Polímeros industriales e Industria aeroespacial

Tecnología industrial. Materiales. Plásticos. Aplicaciones aeroespaciales. Fibras en la navegación aérea. Polímero PEEC

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POLÍMEROS ARTIFICIALES E INDUSTRIA AEROSPACIAL

ÍNDICE

INTRODUCCIÓN HISTÓRICA

El 14 de diciembre de 1903 el “Flyer” volaba impulsado por su motor de explosión una distancia de 32 m en 3 s, pilotado por uno de sus constructores y diseñadores, Wilbur Wright, y se abría una nueva era en el mundo de la tecnología, de las comunicaciones y de los ingenios militares. Casi de inmediato se descubrieron las potencialidades de los “más pesados que el aire”.

La primera gran guerra constituyó el gran impulso a la industria aeronáutica. La potencia de los motores pasó de una decena de HP a 200, la autonomía se hizo de horas y la velocidad superó los 200 km/h.

Desde los primeros albores de la aviación se vio la necesidad de conseguir materiales ligeros, resistentes y con una serie de condiciones y cualidades mecánicas. Por otra parte, aún en los más primitivos sistemas de construcción, madera, bambú y lino, hacían falta colas y barnices resistentes, sólidos y seguros.

En el campo de los barnices, los nitrocelulósicos desplazaron a los tradicionales al aceite para protección y tensado de los materiales textiles con que se construía la mayor parte del revestimiento de los aeroplanos, sin embargo el primer uso de polímeros sintéticos en este campo se debió a razones de tipo estratégico. Se trataba de conseguir disimular los aviones de combate y una idea fue construir el avión transparente, es decir revestir la estructura, a la sazón bastante simple, de una material lo más transparente posible que debería hacer al aeroplano “invisible”. La idea la desarrolló el austriaco Petrocz von Petroczy en 1912 recubriendo un Lohner-Etrich “Taube” con una película transparente de “Emaillit”, que era un derivado del celuloide, muy semejante químicamente al barniz del mismo nombre y su impacto entre los especialistas se resume en una nota publicada en la revista “Flight” según la cual “sólo la estructura y los pasajeros del avión resultaban visibles desde el suelo, presentando un blanco muy difícil para los tiradores de fusil, dada la gran velocidad a que se desplazaban” (esta sería de unos 100 km/h).

Para reforzar el Emaillit el francés Moreau reforzó la lámina nitrocelulósica con un tejido de tul y voló en un monoplano recubierto por un sistema formado por dos láminas de Emaillite de 0,35 mm de grosor que encerraban un tul de seda natural (1913). En Alemania el ingeniero Anton Knubel en Münster diseñó y construyó dos monoplanos tipo “Taube” recubriendo uno con un material que el mismo había patentado, llamado “Aeroid” y otro con un acetato de celulosa, llamado comercialmente “Cellon”, desarrollado por Rheinische-Westfälische Sprengstoff AG de Colonia. Este material, inastillable, pronto encontró aplicaciones como sustituto del vidrio en automoción y en aeronáutica. El Cellon no era explosivo, ni excesivamente inflamable, lo que le daba bastantes posibilidades de uso, además seco tensaba muy bien lo que le hacía un excelente revestimiento de superficies amplias, como los planos de los aviones y podía aplicarse por cosido o encolado. El principal problema que presentaba es que con la humedad se destensaba y restaba cualidades aerodinámicas a las superficies portantes por lo que su uso debió descartarse, Sin embargo hay pruebas de abundantes aviones alemanes recubiertos en parte(porciones del fuselaje, secciones de los planos de cola etc) con este material, ya no con objeto de hacerles invisibles, sino de mejorar la visibilidad de las tripulaciones.

El descubrimiento de la utilidad del metacrilato, bajo sus nombres comerciales de “Perspex” o “Plexiglás” permitió su aplicación como sustituto del vidrio en parabrisas y coberturas de cabinas, permitiendo la construcción por moldeo de cabinas de visón total, tipo “gota de agua”.

Por otra parte al ir mejorando las características de los aviones, se exigían materiales con propiedades más selectivas.

En el campo de los pegamentos, por ejemplo y en los años treinta se desarrollaron, por una parte los derivados del formaldehído, especialmente en Alemania y la Unión Soviética, por otra las resinas epóxicas, comercialmente “Araldit”, en Gran Bretaña. Ello hizo posible la construcción de aviones de elevadas características de madera, como el De Havilland “Mosquito”, inglés, fundamentalmente de contrachapado de maderas ligeras encoladas con Araldit. Los soviéticos desarrollaron cazas de las series Lagg, de madera de abedul impregnada en resina de formaldehído y los el bimotor Focke Wulf Ta 154. Todos estos aviones alcanzaban velocidades superiores a los 600 km/h y soportaban elevadas aceleraciones, como corresponde a aviones de caza que eran.

