ES2230352T3 - Procedimiento de moldeo. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento para moldear un artículo compuesto que tenga pieles externas opuestas de material plástico reforzado con fibras y entre las pieles un núcleo de mortero de polímeros, que comprende las fases de: - utilizar un molde que se puede abrir y que define una cavidad de moldeo y un puerto de inyección por el que se puede introducir una matriz de mortero de polímeros en la cavidad; - abrir el molde y colocar en la cavidad unas capas correspondientes de fibras de refuerzo para formar dichas pieles externas opuestas; - cerrar el molde e inyectar la matriz de mortero de polímeros en la cavidad a través del puerto de inyección, entre las capas de fibras de refuerzo que están colocadas allí, y - aplicar una presión suficiente sobre la matriz de mortero de polímeros inyectada para asegurar la penetración de la resina en dichas capas; en cuyo procedimiento la matriz de mortero de polímeros comprende un material resinoso cargado con un agregado en partículas cuya densidad es mayor que la del material resinoso que está dentro de la matriz de mortero de polímeros y la malla de las capas de material de refuerzo fibroso tiene por término medio menor tamaño que el tamaño medio de partícula del agregado, por lo cual el material de refuerzo filtra el agregado particular de la matriz de mortero de polímeros para permitir que sólo penetre el material resinoso por dichas capas.
Description
Procedimiento de moldeo.
La presente invención se refiere a un
procedimiento para moldear un artículo compuesto que tiene pieles de
plástico reforzadas con fibras espaciadas. Tal procedimiento se
muestra por ejemplo en la US-A- 5759658.
Existen muchas técnicas diferentes para fabricar
artículos de plástico reforzados con fibras (FRP) con
características mecánicas y físicas variadas. El modo tradicional
para fabricar artículos de FRP es mediante un proceso de
estratificación manual en el que se acumulan capas de fibras de
refuerzo dentro o alrededor de un molde, impregnándose cada capa
con resina de plástico a medida que avanza el proceso hasta que se
obtiene el grosor deseado. Muy a menudo, se aplica en el molde una
capa de gel de un material plástico adecuado como fase inicial, y
después las capas de fibras de refuerzo, normalmente en forma de
rejilla, se colocan sobre la capa de gel. Este proceso tiene muchas
ventajas, por ejemplo costes bajos de herramental, y por tanto es
adecuado para fabricar artículos individuales o lotes de bajo
número unidades.
Cuando se fabrica un artículo de FRP, es posible
alinear las fibras de refuerzo para proporcionar niveles de
refuerzo unidireccionales o sesgados en una sola dirección. Esto
hace que el proceso sea particularmente adecuado para fabricar
artículos que en uso se cargan en una dirección más que en otra.
Por ejemplo, el proceso puede usarse para fabricar tubos, trozos de
tubo o elementos estructurales vanos.
Una desventaja del proceso de estratificación
manual es que la calidad del producto final depende básicamente de
la habilidad del operario. Por ello, es difícil asegurar el control
de calidad y en consecuencia pueden variar en gran medida las
propiedades mecánicas dentro de un mismo lote de producción.
Además, aunque el objetivo es tener cada capa de refuerzo
completamente "impregnada" de resina, es muy difícil conseguir
esto manualmente, y como consecuencia sólo se puede conseguir una
relación de fibra/resina relativamente baja. Otro problema del
proceso de estratificación manual es que las bolsas de aire que hay
en las capas retienen poca fibra/resina, lo que sirve para reducir
la resistencia del producto final.
Los artículos compuestos, fabricados con dos
pieles separadas de FRP con un núcleo entre ambas, se utilizan en
varias industrias. Por ejemplo, se conoce la fabricación de
componentes de construcción, tubos y segmentos de tubo, usando un
núcleo de matriz de mortero de polímeros. El núcleo de matriz de
mortero de polímeros comprende un material resinoso cargado con un
material de relleno que sirve como carga de resina o con un
agregado que sirve tanto para unir la resina como para modificar las
propiedades mecánicas de la resina curada. Tanto los materiales de
relleno como los agregados se pueden usar en la matriz y tener
densidades mayores que las del material resinoso que se encuentra
en la matriz de mortero de polímeros. El uso de un material de
relleno, un agregado o de ambos puede reducir sustancialmente el
coste del producto de FRP compuesto y permitir al mismo tiempo que
se puedan obtener unas buenas propiedades mecánicas. Las pieles
externas se pueden diseñar para que mejoren la resistencia de un
producto compuesto, ya que esas pieles se van a someter a la mayor
carga en condiciones de carga.
