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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA

(ICAI)

GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

Especialidad Mecánica

CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE

MATERIALES COMPUESTOS DE BASE

POLIMÉRICA REFORZADOS CON

NANOCARGAS DE BASE CARBONO

PARA SU USO COMO ADHESIVO

Autor: Adriana López López

Director: Juan Carlos del Real Romero

Madrid

Julio, 2017

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

GRADO EN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA

Especialidad Mecánica

CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE

MATERIALES COMPUESTOS DE BASE

POLIMÉRICA REFORZADOS CON

NANOCARGAS DE BASE CARBONO PARA SU

USO COMO ADHESIVO

Autor: Adriana López López

Director: Juan Carlos del Real Romero

Madrid

Julio, 2017

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CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE MATERIALES COMPUESTOS DE

BASE POLIMÉRICA REFORZADOS CON NANOCARGAS DE BASE

CARBONO PARA SU USO COMO ADHESIVO

Autor: López López, Adriana

Director: Real Romero, Juan Carlos del

Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontificia Comillas

RESUMEN DEL PROYECTO

INTRODUCCIÓN

El objetivo principal del presente proyecto es el estudio de las propiedades de materiales

compuestos de base polimérica reforzados con nano partículas en base carbono en su uso como

adhesivos. En concreto, el material compuesto ensayado está formado por una resina epoxi

comercial (Resoltech ® 1050 con el endurecedor 1058S) y como partículas de refuerzo se han

empleado 3 tipos de nanoplaquetas de carbono (NanoInnova Technologies Graphene Nanoplatelets:

Graphenit-OX, Graphenit-AC1 y Graphenit-AC2).

Las propiedades mecánicas se obtienen de manera no destructiva mediante extensiometría

óhmica, ultrasonidos y excitación armónica. Siendo posible evaluar la utilidad y aplicación de estos

ensayos en materiales no metálicos. Adicionalmente, se han realizado ensayos de cizalladura a

tracción y doble viga en voladizo para comprobar la aplicación de los materiales compuestos como

adhesivos.

METODOLOGÍA

La metodología a emplear durante el desarrollo de este trabajo se puede dividir en dos grandes

fases: fabricación y caracterización de las muestras (tanto para los ensayos no destructivos como

para los ensayos sobre la unión adhesiva).

El proceso de fabricación de las muestras puede estructurarse de acuerdo a las siguientes

subfases:

1. Cálculo de la proporción de nano partículas correspondiente a la resina necesaria para

el volumen de molde concreto.

2. Eliminación de bolsas de aire en una estufa de vacío

3. Mezclado y vertido en los moldes

4. Reposo de 1 hora para su endurecimiento

5. Tratamiento térmico: 16 horas a 60ºC

6. Mecanizado de las probetas para eliminar defectos en la fabricación y conseguir

superficies planas.

4

Cada tipo de ensayo no destructivo requiere probetas con una geometría específica. En concreto

para los ensayos de caracterización mecánica mediante excitación armónica se han fabricado

probetas rectangulares ASTM E1867. Tras ser ensayadas, se evalúan sus propiedades a tracción y

flexión con bandas extensiométricas adheridas a su superficie. En cambio, los ensayos con

ultrasonidos requieren un espesor mayor, por lo que se han empleado moldes cilíndricos más

compactos.

Para evaluar los distintos materiales compuestos como adhesivos, se han llevado a cabo ensayos

de cizalladura a tracción siguiendo la norma UNE-EN 1465 donde se emplean sustratos de aluminio

entre los cuales se coloca el adhesivo. Para la fabricación de estas probetas, se han seguido los

mismos pasos que para las probetas de ensayos mecánicos no destructivos. Sin embargo, es

necesario preparar la superficie de adhesión, con el fin de garantizar una rotura cohesiva (a través

del adhesivo). En concreto, la superficie de los sustratos de aluminio ha sido chorreada con alúmina

y posteriormente ha sido sometida a un tratamiento con silano.

Los ensayos de doble viga en voladizo (DCB) siguen la norma ISO 25217, el material se vierte

entre dos placas gruesas de aluminio entre las que se encuentra un separador que garantiza el

espesor de adhesivo requerido. Tras el vertido, el material se somete al proceso de curado y al

tratamiento térmico en estufa. Tanto los ensayos de doble viga en voladizo como los de cizalladura

a tracción se han llevado a cabo en una máquina universal de ensayos.

RESULTADOS

o Ensayos no destructivos en materiales compuestos

Comparativa del módulo de elasticidad mediante diferentes tipos de ensayos.

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Epoxi Epoxi-Ox Epoxi-AC1 Epoxi-AC2

5

En primer lugar, los resultados obtenidos mediante ultrasonidos se ven menguados entorno a un

40% en comparación con el resto de ensayos. Aunque la relación cualitativa entre el módulo de

elasticidad de los distintos materiales es la misma que la obtenida mediante los ensayos con hueso

de perro. De los ensayos por excitación armónica (impulso) cabe destacar que los resultados

obtenidos se sitúan dentro del rango esperado, aunque ofrecen una precisión limitada que impide

comparar los distintos materiales entre sí. Finalmente, los valores del módulo elástico obtenidos

mediante galgas extensiométricas se encuentran muy por encima del valor que aporta el fabricante

de la resina. Además aparecieron efectos viscoplásticos dependientes del tiempo lo que compromete

la precisión de las medidas obtenidas.

o Propiedades mecánicas de los materiales compuestos

Si bien los resultados obtenidos de manera no destructiva presentan dificultades, es posible

apreciar cierta superioridad del material compuesto reforzado con la funcionalización AC2.

Mediante excitación por impulso todos los refuerzos disminuyen el módulo elástico de la resina de

control (aunque la resina con AC2 es la que presenta un mejor resultado). Sin embargo en los

ensayos por ultrasonidos las partículas de refuerzo OX y en especial AC2 mejoran las propiedades

de la resina. (Un 20% en el caso de las AC2). Los resultados obtenidos de los ensayos a flexión

medidos con galgas extensiométricas muestran que todas las funcionalizaciones y en especial la

AC2 empeoran las propiedades del material compuesto.

o Uso como adhesivo de los materiales compuestos

Resistencia a rotura obtenida en los ensayos de cizalladura a tracción.

En los ensayos de cizalladura a tracción, al analizar la superficie de las probetas tras la fractura

se aprecia una fina capa de adhesivo en uno de los sustratos y el resto de adhesivo en el otro

sustrato. Si bien no se puede considerar que sea una rotura cohesiva perfecta, sí que se puede definir

como tal.

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Energía de fractura adhesiva en Modo I obtenida en los ensayos de doble viga en voladizo.

CONCLUSIONES,

o Ensayos no destructivos en materiales compuestos:

I. Ultrasonidos: queda descartada su validez para la obtención del módulo de Young,

aunque puede ser de utilidad para comparar cualitativamente distintos materiales.

II. Excitación armónica: se obtienen resultados dentro del margen esperado, pero sin un alto

grado de precisión.

III. Extensiometría óhmica: al emplear esta técnica es necesario tener en cuenta los efectos

viscoplásticos que aparecen, por lo que se desaconseja su uso si no es con un análisis

profundo que corrija estos efectos.

o Propiedades mecánicas de los materiales compuestos:

Aun teniendo en cuenta las dificultades que presentan los ensayos no destructivos se puede

apreciar cierta superioridad del material compuesto reforzado con la funcionalización AC2

sobre las otras funcionalizaciones.

o Uso como adhesivo de los materiales compuestos

I. Cizalladura a tracción: todos los refuerzos nanométricos mejoran las propiedades del

material, destacando el AC2. Sin embargo existe margen de mejora en el tipo de fractura

obtenida, por lo que de cara a futuros ensayos sería de utilidad explorar tratamientos

superficiales de los sustratos.

II. Doble viga en voladizo: los materiales reforzados presentan mejoras notables en la unión

adhesiva. Teniendo en cuenta la dispersión de las medidas, no existe gran diferencia

entre los distintos refuerzos empleados.

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ABSTRACT

INTRODUCTION

The main goal of the present project is the determination of the composites properties when

reinforced with carbon-based nanoparticles in order to evaluate their suitability as adhesives. As

base material for the composite, a commercial epoxy resin has been used (Resoltech ® 1050 with

the hardener 1058S). This polymeric matrix has been reinforced with three different graphene

nanoplatelets provided by NanoInnova Technologies: Graphenit-OX®, Graphenit-AC1® and

Graphenit-AC2®

The mechanical characterization of the different materials has been carried out through the

following non-destructive tests: impulse excitation techniques, extensometry measurement and

ultrasound-based tests. As a result, the accuracy and further application of these methods on non-

metallic materials have been assessed. In order to describe and evaluate the behavior of the

composites as adhesives shear traction tests and Double Cantilever Beam (DCB) tests have been

conducted.

METHODOLOGY

The methodology followed during the project could be divided into two main phases:

production of the samples and the characterization of them. This division applies for both, the non-

destructive tests and the adhesive tests.

The manufacturing process of the samples can be further divided in the following subphases:

1. Measurement of the amount of nanoparticles and resin needed for the specific mold.

2. Air bubbles removal in a vacuum oven.

3. Mixing and filling of the molds

4. 1 hour resting phase until it is hardened

5. Thermal treatment: 16 hours at 60ºC

6. Machining of the specimens to remove defects and flatten their surface when needed.

The specimens require a different geometry depending on the test. For the impulse excitation

technique rectangular specimens ASTM E1867 were tested and afterwards their properties under

traction and bending were measured with extensiometric gauges glued to their surface. By contrast,

the ultrasounds tests require more compact and voluminous specimens, therefore cylindrical

specimens were used.

