Los materiales compuestos y sus aplicaciones en ambientes marinos

Los plásticos reforzados ofrecen formidables ventajas en estructuras marinas de alta integridad. Sin embargo, numerosos inconvenientes han prevenido el uso de estos materiales al menos aprovechando todo su potencial. Sin embargo, los casos de éxito están estimulando a diseñadores y fabricantes a tener una mayor confianza en los compuestos.

Una característica no deseable de las estructuras de los compuestos es su variabilidad, incluso entre copias de la misma estructura básica producida. Diferencias en calidad, propiedades y costes resultan de variaciones en el diseño y en los procedimientos de fabricación. Investigadores de la Universidad de Southampton, UK, han esbozado una aproximación destinada a reducir esta varianza, al mismo tiempo mostrando cómo las estructuras pueden producirse con un coste inferior sin sacrificar la integridad estructural.

Para producir estructuras homogéneas es necesario evitar la desconexión entre el diseño y la fabricación, un problema demasiado frecuente.

A pesar de que el diseño para producción es una vieja idea, esta secuencia asegura que el departamentalismo prevalece y aquellas áreas que necesitan un mayor nivel de compromiso tienen menos comunicación. La comunicación debería ser automatizada, sobre todo en aquellos aspectos que requieren tomar decisiones colaborativas de alto nivel.

La automatización comprendería una base de datos central en el que se combinan las entradas de todas las partes implicadas en el diseño y fabricación. Desarrollar este tipo de herramienta es un desafío.

Una característica de los compuestos es que tanto resistencia como debilidad es su adaptabilidad a un amplio rango de aplicaciones. Ya que hay casi tantos productos y variaciones de procesos como estructuras individuales, es difícil formular estándar de industria y rutas de cualificación. Sin embargo, los estándar son esenciales y podemos ver varios ejemplos al respecto.

Turbinas eólicas

Las aspas de las turbinas eólicas son un ejemplo tópico. La emergencia del DNV Offshore Standard para el diseño y fabricación de aspas de turbinas eólicas (DNV-OS-J102) proporciona una zona de confort ofreciendo una referencia contractual para contratistas y clientes como guía general para diseñadores y sus clientes. Basada en veinte años de experiencia de DNV en certificar aspas de turbinas eólicas, el estándar proporciona una base firme para los ingenieros. Los estándares existentes deben aún ampliarse para contemplar las aspas de gran tamaño; teniendo en cuenta los mayores riesgos de deflexión, fallos por pandeo y degradación por fatiga. Conceptos establecidos en la industria aeronáutica pueden ayudar a mejorar la tolerancia al daño de las aspas.

Reparación de estructuras marinas

Otro campo que está pidiendo a gritos la estandarización es el negocio de usar materiales compuestos para reparar estructuras marinas. Sobre este campo es difícil establecer normas debido a su diversidad. Sin embargo se han desarrollado prácticas basadas en ensayos y demostraciones a escala real, con especial énfasis en la resistencia a fracturas en conexiones. Un programa de investigación ha mostrado la factibilidad de usar tales estructuras operando incluso en condiciones exigentes típicas de la industria del gas y del petróleo. Las reparaciones con compuestos tienen la gran ventaja, como se ha señalado, que evitan las altas temperaturas y riesgos asociados que caracterizan las operaciones de soldadura.

Comportamiento ante el fuego

Uno de los frenos a la adopción de compuestos en el sector marítimo ha sido el comportamiento ante el fuego. Las regulaciones federales de los Estados Unidos aún prohíben el uso de materiales compuestos en estructuras primarias de uso marino porque no cumplen los requerimientos de no combustión. En contraste, la International Maritime Organisation´s High Speed Craft (HSC) Code acepta compuestos que pueden ser incluidos como elemento de materiales de restricción del fuego.

Respecto a las condiciones que pueden resistir los materiales compuestos podemos indicar que las resinas epoxi inician la ignición a 400 ºC, pero producen grandes cantidades de humos tóxicos cuando lo hacen.

Es conocido que ciertos compuestos de zinc y estaño pueden ser efectivos suprimiendo estas emisiones y sus perniciosos humos. Esto lo consiguen retardando el proceso de combustión.

Ensayos llevados a cabo en Italia han mostrado que el borato de zinc, el estannato de zinc y el hidroxistannato de zinc usados como aditivos en resinas epoxi endurecidas de baja viscosidad previstas para moldeado por transferencia de resinas (RTM) e infusión de vacío se han probado retardantes efectivos de la llama.

Integridad estructural

Algunas aplicaciones potenciales de los plásticos se han frenado por la percepción profundamente arraigadas según la cual los plásticos no pueden tener la misma integridad estructural que los metales, y si pueden hacerlo, no será por tiempos prolongados. Una tendencia actual es el control de la integridad de los plásticos no vía escáner externo sino utilizando minúsculos sensores embebidos en el compuesto en si mismo.

El uso de evaluación no destructiva mediante escáner acústico está bien establecido pero Tangent Technologies, en colaboración con PE Composites Ltd, han internalizado el proceso embebiendo minúsculos sensores dentro del compuesto. Los sensores utilizados sobreviven al proceso de fabricación y pueden posicionarse para alcanzar acoplamiento acústico con las capas clave en las láminas.

Reciclabilidad:

Otra objeción a los plásticos reforzados convencionales que ha surgido en los últimos años ante el aumento por la preocupación medioambiental es la dificultad del reciclaje en estos materiales.

Los termoplásticos difieren de las resinas termoformadas dominantes en el reciclaje actual, por ejemplo en el material de moldeo por inyección, pero tienen como desventaja que son menos poderosas en conexión y adhesión cuando se aplican secundariamente. La última desventaja puede superarse usando varios métodos de calentamiento para soldar piezas entre sí cerca de la línea de contacto previsto o a ambos lados de la fusión de la matriz de termoplásticos, llevando a una inter-difusión a nivel molecular y consecuentemente a uniones de alta calidad.

Varios métodos se han empleado hasta la fecha incluyendo el uso de elementos resistivos incorporados, gas caliente, fricción, electro fusión y métodos ultrasónicos.

Revestimientos de gel

El uso de revestimientos de gel para cascos de barcos y otras estructuras marinas requiere un acabado superficial de alta calidad.

El método patentado “in-mould gel-coating process” implica el uso de una capa separadora impermeable entre la lámina y el revestimiento de gel.

Bibliografía: Marine composites – drawbacks and success. Royal Institute of Naval Architects. Reinforced plastics July/August 2010

Palabras clave: Resin tranfer moulding (RTM)