En la inmediata posguerra los estadounidenses usaron un material en “Sadwich” de madera de balsa y aluminio en finas láminas encoladas con Araldit, con el que construyó el caza embarcado “Cutlass”, propulsado por reactor

Polímeros industriales e Industria aeroespacial

Este modelo histórico está construido básicamente por polímeros naturales, madera y tela, tensada a base barnices nitrocelulósicos.

SITUACIÓN ACTUAL

Los cuadros adjuntos dan una idea sobre la evolución de las aeronaves. Podría hablarse también de su masa y capacidad, desde unos pocos centenares de kg y uno o dos pasajeros a los gigantes civiles y militares.

Lógicamente los materiales que se usen deberán sufrir una evolución parecida. Si a ello se añade la evolución en la tecnología de los materiales el panorama queda suficientemente encuadrado.

Resumiendo y con referencia a los materiales poliméricos estos se pueden utilizar.

- Como materiales de decoración, relleno etc. En este caso no difiere mucho su utilización de los materiales usados en automoción. La mayoría de tapicerías de revestimientos interiores, de tabiques etc de las aeronaves civiles y militares se construyen con los mismos materiales que la industria del automóvil es decir polímeros termoplásticos que une a su baratura y facilidad de mecanización y mantenimiento, con tratamientos ignífugos que mejoran sus condiciones de seguridad. No se va a hacer un tratamiento detallado de ellos.

- Uso en aeronaves ligeras, avionetas de entrenamiento o turismo, ultraligeros etc. Siguen usándose los mismos materiales, y los tejidos tipo naylon o rayón o dragón en alas de ultraligero o ala delta así como en paracaídas como sustituto ventajoso de la seda natural o del lino. Además las resinas epóxicas reforzadas con fibra de vidrio se usan en fuselajes semimonocasco o monocasco por sus condiciones de ligereza, baratura facilidad de moldeo y de reparación. Un campo de especial utilización de estos materiales así como las espumas de poliuretano está en los veleros.

- Aeronaves de altas prestaciones, sean civiles o militares.

PERSPECTIVAS DE LA NAVEGACIÓN AÉREA.

En un futuro próximo se prevé la navegación aérea en cuatro niveles.

1.- Subsónica de bajas velocidades

2.- Subsónica de altas velocidades

3.- Supersónica

4.- Hipersónica transatmosférica

Los dos primeros niveles son los habituales hoy día en la aviación comercial y ligera, también en ellos cabría incluir a los helicópteros.

El tercer nivel es hoy casi del dominio exclusivo de la aviación militar, siendo sólo de un modelo, el Concorde, las aeronaves en explotación comercial con elevado número de Mach, 3 aproximadamente, cuya rentabilidad no parece excesiva.

El cuarto nivel es absolutamente nuevo. En un futuro no muy lejano entrarán en servicio naves transatmosféricas, que se piensa que vuelen a unos 30.000 m de altura y a Mach 8, capaces de unir la costa oeste de EE.UU. con Asia oriental en unas dos horas. En su vuelo las temperaturas del revestimiento oscilarían entre unos 750 ºC en la parte posterior del fuselaje y unos 1700 en el cono de penetración, aunque hacer predicciones en este campo es bastante arriesgado, veáse por ejemplo lo ocurrido con el Concorde, sin sucesor por el moento y con problemas y con el transporte aéreo en general a partir, por citar una fecha , el problema posiblemente estuviera ya latente, del 11 de septiembre.

RESUMEN

La idea genérica podría resumirse en más rápido, más seguro, más barato y con mayor radio de acción. Ello significa no sólo una mejora en las prestaciones y el consumo de los motores, sino un reducción del peso de los aviones que pasa por un diseño más evolucionado y por la introducción de nuevos materiales en consonancia con las exigencias demandadas.

Estas naves deberán construirse con materiales fuertes, ligeros y resistentes al calor. Un ejemplo podría ser algo así como el que sigue.

Alas y estabilizadores construidos en material híbrido carbono-carbono. Fuselaje metálico, de nuevas aleaciones; conducto y toberas híbridos de matriz cerámica; tren de aterrizaje, híbridos de matriz metálica,; piezas internas, híbridos de matriz orgánica y los herrajes de titanio.

Muchas de las técnicas se han experimentado en las actuales lanzaderas espaciales.