To evaluate the application of the different composites as adhesives, shear traction tests have

been conducted following the standard UNE-EN 1465. The adhesive holds together two aluminum

adherents which will have to be pre-treated in order to get a cohesive fracture (through the

adhesive); in this project their surfaces have been sand-blasted with alumina and treated with silane.

The adhesive material, it’s fabricated following the same steps than the non-destructive tests

specimens.

8

The Double Cantilever Beam (DCB) tests follow the standard ISO 25217, the adhesive holds

together two thick aluminum bars, with an adhesive width determined by a wire separator between

the aluminum bars. After filling the molds, the material is hardened and it is exposed to the same

thermal treatment previously specified. The Double Cantilever Beam as well as the shear traction

specimens have been tested in an universal testing machine.

RESULTS

o Non-destructive tests in composites

Comparison table of the elasticity modulus obtained through the different non-destructive tests in comparison with dog

bone tests.

First, the results from the ultrasound-based tests are around 40% lower than the other tests, but

the qualitative relation between the different materials is the same one as the one obtained with the

dog bone destructive tests. Regarding the excitation impulse technique, it’s important to point out

that the values obtained are in a consistent range but they are not precise enough to make a

distinction between the different materials. Finally, the values for the Young’s modulus measured

by the extensiometric gauges are relatively high in comparison with the value provided by the

manufacturer. In addition, viscoplastic effects took place, compromising the accuracy of the

measurements.

o Mechanic properties of the composites

Even though the results obtained through non-destructive techniques present difficulties, to

some extent the AC2 functionalization behaves better than the other nanoparticles. The impulse

technique results show that the addition of any of the reinforcements decreases the elasticity

modulus (but the AC2 is the one with the best performance). Whereas the ultrasounds technique

shows that OX particles and specially AC2 particles improve the properties of the composite (20%

with the AC2). Finally, from the extensiometric gauges tests conducted, all the nanoparticles and

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Dog bone Strain gages Ultrasonic Impulse Extensometer

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specially the AC2 worsen the properties of the epoxy by itself.

o Use as adhesive of the composites

Fracture strength obtained from the shear traction tests.

In the shear traction tests, it’s possible to notice a thin layer of adhesive that remains in one of

the substrates after the fracture. The rest of the adhesive stays in the other substrate, which means

that even though it’s not a perfect cohesive fracture, it can be defined as such.

Mode I adhesive fracture energy obtained from the Double Cantilever Beam tests.

8,019

9,916 10,348 11,253

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Epoxi OX AC1 AC2

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CONCLUSIONS

o Non-destructive tests in composites

IV. Ultrasounds: it’s not suitable for obtaining the value of the Young’s Modulus, but it can

be useful for comparing qualitatively the mechanical properties of different materials.

V. Impulse excitation: results inside the expected range, but without a high degree of

accuracy.

VI. Strain gauges: when using this technique, it’s important to take into account viscoplastic

effects that appear over time. The results should be deeply analized and corrected.

o Mechanical properties of the composites

Even with the difficulties that non-destructive tests imply, to some extent it’s possible to

establish the superiority of the AC2 functionalization over the other nanoparticles.

o Use as adhesive of the composites

III. Shear traction tests: the addition of any of the nanoparticles improves the properties of

the polymeric matrix by itself, specially the AC2. But with regard to the fracture type,

there is still room for improvement, therefore in future projects it would be useful to

research and test different surface treatments in the substrates.

IV. Double Cantilever Beam tests: reinforced materials show significant improvements in

the adhesive joint properties. But considering the deviation of the measurements, all the

functionalizations perform in the same range of values.

Caracterización mecánica de materiales compuestos de base polimérica reforzados con nanocargas de base carbono para su uso como adhesivo López López, Adriana

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11

ÍNDICE

Índice de figuras .............................................................................................................................................................. 13

Índice de tablas y gráficas .............................................................................................................................................. 14

Memoria Descriptiva ...................................................................................................................................................... 17

1. Introducción ............................................................................................................................................................ 17

2. Motivación .............................................................................................................................................................. 18

3. Objetivos del proyecto ............................................................................................................................................ 18

4. Estado del arte ......................................................................................................................................................... 19

4.1 Materiales compuestos, definición y tipos ................................................................................................... 19

4.2 Materiales compuestos de matriz polimérica con fibra de carbono .............................................................. 22

4.3 Materiales compuestos reforzados con nanocargas en base carbono, procesos de fabricación y resultados

obtenidos hasta el momento................................................................................................................................. 24

4.4 Adhesivos ..................................................................................................................................................... 29

4.5 Uniones adhesivas con resinas epoxi............................................................................................................ 30

4.6 Retos actuales en la fabricación de compuestos con nanocargas ................................................................. 31

4.7 Caracterización no destructiva ..................................................................................................................... 34

Memoria Experimental .................................................................................................................................................. 37

1. Materiales y equipos empleados ............................................................................................................................. 37

2. Fabricación de las probetas ..................................................................................................................................... 43

2.1 Probetas en masa .......................................................................................................................................... 43

2.2 Probetas unión adhesiva ............................................................................................................................... 48

3. Caracterización de las probetas ............................................................................................................................... 55

3.1 Ensayos no destructivos ............................................................................................................................... 55

3.2 Ensayos de la unión adhesiva ....................................................................................................................... 62

Análisis de resultados ..................................................................................................................................................... 69

1. Ensayos no destructivos .......................................................................................................................................... 69

1.1 Ensayos por excitación armónica ................................................................................................................. 69

1.2 Ensayos por ultrasonidos .............................................................................................................................. 70

1.3 Ensayos extensometría óhmica ..................................................................................................................... 72

1.4 Comparativa de los ensayos no destructivos ................................................................................................ 78

2. Ensayos en la unión adhesiva .................................................................................................................................. 81

2.1 Ensayos cizalla a tracción ............................................................................................................................. 81

2.2 Ensayos doble viga en voladizo ................................................................................................................... 87

Conclusiones .................................................................................................................................................................... 91

Bibliografía ...................................................................................................................................................................... 93

Anexos .............................................................................................................................................................................. 97

Caracterización mecánica de materiales compuestos de base polimérica reforzados con nanocargas de base

carbono para su uso como adhesivo

López López, Adriana

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12




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13

Índice de figuras

Figura 1. Número de publicaciones sobre el grafeno en los últimos 20 años [4] ............................................ 18

Figura 2: Curva tensión-deformación de la matriz, de las fibras de refuerzo y del material compuesto

obtenido. .......................................................................................................................................................... 20

Figura 3: Material compuesto con estructura tipo sándwich ........................................................................... 21

Figura 4: Esquema de la estructura de un polímero ........................................................................................ 22

Figura 5 : Estructura del grafeno [6] ............................................................................................................... 24

Figura 6: Diferentes estructuras de grafeno [9] ............................................................................................... 25

Figura 7: Imagen TEM del óxido de grafeno .................................................................................................. 26

Figura 8: Estructura de los nanotubos de carbono monocapa y de los nanotubos de carbono multicapa ....... 27

Figura 9: Imagen TEM de las nanoplaquetas de grafeno ................................................................................ 28

Figura 10: Esquema de las fuerzas de unión entre adhesivo y adherente ........................................................ 29

Figura 11: Modos de fallo de las uniones adhesivas ....................................................................................... 30

Figura 12: Esquema de funcionalización de SWCTN con aminas .................................................................. 33

Figura 13: Ilustración esquemática de una funcionalización no covalente [50] .............................................. 34

Figura 14: Operario controlando defectos en una tubería mediante detección por ultrasonidos ..................... 35

Figura 15: Galgas extensiométricas empleadas en los ensayos no destructivos .............................................. 39

Figura 16: Probeta en masa rectangular AC1 tras haber sido mecanizada ...................................................... 43

Figura 17: Esquema de la geometría de las probetas de los ensayos no destructivos ..................................... 44

Figura 18: Moldes de silicona para probetas rectangulares ............................................................................. 44

Figura 19: Moldes de plástico para probetas de ultrasonidos .......................................................................... 45

Figura 20: Esquema del proceso de fabricación de las probetas en masa ....................................................... 45

Figura 21: Materiales y equipos necesarios para pegar y soldar las galgas extensiométricas ......................... 47

Figura 22: Probeta cilíndrica con galgas extensiométricas pegadas y conectadas .......................................... 48

Figura 23: Esquema del proceso de fabricación de las probetas para ensayos de cizalladura a tracción. ....... 49

Figura 24: Dimensiones de las probetas de los ensayos de cizalla a tracción ................................................. 50

Figura 25: Útil de montaje de las probetas de cizalla por tracción .................................................................. 52

Figura 26: Detalle de la unión de las probetas de cizalladura a tracción ......................................................... 52

Figura 27: Esquema del proceso de fabricación de las probetas para ensayos DCB ....................................... 53

Figura 28: Dimensiones de las probetas para los ensayos de doble viga en voladizo ..................................... 53

Figura 29: Útil de montaje de las probetas para los ensayos de viga en voladizo (DCB) ............................... 54

Figura 30: Alambre utilizado como espaciador (alambre de diámetro 0’25mm) en los ensayos DCB ........... 54

Figura 31: Disposición de los espaciadores en las muestras para ensayos DCB ............................................. 55

Figura 32: Esquema del ensayo de Excitación por Impulso ............................................................................ 56

Figura 33: Montaje para el ensayo de Excitación por Impulso ....................................................................... 57

Figura 34: Frecuencias naturales de una probeta blanca obtenidas mediante Excitación por Impulso ........... 57

