Los prepregs, son fibras de refuerzo (orgánicas, inorgánicas, termopásticas o incluso naturales) que están preimpregnadas con resinas generalmente termoestables y en la mayoría de los casos de tipo epoxídicas; si bien podemos encontrarnos con aplicaciones especiales en las que se emplean otras resinas como: fenólicas, cianoéster, bismaleimida, etc.
A partir de prepregs se pueden fabricar componentes complejos con gran resistencia mecánica y térmica a la par que ligeros. Dependiendo del área de aplicación, se pueden utilizar diferentes combinaciones de fibra-matriz con diferentes tipos de fibras. El uso de estos materiales constituye hoy una parte esencial en la fabricación de componentes de altas prestaciones en las siguientes industrias: Aeroespacial y aeronáutica, ferroviaria, construcción, náutica deportiva, naval (aplicaciones militares), automoción, aplicaciones deportivas, eólica entre muchas otras.
La principal razón del uso tan extendido de estos materiales radica en sus excelentes propiedades mecánicas, físico-químicas y térmicas.
Las técnicas convencionales de fabricación de laminados composite con fibras secas y resinas de curado a temperatura ambiente, se utilizan desde hace varias décadas. Estas técnicas tienen una limitación importante, que viene determinada por el tiempo que transcurre desde que la resina es catalizada hasta el momento en el que se produce lo que se denomina como gelificación del polímero, también conocido como “tiempo de trabajo”. Antes de que la resina llegue a su estado de gel, ésta se mantiene en estado líquido de baja viscosidad, permitiendo al usuario realizar de forma sencilla la impregnación de los tejidos. El operario se ve limitado en el tiempo de uso de la resina en función de cuál sea el tiempo de gel, el cual en algunos casos es reducido impidiendo realizar aplicaciones de grandes dimensiones.
En la mayoría de los casos que estamos describiendo, la distribución de la resina se realiza de forma manual y aunque esta se lleve a cabo por manos expertas, existe un riesgo elevado de cometer errores de mezcla (resina/catalizador/endurecedor) o de impregnación de los refuerzos.
La tecnología prepreg viene precisamente a resolver esta problemática.
Las fibras que componen estos materiales se impregnan industrialmente mediante un proceso que emplea la cantidad óptima de resina, y a la vez la distribuye de manera totalmente uniforme. Estas resinas incorporan ya sus endurecedores en la relación de mezcla estequiométrica; es decir, en las proporciones exactas necesarias para que se produzca una completa y eficiente reacción química.
Las resinas y sistemas catalíticos empleados para la producción de prepregs son polímeros de baja reactividad, los cuales necesitan el aporte de una fuente de calor para completar su proceso de endurecimiento. Es por ello que para la fabricación de piezas de material compuesto es absolutamente necesario contar con un horno o una autoclave. Además, los procesos de curado en horno o autoclave de este tipo de materiales se llevan a cabo también bajo entorno de vacío: las piezas son laminadas en moldes y sometidas a la acción de un proceso de compactación, haciendo uso de un film de vació que se sella de forma hermética al contorno del molde. En otras ocasiones, el molde es introducido en una bolsa de vacío tubular en la que se realiza la compactación tanto del laminado, como del propio molde.
Los moldes deben resistir la presión positiva ejercida por la autoclave (generalmente entre +1 y +12 bar), la compactación inducida por el vacío (aproximadamente -0,95 bar) y el ciclo térmico que varía entre rangos de temperatura de aproximadamente 65 y 250 oC
Podemos destacar como principales ventajas del uso de los prepregs las siguientes:
Absoluto control de la cantidad de resina por m2 de refuerzo: esto nos permite diseñar preimpregnados que posteriormente se emplearán en aplicaciones cosméticas (carbono visto, laminados con ausencia total de microporosidad, etc.), aplicaciones estructurales de altas prestaciones mecánicas, aplicaciones balísticas… La cantidad de resina determina por ejemplo la mayor o menor flexibilidad de un laminado, así como el peso, la contracción o la estética del mismo. La eliminación del exceso de resinas permite disponer de un producto mucho más ligero, impregnado solamente con el material necesario para garantizar la cohesión entre los materiales de refuerzo.
Otra gran ventaja de los prepregs es un mayor contenido de volumen de fibra respecto a la resina, a diferencia de los procesos tradicionales. Esto es alrededor del 60%, mientras que por ejemplo en la laminación manual en húmedo es aproximadamente del 40%. El alto contenido de volumen de fibra y la impregnación optimizada de ésta, permiten la producción de componentes ligeros y de rendimiento extremadamente alto. Este proceso de impregnación es de altísima precisión y los contenidos resina/fibra se repiten de forma muy precisa en cada fabricación. Esto nos va a permitir fabricar piezas en serie teóricamente idénticas. En los laminados realizados manualmente la dispersión es enorme y es muy difícil controlar los consumos de resina.
Con los prepregs el operario no corre el riesgo de cometer errores de mezcla resina/endurecedor que arruinan la aplicación.
