APLICACIONES INDUSTRIALES CON PLÁSTICOS ...

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MATERIALES COMPUESTOS: MATRICES, REFUERZOS E INTERFASE dando lugar a propiedades muy diferentes. En el hilado por vía húmeda se obtiene una estructura de tipo «sección transversal circular», lográndose valores del módulo elástico de 280 GPa e incluso más altos. Ahora bien, si el hilado se hace por vía seca, se obtiene una estructura llamada «hueso de perro», alcanzano valores de hasta 800 GPa. Fibras de alto contenido en sílice Son fibras de vidrio de alta pureza, que se obtienen a partir de fibras de vidrio con un contenido en sílice del 65%, mediante un tratamiento ácido, alcanzándose contenidos en sílice del 95%. Fibras de cuarzo Se obtienen a partir del cuarzo natural. Contienen el 99,95% del sílice y, manteniendo prácticamente todas las características y propiedades del cuarzo, tienen, además, las correspondientes a la fibra de vidrio. Son altamente flexibles. Fibras de boro Se obtienen por deposición química a vapor de una mezcla gaseosa de hidrógeno y tricloruro de boro, sobre un substrato de tungsteno de unas 12,5u.m de diámetro, calentando eléctricamente. El procedimiento es caro y lento, pues al intentar aumentar la velocidad de producción se degrada la fibra. Se han ensayado otros substratos, como fibras de carbono. Filamentos de carburo de silicio Se obtienen a partir de mezclas de metiltriclorosilano y metildiclorosilano, hidrogenados, sobre substratos de tungsteno o carbono. Dado que su resistencia y módulo son similares a los de la fibra de boro y que su precio es inferior, su futuro es muy prometedor, aunque aún son materiales poco estudiados y conocidos. Fibras de aramida Con este nombre genérico se conoce a las fibras de poliamidas aromáticas con más del 85% de los grupos amida unidos directamente a los anillos aromáticos. Se obtienen por policondensación, en solución, de diaminas con dialuros de ácidos, a baja temperatura. La formación dé la fibra tiene lugar en un baño de ácido sulfúrico concentrado. De alto módulo, alta resistencia, resistentes al calor, a la luz y a disolventes orgánicos, pueden modificar estas propiedades cambiándose las condiciones del proceso mediante adición de disolventes, modificando las condiciones del hilado o con tratamientos térmicos posteriores. INTERFASE POLIMERO-REFUERZO En sistemas poliméricos las interfases surgen por dos razones: La primera, porque las superficies entre ellas sean mutuamente insolubles y constituyen fases químicamente distintas que están en equilibrio una respecto de la otra. La segunda es, que entre ambas fases puedan existir componentes miscibles que aún no han alcanzado el equilibrio, quizás debido a baja dispersión del sólido o a la alta viscosidad del material. El primer caso es el que concierne a este tema, pero sin olvidar las posibilidades de las mezclas. Igual que en una cadena, los enlaces débiles son los que determinan las propiedades resistentes del conjunto, el comportamiento mecánico de los materiales compuestos depende, en gran parte, de la interacción entre las fases. Si no existen enlaces (químicos o físicos) o fuerzas de valencias secundarias entre ambas fases,la respuesta mecánica del material sería parecida a la de una matriz en la que existieran «huecos» de forma idéntica a la que ocupa la carga. Esta respuesta sería tanto mayor cuanto menor fueran los esfuerzos solicitantes, ya que, a altos esfuerzos, la matriz deformada podría estamparse o engancharse en la carga (de mayor rigidez) produciendo una fricción mecánica (o algo similar) que permitiría detectar una mayor influencia de la carga en el comportamiento. Por el contrario, si hay adherencia entre las fases, las deformaciones pueden transferirse a través de la interfase, aun a pequeños esfuerzos, tomando parte la carga en la distribución del esfuerzo y actuando como reforzante. Ahora bien, si las interacciones son muy fuertes, la interfase es muy rígida y existe la posibilidad de que disminuyan algunas propiedades que requieren interfases más flexibles para una mejor disipación de la energía. Para conseguir este equilibrio entre las fuerzas interfaciales y la interacción se añade al sistema un tercer componente que «compatibilice» o «acople» el compuesto, o se modifican las cargas y/o las matrices. El mecanismo de acción de estos agentes de acoplamiento, o modificadores de las superficies de las cargas, no está muy claro, pero existe una correlación entre su eficacia y su estructura química, en relación con la función de interacción o reacción que con las moléculas de la matriz podríamos suponer. Otro procedimiento sería la «funcionalización» de la matriz, es decir, injertar en la cadena principal funciones químicas afines a la carga o al tratamiento que se haya dado a la misma. Existe también la posibilidad de producir grupos polares en la superficie de la matriz mediante