Figura 35: Probeta cilíndrica para ensayos de ultrasonidos antes de ser mecanizada ..................................... 58

Figura 36: Montaje para el ensayo de ultrasonidos ......................................................................................... 59

Figura 37: Montaje de las galgas extensiométricas en cuarto de puente ......................................................... 60

Figura 38: Montaje de ensayo a flexión medido con galgas extensiométricas ................................................ 61

Figura 39: Células de carga y máquina universal de ensayos ibertest utilizadas en los ensayos de cizalladura a

tracción. ........................................................................................................................................................... 63




14 14

14

Figura 40: Distribución de los esfuerzos cortantes y de pelado a lo largo de la unión adhesiva en los ensayos

de cizalladura a tracción .................................................................................................................................. 64

Figura 41: Curva fuerza frente al desplazamiento de la probeta en el ciclo de ensayo (izq.) e imagen de la

probeta cargada durante el ensayo (dcha.) ....................................................................................................... 65

Figura 42: Curva de flexibilidad de la probeta respecto a la longitud de grieta. ............................................. 66

Figura 43: Geometría de las probetas de doble viga en voladizo con bloques de carga. ................................. 67

Figura 44: Probetas cizalladura a tracción control (arriba) y epoxi-AC2 (abajo) tras haber sido ensayadas. . 84

Figura 45: Detalle de la fractura de las probetas epoxi (a), epoxi-OX (b), epoxi-AC1 (c) y epoxi-AC2 (d). . 85

Figura 46: Imagen de una muestra deformada plásticamente tras el ensayo (izq.) Curva de fuerza-

deformación correspondiente (dcha.) .............................................................................................................. 86

Figura 47: Curva fuerza-desplazamiento de una probeta de control en un ensayo de doble viga en voladizo.87

Figura 48: Curva de energía de fractura respecto a la longitud de grieta en una probeta AC2. ...................... 88

Índice de tablas y gráficas

Tabla 1: Ventajas y desventajas de las uniones adhesivas .............................................................................. 30

Tabla 2: Propiedades de la resina epoxi 1050, del endurecedor 1058S y de la mezcla. .................................. 37

Tabla 3: Imágenes TEM de las distintas nanoplaquetas utilizadas: Graphenit-OX, Graphenit-AC1 y

Graphenit-AC2 ................................................................................................................................................ 38

Tabla 4: Características de la aleación de Aluminio Al-6082 ......................................................................... 39

Tabla 5: Equipos empleados ............................................................................................................................ 42

Tabla 6: Módulo elástico calculado experimentalmente a través de ensayos por excitación armónica. ......... 69

Tabla 7: Porcentaje de mejora de las probetas con refuerzo en los ensayos por excitación armónica. ........... 70

Tabla 8: Módulo elástico obtenido experimentalmente mediante ultrasonidos .............................................. 71

Tabla 9: Porcentaje de mejora de las probetas con refuerzo en los ensayos por ultrasonidos. ........................ 71

Tabla 10: Módulo elástico obtenido experimentalmente mediante extensometría óhmica a flexión .............. 72

Tabla 11: Porcentaje de mejora de las probetas con refuerzo en los ensayos por ultrasonidos. ...................... 73

Tabla 12: Coeficiente de Poisson obtenido experimentalmente mediante extensometría óhmica a flexión. .. 74

Tabla 13: tabla de resultados de una de las probetas de resina ensayadas mediante extensometría a tracción.

......................................................................................................................................................................... 74

Tabla 14: Módulo elástico obtenido experimentalmente mediante extensometría óhmica a tracción. ........... 75

Tabla 15: Módulo de elasticidad medido por un extensiómetro en un estado a tracción ................................ 77

Tabla 16: p-valor de la resina epoxi entre los distintos métodos de caracterización empleados. .................... 79

Tabla 17: p-valor del epoxi-OX entre los distintos métodos de caracterización empleados. .......................... 80

Tabla 18: p-valor del epoxi-AC1 entre los distintos métodos de caracterización empleados. ........................ 80

Tabla 19: p-valor del epoxi-AC2 entre los distintos métodos de caracterización empleados. ........................ 80

Tabla 20: Resultados de resistencia a rotura mediante cizalla a tracción. ....................................................... 82

Tabla 22: Porcentaje de mejora de las probetas con refuerzo respecto de la resina epoxi control en los

ensayos de cizalladura a tracción. .................................................................................................................... 83

Tabla 23: Resultados de energía de fractura adhesiva en Modo I en los ensayos de doble viga en voladizo. 89

Tabla 24: Porcentaje de mejora de las probetas con refuerzo en los ensayos de doble viga en voladizo........ 89




15 15

15

Gráfica 1: Módulo elástico de las probetas control, OX, AC1 y AC2 mediante excitación armónica ............ 70

Gráfica 2:Módulo elástico de las probetas control, OX, AC1 y AC2 mediante ultrasonidos ......................... 72

Gráfica 3: Módulo elástico de las probetas control, OX, AC1 y AC2 mediante extensometría óhmica a

flexión .............................................................................................................................................................. 73

Gráfica 4: Curva tensión deformación resina lote 1. ....................................................................................... 75


tracción desglosados en los lotes 1 y 2. ........................................................................................................... 76


tracción. ........................................................................................................................................................... 77


tracción, medido con un extensiómetro. .......................................................................................................... 78

Gráfica 8: Comparativa del módulo de elasticidad mediante diferentes tipos de ensayos. ............................. 79

Gráfica 9: Evolución del módulo de elasticidad de los diferentes materiales según el método de

caracterización empleado. ............................................................................................................................... 81

Gráfica 10: Resistencia a rotura de los diferentes materiales mediante ensayos de cizalladura a tracción para

el lote 1 y el lote 2. .......................................................................................................................................... 82

Gráfica 11: Resistencia a rotura de los diferentes materiales mediante ensayos de cizalladura a tracción. .... 83

Gráfica 12: Curva fuerza-desplazamiento de una probeta de control en un ensayo de doble viga en voladizo.

......................................................................................................................................................................... 87

Gráfica 13: Recta experimental de la flexibilidad de una probeta AC2 respecto a la longitud de grieta ........ 88

Gráfica 14: Energía de fractura adhesiva en Modo I en los ensayos de doble viga en voladizo. .................... 89

CAPÍTULO 1: MEMORIA DESCRIPTIVA




17 17

17

CAPÍTULO 1:

Memoria Descriptiva

1. Introducción

La eficiencia energética y el desarrollo sostenible se han convertido en una prioridad para

gobiernos e instituciones que, a través del endurecimiento de los límites de contaminación y de

consumo energético lo trasladan al sector industrial. Consecuentemente, las empresas destinan gran

parte de su presupuesto a la investigación y desarrollo de procesos más eficientes, que les permita

cumplir estos objetivos y mantenerse económicamente competitivos.

Ante estos desafíos, se está extendiendo el uso de materiales compuestos que aúnan y

aprovechan las características concretas de los materiales que los forman. Una de las ventajas más

destacadas que introducen los materiales compuestos es la reducción del peso, lo que se traduce en

una reducción del consumo de combustible y la consiguiente disminución de las emisiones de CO2.

En concreto, un coche 100Kg más ligero, ahorra de media 0.31 litros de combustible cada 100km,

lo que supone 8.5g de CO2 menos emitidos al aire [1].

La industria aeronaútica, automovilística, el sector energético o la industria naval son sólo

algunos campos donde los composites tienen gran importancia. Un ejemplo sería el Airbus A350

XWB, que se compone en un 52% de material compuesto de fibra de carbono y matriz polimérica

[2].

En total, el observatorio internacional del mercado de los materiales compuestos (JEC World)

estima que la industria de los materiales compuestos emplea a 550.000 personas en todo el mundo y

representa 72.000 millones de euros. Por otro lado, según el estudio The Global Market 2016, de

Carbon Composites eV, el mercado mundial de polímeros reforzados con fibra de carbono puede

llegar a experimentar una tasa de crecimiento del 11-12 % en los próximos años [3].

Paralelamente al desarrollo de los materiales compuestos, el grafeno ha despertado gran interés

en la comunidad científica debido a sus sorprendentes propiedades eléctricas, mecánicas y térmicas.

Actualmente los esfuerzos se centran en mejorar su implementación en la industria para poder

aprovechar estas propiedades al máximo. Siguiendo esta línea se están estudiando diferentes nano

partículas derivadas del grafeno como los nanotubos de carbono (CNTs), el óxido de grafeno (GO)

o las nanoplaquetas de grafeno (GNPs). Investigadores y empresas buscan mejorar las

características de los composites a través de la introducción de estas nano partículas en su matriz.





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18

Figura 1. Número de publicaciones sobre el grafeno en los últimos 20 años [4]

2. Motivación

Los materiales compuestos y los materiales derivados del grafeno se presentan como una vía de

desarrollo a nuevos materiales que cumplan con las exigencias y superen los retos del futuro.

Empresas como NanoInnova trabajan con nanoplaquetas de grafeno sometidos a distintos

procesos de producción. Es necesario caracterizar estos refuerzos y su comportamiento dentro de

una matriz polimérica para evaluar su idoneidad y seguir avanzando en la mejora de los materiales

compuestos.

El fin último del proyecto y la principal motivación es conseguir trasladar y aprovechar las

propiedades del grafeno en los materiales compuestos. De este modo se conseguirán diseños más

innovadores, viables desde el punto de vista económico y con un menor impacto en el medio

ambiente.

3. Objetivos del proyecto

Los objetivos que se pretenden alcanzar a lo largo del desarrollo del presente proyecto son los

siguientes:

Estudiar las propiedades mecánicas del material compuesto en función del refuerzo

utilizado.

