Nuevos materiales y nuevas técnicas en el arte: materiales de refuerzos en los plásticos

Nuevos materiales y nuevas técnicas en el arte. Materiales de refuerzos en los plásticos. Rafael Spínola Romero 1. Materiales de refuerzo en los plásticos Los plásticos reforzados están formados por mezclas de polímeros resinosos (foto 1) y materiales de refuerzos, como la fibra de vidrio (f.v.); la combinación de ambas da lugar a un material con unos valores superiores a cualquiera de los llamados tradicionales: la madera, cemento, piedra, etc,...y a los metales, a todos ha reemplazado. En la actualidad, estos plásticos reforzados son utilizados en casi todos los campos de la actividad humana, debido a sus amplias posibilidades de empleo y a reunir una serie de ventajas basadas en unas propiedades excepcionales de orden físicoquímico, mecánico y eléctrico. Los plásticos reforzados con fibra de vidrio (G.R.P.) (1R), es un material compuesto en el que tendremos que considerar que cada clase de resina y cada tipo de refuerzo tienen sus propias características, por lo que podemos decir que los G.P.R. serán el resultado de una serie de factores y elementos que se combinaran de formas y proporciones variables, que nos modificaran y determinaran unas posibilidades de utilización. Entre estos factores y elementos modificadores tendremos: 1) Orientación de los refuerzos y el tipo de estos refuerzos que usemos. 2) Cantidad de fibra que utilizamos y relación de vinculación con el tipo de resina que pongamos. 3) El tipo de resina que usemos debe de ofrecer: resistencia química y a la interperie. 4) Las cantidades que utilicemos, el tipo de carga y aditivos que influirán sobre varios aspectos como: color, contracción, etc,.. de una forma determinada. 1. 1. Fibras naturales y químicas “La fibra textil está compuesta de filamentos o fibrillas muy finas. Cada fibrilla consta de moléculas gigantes, llamadas macromoléculas (1). Estas están formadas por un gran número de átomos. Los átomos se agrupan en motivos estructurales idénticos, llamados mallas o eslabones que se repiten regularmente gran número de veces en las macromoléculas, se les llama cadenas macromoleculares. Esta estructura macromolecular le da a la fibrilla, una extrema flexibilidad y la hace útil para fines textiles”. Así pues, una fibra textil está compuesta de filamentos o fibrillas que poseen gran resistencia a la tracción y mucha flexibilidad. Existen dos categorías de fibras textiles: A.- las naturales y Blas químicas Las fibras textiles naturales, como su nombre indica tienen un origen natural. Son las más antiguas conocidas y utilizadas por el hombre. Las fibras textiles naturales, se subdividen en: fibras animales, vegetales y minerales (tabla) (2). Las fibras textiles químicas se subdividen en: fibras artificiales y sintéticas (tabla)(2). Las textiles artificiales (1) “se obtienen por transformación química de los productos naturales fibrosos. Los textiles sintéticos son obtenidos de los productos químicos ya conocidos. Aparecen antes de la 2ª Guerra Mundial. Estas fibras, están constituidas por pequeñas moléculas simples, llamadas monómeros. Por medio de unas operaciones químicas complejas, se unan varios monómeros de igual naturaleza y la adición da lugar a la macromolécula. Esta transformación de estructura se denomina como sabemos polimerización y el producto obtenido es un polímero”. De todas estas fibras: naturales y químicas; veremos las fibras naturales minerales, que son las que tienen mayor interés para nosotros por su uso en los plásticos reforzados, y dentro de estas la fibra de vidrio, será la más importante. (A) Tabla: categorías de fibra textiles (2): FIBRAS NATURALES FIBRAS ANIMALES FIBRAS VEGETALES FIBRAS MINERALES Lana Seda Algodón Lino Cáñamo Ramío Yute Asbesto Fibra de vidrio Fibra de carbono Fibras metálicas Fibras cerámicas Fibras de monocristales (B) FIBRAS QUÍMICAS FIBRAS ARTIFICIALES FIBRAS SINTÉTICAS Nombre Principales marcas comerciales Nombre Principales marcas comerciales Celulosa regenerada Viscosa Derivados de la Celulosa Acetato Triacetato -Cortil, Zantrel - Albéne, Dicel,Tricel - Rhonel, Arnel Poliamidas Poliesteres Clorofibras Acrílicas Polipropileno Poliuretano - Nylón, Perlón, Lilión, Rilsan -Tergal,Dacrón, Terylene,Trevira -Rhovyl, Thermovyl - Orlón,Leacryl, Dralón, Acrylan - Meraklon - Rhodatic, Lycra (fibra elástica) 1.1.1 Fibras de vidrio - Mención histórica (3) (4) (5) (6) (7) “Los primeros indicios de un vidrio fibroso lo podemos encontrar en las fibras de vidrio volcánico “filamentos finos”. Se descubrió éste por unas muestras del Vesubío en 1.906 después de una de sus erupciones. La lava era expulsada y los fuertes vientos estiraban el material vítreo, formando con ello unos finos filamentos. Estos fueron encontrados en nidos de pájaros. Del primer vidrio del que se puede dar referencias es de la obsidiana, es un vidrio natural que se forma debido al enfriamiento rápido de las rocas volcánicas sin permitir la cristalización del mineral. Se utilizó en la prehistoria para confeccionar utensilios. El origen del vidrio fabricado, de como, cuando y por quien fue descubierto se desconoce con exactitud. Sabemos que los egipcios lo usaban. El vidrio puro más antiguo conocido procede de Egipto alrededor del año 7.000 a. de C. aunque no se puede asegurar totalmente. En el año 1.500, ya se fabricaban objetos a gran escala en Egipto. A partir de este año se hace el moldeo de masas de arena para conseguir botellas para perfumes y vasos. Estos objetos se decoraban con finas fibras de vidrio. Se calentaba el vidrio y se estiraba, adosándolo como elemento decorativo. Aproximadamente hacía el año 500 a. de C. los sirios inventaron el método del soplado, con ello se obtiene objetos de gran tamaño. Al pueblo romano, debemos la técnica del alabeo en espiral ó técnica del cordón de vidrio de entalle. Esto alcanza gran florecimiento en Venecia en los siglos XII al XVII. Fueron maestros en obtener vidrios llamados de “encaje”, estos consisten en poner filamentos muy finos, blancos o de color, dentro de otro vidrio transparente y estirarlo todo durante el soplado, consiguiendo con ello unos diseños decorativos intrincados. En China hacía el año 200 a. de C. se da un vidrio con una composición similar a la del vidrio “E” (fibra de vidrio). Estaba compuesta por tres componentes básicos (SiO2, Al2O3, CaO) y en una proporción casi igual. Entre los años 1.655 y 1.715, los científicos ingleses y franceses, inventaron y perfeccionaron la extracción continua de filamentos. Y en 1.832, se descubrió, la actual operación de extracción mecánica y recogida sobre una rueda giratoria de los hilos. En 1.893, en la Exposición Colombiana de Chicago, se expusieron objetos realizados con fibra de vidrio: corbatas, vestidos de mujer, que se habían hecho en Toledo (Ohío). Las fibras se obtuvieron calentando varillas de vidrio y estirándolas rápidamente en filamentos de pequeños diámetros por medio de un tambor enrollado. Este proceso se utilizó hasta 1.930. La Corning Glass Works, se crea en 1.926 y la Owens Illinois Glass Company en 1.929. Ambas realizaron estudios sobre las fibras de vidrio. Y en 1.931 se comienza a producir a escala industrial fibras de vidrio que serán aptas para ser tejidas. En 1.938 ambas empresas se fusionan y forman la OwensCorning Fiberglass Corporation, dedicándose a perfeccionar los hilos, cintas y tejidos de fibra de vidrio. Desde 1.940 hasta nuestros días se han realizado una serie de trabajos de investigación que han dado como resultado nuevos tipos de fibras(8) y lo último que se ha conseguido ha sido en 1.985 un polímero de cristal líquido moldeable(9) conocido con el nombre comercial de Xyder y lanzado al mercado bajo la denominación de DMI, producido por Dartco Mfg. Inc. Empresa subsidiaria de Dart and Kraft. Inc.”. - Composición El vidrio común, es un material duro y quebradizo, siendo estas sus características mecánicas más acusadas. Si a este lo estiramos y hacemos hilos ó filamentos muy delgados pierde esa dureza y fragilidad, haciéndose más flexible, con lo que aumenta su resistencia y de esta forma puede ser utilizado como material de refuerzo. El vidrio común se obtiene(10) “de determinados óxidos inorgánicos. Una composición representativa del vidrio común ( el de ventanas), que es un vidrio sódico, ó vidrio “A” y la de los denominados fibras de vidrio (f. v.) es: (10) “A” “E” “C” “S” Sílice (SiO  ) Óx. de aluminio (AlO3) Óxido de calcio (CaO) Óx. Magnesio (MgO) Óxido de hierro (Fe2O3) Óx. de