Si tales artículos compuestos se fabrican
mediante un proceso manual, el control dimensional resulta muy
difícil y se debe dejar al núcleo que se cure de manera suficiente
antes de aplicar la segunda piel de capas de FRP. Esto prolonga el
proceso de fabricación y puede reducir la homogeneidad del producto
final. Además, en caso de usar un agregado, en vista de la
disparidad que hay entre la densidad de la resina y la del
agregado, el agregado tiende a arrastrarse por gravedad a través de
la resina antes de que ésta se cure de manera suficiente, lo que da
como resultado variaciones en las propiedades del núcleo del
interior del artículo.
Otros procesos conocidos para fabricar artículos
de FRP compuestos incluyen moldeo a presión de resina y moldeo por
compresión de resina. Con este último proceso se pueden obtener
propiedades mecánicas extremadamente buenas aunque resulta muy
costoso y que en vista de los altos costes del herramental sólo es
adecuado para fases de producción muy largas. El moldeo a presión
de resina se puede usar con series de lotes no muy grandes y
produce mejores productos que el proceso de estratificación manual,
aunque con tal proceso es difícil producir laminados grandes o
gruesos. También es difícil obtener grandes relaciones de
fibra/resina y sin la posibilidad de conseguir altos niveles de
material de relleno, sólo se consigue una rigidez relativamente
escasa.
Los procesos de fabricación para compuestos
ligeros de tipo sándwich también son muy conocidos. Estos procesos
utilizan espuma sintáctica o un núcleo celular poroso inyectado o
preformado que se combina con capas de fibras de refuerzo externas o
pieles preformadas para producir compuestos ligeros. Estos procesos
conocidos, que se describen por ejemplo en la
US-4025686-A, son adecuados para
utilizar únicamente con materiales de relleno de baja densidad, por
ejemplo microesferas huecas de vidrio, materiales epoxídicos o
fenólicos, en las resinas fluidas (con aditivos y agentes
endurecedores) para formar un núcleo de espuma sintáctica ligera
curable y moldeable entre las pieles reforzadas. Para muchos
compuestos ligeros, puede ser aceptable o incluso deseable que quede
aire retenido dentro de la estructura (en el caso de núcleos de
espuma simples), reduciéndose así el peso total del artículo
moldeado, aunque este no es el caso para compuestos densos de gran
resistencia que se van a usar en la construcción y en otras
aplicaciones estructurales rígidas donde se busca una resistencia y
una rigidez máximas. Además, se debe evitar la retención de aire
para asegurar la mayor impregnación posible de las capas externas
con resina y la mayor densidad posible de la estructura
interna.
La presente invención tiene por objeto tratar las
desventajas asociadas a los procesos conocidos para producir
artículos compuestos y permitir que se puedan fabricar artículos
compuestos relativamente resistentes y densos de modo simple,
relativamente económico y eficaz, y que no obstante ofrezca
productos de alta calidad con buenas tolerancias dimensionales,
homogéneos y de gran resistencia.
Según la presente invención, se proporciona un
procedimiento para moldear un artículo compuesto con unas pieles
externas opuestas de material plástico reforzado con fibras y entre
las pieles un núcleo de mortero de polímeros, que comprende las
fases de:
- utilizar un molde que se puede abrir y que
define una cavidad de moldeo con un puerto de inyección por el que
se puede introducir una matriz de mortero de polímeros en la
cavidad;
- abrir el molde y colocar en la cavidad unas
capas correspondientes de fibras de refuerzo para formar dichas
pieles externas opuestas;
- cerrar el molde e inyectar la matriz de mortero
de polímeros en la cavidad a través del puerto de inyección, entre
las capas de fibras de refuerzo que están colocadas allí, y
- aplicar una presión suficiente sobre la matriz
de mortero de polímeros inyectada para asegurar la penetración de
la resina en dichas capas;
en cuyo procedimiento la matriz de mortero de
polímeros comprende un material resinoso cargado con un agregado en
partículas cuya densidad es mayor que la del material resinoso que
está dentro de la matriz de mortero de polímeros y la malla de las
capas de material de refuerzo fibroso tiene por término medio menor
tamaño que el tamaño medio de partícula del agregado, por lo que
el material de refuerzo filtra el agregado en partículas de la
matriz de mortero de polímeros para permitir que sólo penetre el
material resinoso por dichas capas.