Estudiar la capacidad adhesiva y los principales inconvenientes del uso como adhesivo de

los diferentes materiales obtenidos.

Comprobar mediante la comparación de los resultados con ensayos destructivos y no





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19

destructivos la efectividad y precisión de estos últimos en materiales compuestos de base

polimérica.

Aportar datos experimentales, ya sean positivos o negativos, que permitan aumentar el

conocimiento sobre esta área que pueda ser de utilidad para estudios posteriores.

Aumentar el campo de aplicabilidad de materiales compuestos con refuerzos nanométricos

en el sector industrial.

4. Estado del arte

En este apartado se expondrán conocimientos específicos relativos al tema del proyecto. Se trata

de describir el contexto en el que se enmarca el proyecto para poder realizar un juicio crítico de los

resultados obtenidos.

En primer lugar se estudiarán las características y propiedades de los materiales compuestos,

haciendo especial hincapié en aquellos compuestos de fibra de carbono y matriz polimérica. A

continuación se presentarán los resultados obtenidos en otros estudios de materiales compuestos

reforzados con nanocargas de carbono con el fin de conocer qué líneas de investigación pueden ser

viables para nuestro caso y cuáles no. Del mismo modo se definirá lo que es una unión adhesiva y

se describirá el papel de los materiales compuestos reforzados con nano partículas en base carbono

en su uso como adhesivos. A partir de este análisis se podrán exponer las dificultades y retos

actuales en la producción de materiales compuestos con nano-refuerzos en base carbono. Por último

se describirán diferentes técnicas de caracterización no destructiva para evaluar su utilidad y situar

en contexto los experimentos llevados a cabo en el proyecto.

4.1. Materiales compuestos definición y tipos

4.1.1. Definición

Los materiales compuestos son aquellos formados por dos o más materiales. Generalmente

están constituidos por una matriz o elemento continuo donde se distribuyen los elementos de

refuerzo, partículas o fibras que buscan mejorar las propiedades de la matriz. Gracias a la

combinación de las propiedades de los elementos que lo forman, los composites presentan gran

flexibilidad y posibilidades.

Si bien el refuerzo se encuentra distribuido en la matriz, ambos componentes han de ser

insolubles entre sí, presentar varias fases químicamente distintas y estar separados por una interfase.

Las propiedades del material compuesto dependerán entonces de las características de sus

componentes y del tipo de interfase.





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20

Matriz:

Es el material base, el elemento continuo que rodea al refuerzo. Se encarga de fijarlos y de

protegerlos frente fuerzas a compresión y frente a agresiones externas. A través de la matriz de

distribuyen los esfuerzos a las partículas o fibras que actúen como refuerzo.

Refuerzo:

Buscan mejorar las propiedades mecánicas del composite, por ello suelen estar formados por

estructuras cristalinas tenaces, rígidas y resistentes a altas temperaturas y medios agresivos.

Las propiedades del material compuesto combinan las de matriz y refuerzo. En un material

compuesto de matriz polimérica y reforzado con fibras, se rebasan el módulo de elasticidad de la

matriz y sin embargo, el alargamiento de rotura se reduce hasta los valores de las fibras frágiles. Es

decir, las propiedades totales son un compromiso entre las propiedades de los elementos del

composite. Este comportamiento se representa en la siguiente gráfica:

Figura 2: Curva tensión-deformación de la matriz, de las fibras de refuerzo y del material compuesto obtenido.

4.1.2. Tipos

Los materiales compuestos se pueden clasificar atendiendo al material de la matriz y a la forma

del refuerzo.

Según la naturaleza de la matriz:

Existen matrices compuestas de material cerámico que se caracterizan por su dureza y a la vez





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21

fragilidad. En cambio si lo que se busca es una matriz con buena conductividad, plasticidad y

capacidad de deformación, se pueden emplear matrices metálicas.

Sin embargo las matrices orgánicas, entre las que se encuentra la matriz polimérica del presente

proyecto, son las más utilizadas. Combinan alta resistencia con baja densidad aunque son sensibles

a temperaturas elevadas. Estos compuestos se utilizan en el campo de la ingeniería eléctrica y

electrónica debido a su propiedad aislante.

Según la forma del refuerzo:

Materiales reforzados con partículas: el refuerzo está formado por partículas de un material

como pueden ser las nanoplaquetas de grafeno, nanotubos de carbono, partículas de sílice y otros.

El grado de dispersión en la matriz es un factor determinante en las propiedades del composite.

Materiales reforzados con fibras: el refuerzo es una fibra de alta resistencia, como la fibra de

carbono, fibra de vidrio, cuarzo o kevlar, o fibras naturales como la fibra de coco. Uno de los

condicionantes de las propiedades de estos materiales es la orientación que siguen las fibras dentro

de la matriz, que suele ser una resina como epoxi o poliéster.

Materiales estructurales: surgen de la combinación de un material compuesto con un material

sencillo. Se caracterizan por su gran integridad estructural y rigidez, estas propiedades dependen de

los materiales utilizados y de la geometría y diseño. Los más comunes son los laminares o los

llamados paneles sándwich.

Figura 3: Material compuesto con estructura tipo sándwich





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22

4.2. Materiales compuestos de matriz polimérica con fibra de

carbono

4.2.1. Polímeros: resina epoxi

Los polímeros son materiales formados por unidades simples (monómeros), estructuras lineales

o ramificadas que se repiten indefinidamente. Los elementos más habituales en estas estructuras son

el carbono, oxígeno, hidrógeno y nitrógeno.

Los enlaces entre los elementos dentro de la estructura son el factor principal en las propiedades

del polímero. El esqueleto de la macromolécula está formado por enlaces covalentes del tipo –C-C-

C-, o anillos bencénicos, cuya energía de unión es muy alta. Esto confiere al material su estabilidad

química, pero sus propiedades vienen determinadas fundamentalmente por los enlaces secundarios.

Estos enlaces se refieren a las fuerzas de atracción intermoleculares que unen unas cadenas con

otras. Son los responsables del deslizamiento de las moléculas unas sobre otras que rompería los

enlaces al aplicar una fuerza o un aumento de temperatura.

Figura 4: Esquema de la estructura de un polímero

Según el tipo de enlaces secundarios que presente un polímero se puede clasificar en

termoplásticos, elastómeros y termoestables. A este último grupo es al que pertenece la resina epoxi

que será nuestro objeto de estudio, por lo que se detallarán en mayor profundidad sus

características.

Las moléculas dentro de los polímeros termoestables se encuentran fuertemente entrelazadas,

formando estructuras tridimensionales. Este es el motivo por el cual no se ven alterados por los

cambios de temperatura y no admiten grandes deformaciones. Inicialmente se encuentran en estado

líquido, al añadir un endurecedor o mediante un proceso con calor y presión pasan a un estado

sólido irreversible. Durante el curado se forman enlaces covalentes fuertes (reticulación), a mayor

grado de reticulación, más enlaces fuertes y por tanto mayor resistencia térmica; pero también

mayor rigidez y fragilidad.

Dada la naturaleza de los polímeros termoestables además de resistencia y estabilidad térmica,

son resistentes al impacto, a los solventes, a la permeación de gases y actúan como buenos aislantes

eléctricos. Pese a su bajo peso presentan una alta rigidez y resistencia a la fluencia. Las principales





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23

ventajas de los polímeros termoestables son:

En 1934, el alemán Paul Schlack describió y patentó la condensación de epóxidos y aminas. A

partir de aquí el suizo Castan y el estadounidense Greenlee consiguieron sintetizar una resina a

partir del Bisfenol-A. Este proceso se basa en la reacción del Bisfenol-A con epoclorhidrina que da

lugar a un líquido compuesto por cadenas del grupo epoxi. Al añadir un agente endurecedor se

inicia y favorece la reticulación y el proceso de curado. Una vez en estado sólido, se suele someter a

las resinas a un tratamiento térmico a altas temperaturas, sin el cual sólo se alcanzaría un 60% de la

resistencia total. [4]

4.2.2. Resinas epoxi en materiales compuestos

Si se tienen en cuenta aplicaciones estructurales, las resinas epoxi son demasiado frágiles y

sensibles a fractura, lo que afecta al conjunto del material compuesto. Respondiendo a estos

problemas se están desarrollando diferentes técnicas [5].

Por un lado se puede modificar la arquitectura de las fibras en la matriz: perfiles en Z de fibras

de carbono, cosidos biaxiales de las fibras o diseño de las mismas en 3D. Lo que ha resultado en

una notable mejora de las propiedades in-plane de los composites. Sin embargo dado que la matriz

polimérica domina las propiedades out-of-plane, el material compuesto sigue siendo sensible a la

aparición y propagación de grietas. La probabilidad de fractura aumenta en zonas donde se acumula

el compuesto polimérico y que son difíciles de reforzar con refuerzos microscópicos de fibras

tradicionales.

Dado que los avances en la estructura del tejido dejan margen de mejora, se están planteando

técnicas basadas en la modificación de la superficie de las fibras de carbono y en la propia matriz

polimérica.

Con el fin de proteger las fibras y de aumentar la compatibilidad de éstas con la matriz se han

desarrollado diversos tratamientos superficiales. Recubrir las fibras con agentes redimensionadores

de base polimérica es una técnica simple, efectiva y ampliamente extendida. Es necesario

considerar además la unión entre el recubrimiento y las fibras, por ello, la superficie de las fibras se

oxida electrolíticamente antes de ser recubierta para aumentar el contenido de grupos funcionales de

oxígeno y facilitar la adhesión del agente.