Se minimizan los peligros para la salud de los operarios, al no trabajar con productos químicos en estado líquido. En el prepreg el polímero se encuentra en un estado de prepolimerización también conocido por el término en inglés B-stage. Los entornos de trabajo son mucho más seguros y limpios, al estar menos expuestos posibles volátiles emitidos por las resinas o a partículas de fibra de refuerzo en suspensión tan peligrosas como las de la fibra de carbono o vidrio.
Las resinas y sistemas catalíticos empleados para la producción de prepregs son polímeros de baja reactividad, los cuales necesitan el aporte de una fuente de calor para completar su proceso de endurecimiento. Es por ello que para la fabricación de piezas de material compuesto es absolutamente necesario contar con un horno o una autoclave. Además, los procesos de curado en horno o autoclave de este tipo de materiales se llevan a cabo también bajo entorno de vacío: las piezas son laminadas en moldes y sometidas a la acción de un proceso de compactación, haciendo uso de un film de vació que se sella de forma hermética al contorno del molde. En otras ocasiones, el molde es introducido en una bolsa de vacío tubular en la que se realiza la compactación tanto del laminado, como del propio molde.
Los moldes deben resistir la presión positiva ejercida por la autoclave (generalmente entre +1 y +12 bar), la compactación inducida por el vacío (aproximadamente -0,95 bar) y el ciclo térmico que varía entre rangos de temperatura de aproximadamente 65 y 250 oC
Podemos destacar como principales ventajas del uso de los prepregs las siguientes:
Absoluto control de la cantidad de resina por m2 de refuerzo: esto nos permite diseñar preimpregnados que posteriormente se emplearán en aplicaciones cosméticas (carbono visto, laminados con ausencia total de microporosidad, etc.), aplicaciones estructurales de altas prestaciones mecánicas, aplicaciones balísticas… La cantidad de resina determina por ejemplo la mayor o menor flexibilidad de un laminado, así como el peso, la contracción o la estética del mismo. La eliminación del exceso de resinas permite disponer de un producto mucho más ligero, impregnado solamente con el material necesario para garantizar la cohesión entre los materiales de refuerzo.
Otra gran ventaja de los prepregs es un mayor contenido de volumen de fibra respecto a la resina, a diferencia de los procesos tradicionales. Esto es alrededor del 60%, mientras que por ejemplo en la laminación manual en húmedo es aproximadamente del 40%. El alto contenido de volumen de fibra y la impregnación optimizada de ésta, permiten la producción de componentes ligeros y de rendimiento extremadamente alto. Este proceso de impregnación es de altísima precisión y los contenidos resina/fibra se repiten de forma muy precisa en cada fabricación. Esto nos va a permitir fabricar piezas en serie teóricamente idénticas. En los laminados realizados manualmente la dispersión es enorme y es muy difícil controlar los consumos de resina.
Con los prepregs el operario no corre el riesgo de cometer errores de mezcla resina/endurecedor que arruinan la aplicación.
Se minimizan los peligros para la salud de los operarios, al no trabajar con productos químicos en estado líquido. En el prepreg el polímero se encuentra en un estado de prepolimerización también conocido por el término en inglés B-stage. Los entornos de trabajo son mucho más seguros y limpios, al estar menos expuestos posibles volátiles emitidos por las resinas o a partículas de fibra de refuerzo en suspensión tan peligrosas como las de la fibra de carbono o vidrio.
En este estado el sistema de resina necesita ser almacenado en frigorífico a -18oC para que el material sea estable generalmente durante 12 meses. En el momento de utilización del prepreg, éste es retirado de la cámara de frío para descongelarlo a temperatura ambiente en un proceso lento (no forzado). A temperatura ambiente de 21oC los prepregs se mantienen estables durante entre 3 y 21 días. Esto quiere decir que el operario, sea cual sea el prepreg, dispone de un tiempo prolongado para trabajar con estos materiales en la construcción de sus piezas o incluso moldes.
El corte y la manipulación se simplifican significativamente. Cuando se realiza el proceso de colocación, el B-stage se caracteriza por una ligera pegajosidad de la resina, lo que favorece significativamente la adherencia de los refuerzos sobre la superficie de los moldes.
Con el uso de prepregs, se minimiza significativamente el desperdicio de materiales. ¿Está usted seguro de que jamás ha desperdiciado una resina en un envase porque no ha tenido el tiempo suficiente para laminar e impregnar los refuerzos? 😊No se engañe a sí mismo… Con los prepregs esto nunca le va suceder.
Los prepregs son ideales para la fabricación de estructuras tipo sándwich, especialmente si se utilizan núcleos de nido de abeja, pero debido a su bajo contenido en resina, las superficies en contacto con el núcleo, deben enriquecerse mediante el uso de películas adhesivas especiales como por ejemplo el film adhesivo epoxi MTFA500, debido a que tienen mayores propiedades de adhesión que la propia resina y tienen la ventaja de colocarse sólo en las áreas donde se necesitan, lo que ayuda a limitar el aumento de peso final de la pieza.