Se puede apreciar que el procedimiento de moldeo
permite la fabricación de un artículo compuesto con un núcleo de
mortero de polímeros cargado con un agregado, sin tener que llevar
a cabo la estratificación manual tradicional de las capas que forman
las dos pieles externas. Mediante el proceso de esta invención, el
refuerzo de fibras se coloca en el molde manualmente, aunque en ese
momento no se realiza la impregnación con resina. La impregnación
con resina se realiza a la vez que se crea el núcleo, usando la
misma resina, para asegurar homogeneidad al producto final.
El agregado tiene normalmente un tamaño de
partícula que oscila entre 0,05 mm y 5 mm y es un material en
partículas de alta densidad si se compara con el material resinoso
de la matriz de mortero de polímeros. Por tanto, el agregado puede
comprender normalmente un agregado mineral u otro material en
partículas con una densidad relativamente alta que tiene densidades
de partícula mayores que las del material resinoso que se encuentra
dentro de la matriz de mortero de polímeros. Las resinas de
poliéster típicas tienen, por ejemplo, un peso específico (p.e.) de
aproximadamente 1,1. Los agregados minerales pueden tener
normalmente un peso específico de la masa en seco de entre 1,5 y
1,75 y un peso específico de partícula de entre 2,7 y 3,4. Los
agregados de los subproductos de la combustión del carbón pueden
tener normalmente un peso específico de la masa en seco de entre
0,6 y 1,1 y un peso específico de partícula de entre 1,6 y 2,1. Los
agregados de vidrio triturado reciclado pueden tener normalmente un
peso específico de la masa en seco de entre 1,2 y 1,6 y un peso
específico de partícula de entre 2,2 y 2,9.
Para algunas aplicaciones determinadas, puede
resultar ventajoso usar un agregado que tenga un tamaño de
partícula que no esté dentro del anterior rango de tamaños, por
ejemplo para ofrecer unas propiedades mecánicas determinadas a la
matriz del mortero de polímeros. En ese caso, puede que sea
necesario usar un refuerzo de fibras que tenga fibras de tamaños
especiales o una estructura modificada, especialmente si se usa un
agregado con partículas pequeñas.
Además, cuando se usa un agregado que está dentro
(o por encima) del rango de tamaños de partícula mencionados, la
matriz del mortero de polímeros puede incluir también un material
de relleno. En ese caso, se prefiere que el tamaño medio de
partícula de los materiales de relleno sea suficientemente pequeño
para que sólo el material resinoso y los materiales de relleno que
tengan un tamaño de partícula pequeño penetren en dichas capas de
material. Por ejemplo, se podrían emplear materiales de relleno de
cerámica. En vez de, o además de, materiales de relleno con un
tamaño de partícula pequeño, se podrían añadir al mortero de
polímeros fibras cortadas y otros materiales de relleno fibrosos
tales como por ejemplo microfibras.
El procedimiento se lleva a cabo preferiblemente
retirando aire de la cavidad de moldeo al mismo tiempo que se
inyecta la matriz de mortero de polímeros en la cavidad a través
del puerto de inyección, entre las capas de fibras de refuerzo. La
retirada del aire puede empezar antes de la inyección del mortero
de polímeros, con lo cual se puede emplear una presión de inyección
menor. Por ejemplo, el puerto de inyección puede colocarse entre
los extremos de la cavidad de moldeo y se puede extraer aire por los
extremos de la cavidad de moldeo. Si se reduce la presión del
interior de la cavidad al mismo tiempo que se inyecta la resina a
presión, se puede conseguir una excelente penetración del refuerzo
por toda la cavidad. El uso de presión negativa también hace que se
reduzca la presión interna que se necesita dentro de la cavidad de
moldeo para asegurar que el material resinoso se separe del núcleo
de mortero de polímeros y penetre rápidamente dichas capas de
refuerzo. A su vez, esto permite el uso de una resina de curado más
rápido, reduciendo así el tiempo durante el cual se puede producir
el arrastre de cualquier agregado, produciendo una matriz interna
más homogénea. Además, el proceso de producción tiene un ciclo de
trabajo reducido, lo que abarata los costes.
De manera ventajosa, el proceso se realiza con
una presión de inyección inferior a 3 bares, acompañada de una
reducción de presión en la cavidad de moldeo. Esto hace que se
abaraten los costes del herramental que se usa en el proceso ya que
los moldes se pueden diseñar y fabricar para que aguanten presiones
internas menores de las que serían necesarias sin el uso de una
presión negativa. Por ejemplo, los moldes se pueden hacer con FRP y
todavía tienen suficiente resistencia para realizar el proceso. El
ahorro en los costes también deriva de la reducción de la presión
de inyección, ya que los sistemas de menor presión son menos caros
que los diseñados para inyectar materiales con altas presiones. Otra
ventaja de usar presión negativa es que se puede formar un sistema
de inyección completamente cerrado que permite un mayor control de
la emisión de sustancias volátiles a la atmósfera.