Tradicionalmente, la modificación de la matriz es relativamente fácil y rentable y no

compromete otras propiedades mecánicas o estructurales del composite. Nanopartículas como nano-

SiO2, nano-Al2O3 o nano-TiO2 han sido empleadas recientemente como refuerzo de la matriz

polimérica en materiales compuestos.

En el presente proyecto se trabajará con nano partículas en base carbono, en concreto

nanoplaquetas de grafeno. El siguiente apartado profundizará en las diferentes posibilidades que

ofrece este tipo de refuerzo.





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24

4.3. Materiales compuestos reforzados con nanocargas en base

carbono: procesos de fabricación y resultados obtenidos hasta el

momento.

Las características de los materiales compuestos son muy sensibles a los cambios en su proceso

de fabricación. Para obtener unas propiedades concretas, es necesario tener en cuenta los diferentes

parámetros que intervienen en el proceso de fabricación. A lo largo de este apartado se profundizará

en otros estudios que se han realizado con nanocargas en base carbono.

Grafeno

El grafeno es un alótropo del carbono en el que los átomos de carbono se dispuestos en una

única capa siguiendo un patrón regular hexagonal similar a un panal de abejas como se ilustra en la

Figura 5. Es el elemento estructural básico de todos los demás elementos grafíticos, tales como el

propio grafito, carbón, nanotubos de carbono, nanoplaquetas de grafeno y fullerenos. Gracias a su

hibridación sp2 los átomos de carbono (separados entre sí 142pm) se encuentran fuertemente unidos

por enlaces covalentes [6]. Esta peculiar estructura es la causante de sus magníficas propiedades

eléctricas, térmicas y mecánicas.

Figura 5 : Estructura del grafeno [6]

En 2004 Andre Geim y Kostya Novoselov de la Universidad de Manchester extrajeron capas de

grafito monoatómicas, lo que actualmente se conoce como grafeno [7] En 2010 fueron

galardonados con el Premio Nobel de Física por este descubrimiento y sus posteriores trabajos

sobre el grafeno.

El grafeno ha suscitado gran interés debido a las extraordinarias propiedades derivadas de su

singular estructura. Sorprende el comportamiento de los electrones como partículas carentes de

masa similares a los fermiones de Dirac, efecto Hall cuántico anómalo, gran movilidad, alta

conductividad térmica o su gran resistencia y rigidez entre otras. Además. Estas propiedades están

ligadas a la morfología y estructura atómica del grafeno, por ejemplo en las distintas disposiciones

de la Figura al variar la forma y el tamaño de las estructuras se obtienen diferentes características.





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La sensibilidad del grafeno ante cambios estructurales y en su medio permite diseñar sus

propiedades químicas y físicas a nanoescala [8].

Figura 6: Diferentes estructuras de grafeno [9]

Atendiendo a sus propiedades mecánicas, una lámina de grafeno es aproximadamente 100 veces

más resistente que una lámina de acero análoga, ya que su módulo de elasticidad ronda 1 TPa [10].

Este valor no se ve significativamente alterado por la temperatura hasta los 1200K [11].

Una de las propiedades más fascinantes del grafeno es su alta conductividad eléctrica, los

electrones libres a temperatura ambiente en el grafeno del orden de 104 cm

2 V

-1 s

-1 (7). Estudios que

simulan la movilidad de los electrones mediante el modelo de Monte Carlo concluyen que la

conductividad del grafeno se sitúa alrededor de los 106 S/m [12].Otra de las propiedades del grafeno

de gran utilidad en nanocomposites es su elevada conductividad térmica (300-500 W m-1

K-1

) [13].

Dada la naturaleza del grafeno y su sensibilidad a cambios estructurales, sus propiedades están

íntimamente ligadas al proceso de fabricación. Tras el descubrimiento y caracterización del grafeno,

los esfuerzos se han centrado en mejorar y ofrecer distintas posibilidades que optimicen su

producción.

Uno de los grandes retos a los que se enfrentan los investigadores es la obtención de un material

en el que el refuerzo se disperse uniformemente en la matriz. La aglomeración de refuerzo,

concentrará tensiones y propiciará la aparición de grietas. En el grafeno primitivo, las fuerzas de

Van der Waals atraen a las partículas entre sí, dificultando la dispersión. Con el objetivo de

aumentar su capacidad de dispersión, se plantean diferentes soluciones como recubrimientos o

funcionalización de las nano partículas.

Grafeno no funcionalizado

El uso de grafeno no funcionalizado dificulta la dispersión pero aporta ciertas ventajas frente al

uso de grupos funcionales en el caso de que se quiera incrementar simultáneamente la

conductividad eléctrica y las propiedades mecánicas.

Con el fin de evitar la unión entre las nano partículas y facilitar a su vez la unión entre éstas y la

matriz, es habitual recubrir las partículas con una película de alguna sustancia soluble en agua y en

Dimetilformamida (DMF) que actúe de estabilizador como puede ser la Polivinilpirrolidona (PVP).





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26

En esta línea, experimentos realizados sobre resinas epoxi con grafeno disperso por solución

muestran grandes mejoras en comparación con grafeno disperso mediante liofilización [14]. El

grafeno utilizado en esta investigación fue recubierto por PVP, para ello se disolvió el PVP en agua

o en DMF, ambos disolventes se eliminan antes de iniciar el curado mediante la liofilización o

solución respectivamente. Para ambos tipos de muestras se mejoraron la conductividad eléctrica, las

propiedades mecánicas (incremento del 26% del módulo de Young con un 0.46%vol.) y la

estabilidad térmica (aumento de la temperatura de degradación en hasta 4ºC con un 23%vol).

Las muestras fabricadas mediante el proceso de solución con DMF presentan una mejor

dispersión y alcanzan mejoras en el material con concentraciones menores de grafeno, sin embargo

dan lugar a residuos del solvente para altas concentraciones de grafeno que afectan a las

propiedades finales del compuesto. Por otro lado, las muestras obtenidas mediante el proceso de

liofilización evitan la aparición de dichos residuos y su proceso de fabricación es más sencillo y

económico. Los resultados obtenidos indican que con el grafeno no funcionalizado se pueden

mejorar simultáneamente varias propiedades a diferencia de lo que ocurre generalmente en otros

procesos de síntesis del grafeno.

Hay que tener en cuenta también los procesos de obtención del grafeno. Destaca la deposición

química de vapor (CVD) que consigue depositar grafeno monocapa o de reducido espesor en una

gran variedad de superficies. Este método precisa altas temperaturas de deposición, por lo que se

están desarrollando alternativas que permitan obtener grafeno a temperaturas más bajas y en

periodos más cortos de tiempo mediante el uso de plasma (PECVD) [15].

Óxido de grafeno (Grafeno funcionalizado)

A raíz de la funcionalización de las nano partículas (introducción de grupos funcionales que

enlacen con dichas nano partículas y que a su vez tiendan a enlazar con la matriz polimérica),

surgen numerosos derivados del grafeno, como el óxido de grafeno (GO) y el óxido de grafeno

reducido (rGO).

Figura 7: Imagen TEM del óxido de grafeno

Al contener grupos funcionales de oxígeno en su superficie y bordes, se adhieren mejor a la

matriz polimérica. La superioridad de los enlaces con la matriz, junto a su buena capacidad de





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27

dispersión los sitúa como un posible refuerzo de los futuros composites poliméricos [16].

Estudios llevados a cabo por, Liang et al. [17] demostraron mejoras en las propiedades

eléctricas con el rGO para un 0.52% vol. sin embargo las propiedades mecánicas no se ven

afectadas. Ocurre a la inversa en el trabajo desarrollado por, Rafiee et al. [18]: mientras el módulo

de Young aumenta un 32% del para un 0.1% en peso de rGO, las propiedades eléctricas no

experimentan cambios significativos. La dificultad para mejorar simultáneamente ambas

propiedades se presenta como uno de los principales retos del óxido de grafeno.

Al igual que con el grafeno no funcionalizado, hay que tener en cuenta el proceso de obtención

ideal para el óxido de grafeno. En este sentido, es habitual generar GO y rGO mediante exfoliación

química dado su bajo coste a gran escala. El método más empleado es el método de Hummers que

separa las láminas de grafeno del grafito haciéndolo reaccionar con una mezcla de permanganato

potásico (KMnO4) y ácido sulfúrico concentrado (H2SO4).

Nanotubos de carbono

Uno de los derivados del grafeno que más estudios ha motivado son los nanotubos de carbono.

Los nanotubos pueden estar formados por una única capa de grafeno enrollada sobre sí misma

(nanotubos monocapa o SWNTs) o por una serie de tubos concéntricos unos dentro de otros

(nanotubos multicapa o MWNTs).

Figura 8: Estructura de los nanotubos de carbono monocapa y de los nanotubos de carbono multicapa

En 1952 el diario oficial de química física en la Unión Soviética publicó imágenes claras de 50

tubos de carbono de diámetro nanométrico. Aunque es probable que se generaran nanotubos de

carbono antes de esta fecha, hasta la aparición del microscopio de transmisión de electrones o TEM

(Transmission electron microscopy) no se pudieron visualizar con detalle.

Los primeros filamentos de carbono obtenidos mediante el uso de catalizadores metálicos

poseían una estructura altamente grafítica y medían entre 10 y 100 de diámetro [19]. En 1976, a

través de una técnica de crecimiento por vapor o CVD (Chemical Vapor Deposition) se obtuvieron





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28

fibras huecas de carbono a escala nanométrica [20].

1991 marca un antes y un después en el campo de los CNTs. Sumio Iijima produce nanotubos

de carbono multicapa (MWCNT) a partir de varillas de grafito quemadas por método de arco [21].

