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Ventajas de la resina epoxídica en estructuras compuestas

Se utilizan tres tipos de resinas en la construcción naval: Epoxídica, Viniléster y Poliéster. Aunque son todos polímeros termoestables que se endurecen cuando se mezclan con un catalizador, existen grandes diferencias.

En los años 60, la construcción naval con Poliéster reforzado con cristal dio un salto espectacular. Quince años después, los astilleros empezaron a llenarse de cascos de Poliéster que sufrían osmosis. Como consecuencia, las resinas de Viniléster, una forma híbrida del Poliéster endurecida con moléculas epoxídicas, fueron creadas en los 80. Sin embargo, a pesar de que las resinas de Viniléster han solucionado los problemas de osmosis, aún cuentan con las mismas limitaciones que el Poliéster en cuanto a encogimiento, unión y desgaste.

                                      
Cadena de Poliester:                                                         Cadena de Epoxy:
Entrecruzamiento y unión pobres                                   Entrecruzamiento y unión excelentes

Hoy en día, el 95% de los barcos de recreo menores de 18 metros aún se construyen con resinas de Viniléster o incluso Poliéster. Lo primero que tienen en cuenta en la selección de materiales la mayoría de los constructores es el coste, a menudo siendo el rendimiento y el valor monetario algo secundario. Como regla general, las resinas epoxídicas son entre dos y tres veces más caras que las de Viniléster, las cuales son el doble de caras que el Poliéster.

Puesto que la resina puede llegar a constituir el 40 - 50% del peso de un composite, se considera que esta diferencia de precio tiene un impacto importante sobre el coste de la estructura del barco.  Sin embargo, el valor de una calidad mayor y la obtención a largo plazo de más durabilidad (por lo tanto, un mejor valor de reventa) pueden ser factores importantes.

¿Qué contribuye a esta mejora?

Propiedades mecánicas
Dos propiedades mecánicas importantes de un sistema de resina son su resistencia a la tensión (elasticidad) y su módulo de elasticidad (o rigidez). La siguiente imagen muestra los resultados de pruebas llevadas a cabo sobre sistemas de resina de Poliéster, Viniléster y epoxídicas disponibles en el mercado, tanto curadas a temperatura ambiente como post-curadas a 80°C.

        
Resistencia a la tensión y módulo de elasticidad (fuente: Gurit SP)

Tras un periodo de curación de siete días, puede observarse que la resistencia a la tensión de la resina epoxídica es 20-30% mayor que la del Poliéster y Viniléster. Lo que es más importante, tras la post-curación, la diferencia se hace aún mayor. Un laminado epoxídico post-curado mostrará una resistencia a la tensión y un módulo de elasticidad (rigidez) casi dos veces mayor que los laminados de Poliéster o Viniléster no post-curados. Por lo tanto, con la misma resistencia y módulo, la estructura de un barco construido con resina epoxídica puede ser mucho más ligera.

Es importante mencionar que los barcos raramente se post-curan en el taller. El núcleo y los laminados de los paneles "ATL Duflex" Spirited son curados en una prensa caliente, un método que consolida el laminado bajo presión, aumentando el volumen de fibra y, así, la resistencia del panel final.

Porosidad
La resina epoxídica es una media de cuatro veces menos porosa que la de Viniléster y siete vez menos que el Poliéster. Además, tanto las resinas de Viniléster como las de Poliéster tienden a degradarse con el agua debido a la presencia de ésteres en sus estructuras moleculares. Como resultado, es de esperar que un laminado de Poliéster retenga sólo un 65% de su resistencia al corte inter-laminar tras un periodo de inmersión de un año, mientras que una laminado epoxídico sumergido durante el mismo periodo de tiempo retendrá cerca del 90%.  Por lo tanto, puede contar con la comodidad de tener un barco en el agua todo el año, sin preocuparse de que la humedad penetre hasta el núcleo o de perder resistencia del laminado.

 
Efectos de sumergir la resina bajo el agua
Resistencia al corte inter-laminar (de Gurit SP)

Permite construir las partes sumergidas de los cascos con un panel sándwich de composite (de varias capas), del mismo modo que el resto de la estructura.  Los yates construidos con resinas de Viniléster y Poliéster cuentan con un casco laminado monolítico bajo el agua, lo que resulta en una estructura frágil y pesada. Además, la mayoría de astilleros ofrecen un tratamiento "anti-osmosis" (¡opcional!), que se compone simplemente de dos capas de resina epoxídica. Comparar esto con un yate construido con resina epoxídica es como comparar acero galvanizado con acero inoxidable...

Unión
La unión entre un laminado epoxídico y el núcleo es cuatro veces más resistente que con Viniléster: 14 MPa frente a 3,5 MPa de resinas de Viniléster, e incluso menos en resinas de Poliéster. Además, puesto que la resina epoxídica se cura con un encogimiento tres veces menor que el Viniléster o Poliéster, los contactos de la superficie entre el laminado y el núcleo no se verán afectados durante la curación, asegurando que la estructura será capaz de dilatarse y encogerse sin micro-agrietarse o deslaminarse.

A diferencia de las resinas de Poliéster y Viniléster, que son compatibles sólo con cristal de fibra no curado, la resina epoxídica se unirá a materiales asimilares o ya curados, lo que hará que el trabajo de reparación sea fiable y resistente.  La resina epoxídica se une perfectamente a cualquier tipo de fibra y ofrece resultados excelentes al utilizarse para unir dos materiales distintos.

Resistencia al desgaste
Al navegar, con cada ola y movimiento, la estructura sufre repetidamente pequeños choques y tensión, que se acumulan llegando a millones a lo largo de toda la vida del barco. Los fallos por desgaste son consecuencia de la acumulación de muchos daños en cantidades pequeñas.

Mucho antes de llegar a la última carga y ocurrir el fallo, el laminado alcanzará un nivel de tensión en el que la resina empezará a agrietarse y separarse de los refuerzos de fibra no alineados con la carga aplicada. A esto se le conoce como "micro-agrietación transversal" y aunque el laminado aún no ha fallado llegado a este punto, el proceso de fallo ha comenzado.

La tensión que un laminado puede soportar antes de micro-agrietarse depende muchísimo de la dureza y las propiedades adhesivas del sistema de resina. Con sistemas de resina relativamente más frágiles, como Poliéster y Viniléster, se alcanza este punto mucho antes de que falle el laminado y, por lo tanto, limita considerablemente la tensión a la que dichos laminados pueden ser sometidos. En un ambiente como es el agua o el aire húmedo, el laminado micro-agrietado absorberá mucha más agua que un laminado sin agrietar. Esto resultará en un aumento de peso, ataques de la humedad contra los agentes adhesivos de la fibra y resina, pérdida de rigidez y, con el tiempo, un disminución de sus propiedades.

La habilidad superior para resistir la carga cíclica es una ventaja esencial de las resinas epoxídicas frente a las resinas de Poliéster. Esta es una de las principales razones por las que la resina epoxídica es la elegida para la construcción de aviones.


Curvas típicas de tensión/encogimiento de resinas
(fuente: Gurit SP)