El mortero de polímeros inyectado puede
comprender cualquiera de las resinas que se usan normalmente para
fabricar productos compuestos usando FRP. Por ejemplo, la resina se
puede seleccionar del grupo que consiste en resinas epóxido,
acrílicas, de fenol-folmaldehído, de ésteres de
vinilo y de poliéster, junto con un activador adecuado para
asegurar que se cure la resina dentro de una escala de tiempo
razonable tras la inyección del mortero de polímeros.
El agregado en partículas de alta densidad que se
usa para cargar el mortero de polímeros es preferiblemente de bajo
coste si se compara con el coste del sistema de resina. Por
ejemplo, puede usarse un agregado mineral, tal como arena, ya que
puede reciclarse, o un material de desecho, por ejemplo
subproductos de la combustión de carbón o un vidrio reciclado
triturado. La mezcla del mortero de polímeros con el agregado, lista
para ser inyectada, se realiza preferiblemente al vacío, para
evitar que quede aire retenido en o sea arrastrado hacia el
mortero. Además, se puede reducir la contaminación medioambiental,
controlando tanto el vertido de resina como el escape de vapores a
la atmósfera.
Mezclando el mortero de polímeros en vacío
parcial (es decir, a presión reducida) e inyectándolo después
mientras que se extrae el aire del molde, el proceso completo se
puede realizar en condiciones cerradas, reduciendo así también la
probabilidad de contaminación medioambiental y produciendo al mismo
tiempo y de manera repetida productos de alta calidad con buena
homogeneidad por toda la matriz de mortero de polímeros.
La selección de un material de fibras de refuerzo
depende de la naturaleza del producto a fabricar y del uso que se
le vaya a dar. El material de fibras de refuerzo comprende
normalmente, al menos un material o posiblemente mezclas de, fibras
de vidrio, fibras sintéticas (por ejemplo terylene®), fibras
naturales (por ejemplo las derivadas del yute, cáñamo o coco) o
fibras de carbono. Este material de refuerzo puede estar compuesto
por fibras unidireccionales simples junto con suficientes fibras
entrecruzadas para impartir estabilidad al material de refuerzo
mientras que se está manipulando y colocando en la cavidad de
moldeo, o puede comprender matrices más complejas de fibras, por
ejemplo rejillas de fibras sesgadas, rejillas bidireccionales,
rejillas tejidas o rejillas de fibras cortadas en múltiples
direcciones. En tales casos, se coloca material de refuerzo de
manera que los espacios huecos entre las fibras de refuerzo
individuales formen una malla a través de la cual puede pasar el
material resinoso, aunque no el agregado, para permitir que se
impregne con resina la rejilla de refuerzo.
El puerto de inyección de la matriz de mortero de
polímeros inyectada puede proyectarse hasta la cavidad desde una
pared lateral de la misma, para asegurar que entre resina en el
espacio entre las dos capas de material de refuerzo que se han
colocado previamente en la cavidad. En una realización alternativa,
el puerto puede colocarse al mismo nivel que la superficie interna
del molde, y el refuerzo está provisto de una abertura adecuada en
la zona del puerto, para permitir que la resina circule entre las
capas que forman las dos pieles. Además, para asegurar que el
mortero de polímeros cargado con el agregado, se desplace
inicialmente entre las capas, se pueden proporcionar separadores
entre las capas que forman las dos pieles, al menos cerca del
puerto de inyección, para mantener las capas correspondientes
separadas y asegurar la inyección de resina en el espacio
necesario.
En un proceso alternativo, el material de
refuerzo se puede unir ligeramente a las paredes laterales de la
cavidad del molde, por ejemplo usando un adhesivo o una cinta
adhesiva, antes de cerrar el molde y de la inyección de la matriz de
mortero de polímeros. En este caso, puede que no sea necesario
incluir separadores entre las capas de material de refuerzo.
Al igual que en los procesos de fabricación
conocidos de artículos compuestos, se puede depositar primero una
capa de gel u otra capa externa (por ejemplo una capa
anticorrosión) en al menos una de las superficies de la cavidad de
moldeo, antes de llevar a cabo esta invención, como se ha dicho
antes. Tal capa de gel o capa externa puede diseñarse para que
proporcione al producto final unas características determinadas, por
ejemplo una capa de detención resistente a la penetración del
artículo compuesto por un líquido que puede estar en contacto con
la misma.
