En ciencia de materiales , un compuesto de matriz polimérica ( PMC ) es un material compuesto compuesto por una variedad de fibras cortas o continuas unidas por una matriz de polímeros orgánicos . Los PMC están diseñados para transferir cargas entre fibras de una matriz. Algunas de las ventajas de los PMC incluyen su peso ligero, alta resistencia a la abrasión y la corrosión , y alta rigidez y resistencia a lo largo de la dirección de sus refuerzos. [1]
La función de la matriz en los PMC es unir las fibras y transferir cargas entre ellas. [2] Las matrices de PMC suelen ser termoestables o termoplásticos. Los termoestables son, con diferencia, el tipo predominante que se utiliza en la actualidad. Los termoestables se subdividen en varios sistemas de resina que incluyen epoxis, fenólicos, poliuretanos y poliimidas. De estos, los sistemas epoxi dominan actualmente la industria de compuestos avanzados. [3] [4] [5]
Las resinas termoestables requieren la adición de un agente de curado o endurecedor y una impregnación sobre un material de refuerzo, seguido de un paso de curado para producir una pieza curada o terminada. Una vez curada, la pieza no se puede cambiar ni reformar, excepto para el acabado. Algunos de los termoestables más comunes incluyen epoxi , poliuretanos , resinas fenólicas y amínicas, bismaleimidas (BMI, poliimidas) y poliamidas . [3] [4] [5]
De estos, los epoxis son los más utilizados en la industria. Las resinas epoxi se utilizan en la industria estadounidense desde hace más de 40 años. Los compuestos epoxi también se denominan compuestos glicidílicos. La molécula de epoxi también se puede expandir o reticular con otras moléculas para formar una amplia variedad de productos de resina, cada uno con características de rendimiento distintas. Estas resinas van desde líquidos de baja viscosidad hasta sólidos de alto peso molecular. Normalmente son líquidos de alta viscosidad.
El segundo de los ingredientes esenciales de un sistema composite avanzado es el agente de curado o endurecedor. Estos compuestos son muy importantes porque controlan la velocidad de reacción y determinan las características de rendimiento de la pieza terminada. Dado que estos compuestos actúan como catalizadores de la reacción, deben contener sitios activos en sus moléculas. Algunos de los agentes de curado más utilizados en la industria de los composites avanzados son las aminas aromáticas. Dos de los más comunes son la metilendianilina (MDA) y la sulfonildianilina (DDS). [ cita necesaria ] Los compuestos de matriz de SiC-SiC son una matriz cerámica de alta temperatura procesada a partir de polímeros precerámicos (precursores poliméricos de SiC) para infiltrarse en una preforma fibrosa y crear una matriz de SiC. [6]
En la industria de compuestos avanzados también se utilizan varios otros tipos de agentes de curado. Estos incluyen aminas alifáticas y cicloalifáticas, poliaminoamidas, amidas y anhídridos. Nuevamente, la elección del agente de curado depende del curado y de las características de desempeño deseadas para la pieza terminada. Los poliuretanos son otro grupo de resinas utilizadas en procesos compuestos avanzados. Estos compuestos se forman haciendo reaccionar el componente poliol con un compuesto de isocianato, típicamente diisocianato de tolueno (TDI); También se utilizan ampliamente diisocianato de metileno (MDI) y diisocianato de hexametileno (HDI). Las resinas fenólicas y amínicas son otro grupo de resinas PMC. Las bismaleimidas y las poliamidas son relativamente nuevas en la industria de los composites avanzados y no se han estudiado en la misma medida que las otras resinas. [3] [4] [5]
Los termoplásticos representan actualmente una parte relativamente pequeña de la industria de PMC. Por lo general, se suministran como sólidos no reactivos (no se produce ninguna reacción química durante el procesamiento) y solo requieren calor y presión para formar la pieza terminada. A diferencia de los termoestables, los termoplásticos generalmente se pueden recalentar y reformar para darles otra forma, si se desea. [3] [4] [5]
Los PMC reforzados con fibra contienen aproximadamente un 60 por ciento de fibra de refuerzo en volumen. Las fibras que se encuentran y utilizan comúnmente en los PMC incluyen fibra de vidrio, grafito y aramida. La fibra de vidrio tiene una rigidez relativamente baja y al mismo tiempo exhibe una resistencia a la tracción competitiva en comparación con otras fibras. El costo de la fibra de vidrio también es dramáticamente más bajo que el de otras fibras, razón por la cual la fibra de vidrio es una de las fibras más utilizadas. [1] Las fibras de refuerzo tienen sus propiedades mecánicas más altas a lo largo de su longitud en lugar de a lo ancho. Por tanto, las fibras de refuerzo pueden disponerse y orientarse en diferentes formas y direcciones para proporcionar diferentes propiedades físicas y ventajas según la aplicación. [7] [8]
Nanotubos de carbon
A diferencia de los PMC reforzados con fibra, los PMC reforzados con nanomateriales pueden lograr mejoras significativas en las propiedades mecánicas con cargas mucho más bajas (menos del 2% en volumen). [9] Los nanotubos de carbono en particular han sido intensamente estudiados debido a sus excepcionales propiedades mecánicas intrínsecas y sus bajas densidades. En particular, los nanotubos de carbono tienen algunas de las rigidez y resistencia a la tracción más altas medidas de cualquier material debido a los fuertes enlaces covalentes sp 2 entre los átomos de carbono. Sin embargo, para aprovechar las excepcionales propiedades mecánicas de los nanotubos, la transferencia de carga entre los nanotubos y la matriz debe ser muy grande.