NUEVOS MATERIALES

En los últimos años se han producido dos notables avances en este campo: síntesis de nuevos materiales y el empleo de nuevos híbridos “composites” en estructuras aerospaciales.

Por otra parte nuevas técnicas de trabajo como son solidificación rápida (RST, en la jerga técnica), conformado superplástico, soldadura por difusión y la sinterización.

La primera de estas técnicas se aplica fundamentalmente a los metales, consiguiendo aleaciones de aluminio y níquel de características muy específicas, de gran resistencia a la temperatura o propiedades mecánicas muy buenas.

El conformado superplástico consigue grandes cambios en el material a alta temperatura y baja presión.

La soldadura por difusión pone en contacto las piezas ensamblar a presión y temperatura elevadas lo que hace los átomos se difundan a través de esta superficie sin provocar su fusión, como ocurre en la soldadura convencional.

La sinterización obtiene las piezas a partir del polvo del material base comprimido en moldes cerámicos, de vidrio o de acero. Estas técnicas pueden emplearse con polímeros termoestables.

MATERIALES HÍBRIDOS.

Respecto a los nuevos materiales y prescindiendo de los “nuevos metales”, realmente nuevas aleaciones o aleaciones tradicionales sometidas a tratamientos, en general térmicos o mecánicos, que deben conferirles propiedades especiales, son muy importantes los materiales híbridos, en general formados por una matriz polimérica y un entramado de fibras de alta resistencia. Este tipo de materiales híbridos presentan propiedades mecánicas únicas así como gran resistencia a la corrosión y a la temperatura, a la par que son ligeras y resistentes, lo que las hace especialmente adecuadas para la industria aerospacial.

Como puede verse los materiales híbridos son de capital importancia. Estos materiales también pueden usarse en misilística. Cada kg de peso muerto eliminado permite aumentar el alcance de un misil medio en unos dos kilómetros, más o menos. Sustituyendo todo el metal de un cohete actual por grafito, su alcance aumentaría en más de 600 km.

También en las naves espaciales, inicialmente construidas en costosos metales se está observando la tendencia a los nuevos materiales.

En ellos por una parte se combinan las distintas características de los que integran el material, pero no sólo eso sino que se pueden aprovechar alguna propiedades de algunos materiales, eliminando sus inconvenientes.

Los materiales estructurales fundamentales para su fabricación se reducen a unos pocos elementos, fundamentalmente C, Al, Si, N y O capaces de formar entre sí enlaces estables y fuertes. El grafito, las cerámicas de óxido de aluminio, carburo de silicio o dióxido de silicio. Cerámicas de estos materiales, e incluso el grafito por si solo, presentan notable resistencia a los agentes químicos y a las temperaturas, son ligeros y sus constituyentes abundantes, sin embargo, son frágiles, un pequeño rasguño en su superficie es suficiente para iniciar una fractura. Sin embargo si estos materiales se constituyen en partícula pequeñas o en fibras, su resistencia útil se multiplica. Por ejemplo, el vidrio normal es muy resquebrajable, sin embargo, tejido en forma de fibras finas opone una resistencia a la tracción del orden de 3.109 Pa,. El acero presenta una resistencia a la tracción de sólo 5.108 Pa.

La razón de este aumento espectacular de las propiedades es fundamentalmente de tipo estadístico, así, si una de las fibras presenta un defecto, este no se propaga a las demás. Por otra parte, en un conjunto tipo “pelos de bigote”, la probabilidad de que una fibrilla tenga un defecto es mucho menor que lo presente un gran bloque, y ello no solamente por razones estadísticas sino porque las fibrillas son desde el punto de vista cristalográfico cristales teóricamente perfectos. La idea general puede aplicarse también a ciertos polímeros orgánicos, este tipo de materiales como es sabido, están constituidos por largas cadenas de átomos, en general de carbono, unidos por enlaces covalentes. En la mayoría de casos las cadenas están débilmente ligadas o cristalizadas en esquemas complejos. Si las cadenas pueden separarse con cierta facilidad el resultado es un material ligero y flexible, sin embargo, si las cadenas se orientan en la dirección de la tensión el resultado es un material muy fuerte y rígido. En algunos polímeros, el hilado para producir fibras lleva parejo la alineación de las cadenas según el eje de las fibras, por ejemplo las fibras de aramida, y también el modesto polietileno, cuyas cadenas flexibles pueden convertirse en sumamente resistentes si se orientan sus moléculas, mediante técnicas adecuadas, según el eje de la fibra.