Dos años más tarde, consigue obtenerlos primeros nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT)

mediante la adición de catálisis por transición metálica al carbono en una descarga por arco. Se

convierten en la primera sustancia conocida capaz de sustentar su propio peso indefinidamente,

condición necesaria para la construcción del ascensor espacial [22].

En cuanto a sus propiedades destaca su elevada proporción área superficial/volumen [23] y su

elevada resistencia específica [24]. Llaman la atención también sus propiedades mecánicas, con

valores de módulo de Young acotados entre 1 y 2 TPa [25; 26] y con una resistencia a tracción axial

alrededor de 200 GPa [27].

Al igual que otros derivados del grafeno, presenta excelentes propiedades térmicas (con una

estabilidad térmica hasta los 2800°C en atmósfera inerte y una conductividad térmica dos veces

superior a la del diamante [28] y eléctricas (su capacidad de transporte de electrones es 1000 veces

mayor que la de los cables de cobre [29].

Nanoplaquetas de grafeno

Otro refuerzo de los materiales compuestos que ha despertado el interés de la comunidad

científica son las nanoplaquetas de grafeno (GNP´s) debido a un costo menor en comparación con

los nanotubos de carbono [30].

Las nanoplaquetas de grafeno están compuestas por varias capas de grafeno unidas entre sí por

fuerzas de Van der Waals muy fuertes. Son por tanto partículas de dos dimensiones, con espesor

entre 5 y 25 nanómetros [31].

Figura 9: Imagen TEM de las nanoplaquetas de grafeno





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29

Dentro de las nanocargas en base carbono, el uso de nanoplaquetas de grafeno es relativamente

reciente. En 2014, investigadores de la universidad de Michigan concluyeron que el módulo de

elasticidad de la resina epoxi aumentaba de 2.72GPa a 3.35GPa al añadir nanoplaquetas de grafeno

de 5 micrómetros (6wt%, 3.7vol%). Al ensayar nanoplaquetas de diferentes tamaños, pudieron

comprobar que las resinas epoxi reforzadas con nano partículas más pequeñas eran más resistentes y

dúctiles: la tensión de rotura para la resina epoxi con nanoplaquetas de 5 micrómetros era de

3.35Mpa, en cambio con nanoplaquetas de 2 micrómetros (bajo las mismas proporciones) la tensión

de rotura se sitúa entre 74 y 81 MPa y presenta una mayor deformación en este punto.

Estudios previos llevados a cabo en esta universidad, así como el uso de técnicas de

nanoindentación, dan resultados similares [30]. Se está investigando también la combinación de

distintas nano partículas, como GNPs con CNTs, con resultados muy prometedores [32].

4.4. Adhesivos

Una de las aplicaciones más importantes que tienen los polímeros en el ámbito industrial es

como método de unión permanente entre dos sustratos.

Durante el proceso de unión, el adhesivo ha de pasar por una fase líquida de baja viscosidad que

le permita penetrar en todas las irregularidades de las superficies adherentes. Tras esta fase líquida,

solidificará en un proceso denominado curado durante el cual se conformarán sus principales

propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas.

Las uniones adhesivas se clasifican en función de los elementos que unan las moléculas

adhesivas. A las uniones entre moléculas de adhesivo se les denomina cohesivas, por el contrario si

la unión se produce entre una molécula del adhesivo y la superficie de contacto, la unión es

adhesiva. Ambas uniones están ilustradas en la siguiente figura:

Figura 10: Esquema de las fuerzas de unión entre adhesivo y adherente

Las fuerzas entre el adhesivo y el adherente (unión adhesiva) limitan en mayor medida las

propiedades mecánicas de la unión. Sin embargo, el modo de fallo ideal que representa la capacidad

de resistencia mecánica del adhesivo es el fallo cohesivo. Los fallos adhesivos o de cualquier otro

tipo, son difíciles de controlar, de reproducir y no describen las características del adhesivo.

Buscando evitar este tipo de fallos, las superficies a unir han de ser preparadas adecuadamente con

el fin de maximizar la humectación y mantener las condiciones necesarias para un correcto curado.





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30

Figura 11: Modos de fallo de las uniones adhesivas

Uno de los parámetros fundamentales de la unión adhesiva es el grado de humectación o

mojabilidad. Representa la capacidad que tiene el adhesivo de empapar la superficie del sustrato. El

grado de humectación varía según la tensión superficial del adhesivo, es decir, según sean las

fuerzas de atracción entre los átomos o moléculas de un líquido. Otro factor determinante es la

energía de superficie del adherente, las fuerzas de atracción que ejercen en este caso los átomos de

la superficie del adherente sobre los líquidos. Para que la humectación sea posible es necesario que

la energía de superficie del sólido (adherente) sea superior a la tensión superficial del líquido

(adhesivo).

En la siguiente tabla se muestran diferentes ventajas e inconvenientes que presentan las uniones

adhesivas con respecto a otros métodos de unión como soldaduras o remaches.

Principales ventajas Principales desventajas

Unión continua

(ausencia de concentración de tensiones).

Mayor resistencia a la fatiga.

Mejor sellado de la unión

(reducción de los efectos corrosivos).

Reducción del peso

Unión de materiales no soldables.

Reducción de los procesos de

mecanización

Permite uniones híbridas.

Evita la corrosión galvánica.

Preparación superficial de los sustratos.

Menor resistencia térmica.

Tiempo de curado.

Menor resistencia por unidad de superficie

en comparación con las uniones soldadas.

Tabla 1: Ventajas y desventajas de las uniones adhesivas

4.5. Uniones adhesivas con resinas epoxi

El uso de las resinas epoxi como adhesivo estructural está ampliamente extendido en el sector

aeronáutico, naval, en automovilística, y en la construcción de bicicletas o esquíes por ejemplo. A

este tipo de adhesivo se le conoce también como adhesivos rígidos, dada su alta resistencia a

tracción y escasa elongación a fractura.





31 31

31

Se adhieren a gran cantidad de diferentes sustratos y rellenan bien las holguras. Esto sumado a

la flexibilidad que ofrecen les ha situado en el foco de la industria, en especial a la hora de unir

composites de fibra de carbono y resina epoxi, dada su alta compatibilidad con la fractura, así como

su alta resistencia eléctrica. Con el objetivo de disminuir su rigidez, una matriz [33]. Una de sus

principales limitaciones es su escasa tenacidad a solución común es añadir partículas poliméricas.

Sin embargo, el aumento de la tenacidad a fractura actúa en detrimento de otras propiedades [34;

35].

Otra posible estrategia sería la adición de nano partículas, lo que según diferentes estudios,

cambia radicalmente los modos de fallo de la unión adhesiva [36]. En esta línea se sitúan los

ensayos realizados por Hsiao [37] en el que la resistencia de adhesión bajo esfuerzo cortante

aumenta un 45% al añadir un 5% de nanotubos de carbono multicapa. Sin embargo el punto donde

se produce la fractura se ve alterado, mientras en las muestras de control se daba una fractura en la

interfaz, en las probetas con nanocargas la fractura es cohesiva-

De manera similar, Gilbert et al [38] consigue mejorar la respuesta del adhesivo frente al modo-

I de fractura al añadir nano partículas de alúmina (5wt%) a un adhesivo epoxi reforzado con goma.

Los ensayos realizados sobre la unión de dos sustratos de una aleación de aluminio muestran un

aumento de la resistencia a cizalladura del 15% y al desprendimiento del adhesivo del 50%. Por

otro lado, la unión de láminas de un composite de fibra de carbono y resina epoxi mejora cuando la

unión y el composite se curan simultáneamente, sin embargo cuando las láminas se curan

previamente y después se unen, los valores de tenacidad a fractura son incluso menores que los de

la resina sin refuerzo alguno [38].

Estudios llevados a cabo desde la Universidad Rey Juan Carlos de Madrid muestran que la

adición de nano-refuerzos (nanofibras de carbono al 0.5wt% y nanotubos de carbono al 0.25wt%) a

la resina epoxi no aumenta significativamente la resistencia a cizalladura de la adhesión entre

composites de fibra de carbono y epoxi, aunque sí que modifica la superficie de la fractura de estas

uniones [39].

En investigaciones más recientes llevadas a cabo por la misma universidad, se incrementa la

superficie de contacto y se mejora la mojabilidad del adhesivo al preparar las láminas con la técnica

peel-ply pero los valores de resistencia a cizalladura se ven prácticamente inalterados por la

presencia de nano-refuerzos. No obstante, al realizar ensayos cuasi-estáticos (DCB) con nanotubos

de carbono se puede observar que el fallo es adhesivo-cohesivo frente al fallo adhesivo presente en

las muestras con resina sin reforzar y que aumenta la energía de fractura (modo-I) [33].

4.6. Retos actuales en la adición de nanocargas

Una vez conocidas las propiedades de las nanocargas en base carbono, es necesario desarrollar

procesos que permitan su aplicación en el sector industrial. A la hora de llevar a la práctica las

mejoras teóricas que estos nanomateriales supondrían, los investigadores se han encontrado

dificultades en dos aspectos: la dispersión de las nanocargas dentro de la matriz polimérica y la

transmisión de la carga entre la matriz y las nano partículas.





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32

4.6.1. Dispersión de las nanocargas

Tras el proceso de mezclado, los nano partículas en suspensión se reorientarán en busca de un

nuevo estado de equilibrio de menor energía. Aparecen fuerzas de Van der Waals entre ellas y

formándose nuevas agregaciones. A lo que se suma la tendencia a sedimentarse de, las partículas

disueltas en un medio líquido o gaseoso cuya relación entre su fuerza gravitacional y las fuerzas de

Brown supera la unidad. Según esto el tamaño crítico estimado para que una aglomeración de

nanotubos de carbono sedimente es de 1 μm aproximadamente [40].