boro (B2O3) Óx. sodio Na2O) Óx. potasio (K2O) Óx. Zirconio (ZrO2) Óx. Titanio (TiO2) 72 % 0´6% 10 % 2´5% --- --- 14´2 % --- --- --- 52-56 % 12-16 % 16-25 % 0-6 % 0´2 % 813 % --- 0´6-1 % -- --- 60-65 % 2-5 % 1314 % 3% 0´2 % 2-7 % 8% 1´7 % -- --- 64-66% 34-26 % --- 10% --- --- --- --- --- --- Las denominaciones son: “A” vidrio común; fibras de vidrio: “E” (eléctrico); “C” (químico); “S” (alta resistencia). La fibra de vidrio “E” tendrá una amplía aplicación en todas sus formas. La fibra de vidrio “C”, se utilizará en forma de fieltro ligero y velos (telas muy finas), y la fibra de vidrio “S” en forma no tejidas”. Las más usadas serán las “E”, por ello las desarrollaremos. En la composición para la fabricación de fibras textiles(11) “se eliminan los álcalis (sosa y potasa) que son usados para bajar el punto de fusión del bióxido de sílice y se usa en su lugar óxido alcalinoterroso como el óxido bórico (B2O3). Por éstos los vidrios de la clase de los borosilicatos conocidos como fibra de vidrio “E” poseen un álcalis del 1% (son los vidrios asodicos)”. - Fabricación La fibra de vidrio se obtiene por medio de dos procesos (dibujos A y B): (11) (foto 2 y 3) - método de fusión directa y - método de alimentación en forma de bolitas. Las principales materias primas que forman la composición de la f.v.(fibra de vidrio) son: sílice, cal, alumína y caolín. Estos compuestos bien dosificados son cuidadosamente mezclados y posteriormente esta composición es introducida en un horno y fundida a alta temperatura. La mayor parte del hilado de diámetro controlado de las f. v., se consiguen(12) “por estiramiento mecánico a grandes velocidades de los filamentos de vidrio fundido. Que caen en los orificios de las hileras. Aquí mediante un dispositivo de estiramiento salen (foto 4) y se reúnen para recibir el "ensimaje(13)” por medio de éste se le da a los filamentos una película lubricante que hace que se reduzca la fricción y da por tanto facilidad para su uso posteriormente haciendo que no se deshilache. Del ensimaje pasa por una horquilla por donde sale el hilado básico que va a la devanadora en la cual se envuelve formándose un haz de fibras. Del devanador pasa a la fabricación (textil) de los distintos tipos o formas de hilos y tejidos”. Se ha producido el vidrio textil y éste se presenta de dos formas distintas:(14) 1ª bajo forma de hilado formado por filamentos elementales continuos, denominados Silionne, y 2ª como un hilado formado por hebras discontinuas, denominados Veranne”. - Propiedades: Las propiedades más importantes de la fibra de vidrio (f. v.) son: (10) “a) Alto esfuerzo a la tracción b) bajo alargamiento c) buena estabilidad d) ininflamable é incombustible e) inalterable a la radiación ultravioleta. f) buena resistencia a los agentes químicos y a la humedad. g) inmunidad al ataque de microbios y hongos”. 1.1.2 Características de la fibra de vidrio “E”(15) Densidad (en fibras)........ 2´54 g/cm3 Dureza(escala Morhs)........ 6´5 - resistencia al calor - resistencia química Desventajas: - pobre resistencia al impacto - color oscuro - posibles dificultades en las mezclas”. - Fibras de grafito y carbono Son usadas en formas de telas ó de filamentos. (foto 15) Ofrecen una alta resistencia y rigidez. direccional. Su peso es reducido. Se fabrican a partir de materiales fibrosos carbonados. Las propiedades típicas a temperatura ambiente y de uso general son: (22) Propiedades Carbono Grafito Resistencia tracción Tenacidad Elongación en la rotura Recuperación elástica Módulo elasticidad Rigidez g/dernier Densidad g/cm3 Conductividad térmica Calor específico 120 6,2 2,0 100 6 310 1,53 13 0,17 90 5,3 1,5 100 6 350 1,32 22 0,17 - Fibras cerámicas Las fibras cerámicas son fibras continuas de óxidos metálicos. Sus características más sobresalientes son: (23) “a) altas propiedades mecánicas, poseen excelentes propiedades a la compresión y a las altas temperaturas (1370º-1650 ºC). b) excelente resistencia química c) fácil de trabajar d) frágiles”. Se comercializan en forma de hilos, tejidos, y cintas. Estas fibras pueden ser de interés en Escultura, ya que además de poseer buenas propiedades físicas, poseen una alta relación resistenciapeso y gran resistencia al envejecimiento. Poseen un alto coeficiente de contracción por lo que apenas sufren cambios de dimensiones. Quizás el único inconveniente es su alto precio. Las fibras de grafito, carbono y cerámica y otros tipos como son: de boro, cuarzo, metálicas, etc., carecen de gran interés para nosotros ya que su campo de aplicación será(24) “en alta tecnología, en compuestos resistentes a altas temperaturas como por ejemplo: en la industria aeronáutica”. 