la acción de agentes fuertemente oxidantes, por ejemplo, en el PE y politetrafluoretileno, por medio de sistemas a base de amonio y sodio. En el caso de las fibras también es posible la oxidación. Para fibras de grafito y carbono el tratamiento con hipoclorito sódico, o ácido nítrico diluido, produce grupos fenólicos o grupos ácidos carboxílicos activos, a la par que cierto ataque superficial. Los poliésteres pueden ser atacados con aminas para mejorar el enlace. El aspecto práctico del problema de la interfase, sin entrar en mecanismos ni aspectos teóricos, se centra, pues, en dos puntos muy importantes: la humidificación y adherencia y la absorción del polímero por la otra fase. Respecto al polímero, en la humidificación hay que considerar dos conceptos: la tensión superficial y la tensión interfacial. La tensión superficial (YLV) de una sustancia es una medida de la fuerza que debe aplicársele para aumentar su área superificial. Numéricamente, es igual al trabajo realizado para aumentar la superficie por unidad de área, y este trabajo para vencer la cohesión entre dos cargas de moléculas será: Wc=2yLv. De forma similar, cuando se forma un enlace entre un sólido y un fluido, el trabajo de adhesión vendría dado por WA = Ys + YLV - YSL (1) Siendo: Ys = Tensión superficial en la interfase solido-aire. YLV = Tensión superficial del fluido. YSL =Tensión en la interfase sólido-fluido. En la práctica se considera que el sólido está cubierto por una película de líquido separado de la masa líquida y sólida, por lo que la ecuación (1) queda modificada de la siguiente forma: WA = Ysv + YLV - YSL que combinada con la relación de Young Ysv = YSL + YLvcos 9 queda W^ = YLV (1 + cos 9) en donde 6 es el ángulo de contacto, que es una medida de la humidificación, y cuyo valor es cero para un estado ideal. La caída interfacial ocurre cuando las capas del fluido y del sólido están separadas por una distancia aproximadamente igual a la distancia a que operan las fuerzas intermoleculares. La presencia de aire, humedad del sólido, impurezas, cambios de temperatura, morfología del sólido, etc., pueden alterar considerablemente estos fenómenos. Ziman y colaboradores, determinando los ángulos de contacto en una serie de superficies, con series homólogas de líquidos con tensiones superficiales ligeramente diferentes han conseguido una relación lineal entre el cos 0 y las YLV. La extrapolación para 0 = 1 da una tensión superficial para el sólido Yc, llamada crítica. Determinando esta tensión crítica para varios polímeros, se ha observado que polímeros con superficies de baja energía presentan valores bajos de Yc, y viceversa. Cualquier fluido con una tensión superficial menor que la Yc del sólido puede humedecer su superficie. POLÍMEROS APLICADOS 21 Vol. 11, año 7, 2002
POLÍMEROS APLICADOS 22 Vol. 11, año 7, 2002 Espacio de publicidad Espacio de publicidad Como consecuencia, para obtener una buena unión entre carga y matriz es necesario: . Bajo ángulo de contacto entre ambos. . Tensión del fluido menor que la tensión crítica, para difundir el polímero sobre la superficie de la carga. . Baja viscosidad de la matriz en el momento de la aplicación. . Ayudar el flujo mediante aumento de la presión. . Alta viscosidad después de la aplicación. . Cargas con superficies limpias. . Menor rigidez de la matriz que la de la carga. . Coeficiente de expansión térmica similares. . Diseño adecuado del compuesto en función de las solicitaciones exigidas por la aplicación del material. El segundo aspecto a considerar en la interfase es la absorción del polímero por la carga, es decir, la forma en que las moléculas se organizan sobre la superficie de la misma y la forma de diseño de la totalidad del composite para que responda a las fuerzas mecánicas que se le apliquen. Este fenómeno es poco conocido. La mayor parte de los datos proceden de experiencias sobre absorción de polímeros en solución, pero no en estado fundido. Posiblemente los polímeros forman una capa limítrofe sobre la superficie del refuerzo, con un espesor que depende de la longitud de las cadenas de la matriz, de su flexibilidad y de las fuerzas intermoleculares entre átomos, o grupos de átomos, del polímero y la superficie y que, por supuesto, no tienen porque ser iguales a los del interior de la masa del refuerzo. En el proceso de absorción existe una situación dinámica, en la que segmentos de polímero están continuamente cambiando, unos con otros, en los diversos lugares del substrato, pero dando lugar a un progresivo recubrimiento de la superficie, que depende, también, de la intensidad de interacción. Las fuerzas de interacción pueden ponerse en evidencia midiendo las temperaturas de transición vitrea (que está relacionada con la movilidad de las cadenas moleculares), encontrando valores, en general, más altos para los polímeros cargados.
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