El objetivo es conseguir que las cargas se distribuyan lo más uniformemente posible. De esta

forma aumenta el área de contacto entre el refuerzo y la matriz y sobre todo se evitan puntos de

concentración de esfuerzos causados por la acumulación de nanocargas. Las principales estrategias

se centran en el proceso de mezclado y en tratamientos superficiales sobre las nano partículas.

Existen diversas técnicas para mezclar la nanocarga en el monómero líquido tales como:

agitación mecánica mediante palas de hélices, agitación centrífuga mediante speedmixer, baños de

ultrasonidos, sonicación [41], calandras [42] etc. Hay que tener en cuenta que para no alterar la

morfología de las nano partículas, la energía suministrada debe ser inferior a la requerida para

romper su estructura.

Existe estudios que utilizan mezcladores de alto cizallamiento o ultrasónicos con el fin de

aumentar la fuerza de mezclado entre la matriz y el refuerzo. Recientemente el uso de una mini-

calandra con tres rodillos se presenta también como una prometedora alternativa, al igual que la

infiltración directa con esponjas de CNTs [43].

En cuanto a los tratamientos superficiales, en la actualidad se han estudiado principalmente dos

tipos: funcionalización de las nanocargas y adición de elementos tensioactivos. Mediante la

funcionalización superficial se forman enlaces covalentes entre las nano partículas y determinados

grupos funcionales mejorando la unión intersuperficial y por ende facilitando la dispersión de las

nanocargas.

Se han realizado estudios donde nanotubos de carbono han sido recubiertos con un elemento

tensioactivo que actúa como un detergente y separa los nanotubos entre sí. Los ensayos llevados a

cabo por Gong et al [44]. (con PoEL como elemento tensioactivo), muestran que el material

resultante es más homogéneo y con un módulo de elasticidad hasta un 30% mayor. Sin embargo, las

propiedades conductoras del material compuesto se ven comprometidas ya que al añadir

determinados tensioactivos disminuye el contacto entre las nano partículas.

Recientemente autores como Ritts et al. [45] plantean el uso de plasma para tratar la superficie

de las nanocargas. El medio que se excita y la superficie sólida a tratar interactúan, modificando

física y químicamente las propiedades en las primeras capas superficiales; pero manteniendo las

propiedades del núcleo. Otros estudios llevados a cabo en el campo de las nano partículas, revelan

que generalmente las partículas tratadas contienen grupos funcionales que evitan que se aglutinen y

facilitan la unión intersuperficial con la matriz polimérica [46].





33 33

33

4.6.2. Unión intersuperficial

La transmisión de esfuerzos de la matriz a la nanocarga depende en gran medida de su unión

intersuperficial. Una unión fuerte, se traduce en una buena transmisión y finalmente en mejores

propiedades mecánicas. Entre matriz y nanocarga se pueden dar tres tipos de uniones: por fuerzas

de van der Waals, entrecruzado micromecánico o enlaces químicos.

En el caso de las nanoplaquetas de carbono, los átomos de carbono en su superficie son

químicamente estables, es decir, las nanocargas son inertes e interactúan con la matriz

principalmente a través de fuerzas de van der Waals. Este tipo de enlace es relativamente débil, por

lo que la carga entre matriz y refuerzo no se transmite adecuadamente, llegando incluso a empeorar

las propiedades mecánicas del material a nivel macroscópico [47].

Gracias a la funcionalización se puede mejorar la interacción de un tipo de carga con otro

elemento. Estos métodos se clasifican en químicos y físicos.

Funcionalización química:

La funcionalización química se basa en la construcción de vínculos químicos mediante enlaces

covalentes entre las nanocargas y los elementos funcionales. De esta forma se pueden crear enlaces

entre matriz polimérica y los grupos funcionales de las nanocargas químicamente modificadas.

Existen varias maneras de llevar a cabo esta modificación. Es común sustituir átomos de

carbono de la pared de las nanocargas por átomos altamente reactivos como el flúor, bromo,

nitrógeno, cloro, bromo, hidrógeno o silicio [48].

Los tratamientos de oxidación son otra opción muy frecuente, normalmente se utiliza NaOH,

NaHCO3, Na2CO3, H2SO4, NH4HCO3, (NH4)2CO3, HNO3, H3PO4, NaHCO3 o mezclas de gases F2-

O2. Con ellos se generan grupos funcionales que incluyen los grupos carboxilo, hidroxilo, carbonilo

y carboxílico entre otros. Por ejemplo al generar grupos carboxílicos, estos reaccionarían con, por

ejemplo aminas, a su vez los grupos amino sirven para formar enlaces con la matriz polimérica

mejorando la transferencia de carga. Adicionalmente al tratamiento de oxidación habitual, se

pueden aprovechar defectos existentes en la pared de las nanocargas que actuarían como puntos de

“amarre” para los grupos funcionales [49].

Figura 12: Esquema de funcionalización de SWCTN con aminas





34 34

34

Pese a conseguir mejores enlaces entre las nanocargas y la matriz, estas mejoras traen consigo

dos principales inconvenientes:

En primer lugar, las propiedades mecánicas del material se pueden ver comprometidas por los

defectos creados durante la reacción de funcionalización, y especialmente junto al proceso de

dispersión por ultrasonidos.

La segunda gran desventaja es la habitual utilización de ácidos concentrados y oxidantes fuertes,

muy perjudiciales para el medio ambiente.

Funcionalización física:

La funcionalización física constituye un método alternativo a la funcionalización química para

alterar las propiedades superficiales de los nanomateriales.

Una de las principales estrategias que se ha llevado a cabo con nanotubos de carbono es la

agrupación de polímeros alrededor de los nanotubos al suspenderlos en poliestireno. Estos

complejos supermoleculares de nanotubos se unen a la matriz con más facilidad. Por otro lado, se

pueden utilizar surfactantes que reduzcan la tensión superficial del nanotubo, previniendo así la

formación de aglomeraciones. [49]

Figura 13: Ilustración esquemática de una funcionalización no covalente [50]

4.7. Caracterización no destructiva

Los ensayos no destructivos (END) se refieren a aquellas pruebas que no implican daños o

alteraciones permanentes en las propiedades del material ensayado. Al no destruir la muestra

ensayada, pueden resultar más económicos y rápidos en comparación con los ensayos destructivos.

Por este motivo su uso está muy extendido en la industria automotriz, aeroespacial, en construcción

y en otros muchos sectores.





35 35

35

Una de sus principales ventajas es que son capaces de evaluar piezas y materiales in situ, lo que

es de gran utilidad a la hora de verificar fallos. Sin embargo, por lo general los ensayos no

destructivos aportan datos menos exactos frente a los destructivos. Como resultado, su uso queda

limitado a verificar la homogeneidad y continuidad de un material (defectología), siendo necesario

complementarlos con ensayos destructivos para caracterizar las propiedades del material.

Las diversas técnicas no invasivas aprovechan fenómenos físicos como ondas

electromagnéticas, acústicas, elásticas, emisión de partículas subatómicas o capilaridad. Dentro de

la variedad de métodos destacan los ensayos con ultrasonidos, acustografía, radiografía, termografía

o corrientes inducidas entre otros.

Figura 14: Operario controlando defectos en una tubería mediante detección por ultrasonidos

La mayoría de los END actuales se desarrollaron para materiales isotrópicos como los metales,

lo que hace necesario un estudio más profundo de su utilidad en otros tipos de materiales como

pueden ser los materiales compuestos. En el presente proyecto se realizarán ensayos no destructivos

mediante ultrasonidos, excitación armónica y extensiometría óhmica.

Caracterización mecánica de materiales compuestos de base polimérica reforzados con nanocargas de base carbono para su uso como adhesivo López López, Adriana

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36

CAPÍTULO 2: MEMORIA EXPERIMENTAL




37 37

37

CAPÍTULO 2:

Memoria Experimental

El grueso del proyecto se ha desarrollado en el laboratorio, los resultados y conclusiones

extraídas dependerán en gran medida de los materiales, equipos y el proceso de fabricación de las

muestras. Este capítulo sigue el orden lógico del proceso: en primer lugar se especificarán los

materiales y equipos empleados, después se describirán los pasos a seguir en la fabricación de las

muestras y finalmente cómo se han ensayado estas probetas.

1. Materiales y equipos empleados

A lo largo de este proyecto se han empleado los siguientes materiales para la fabricación de

muestras:

Resina Epoxi Resoltech® 1050

Es una resina epoxi, es decir un polímero termoestable, que en este caso se suministra en dos

componentes separados. Esta resina en concreto tiene aplicaciones principalmente estructurales y

como adhesivo y permite la introducción de refuerzos con o sin curado posterior. El proceso óptimo

de fabricación establece que se obtendrán mejores propiedades al someter la resina a un proceso de

curado a 60ºC durante 16 horas. Respecto al endurecedor 1058S empleado, el tiempo de gel

estimado es de 19 minutos. Esta resina destaca por combinar buenas propiedades estructurales y

flexibilidad de fabricación con un peso muy ligero. En la siguiente tabla se presentan alguna de sus

propiedades de interés y en el anexo A se incluye información y datos más en detalle.

Resina

1050

Endurecedor

1058S Mezcla

Densidad a 23ºC [g/cm3] 1,14 0,98 1,1

Viscosidad a 23 ºC [mPa*S] 1000 68 520

Tabla 2: Propiedades de la resina epoxi 1050, del endurecedor 1058S y de la mezcla.