2. Colocación direccional de la fibra en los plásticos La resistencia direccional es la propiedad principal y es de gran importancia en los G.R.P. el situar y orientar los refuerzos hacia una dirección determinada. La disposición de las fibras tiene gran interés, ya que de esta dependerán las cualidades mecánicas de la estructura de un plástico reforzado. Tabla Iª (25) (foto 16) De esta forma, si la orientación de las fibras de refuerzo es hacia una dirección única, tendrá en esa dirección una resistencia alta, y baja o nula en el sentido transversal. Si ambas se entrecruzan tendrá un valor medio. Si las fibras las orientamos: una parte en un sentido y la otra a 90º de la anterior, caso b de la tabla Iª, resulta ser resistente en esas dos direcciones y menor en las otras. Ante esto nos podemos preguntar ¿ cómo podemos nosotros orientar estas fibras cuando hagamos el refuerzo de una escultura u objeto artístico? Esto va a depender en gran medida de la complejidad de la escultura u objeto artístico y del método de moldeo que nos convenga utilizar. La técnica o proceso de moldeo que nos interesa, por se el que mejor se adapta a nuestras necesidades es la del moldeo por contacto o a mano. A continuación describiremos el proceso: 1º en la realización de un soporte plano y 2º en el moldeo o vaciado de una obra escultórica (bulto redondo) 1º proceso en la realización de un soporte plano: Sobre Plataforma de celdilla metálica tipo panal abeja (hexagonal) (foto 17) se coloca la fibra de vidrio (mat-fieltro o manta) impregnada de resina. Este soporte preparado, se puede usar en: escultura (base de relieve); pintura (base para dar preparación de estuco y poder pintar o hacer pinturas murales); y en restauración (colocación pinturas murales que han arrancado) Así mismo, el refuerzo resina/fibra de vidrio se puede usar en el campo escultórico para: cubrir de estructura metálicas (preformas) de una obra escultórica o como material de refuerzo de otas materias utilizados en el vaciado, por ejemplo, obra en mortero de cemento. A continuación describiremos: 2º Proceso (fases) que se siguen en el vaciado de una obra escultórica. Las fases o etapas que seguiremos para el moldeo o vaciado de una obra escultórica en plástico reforzado (G.R.P.) y con un molde de escayola, serán las siguientes: a) realización del molde. Dejar secar b) preparación del molde: dar goma laca c) aplicación al molde de los agentes desmoldeantes: cera d) preparación de la resina (mezcla de resina, acelerante, catalizador, carga, agente tixotrópico y colorante) e) aplicación de una primera capa de resina preparada sobre el molde f) aplicación del refuerzo: por lo general se usará la fibra de vidrio tipo mat (manta) de un gramaje 400 o 450 gr/m2 . Esta manta la cortaremos en trozos de 5 x 8 o 4 x 7 cm. o bien en la medida que nos convenga; con el fin de que podamos colocarla y entrecruzarla de forma cómoda. Comenzamos colocando una primera capa de resina sobre la superficie del molde, (foto 18) cuando comience a gelificar, le damos otro poco de resina, y vamos colocando los trozos de fibra de vidrio entrecruzándolos, (foto 19, 20 y 21) le pondremos otro poco de resina, y los vamos apelmazando con una brocha circular de pelo corto y duro o bien con un rodillo tipo metálico, con esto evitaremos las bolsas de aire y aseguraremos la adecuada impregnación, adherencia y humidificación del refuerzo de fibra de vidrio con la resina. Pondremos, dos capas de resina con fibra de vidrio como refuerzo, esto nos dará gran resistencia. g) gelificación, curado y maduración de la resina. (foto 22) La gelificación es el proceso por el cual comienza la resina (mezcla) a reaccionar pasando de un estado líquido al de gel pegajoso. Y del estado de gel se pasa al de fraguado o curado (polimerización de la resina), en esta fase se produce un proceso exotérmico de muy baja temperatura