El proceso de fabricación de esta invención es
particularmente adecuado para artículos compuestos que tienen dos
superficies principales separadas una distancia relativamente
pequeña si se compara con las dimensiones de las superficies
principales. Por ejemplo, tales artículos pueden comprender paneles
de construcción y revestimientos exteriores. De manera alternativa,
las superficies principales pueden ser arqueadas y así, el artículo
moldeado puede formar un segmento de la superficie de un tubo, para
ensamblar entre sí una pluralidad de segmentos y formar un tubo
completo de sección circular, ovoide u otra. Además, el
procedimiento se puede usar para moldear secciones completas de tubo
o productos cilíndricos, con moldes de una forma adecuada. Tales
tubos, o tubos formados con segmentos de tubo moldeados, pueden
usarse en particular para el revestimiento de alcantarillado y para
otras estructuras subterráneas de ingeniería civil, tales como
pasajes, conductos, alcantarillas, túneles y equivalentes.
A continuación se describe en detalle, sólo a
modo de ejemplo, una realización específica de esta invención con
referencia a los dibujos que se acompañan, en los que:
La figura 1, es una vista de frente de un molde
utilizado para llevar a cabo el procedimiento.
La figura 2, es una vista esquemática en
perspectiva del molde de la figura 1.
La figura 3, es una sección vertical del
molde.
La figura 4, es una sección transversal de un
producto fabricado mediante el procedimiento de la invención.
Refiriéndonos inicialmente a las figuras 1 a 3,
se muestra un molde 10 en dos piezas que tiene una parte interna
rígida 11 con forma arqueada y una parte externa 12 flexible que
puede arrastrarse hacia abajo, como muestran las flechas A, hacia
las caras de cierre 13 de la parte interna, para formar así una
cavidad de molde hermética. La parte interna 11 se hace con acero
bajo en carbono tratado por galvanoplastia, asegurando así una
buena durabilidad y un acabado de alta calidad, sin defectos y
adecuado para recibir una capa de gel u otra capa de detención. La
parte externa flexible 12 se hace con una hoja de acero inoxidable
o de acero bajo en carbono que tiene una capa trastada por
galvanoplastia delgada adecuada para permitir que se doble sin que
se produzcan deformaciones o fisuras en la capa.
Como se muestra en la figura 2, la parte externa
12 está provista de unos puertos de vacío 14 por ambos bordes
alargados, estando dichos puertos conectados en uso a un generador
de baja presión para extraer aire de la cavidad de moldeo. Se pueden
proporcionar más puertos de vacío según se necesiten, por ejemplo
por los bordes internos de la cavidad de moldeo. Se proporciona un
puerto de inyección 15 de resina de mortero de polímeros a través
de la parte externa 12, normalmente en la parte central de la
misma.
La superficie arqueada de la parte interna 11 se
cubre con un agente de desmolde y después, si se necesita, se
aplica otra capa de gel o de detención 20 (figura 4) sobre tal
superficie. Se pueden formar capas especiales anticorrosión 21 a
partir de rejillas de filamentos continuos, rejillas de fibras
cortadas y tejidos con una superficie de fibra sintética o fibra de
vidrio para asegurar que se forme una capa de detención rica en
resina debajo de la capa de detención 20. Esto puede necesitarse si
el artículo compuesto acabado va a estar en contacto con fluidos o
efluentes acuosos. El grosor y composición de tales capas 21 se
puede ajustar para conseguir los niveles de resistencia a la
corrosión necesarios en el artículo acabado.
Después, se colocan las capas 22 de fibras de
refuerzo dentro del molde para proporcionar al producto acabado las
propiedades mecánicas necesarias. Por tanto, la disposición de las
fibras en el refuerzo, la densidad de las fibras, etc,, se
seleccionan con respecto al producto final que se pretende. Por
ejemplo, si se necesita una resistencia determinada en una
dirección, por ejemplo en un tubo o un segmento de tubo una
resistencia máxima en la dirección circunferencial, el enrejillado
de fibras se puede extender en esa dirección.