Al igual que en los compuestos reforzados con fibras, la dispersión del tamaño de los nanotubos de carbono afecta significativamente las propiedades finales del compuesto. Los estudios de tensión-deformación de nanotubos de carbono de pared simple en una matriz de polietileno utilizando dinámica molecular mostraron que los nanotubos de carbono largos conducen a un aumento en la rigidez y resistencia a la tracción debido a la transferencia de tensión a gran distancia y la prevención de la propagación de grietas. Por otro lado, los nanotubos de carbono cortos no mejoran sus propiedades sin ninguna adhesión interfacial. [10] Sin embargo, una vez modificados, los nanotubos de carbono cortos pueden mejorar aún más la rigidez del compuesto; sin embargo, todavía hay muy poca capacidad para contrarrestar la propagación de grietas. [11] En general, los nanotubos de carbono largos y de alta relación de aspecto conducen a una mayor mejora de las propiedades mecánicas, pero son más difíciles de procesar.
Aparte del tamaño, la interfaz entre los nanotubos de carbono y la matriz polimérica tiene una importancia excepcional. Para lograr una mejor transferencia de carga, se han utilizado varios métodos diferentes para unir mejor los nanotubos de carbono a la matriz funcionalizando la superficie del nanotubo de carbono con varios polímeros. Estos métodos se pueden dividir en estrategias no covalentes y covalentes. La modificación de CNT no covalente implica la adsorción o envoltura de polímeros en la superficie de los nanotubos de carbono, generalmente mediante interacciones de van der Waal o de apilamiento π. Por el contrario, la funcionalización covalente implica la unión directa al nanotubo de carbono. Esto se puede lograr de varias maneras, como oxidando la superficie del nanotubo de carbono y reaccionando con el sitio oxigenado, o usando un radical libre para reaccionar directamente con la red de nanotubos de carbono. [12] La funcionalización covalente se puede utilizar para unir directamente el polímero al nanotubo de carbono o para agregar una molécula iniciadora que luego se puede utilizar para reacciones adicionales.
La síntesis de PMC reforzadas con nanotubos de carbono depende de la elección de la matriz y la funcionalización de los nanotubos de carbono. [13] Para los polímeros termoestables, se utiliza el procesamiento en solución donde el polímero y los nanotubos se colocan en un disolvente orgánico. Luego se sonica la mezcla y se mezcla hasta que los nanotubos se dispersen uniformemente y luego se moldean. Si bien este método se usa ampliamente, la sonicación puede dañar los nanotubos de carbono, el polímero debe ser soluble en el solvente elegido y la velocidad de evaporación a menudo puede conducir a estructuras indeseables como agrupaciones de nanotubos o huecos de polímero. Para los polímeros termoplásticos, se puede utilizar el procesamiento por fusión, donde el nanotubo se mezcla con el polímero fundido y luego se enfría. Sin embargo, este método no puede tolerar una carga elevada de nanotubos de carbono debido al aumento de la viscosidad. La polimerización in situ se puede utilizar para polímeros que no son compatibles con disolventes o calor. En este método, los nanotubos se mezclan con el monómero, que luego reacciona para formar la matriz polimérica. Este método puede conducir a una transferencia de carga especialmente buena si también se unen monómeros a la superficie de los nanotubos de carbono.
Grafeno
Al igual que los nanotubos de carbono, el grafeno prístino también posee propiedades mecánicas excepcionalmente buenas. Los PMC de grafeno generalmente se procesan de la misma manera que los PMC de nanotubos de carbono, mediante procesamiento en solución, procesamiento en fusión o polimerización in situ. Si bien las propiedades mecánicas de los PMC de grafeno suelen ser peores que las de sus equivalentes de nanotubos de carbono, el óxido de grafeno es mucho más fácil de funcionalizar debido a los defectos inherentes presentes. Además, los compuestos de polímeros de grafeno 3D son prometedores para la mejora isotrópica de las propiedades mecánicas. [14]
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