto módulo elástico y alta resistencia, especialmente la para-aramida (fibra de kevlar), que es superior.

La fibra de aramida, al igual que la fibra de vidrio, se presenta en formas como hilo retorcido, mecha sin torcer, telas de diversas especificaciones, cintas, fieltros y hebras cortadas. Existen dos tipos principales de preparación de materiales compuestos: el compuesto de bobinado fibra-fibra y el compuesto fibra-resina o caucho.

2.1 Moldeo de compuestos de fibra a fibra
El bobinado húmedo y el bobinado seco son los dos métodos principales de moldeo de bobinado de materiales compuestos. La principal ventaja del bobinado seco reside en que el contenido de adhesivo es más fácil de controlar. Por lo tanto, en el pasado, el moldeo de contenedores compuestos de alta presión siempre se ha realizado mediante un único moldeo de bobinado seco. Sin embargo, el bobinado húmedo ofrece las ventajas de un bajo coste del producto, un menor desgaste de las fibras, una baja tasa de vacíos y una alta eficiencia de producción, y se ha adoptado ampliamente en el extranjero. En el pasado, mi país siempre ha adoptado el moldeo en seco y ha desarrollado docenas de fórmulas adhesivas para este método. Algunas fórmulas, como la 4304 y la 4303A, se han utilizado con éxito en grandes motores de cohetes sólidos. El flujo del proceso es el siguiente: aflojamiento de la fibra de aramida → mezclado → moldeo → tratamiento térmico → molienda → producto terminado.

El moldeo por bobinado húmedo es similar al moldeo por bobinado seco. La matriz de resina debe poseer ciertas propiedades mecánicas. Al mismo tiempo, la viscosidad del sistema matriz debe controlarse dentro de un rango determinado para garantizar que el haz de fibras se impregne completamente durante el moldeo. Existen dos maneras principales de reducir la viscosidad del sistema: (a) Seleccionar un diluyente activo de baja viscosidad razonable. A menudo, la viscosidad del sistema cumple con los requisitos del proceso de impregnación, pero al mismo tiempo reduce considerablemente las propiedades mecánicas y la resistencia térmica del sistema. Tras el cribado, se utiliza un diluyente mixto que cumple con los requisitos de diseño hasta cierto punto. (b) Seleccionar un agente de curado líquido. La adición de un agente de curado líquido puede reducir la viscosidad del sistema de fórmula hasta cierto punto. Existe una falta de investigación adicional sobre la fórmula húmeda y la tecnología de moldeo por fórmula húmeda de fibra de aramida, y la tecnología de fórmula húmeda de alto rendimiento es la tecnología clave que debe resolverse primero en el moldeo por bobinado húmedo.

2.2 Moldeo de compuestos de fibra y resina
El método de moldeo es el mismo que el de la fibra de vidrio, incluyendo bobinado, laminado manual, impregnación, bolsa de vacío, presurización e inyección, que se pueden seleccionar según las necesidades. Las resinas que suelen combinarse con las fibras de aramida incluyen epoxi, fenólicas, poliéster insaturado, éster de vinilo, poliimida, etc. En los últimos años, también se utilizan en combinación con nailon, PBT, etc. En el estudio de las propiedades de tracción de los compuestos unidireccionales de fibra mixta de aramida/polipropileno, Zhang Maolin et al. utilizaron hilo de filamento sin torcer de aramida (material de refuerzo) como hilo de urdimbre y fibra de polipropileno (fibra matriz) como hilo de trama para tejer un prepolímero termoplástico con ligamento tafetán. Los materiales compuestos se fabricaron a cierta temperatura y presión, y la densidad de los hilos de urdimbre y trama se ajustó para controlar la composición del material. Los cordones de aramida se utilizan cada vez más en la industria de los neumáticos para automóviles. La tecnología de materiales compuestos de aramida y caucho se encuentra en rápido desarrollo. Debido a la escasez de grupos funcionales activos en las fibras de aramida, resulta difícil su adhesión al caucho. Para solucionar este problema, se suelen adoptar las siguientes medidas: por un lado, se ajustan o mejoran la fórmula y el proceso del sistema de impregnación. Actualmente, se añaden impregnaciones de dos baños o adhesivos especiales a la impregnación de un solo baño; por otro lado, se incorporan adhesivos al diseño de la fórmula del compuesto de caucho. Gracias al efecto sinérgico de ambos aspectos, se logra una adhesión óptima.

