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Avances en termoplásticos reforzados con fibra larga

¿Qué es el termoplástico reforzado con fibra larga?

En los últimos años, ha habido un rápido desarrollo en compuestos termoplásticos reforzados con fibras basados en resinas termoplásticas. Los materiales termoplásticos puros generalmente carecen de resistencia y rigidez suficientes para cumplir con los requisitos de aplicaciones exigentes, lo que los hace propensos a fracturarse o fallar bajo cargas de impacto, lo que limita su idoneidad para aplicaciones que requieren dureza y durabilidad. El termoplástico reforzado con fibra corta (SFRT) proporciona una solución. a estos desafíos introduciendo fibras cortas en la matriz termoplástica.

Las fibras actúan como materiales de refuerzo, proporcionando fuerza, rigidez y resistencia al impacto adicionales al material compuesto. Posteriormente, para mejorar aún más el rendimiento mecánico, como fuerza, rigidez y resistencia al impacto, se introducen fibras largas en la matriz termoplástica porque las fibras cortas dispersas en la matriz no pueden proporcionar tanto refuerzo como las fibras largas continuas. El desarrollo de materiales termoplásticos reforzados con fibras largas (LFRT o LFT) supera las limitaciones de los materiales termoplásticos reforzados con fibras cortas tradicionales.

Las principales diferencias entre fibras largas y fibras cortas residen en su tamaño y orientación. Las fibras largas suelen alcanzar el nivel milimétrico, son relativamente largas y están dispuestas de manera más ordenada, lo que aumenta efectivamente la resistencia y rigidez del material. Las fibras cortas, por otro lado, generalmente están al nivel de micras, tienen una longitud relativamente corta y tienen una distribución más aleatoria.

Inicialmente, los investigadores e ingenieros comenzaron a experimentar incorporando fibras continuas como vidrio o carbono en matrices termoplásticas para mejorar las propiedades mecánicas de los materiales. Desde finales del siglo XX hasta el siglo XXI, impulsada por los avances en el refuerzo de fibras, las formulaciones de resinas, los procesos de fabricación y las aplicaciones, la tecnología LFRT ha seguido desarrollándose. Hoy en día, LFRT se utiliza ampliamente en diversas industrias debido a sus excelentes propiedades mecánicas, características de peso ligero y rentabilidad en comparación con los materiales tradicionales.

LFT (termoplástico reforzado con fibra larga)

Al implantar fibras relativamente largas en la matriz, se aumentan la resistencia, la rigidez y la capacidad de carga del material, lo que lo hace más duradero y confiable. La orientación de las fibras largas también puede determinar el rendimiento del material. Por ejemplo, colocar fibras perpendiculares a la dirección de la fuerza puede aumentar la rigidez a la flexión, mientras que colocarlas paralelas puede aumentar la resistencia y la rigidez a la tracción.

Aplicaciones de LFRT

LFRT se usa ampliamente en industrias como la aeroespacial, automotriz y de construcción debido a sus propiedades mecánicas mejoradas, características livianas y flexibilidad de diseño.

Por ejemplo:

1.Los materiales LFRT se utilizan en estructuras de asientos y paneles de carrocería de automóviles, ofreciendo una alta relación resistencia-peso y resistencia al impacto.
2.Los materiales LFRT se utilizan en aplicaciones aeroespaciales para componentes estructurales livianos, paneles interiores e interiores de aviones. Cumplen con los estrictos requisitos de las aplicaciones aeroespaciales al tiempo que reducen el peso total y mejoran la eficiencia del combustible.

Desafíos de fabricación

La dispersión desigual de fibras largas en la matriz termoplástica puede provocar propiedades mecánicas débiles o inconsistentes en áreas locales.

Durante el procesamiento, las fibras largas pueden romperse o dañarse, reduciendo su efecto de refuerzo y comprometiendo el rendimiento general de los materiales compuestos.

La alta temperatura de procesamiento requerida para fundir resinas termoplásticas puede provocar degradación térmica, lo que afecta el rendimiento del material y plantea desafíos de procesamiento.

Una humectación insuficiente de las fibras por la matriz termoplástica puede provocar una unión interfacial deficiente y una resistencia reducida del compuesto.

Mejora de la producción de LFRT con extrusoras de doble tornillo

Las extrusoras de doble tornillo permiten un control preciso de los parámetros de procesamiento, como la temperatura, la velocidad del tornillo y el tiempo de residencia, lo que permite flexibilidad en la formulación del material.

Debido a su excelente capacidad de mezcla, las extrusoras de doble tornillo garantizan una dispersión uniforme de las fibras largas en la matriz termoplástica. Esto da como resultado propiedades mecánicas y rendimiento mejorados de los materiales LFRT.

La fuerte acción de mezcla y la avanzada tecnología de procesamiento de las extrusoras de doble tornillo facilitan una mejor humectación de las fibras por la matriz termoplástica, una mejor dispersión de las fibras, mejorando así la adhesión interfacial y la resistencia del compuesto.

Las extrusoras de doble tornillo pueden producir continuamente materiales LFRT, lo que proporciona una alta productividad y una calidad constante del producto. Esto los hace muy adecuados para operaciones de fabricación a gran escala.

Proceso de fabricación de termoplástico reforzado con fibra larga.

Los materiales compuestos reforzados con fibra comunes incluyen materiales compuestos reforzados con fibra de vidrio (GFRP), materiales compuestos reforzados con fibra de carbono (CFRP) y materiales compuestos reforzados con fibra de aramida (AFRP).

Los materiales compuestos reforzados con fibras largas generalmente se preparan cortando fibras continuas empapadas en resina en ciertas longitudes. El método de procesamiento común es el proceso de pultrusión, que implica estirar mechas continuas mezcladas con resina termoplástica a través de matrices de moldeo especiales para producir hilos voluminosos continuos. Actualmente, los materiales compuestos termoplásticos PEEK reforzados con fibras largas pueden alcanzar propiedades estructurales de más de 200 MPa mediante impresión FDM, con un módulo de más de 20 GPa, y funcionarán mejor mediante moldeo por inyección.

Las fibras de los materiales compuestos reforzados con fibras continuas son "continuas" y su longitud varía desde metros hasta kilómetros. Tomando PRFV Por ejemplo, la longitud de las fibras de vidrio supera los 3 mm, mientras que el LFRT comercial suele ser de 6 a 25 mm. Los materiales compuestos de fibras continuas proporcionan principalmente laminados, preimpregnados o tejidos, formados impregnando fibras continuas con la matriz termoplástica deseada.

LFT-G-Impregnación-y-Extrusión3

Flujo del proceso:

Brevemente dividido en los siguientes pasos:

Preparación de materiales
Preparación de materias primas, seleccionando cuidadosamente partículas de resina y fibras de acuerdo al desempeño requerido para el producto LFRT final.

Preparación compuesta
La resina termoplástica se mezcla en una extrusora de doble tornillo para formar un compuesto homogéneo. Esto es crucial para lograr las propiedades mecánicas requeridas.

Impregnación
Después de impregnar completamente las fibras continuas con resina termoplástica fundida en el molde de impregnación, el compuesto LFRT se extrae en compuestos en forma de tiras de sección transversal uniformes y consistentes a través de un troquel de conformación.

Enfriamiento, corte
Luego, después de enfriar a través de un sistema de enfriamiento y cortar, el compuesto se corta en gránulos uniformes y consistentes de longitud. Finalmente, se forman los gránulos de LFRT necesarios.

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