Dependiendo del uso que se quiera dar al producto
final, las fibras de refuerzo pueden comprender rejillas unidas
mecánicamente o mediante adhesivo, de fibras cortadas extendidas en
una dirección aleatoria, rejillas tejidas unidireccionalmente o
bidireccionalmente, rejillas tejidas con filamentos continuos u
otros materiales de fibras de refuerzo adecuados o combinaciones de
esos materiales. En cualquiera de estos casos, los materiales de
refuerzo tienen espacios huecos entre las fibras de refuerzo que
forman una malla a través de la cual puede pasar el material
resinoso, para permitir que se impregne el refuerzo.
Después de formarse las capas necesarias 20, 21 y
22 sobre la parte interna rígida 11 para formar la piel interna,
cuando se monta la parte externa, se colocan unos separadores 23
(figuras 3 y 4) entre las capas de la zona central, alrededor del
puerto de inyección 15. Estos separadores tienen preferiblemente
forma de resortes de paso grande, aunque se pueden usar bloques
pequeños y simples en vez de los resortes de paso grande. Por
tanto, usando las mismas consideraciones referidas a las capas que
se han colocado sobre la parte interna 11 para formar la piel
interna, las capas 24 de material de refuerzo se crean para formar
la piel externa. Finalmente, si se necesita, se puede colocar otra
capa de detención 25 sobre las capas 24.
El molde se cierra tirando de la parte externa 12
sobre la parte interna para obtener un cierre hermético. Durante
este proceso, el puerto de inyección 15 se coloca para que
atraviese las capas de refuerzo que van a formar la piel externa,
cortándose un agujero adecuado y exacto a través de esas capas para
acomodar el puerto.
Un sistema de mortero de polímeros adecuado se
mezcla a presión reducida a partir de una resina y un agregado en
partículas de alta densidad, por ejemplo arena, junto con un
activador para curar la resina. Se extrae el aire de la cavidad de
moldeo a través de los puertos de vacío 14 y después se introduce
el mortero de polímeros a presión a través del puerto de inyección
15 en el molde, entre las capas de refuerzo 21, 22 y 24 que forman
las pieles interna y externa, mientras que se continúa extrayendo al
mismo tiempo el aire por los puertos de vacío 14. La resina sirve
para empujar las capas 21, 22 y 24 hacia fuera para que se pongan
en contacto con las caras del molde, filtrándose entre las mismas e
impregnado las fibras cortadas de esas capas. Las magnitudes de la
presión de inyección positiva y la presión de extracción negativa
se pueden ajustar para asegurar que haya un tiempo mínimo de
inyección acompañado del desplazamiento de sustancialmente todo el
aire del molde proporcionando una gran penetración e impregnación
del refuerzo. Además, la resina puede arrastrarse a los extremos
externos del producto, asegurando así que el molde no se someta a
sobrepresión. Esto se puede conseguir mediante un sistema de
válvulas manual o controlado por ordenador (no se muestra). El
resultado del sistema de transferencia de resina ayudado con vacío
es que se obtiene un ciclo de tiempo reducido que permite una
curación más rápida del laminado y que se anulan en gran medida los
problemas de estratificación que se sufrirían como resultado del
asentamiento de agregados en partículas de alta densidad en el
núcleo de mortero de polímeros durante un largo periodo de
curación.
El grosor y la malla medios del enrejillado
fibroso usado para formar las capas de refuerzo y anticorrosión que
constituyen las dos pieles y la malla media del agregado se tienen
que seleccionar de manera que el enrejillado fibroso sirva como
filtro para el agregado, para evitar sustancialmente que el
agregado se introduzca en las capas de refuerzo. De este modo, sólo
la resina y las pequeñas partículas de los materiales de relleno se
separan del núcleo de mortero de polímeros y atraviesan e impregnan
las capas de refuerzo, permaneciendo el agregado dentro del núcleo
26, entre las capas de refuerzo interna y externa 22 y 24. Esto
permite conseguir grandes relaciones de fibra/resina en esas capas
y excelentes propiedades mecánicas utilizando únicamente un núcleo
con un coste relativamente bajo.
A continuación se explica un ejemplo específico
de un proceso de fabricación de segmentos de tubos. Se preparó una
matriz de mortero de polímeros con una resina de poliéster
isoftálica que tenía un peso específico (p.e.) de 1.1. Se mezcló en
la resina un agregado que comprendía aproximadamente un 45% (en
peso) de arena de sílice graduado con un tamaño medio de partícula
de unos 0,35 mm. La matriz se preparó en un recipiente de mezcla en
condiciones de presión reducida, para evitar que quedara aire
retenido dentro de la matriz, y el aire retirado del recipiente de
mezcla se recogió y limpió, filtrándolo y depurándolo, antes de
descargarlo en la atmósfera.