La alta resistencia de la aramida es apreciada por todos los sectores, especialmente por el ejército. Los cascos modernos surgieron en la Primera Guerra Mundial y se utilizaron para reducir las bajas militares. Desde la Segunda Guerra Mundial hasta la década de 1970, los cascos militares antibalas eran de acero, la mayoría de ellos de alto manganeso o acero especial, y la carcasa estaba estampada. Los cascos de nailon se utilizan principalmente en el Reino Unido e Israel. Incorporan una capa antichoque de espuma de polietileno de alta densidad para mayor comodidad. Los cascos de aramida están compuestos por varias capas de tela de aramida unidas con resinas especiales y moldeadas a alta temperatura y presión. DuPont los desarrolló en la década de 1970. Sus ventajas son su alta resistencia, ligereza y buen rendimiento de protección. Cada vez son más los países que los adoptan.

La resistencia al impacto balístico de la fibra de aramida se debe a su superior estabilidad térmica, alta cristalinidad, estructura de alta orientación y alto rendimiento a la tracción. La alta temperatura de transición vítrea y la excelente estabilidad térmica permiten que las fibras de aramida garanticen la estabilidad de las estructuras resistentes al impacto a altas temperaturas generadas por impactos balísticos. Su alta cristalinidad y alta orientación producen un alto módulo, lo que garantiza una rápida respuesta a la deformación axial. Su alta elasticidad y elongación media confieren a las fibras de aramida una alta tenacidad, lo que les permite trabajar eficazmente en caso de rotura longitudinal. Mi país ha realizado investigaciones sobre placas antibalas de aramida y ha avanzado en la optimización de la relación matriz-fibra.

El componente principal de los neumáticos es el caucho. Para mejorar su resistencia, se utilizó inicialmente alambre de acero como material de refuerzo en la industria. Sin embargo, debido a la alta densidad del alambre de acero, al aumentar la resistencia del neumático, se incrementa el peso de la carrocería y el consumo de energía. Además, la presencia de alambre de acero endurece el neumático, lo hace más propenso a los golpes y disminuye su comodidad. Especialmente en vehículos pesados, la capacidad de carga es muy alta, por lo que los neumáticos deben cumplir con requisitos más exigentes.

En comparación con el alambre de acero, el cordón de aramida se caracteriza por su resistencia a altas temperaturas, alta resistencia, alto módulo y baja deformación, además de la flexibilidad de su baja densidad relativa, resistencia a la fatiga y al cizallamiento. Combina el excelente rendimiento del alambre de acero, el rayón, el nailon y el poliéster, y se conoce como "alambre de acero sintético". Actualmente, es el material de esqueleto más ideal.

Las ventajas del cordón de aramida son: 1) Al ser un cordón, la carcasa del neumático se puede reducir de tres capas a una sola, lo que reduce el peso del neumático, la resistencia a la rodadura y el consumo de combustible. 2) El efecto de unión del cordón de aramida y el caucho es mejor que el del alambre de acero y no se ve fácilmente afectado por la humedad. 3) Después de usar aramida como cordón, se mejoran la rigidez y la resistencia al desgaste del neumático y se extiende su vida útil. 4) Debido a la reducción del número de carcasas, el rendimiento y la comodidad de conducción del automóvil han mejorado enormemente.

Sin embargo, las principales desventajas del uso de aramida como cordón son que el costo es demasiado alto, la tecnología de producción es compleja y se requiere equipo especial para su procesamiento.

La fibra de kevlar es la mejor opción para reforzar mangueras. Actualmente, cada vez más mangueras para automóviles, la industria química, la petrolera, diversas mangueras hidráulicas para la industria aeronáutica y la marina utilizan fibra de kevlar como material de refuerzo. Chrysler y Gates, en Estados Unidos, utilizan fibra de kevlar como material de refuerzo para las mangueras de refrigeración de automóviles, fabricándolas con una temperatura aproximada de 150 °C. Gates y Goodall, en Estados Unidos, han fabricado mangueras de gran diámetro con fibra de aramida para centrales nucleares, plantas químicas y prospecciones petroleras. El diámetro interior es de 25,4 cm, cada una mide 12 m de largo, la presión de trabajo de diseño es de 56 kg/cm² y el radio de curvatura es de 1,5 m.

