APLICACIONES INDUSTRIALES CON PLÁSTICOS ...

MATERIALES COMPUESTOS: MATRICES, REFUERZOS E INTERFASE
a los productos acabados. Cuando el entrecruzamiento es pequeño, aumenta la
tenacidad y el alargamiento y disminuyen la contracción, la resistencia química, la
temperatura de distorsión por calor, la Tg y la fragilidad.
Las resinas éster-vinílicas son materiales termoestables, consistentes en una cadena
principal de diésteres con algunas uniones de tipo éter y con una terminación acrílica
o metacrílica. La cadena principal puede proceder de una resina epoxi, de un poliéster
o de un poliuretano. Las de mayor importancia comercial son las primeras.
Igual que hemos indicado para las otras matrices, la versatilidad de formulacioines en
resinas de vinil-éster da lugar a grandes posibilidades de elección de propie dades
en los productos acabados, dependiendo de la cadena principal y de sus terminaciones.
Las resinas con terminación metacrílica y con reactivo estireno, presentan una gran
resistencia química frente a ácidos, bases y disolventes.
Las de terminación acrílica son más susceptibles de hidrólisis.
En el caso de cadenas tipo epoxi, las propiedades se parecerán a las de estas resinas
en cuanto a rigidez y resiliencia, pero presentan menor resistencia química frente al
calor.
Las derivadas de poliésteres poseen mejores características que éstas respecto a
hidrólisis y contracción, presentando, además, menor pico exotérmico en el curado.
. Resistentes a altas temperaturas
El conseguir altas resistencias frente a la temperatura ha sido una de las metas más
deseadas de alcanzar en el campo de los polímeros. La modificación de grupos
sustituyentes en cadenas principales, la introducción de anillos alifáticos y aromáticos
(resistentes al calor) dentro de la cadena principal, etc., fueron las primeras realizaciones
para esta finalidad. Posteriormente, con la obtención de polímeros totalmente cíclicos
se alcanzaron temperaturas de transición de hasta 400° C, pero, debido a su insolubilidad,
difícil procesado, y, sobre todo,
deficientes propiedades mecánicas, este tipo de materiales no ha sido aplicado.
Actualmente se han desarrollado nuevos métodos de síntesis para materiales con
gran proporción de anillos aromáticos y heterociclos, alternando con grupos funcionales
que, a la vez de tener una energía de disociación elevada, presentan una cierta libertad
de rotación en los enlaces. La presencia de heterociclos, a causa de su elevada energía
de resonancia, confiere una gran estabilidad térmica y una fuerte resistencia a la
temperatura, al polímero resultante.
Dentro de este tipo de materiales, el mayor interés ha sido logrado por las poliimidas.
Las poliimidas eran ya conocidas desde hacía mucho tiempo, a través de la tecnología
de las poliamidas, debido a la posibilidad de formación del grupo imida (-C-N-C-) por
una deshidratación entre los grupos O O. amida y carboxílicos próximos, cuando, en
la síntesis de poliamidas, se emplean ácidos carboxilicos de cadena corta y la reacción
transcurre a elevada temperatura.
R
II
R-NH-CO-R-+HOC-R" R"-CO-N-OC-R'+H20
Las poliimidas se obtienen por condensación, por adición o por polimerización "in situ".
Las poliimidas de condensación se obtienen a partir de diaminas aromáticas con
dianhídridos, ácidos tetracarboxílicos aromáticos o con esteres dialquílicos de ácidos
tetracarboxílicos aromáticos. En la primera fase se obtiene un ácido poliamídico lineal
de alto peso molecular que, posteriormente, mediante vacío y temperatura, o
deshidratación con piridina o trietilamina, etc., se cicla, a través de la conversión de
los grupos amido-ácidos en ciclos imida.
La estabilidad termo-oxidativa del polímero resultante depende de la total, o no,
conversión de los grupos amido-ácido.
La necesidad de evaporación de gran cantidad de disolvente y la aparición de
subproductos de la condensación dan lugar a la formación de burbujas en los moldeados,
con perjuicio de sus propiedades.
Los poliimidas por adición se obtienen por reacción, en cantidades estequiométricas,
de bismaleimidas y diaminas aromáticas, bien por adición de la diamina al doble enlace,
bien por polimerización radical del mismo. Otros tipos de poliimidas, los denominados
P 13 N, se obtienen a partir de grupos norbornenilos por adición de diaminas o esteres
dimetílicos, a altas temperaturas.