El molde de fabricación de segmentos de tubos
tenía una cavidad de moldeo con unas dimensiones de aproximadamente
1.500 mm por 1.571 mm con una separación de pared de 35 mm, siendo
el radio medio de curvatura de las paredes de 1.017 mm. Después de
cubrir la cavidad de moldeo con un agente de desmolde, se aplicó una
capa de gel sobre las dos áreas principales utilizándose
enrejillado de fibras cortadas para reforzar las capas de gel. Se
extendieron dos capas de enrejillado de fibra de vidrio reforzada
unidireccional por el interior de la cavidad cerca de un área
principal, y otras dos capas cerca de otra área principal,
usándose resortes para sostener los pares de capas separadas en la
zona del puerto de inyección.
Después de cerrar el molde, se extrajo el aire de
la cavidad para reducir la presión en el interior hasta unos 0,7
bares. Se añadieron aceleradores a la matriz inmediatamente antes
de comenzar la fase de inyección, para dar un tiempo de gelificación
de 15 minutos y un tiempo de curación de unos 60 minutos, a una
temperatura ambiente de unos 30ºC. Después, se inyectó el mortero de
polímeros preparado a una presión de 2,5 bares mientras que se
estaba extrayendo el aire de la cavidad de moldeo. Igual que con la
preparación del mortero de polímeros, se recogió y limpió el aire
extraído de la cavidad de moldeo filtrándolo y depurándolo antes de
descargarlo en la atmósfera.
El producto final que se sacó del molde tenía un
peso total de unos 157 kg, con un p.e. de 1,9. El producto tenía
sus superficies principales bien acabadas y una resistencia
relativamente alta. Las capas externas mostraron una penetración y
una impregnación de resina excelente, sin la presencia del agregado
en esas capas.
Los costes del herramental necesarios para poner
en práctica la invención son relativamente bajos en comparación con
los sistemas de compresión. También se pueden obtener niveles altos
de agregado en la matriz del mortero de polímeros ahorrando así en
los costes de la materia prima. Se pueden fabricar productos
compuestos grandes y en particular gruesos administrando de manera
controlada presión de inyección positiva y presión de extracción
negativa. El uso de una cantidad relativamente grande de agregados
en partículas y materiales de relleno cuya densidad es alta ayuda
al moldeo de laminados más gruesos. Esto se debe al efecto de
"disipación térmica" que proporcionan los materiales de
relleno y los agregados, lo que reduce la cantidad de fisuras
producidas debido a la reacción exotérmica que se experimenta
durante la curación.
Además, las fibras de refuerzo pueden
seleccionarse y disponerse para optimizar las propiedades mecánicas
y de resistencia a la corrosión del artículo compuesto acabado.
Esto hace que el proceso sea particularmente adecuado para fabricar
conductos, canales, tubos o segmentos de tubo.
En vez de una parte de molde externa y flexible,
se puede utilizar una parte externa rígida. También se puede
utilizar otro tipo de herramental, por ejemplo para fabricar un
tubo entero o trozos de cilindro. Los moldes rígidos, o las
secciones de molde rígidas, permiten que se pueda obtener una
precisión dimensional muy buena. Por tanto se puede asegurar un
control de calidad y su replicación en diferentes fases de
producción. Un molde alternativo podría hacerse con materiales de
FRP, en particular por las fuerzas relativamente bajas que se
necesitan durante el proceso de moldeo; especialmente cuando se
extrae el aire del molde al mismo tiempo que se inyecta el mortero
de polímeros. En este caso en particular, se debe aplicar un agente
de desmolde adecuado en la superficie del molde para asegurar que
el material de resina que está en el mortero de polímeros no se
pegue a las superficies del molde.