3.4 Campo de refuerzo de la estructura del puente
El tejido de fibra de aramida tiene una amplia gama de aplicaciones en el refuerzo de puentes antiguos. Al reforzar componentes, se utiliza principalmente para resistir la tensión. Generalmente se utiliza para las partes tensadas de vigas, las partes cortantes de vigas y columnas, y el refuerzo de confinamiento de columnas o pilares de puentes. Tras aplicar dos capas de fibra de aramida AFS-40 sobre las partes agrietadas de los pilares del puente, se controló el desarrollo de grietas y se mejoró significativamente la capacidad portante del puente.

3.5 Campo eléctrico y electrónico
La fibra de aramida posee excelentes propiedades mecánicas, de aislamiento eléctrico, de transmisión de ondas y estabilidad dimensional. Se ha utilizado en el campo eléctrico y electrónico en placas de circuito impreso especiales para tecnología de montaje superficial (SMT) en tecnología de ensamblaje microelectrónico, cubiertas para antenas de radar aerotransportadas o satelitales, componentes estructurales funcionales de alimentación de antenas de radar y componentes eléctricos móviles. Las superficies reflectantes de las múltiples antenas parabólicas desarrolladas por RCA para múltiples satélites están fabricadas con materiales compuestos reforzados con tejido de fibra de aramida.

3.6 Campo de la ropa protectora y resistente al calor
Los materiales para trajes espaciales extravehiculares deben ser ligeros, flexibles, resistentes al desgaste y a los impactos, con buena durabilidad mecánica, resistencia química, resistencia al calor y resistencia a la luz, y ser capaces de prevenir diversas radiaciones. A temperaturas ultraaltas y ultrabajas, y bajo radiación térmica de alta energía, las diversas propiedades del material se mantienen estables. El tejido de fibra de aramida es el material preferido.

La alta resistencia y baja densidad de la aramida se utilizan en diversos campos. En el campo de las placas de sellado, las placas de sellado de caucho reforzado con fibra de aramida, fabricadas con fibra de aramida en lugar de fibra de amianto, ofrecen un buen rendimiento de sellado y son inocuas para el cuerpo humano. En la investigación de pastillas de freno de disco, la aramida presenta el mejor rendimiento en pérdida de fricción y resistencia al corte interno, y se espera que se utilice en los frenos traseros de automóviles y delanteros de minicoches en los últimos años. En cuanto a los barcos, los materiales compuestos de aramida se pueden utilizar para reducir el peso del casco y aumentar la velocidad del buque; en materiales de construcción, la aramida se utiliza para reemplazar el amianto en el refuerzo de cemento y materiales metálicos para proporcionar una estructura ligera y una estructura portante principal de alta resistencia. La aramida también se puede utilizar para fabricar trajes espaciales, trajes ignífugos, etc. Actualmente, se utiliza para reemplazar el alambre de acero en la fabricación de cables submarinos, especialmente cables para aguas profundas. También se añaden fibras de aramida al exterior de las columnas de hormigón para inhibir la expansión del volumen del hormigón cuando se daña y mejorar su resistencia y resistencia sísmica.

Como un invento importante en la industria de las fibras poliméricas durante el siglo XX, la aramida se utiliza cada vez en más campos debido a su alta resistencia, baja densidad, resistencia a altas temperaturas y otras características. La investigación se centra principalmente en su uso como material de refuerzo para la fabricación de materiales compuestos. Sin embargo, debido a la complejidad de su preparación y procesamiento, así como a su elevado coste, su uso actual no es muy extendido. Dado que las fibras de aramida presentan pocos grupos funcionales y una baja adhesión a la matriz, deben someterse a un tratamiento de bordes o a la adición de adhesivos. La investigación y el desarrollo de esta tecnología pueden ampliar el campo de aplicación de la aramida.