También en este proceso de adición es necesario el uso de disolventes de alto punto
POLÍMEROS APLICADOS
20 Vol. 11, año 7, 2002
de ebullición, presentándose semejantes inconvenientes a los apuntados para los
poliimidas de condensación, en los procesos de transformación.
Por ello, se prefiere utilizar el proceso de polimerización «in situ» de monómeros
reactivos. A este tipo de poliimidas se les conoce como PMR. El procedimiento consiste
en impregnar la fibra de refuerzo en una solución de los monómeros (esteres dialquílicos
de ácidos tetracarboxílicos aromáticos, diaminas aromáticas y monoalquil éster del
ácido 5-norborneno-2, 3 dicarboxílico) en un alcohol de bajo punto de ebullición.
Las propiedades de estas poliimidas pueden ser muy variadas, en función de los
monómeros utilizados y de su estequiometría.
REFUERZOS
En general se utilizan fibras, si bien determinadas cargas, como la mica o talco, también
pueden aportar características reforzadas modificadoras de las propiedades de la
matriz.
Los tipos de fibra son los siguientes:
. Fibras de vidrio.
. Fibras de carbono y grafito.
. Fibras con alto contenido en sílice.
. Fibras de cuarzo.
. Fibras de boro.
. Fibras de carburo de silicio.
. Fibras de aramida.
Fibras de vidrio
Existen variedades según la composición química del
vidrio:
A) Vidrio E. Poco alcalino. Aporta buenas propiedades eléctricas.
B) Vidrio C. Borosilicato. Mejora la resistencia química.
C) Vidrio S. Silicato Al, Mg. Con una resistencia a la tracción 40 veces mayor que el
vidrio E. Hasta hace poco era considerado material estratégico.
D) Vidrio M. Oxido de berilio. Con alto elástico. No es comercializable.
E) Vidrio D. De baja constante dieléctrica, aporta excelentes propiedades dielécticas.
Se utiliza, principalmente, en aplicaciones electrónicas y cúpulas para radar.
F) Vidrio L. Alto contenido de plomo. Se emplea en instalaciones de rayos X, y como
fibras «trazadoras» para ensayos no destructivos.
Fibras de carbón
La obtención de las fibras de carbón se basa en la descomposición térmica (pirólisis)
de determinados materiales orgánicos: Poliacrilonitrilo (fibras PAN), rayón, alquitrán,
poliésteres, poliamidas, polialcohol vinílico, po licloruro de vinilideno, poli-p-fenileno
y resinas fenólicas. Sólo a partir de los tres primeros los rendimientos y costos han
hecho posible su comercialización.
El proceso de las fibras PAN consta de las siguientes fases:
. Hilado del PAN, en solución, por coagulación, formándose una red tridimensional
fibrosa.
. Estirado y orientación durante la coagulación o durante el lavado con agua hirviendo,
para mejorar las propiedades mecánicas.
También es posible la realización del hilado en seco, extruyendo la solución de polímero
en una hilera vertical descendiente, en corriente ascendente de aire caliente (para
eliminar el disolvente).
. Estabilización a 230° C en aire, bajo tensión. Se recurre a la ciclación de cadenas,
por procesos térmicos y oxidativos.
. Pirólisis, o carbonización, a 1.500" C en atmósfera inerte. Se eliminan todos los
elementos distintos al carbono, en forma de agua, metano, óxido y dióxido de carbono,
amoníaco, hidrocarburos, cianuro de hidrógeno, etc. Se pierde un 60% del peso total
inicial de la fibra, quedando un porcentaje de carbono más satisfactorio que el obtenido
a partir del rayón.
. Grafitización a 3.000° C en atmósfera inerte, obteniéndose una estructura cristalina
y una orientación similar a los cristalitos del grafito. La estructura real es la del grafito
llamado «turbo estratificado». Las fibras de carbono contienen un 80-95% de este
último. Cuando el contenido es de 99% se conocen como fibras de grafito.
El valor del módulo y resistencia a tracción de las fibras depende de la anisotropía de
los cristales grafiticos de la misma. Para conseguir valores altos es necesario, primero,
formar los cristales de grafito, y, segundo, alinear las capas de estos cristales de forma
paralela a los ejes de la fibra.
Cualquier modificación en las fases de obtención de la fibra cambia su estructura,