Las fibras por si solas no son suficientes para garantizar sus ventajas, por ejemplo, si una fibra se rompe, queda inutilizada y la carga que soportaría se reparte entre las restantes, de modo que poco a poco la resistencia de la fibra se va haciendo menor. Para evitar este problema y otros, se engloba las fibras en una matriz de otro material cuya misión es, por un parte, servir de aglomerante, uniendo las fibras y dando solidez al conjunto, por otra proteger al entramado de fibras de las tensiones del entorno y de daños físicos que pudieran provocar la aparición de grietas.

En su conjunto el híbrido estará constituido por fibras que podrán presentarse en forma de cortas fibras, de fibras largas dispuestas paralelamente entre sí o entrecruzadas formando un tejido base el cual a su vez podrá ser un entramado sencillo biaxial (“Cuadrícula”) o triaxial (“rejilla exagonal”) o un tejido con dos o más tipos de fibra e incluso con estructuras tridimensiónales, en forma de trenzado construcción cilíndrica u ortogonal, etc, dependiendo de las propiedades que se vayan a requerir al material híbrido, todo ello embebido en una matriz

Las propiedades del material híbrido, fibras-matriz, así conformado serán por una parte debido al entramado, especialmente su resistencia y rigidez, otras a la matriz, como las conductividades térmica y mecánica o la resistencia a los agentes químicos, pero además se dará un efecto sinergético entre ambos medios, de modo que las propiedades resultante no serán una simple adición de los constituyentes por separado, sino que se verán reforzados por la simbiosis.

El material con el que se fabrique la matriz dependerá del intervalo de temperatura a los que deberá trabajar el híbrido. Concretamente si no se van a sobrepasar los 200 ºC lo más habitual es que la matriz sea un polímero orgánico, que engloba fibra de vidrio. Concretamente la forma más habitual es un entramado de fibras cortas de vidrio en una matriz de poliéster. Su utilidad es amplísima, se manejan fácilmente, son baratas, de fácil reparación y pueden moldearse en formas complejas que una vez solidificadas dan piezas de gran resistencia.


Su aplicación es grande en la industria de construcción naval, para cascos y superestructuras de barcos, en la automovilística para construcción de carrocerías. En el terreno aeronáutico su utilidad se reduce zonas que no soporten altas temperaturas. En elementos estructurales que deban soportar elevadas temperaturas o a los que se requieran esfuerzos estructurales importantes, este tipo de materiales requieren fibras de mayor consistencia que la fibra de vidrio, por ejemplo se usan fibras de grafito o aramidas y el polímero matriz será alguno con mayor resistencia a la temperatura que el poliéster.

En estos casos son frecuentes polímeros termoestables. Un polímero será termoestable si existen enlaces en sus cadenas que bloqueen la estructura molecular para dar una red tridimensional rígida que no se pueda fundir. Las resinas termoestables más usadas son las epóxicas. Sin embargo se están desarrollando otra clase de resinas, las poliimídicas, cuya capacidad de resistir de forma prolongada temperaturas de más de 300 ºC las hacen especialmente adecuadas para su uso en aeronáutica.

Las matrices termoestables, no obstante presentan algunos problema, concretamente requieren un “curado de su estructura”, o dicho de otro modo, debe ser sometida a unas condiciones que permitan el entrecruzado de las cadenas de polímero y la formación de los enlaces a los que ha hecho referencia y que son los responsables de su termoestabilidad. Concretamente, el híbrido deberá someterse durante muchas horas a presiones y temperaturas elevadas.

EL POLÍMERO PEEC.

Hoy se está investigando en matrices termoplásticas que no obstante soporten temperaturas elevadas sin reblandecerse, por ejemplo el polímero de polieteilenterccetona (PEEC) que funde a 334 ºC, ofrece muy buenas posibilidades. Además, la mayoría de polímeros termoplásticos son más tenaces que los termoestables.

En los años 30 Wallace Carothers trataba de conseguir fibras sintéticas, en principio trabajó con poliésteres pero los abandonó por su bajo punto de fusión, recurriendo a las poliamidas, inventando el “nylon” comercial. En 1939 J.R. Whinfeld y J.T. Dickinson basándose en consideraciones teóricas buscaron poliésteres de alto punto de fusión, llegando al tereftalato de polietileno, “Terylene”, comercializado en 1955. En 1957 se comercializaban los policarbonatos. En común este tipo de fibras tenían la existencia de anillos aromáticos en sus cadena. Eran satisfactorios a temperaturas ordinarias.