Claims (18)
1. Procedimiento para moldear un artículo
compuesto que tenga pieles externas opuestas de material plástico
reforzado con fibras y entre las pieles un núcleo de mortero de
polímeros, que comprende las fases de:
- utilizar un molde que se puede abrir y que
define una cavidad de moldeo y un puerto de inyección por el que se
puede introducir una matriz de mortero de polímeros en la
cavidad;
- abrir el molde y colocar en la cavidad unas
capas correspondientes de fibras de refuerzo para formar dichas
pieles externas opuestas;
- cerrar el molde e inyectar la matriz de mortero
de polímeros en la cavidad a través del puerto de inyección, entre
las capas de fibras de refuerzo que están colocadas allí, y
- aplicar una presión suficiente sobre la matriz
de mortero de polímeros inyectada para asegurar la penetración de
la resina en dichas capas;
en cuyo procedimiento la matriz de mortero de
polímeros comprende un material resinoso cargado con un agregado en
partículas cuya densidad es mayor que la del material resinoso que
está dentro de la matriz de mortero de polímeros y la malla de las
capas de material de refuerzo fibroso tiene por término medio menor
tamaño que el tamaño medio de partícula del agregado, por lo cual
el material de refuerzo filtra el agregado particular de la matriz
de mortero de polímeros para permitir que sólo penetre el material
resinoso por dichas capas.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en
donde la matriz de mortero de polímeros inyectada comprende un
material resinoso cargado con un agregado en partículas y
materiales de relleno determinados cuya densidad es mayor que la del
material resinoso que se encuentra dentro de la matriz de mortero
de polímeros, siendo el tamaño medio de las partículas de los
materiales de relleno suficientemente pequeño para que sólo el
material resinoso y las pequeñas partículas de los materiales de
relleno penetren en dichas capas de refuerzo.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 ó 2,
en donde se retira el aire de la cavidad de moldeo al menos al
mismo tiempo que se inyecta mortero de polímero en el interior.
4. Procedimiento según la reivindicación 3, en
donde la presión de inyección de mortero de polímeros y la presión
negativa para sacar el aire de la cavidad de moldeo se controlan
juntas para optimizar la inyección de mortero de polímero y la
impregnación del refuerzo.
5. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en donde la matriz de mortero de
polímeros inyectada comprende una resina seleccionada del grupo que
consiste en resina epóxido, resina acrílica, resina de
fenol-folmaldehído y resina de poliéster, junto con
un activador adecuado.
6. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en donde el agregado en partículas de
alta densidad que se utiliza para cargar el mortero de polímeros se
selecciona del grupo que consiste en un mineral granular, un
subproducto granular de la combustión de carbón, un vidrio
triturado reciclado granular y un metal granular.
7. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en donde la fibra de refuerzo
comprende fibras de vidrio, plástico sintético o de carbono o fibras
naturales o una mezcla de tales fibras.
8. Procedimiento según la reivindicación 7, en
donde la fibra de refuerzo comprende principalmente fibras
unidireccionales junto con una cantidad suficiente de otras fibras
para asegurar la estabilidad de las fibras unidireccionales durante
su manipulación.
9. Procedimiento según la reivindicación 7, en
donde la fibra de refuerzo tiene forma de rejilla.
10. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en donde se colocan separadores entre
capas correspondientes de material de refuerzo, al menos cerca del
puerto de inyección, para mantener separadas las capas que van a
formar las pieles interior y exterior, y para garantizar que el
mortero de polímeros se inyecta entre dichas capas.
11. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 9, en donde las capas correspondientes de
material de refuerzo se mantienen en contacto con las caras
internas del molde mediante un sistema de adhesión que actúa entre
dichas capas y las paredes de la cavidad de moldeo.
12. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en donde el puerto de inyección tiene
un orificio de salida situado en la cavidad de moldeo bien al mismo
nivel que la pared de la cavidad en la que se abre el puerto o bien
por encima de la misma, para poder disponerlo a mitad de camino
entre las paredes internas opuestas de la cavidad.
13. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en donde al menos una superficie de la
cavidad de moldeo tiene una capa de gel o una capa de detención que
se aplica antes de colocar la fibra de refuerzo.
14. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en donde la cavidad define dos
superficies principales opuestas y cuatro superficies límite que se
extienden entre y alrededor de las periferias de las dos superficies
principales, de manera que el artículo compuesto moldeado tiene
sustancialmente forma de hoja.
15. Procedimiento según la reivindicación 14, en
donde las dos superficies principales tienen forma arqueada, con lo
cual el artículo moldeado forma un segmento de la superficie de un
tubo o cilindro.
16. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones 1 a 13, en donde el artículo moldeado forma una
sección de tubo o de cilindro.
17. Procedimiento según cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en donde la matriz de mortero de
polímeros se prepara en un recipiente de mezcla bajo una presión
reducida mediante la retirada de aire del recipiente de mezcla,
retirándose el aire de la cavidad de moldeo al menos al mismo
tiempo que se inyecta en dicha cavidad el mortero de
polímeros.
18. Procedimiento según la reivindicación 17, en
donde el aire que se retira del recipiente de mezcla y de la
cavidad de moldeo se recoge y limpia antes de descargarlo en la
atmósfera.
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