en las resinas de poliester y epoxi. Después en el tiempo de maduración, se endurece y toma cuerpo sólido. h) desmoldeo o separación del molde i) acabado(limpieza) y tratamiento superficial (patina) 3. Cuadro del uso del refuerzo (fibra de vidrio) con la resina sintética en el Arte USO TIPO DE FIBRA DE VIDRIO RESINA MOLDE Y TIPO DE MOLDEO PROCESO Vaciado o reproducción de una obra escultórica Mat(Manta) cortada diversos tamaños e impregnada con la resina - de poliester - escayola o silicona - Moldeo por contacto o a mano - Molde de escayola seco con dos manos de goma laca, y desmoldeante -- moldeo de silicona: nada Cubrimiento estructura metálica de hierro (preforma) de una obra escultórica -Mat(fieltro o manta) cortada en diversos tamaños e impregnada con la resina - poliester - estructura metálica de hierro Moldeo por contacto o a mano - Fases: 1ªHacer estructura. 2ª Cubrir con tela metálica. 3ªPoner resina con f. v. 4ªColocar encima cemento especial Vaciado de una obra escultórica: fibroresina o fibrocemento - hilos cortados - poliester o mortero de cemento - molde de escayola o silicona Moldeo a mano Se mezcla la fibra cortada con la resina o el mortero de cemento Refuerzo de la obra escultórica de cemento (mortero) - Mat (fieltro o manta) cortado en diversos tamaños impregnado con la resina - poliester - escayola o silicona Moldeo por contacto o a mano - debe de estar totalmente seca la parte a reforzar Como soporte base para: esculturas, pinturas y restauraciones - Mat (manta o fieltro) cortado en diversos tamaños - poliester - Sobre panal de celdilla metálica Moldeo por contacto o a mano - Colocar la fibra de vidrio impregnada de resina sobre el panal de celdilla metálica. Se hace un soporte que puede servir en: escultura colocar relieves; en pintura (pintar y hacer pintura mural) y en restauración: poner arranque pintura mural. 4. Conclusiones 1ª El proceso o sistema de moldeo por contacto o a mano, es el que mejor se adapta, y nos va, para el vaciado de las obras escultóricas y como soporte en escultura, pintura y restauración, por ofrecernos una serie de ventajas como son: - aplicación en los moldes de los materiales más usados: escayola y siliconas (elastómeros). Son de fácil realización. - posibilidad de conseguir cualquier forma deseada. - intervención directa por una persona especializada y cualificada, que puede tener en todo momento el control del proceso. - es el más económico, ya que los útiles y herramientas no nos exigen un equipo costoso. - se puede aplicar a cualquier pieza (obra escultórica) y tipo de soportes, aunque esta sea de grandes dimensiones y de formas complicadas. 2ª El refuerzo de más uso por sus ventajas y buenos resultados, es la fibra de vidrio (f.v.) en su presentación mat (fieltro o manta), debidamente orientado e impregnado con la resina de poliester o bien epoxi. 3ª La resistencia mecánica, al choque, química y a la intemperie, se encuentra condicionada a la proporción resinafibra de vidrio y al tipo de resina, si es o no rígida, a las formas de colocar el refuerzo, método seguido para su realización, etc., estos condicionantes servirán para la resistencia a la tracción, flexión y composición. 4ª Los G.R.P. nos dan una importante relación resistencia/ peso; paredes de pequeño grosor ofrecen grandes resistencias, con un peso reducido, esto hace que tengamos en el campo artístico una gran ventaja: la disminución del peso en la relación masavolumen, en comparación con los materiales tradicionales: madera, bronce, piedra, etc. - Referencias: - (1R) Hemos adoptado la abreviatura ISO 16291976, en la que los plásticos reforzados con fibra de vidrio es: (G.R.P.) 5. 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Indice ilustraciones (fotos) 1. Polímeros resinosos 2. Obtención de la fibra de vidrioMétodo de fusión directa 3. Obtención de la fibra de vidrioMétodo de alimentación en formas de bolitas 4. Salida fibra de vidrio y estiramiento 5. Distintos hilados de fibra de vidrio 6. Mat ( fieltro o manta) 7. Rovings (mechas continuas) 8. Chopped strands (fibras cortadas) 9. 10. 11. y 12. Esteras y cintas rovings 13. Texturas de los tejidos en fibra de vidrio 14. Asbestos 15. Fibras de carbono y grafito 16. Tabla de colocación direccional fibra de vidrio