En la búsqueda de polímeros resistentes a temperaturas altas se orientó la investigación hacia las polisulfonas poliaromáticas. Se conocían polisulfonas no aromáticas y se sabía que la difenilsulfona podía destilarse a 390 ºC. Esta molécula consta de dos anillos bencénicos unidos por una estructura de azufre y oxígeno (O=S=O). Se buscaba un monómero que permitiera la unión repetitiva de esta estructura, lo que originaría una polisulfona resistente a altas temperaturas. Al fin se logró un polímero que resistía sin fundir temperaturas altas pero a cierta temperatura se descomponía. Su utilidad práctica requería que a una temperatura alta fundiera sin descomponer, a fin de permitir su tratamiento por medio de la maquinaria habitual, extrusoras y moldeadoras por soplado. La solución vino al sustituir el grupo sulfo por oxígeno como puente de unión en algunos anillos. Eran las polietersulfonas (PES), que si cumplían las condiciones de termoplasticidad a temperatura elevada requeridas.

Con todo el problema no estaba resuelto, porque desde su descubrimiento en 1962 hasta que se dispuso de cantidades sustanciales de PES transcurrieron unos diez años, tal era lo “anómalo” de su química. La empresa ICI, que la había descubierto ni siquiera se había atrevido a adelantar un precio estimativo.

Además, aunque como se ha dicho, la maquinaria requerida era similar a la habitual, al trabajarse a temperaturas substancialmente más elevadas, se imponía su reemplazamiento.

Hoy el PES se ha introducido en el mundo de los plásticos pero posee algunos inconvenientes, por ejemplo es amorfo, no es cristalino, tiende a volverse cristalino en algunos disolventes y no es muy resistente a la fatiga ni a la abrasión.

En los años setenta se estudiaron las polietercetonas, estas ya cristalinas, de estructura semejante a las polietersulfonas, pero sustituyendo el grupo sulfona por el cetona (C=O). Por fin en 1977 los técnicos de ICI descubrieron las polietertercetonas, con doble de uniones éter (-O-) que cetona el polímero se comercializó como “victrex”. Su primera aplicación fue como aislante en la industria aerospacial, hoy tiene aplicaciones en todos los campos desde adhesivo hasta elemento estructural. Es un 30% más ligero que el aluminio, su resistencia química es muy alta, e incluso soporta bien la acción de las radiaciones ionizantes, soporta temperaturas del orden de los 340º C. Su principal problema es su precio, que es del orden de 50 veces el del polietileno. Un ejemplo de su utilización son los radomos radar de los aviones Hércules convencional.

HÍBRIDOS CARBONO-CARBONO

Los híbridos de matriz polimérica, con todo, no son adecuados para temperaturas superiores a los 300 ºC y estas temperaturas se alcanzan en muchos puntos de un avión. La solución estará en usar otras matrices, ya sean de tipo cerámico, o de tipo metálico. Por ejemplo el vidrio de borosilicato reforzado con fibras de carburo de silicio se comporta muy bien hasta los 1000 º C. Matrices de carburo de silicio o de nitruro de silicio o de óxido de aluminio soportan en buenas condiciones de resistencia hasta los 1700 ºC, incluso en este tipo de matrices la tenacidad aumenta con la temperatura debido a que entre los granos cristalinos que las integran aparecen regiones vítreas que se ablandan al aumentar la temperatura, deteniendo las posibles fracturas. Sin embargo esta misma resistencia a la temperatura dificulta su elaboración, por lo que en muchos casos debe recurrirse a la sinterización.

Propiedades semejantes tienen los híbridos carbono-carbono aunque por razones diferentes. En estos materiales el reforzante es grafito, una forma semicristalina del carbono y la matriz carbono amorfo. Estos materiales mantienen casi perfectamente sus características mecánicas y químicas a temperaturas del orden de los 2500 ºC y son ideales por ejemplo, para los conos de los cohetes o de los vehículos de reentrada extraterrestres, sin embargo, a altas temperaturas pueden oxidarse por lo que se recubren de una capa cerámica delgada.

Su fabricación consiste en los siguientes pasos.

Primero se impregna las fibras de grafito de una resina fenólica. El conjunto se calienta en atmósfera inerte con lo que la resina se pirroliza parcialmente, por un mecanismo semejante al usado antiguamente para obtener carbón de madera, con lo que queda un residuo carbonoso. El conjunto resultante se vuelve a impregnar de resina fenólica a alta presión y se vuelve a pirrolizar. Si el proceso se reitera muchas veces se consigue una matriz de carbono amorfo prácticamente exenta de poros.

Otro método que también se usa consiste en la descomposición del vapor de un compuesto químico rico en carbono, orgánico, de modo que el carbono resultante se introduzca entre las fibras de grafito.

Gráficos