Nanocargas de grafeno

En el presente proyecto, de entre las diferentes nano partículas de refuerzo descritas en la

memoria descriptiva, se estudia el efecto de las nanoplaquetas de grafeno (GNP). La empresa

NanoInnova Technologies® se ha encargado de suministrar diferentes partículas, ya dispersadas

(por el método de calandra) y con distintas funcionalizaciones. En concreto las nanoplaquetas

seleccionadas son:





38 38

38

o GRAPHENIT-OX®: grafito compuesto de láminas de carbono de bajas dimensiones que

han sido ligeramente oxidadas (contenido de oxígeno inferior al 2%).

o GRAPHENIT-AC®: se combinan las nano plaquetas de carbono de pequeñas dimensiones

con un polímero orgánico no metálico anticorrosivo. Se comercializan en dos formatos: AC1 y

AC2. En el caso del GRAPHENIT-AC1®, las nanoplaquetas han sido ligeramente oxidadas (menos

del 2% de oxígeno) mientras que el GRAPHENIT-AC2® emplea nanoplaquetas de grafeno con

unas dimensiones laterales grandes (más de 25 micras). En la Tabla 3, se presentan dos micrografías

comparando el tamaño de las nanoplaquetas OX, AC1 y AC2. Como se ha visto en el estado del

arte, el tamaño del refuerzo es un factor determinante en las propiedades finales del material

compuesto.

En los anexos B, C y D, se incluye información más detallada sobre las nanoplaquetas.

Graphenit-OX Graphenit-AC1 Graphenit-AC2

Tabla 3: Imágenes TEM de las distintas nanoplaquetas utilizadas: Graphenit-OX, Graphenit-AC1 y Graphenit-AC2

Galgas extensiométricas

En la medida de la deformación tomada en los ensayos no destructivos por extensometría

óhmica, se han empleado las galgas extensiométricas de la Figura 15. Se trata de dos galgas

perpendiculares entre sí, con un factor de galga de 2’11 ±1% o 2’15 ±1%. Se ha escogido estas

galgas por su facilidad de aplicación, y porque dado el estado tensional del ensayo, miden

directamente la deformación longitudinal y transversal en el punto donde se colocan.





39 39

39

Figura 15: Galgas extensiométricas empleadas en los ensayos no destructivos

Sustratos de aluminio para los ensayos de cizalladura a tracción

Los ensayos de cizalladura a tracción, evalúan las propiedades del composite como adhesivo in

situ. Es decir, el adhesivo debe estar comprendido entre dos adherentes. Es importante que el

material adherente no se deforme plásticamente antes de la fractura del adhesivo. La energía

empleada en deformar plásticamente los sustratos, es energía que, pese a estar incluida en la

medida, no afecta al adhesivo.

Tras tener en cuenta estas consideraciones, se ha empleado una aleación de aluminio Al-6082

conocido por sus aplicaciones estructurales. Dentro de la serie 6000 es el material con la mayor

resistencia al contener manganeso que controla el crecimiento del tamaño de grano. Algunas

propiedades de interés se muestran en la siguiente tabla:

Al-6082

Densidad 2,70 [g/cm3]

Módulo de elasticidad 70 GPa

Límite elástico 250 MPa

Tabla 4: Características de la aleación de Aluminio Al-6082





40 40

40

1.1. Equipos empleados

Equipo Especificaciones

Estufa de vacío

• Modelo: Nuve EV-018

• Rango de temperaturas: 70-200 ºC

• Rango de presiones: ± 1bar

Agitador rotativo mecánico con

cabezal helicoidal

• Modelo: Overhead Stirrer

• 230V / 50-60 Hz / 75W

• 50-2000 rpm

Equipo medición galgas

• Modelo: P3500 Strain Indicator





41 41

41

Taladradora-fresadora

• Modelo: BF20L Vario (Optimum)

• 230V/50Hz/850W

Chorreadora

• Modelo: CAT 210

• 70 L

Máquina universal de ensayos

• Modelo: IBTH-5/500

• 220 V/ 50 Hz / 500 W

• Empleada en los ensayos de

extensometría óhmica





42 42

42

Máquina universal de ensayos • Modelo: ELIB-20-W

• 220 V/ 50 Hz / 600 W

• Software: Wintest® 32

• Empleada en los ensayos de

cizalladura a tracción

Detector de defectos por ultrasonidos

• Modelo: GE-USM 35X

Equipo excitación armónica

•Mesa de cuerdas

•Software: SUC-GAV®

Estufa con temporizador

• Modelo: 0427741

• 230 V/ 50-60 Hz/ 1200 W

Tabla 5: Equipos empleados





43 43

43

2. Fabricación de las probetas

Trabajos previos llevados a cabo por el Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad

Pontificia Comillas han servido como base para la fabricación de probetas en este proyecto. Las

muestras se pueden dividir en dos grupos: probetas en masa para ensayos no destructivos y

muestras de la unión adhesiva entre sustratos para ensayos adhesivos.

2.1. Probetas en masa

Las probetas en masa están compuestas íntegramente por la resina epoxi Resoltech® 1050

reforzada con las diferentes nanoplaquetas de carbono Graphenit®. El proceso de polimerización de

la resina empleada se produce a través de la reacción de dos componentes: la resina y el

endurecedor. Al mezclar ambos componentes comienza la reacción de curado, proceso irreversible

en el que el material solidifica gracias al entrelazamiento de las cadenas poliméricas. Atendiendo al

tipo de refuerzo se han fabricado cuatro tipos de probeta:

1. Resina Resoltech 1050 sin ningún añadido, a la que llamaremos “control”.

2. Resina Resoltech 1050 con nanoplaquetas tipo “OX”.

3. Resina Resoltech 1050 con nanoplaquetas tipo “AC1”.


Las probetas de resina reforzadas, 2,3 y 4 son de color negro azabache y a simple vista no se

pueden distinguir entre sí.

Figura 16: Probeta en masa rectangular AC1 tras haber sido mecanizada





44 44

44

La geometría de las probetas representada en la Figura 17 se obtiene a partir de dos tipos de

molde:

Figura 17: Esquema de la geometría de las probetas de los ensayos no destructivos

Moldes de silicona

Para las probetas de ensayos por excitación armónica y extensiometria óhmica se fabricaron

moldes de silicona (Ferocast®) con la geometría correspondiente en el laboratorio. Los modelos, de

sección rectangular, se adhirieron con una cinta adhesiva de doble cara, al fondo de un recipiente

donde se vertió la silicona. Al igual que la resina, la silicona está suministrada en dos componentes:

silicona color teja (componente A) y endurecedor, de color azul oscuro (componente B). De los

5Kg totales del molde, 485g corresponden al componente A y 15g al componente B.

Como ventaja cabe señalar su gran capacidad de deformación elástica y su consistencia. Sin

embargo la exposición al calor degrada la silicona y acorta su vida útil, por lo que será necesario

prestar atención a posibles desprendimientos, desniveles y variaciones en la geometría de las

probetas. Además, dada la gran adherencia de la silicona es necesario aplicar una capa de cera

previamente. En ocasiones residuos de esta capa de cera pueden quedarse en las probetas

fabricadas.

Figura 18: Moldes de silicona para probetas rectangulares





45 45

45

Moldes de PVC

Los ensayos no destructivos con ultrasonidos precisan muestras con un espesor mayor. Por este

motivo de emplean moldes desmontables, para facilitar su extracción. Se pretende conseguir una

geometría más compacta, con el objetivo de no desperdiciar material.

Figura 19: Moldes de plástico para probetas de ultrasonidos

El proceso de fabricación de las probetas se divide en las siguientes etapas:

Figura 20: Esquema del proceso de fabricación de las probetas en masa

1) Cálculo de las cantidades de componente A y B (resina y endurecedor):

La proporción a seguir es 5Kg de A por 1,75Kg de B. Dada la viscosidad de ambos

componentes, parte del material se queda en las paredes de los recipientes empleados, por lo que es

recomendable sobredimensionar las cantidades en un 10%. Según estas consideraciones, se calcula

la cantidad necesaria de cada componente para el volumen total de resina epoxi deseado (la resina

final tendrá una densidad de 1g/cm3). Las cantidades para las distintas probetas dependen de su

geometría y volumen:

Cálculo de los componentes A

y B

Preparación de los moldes

Dilución del concentrado A

Vacío

Mezcla de A y B homogeinización

Llenado de los moldes

Curado de las probetas

Mecanizado de las probetas





46 46

46

Probetas rectangulares: para los ensayos por excitación armónica y extensometría óhmica.

Probetas cilíndricas: para los ensayos con ultrasonidos.

2) Preparación de los moldes:

Para eliminar posibles residuos se limpian los moldes con etanol. Una vez limpios, se enceran

con el fin de facilitar la extracción de las probetas tras el tratamiento térmico. Al aplicar la capa de

cera, es necesario retirar el exceso que se queda en esquinas y bordes con una espátula, de otro

modo las muestras se verían contaminadas.

3) Dilución del concentrado A (de 2,7% a 0,27%)

Las nanoplaquetas de grafeno utilizadas en este proyecto han sido previamente dispersadas por

el fabricante en el componente A, por lo que se parte inicialmente de una disolución concentrada

con un 2,7% de nanoplaquetas. En base a las cantidades de componente A y B calculadas se

determina la cantidad necesaria de esta disolución para obtener el 0,2% en masa de nanoplaquetas

que se busca en este proyecto. La disolución concentrada supone un 10% de la masa de componente

A total, el otro 90% es componente A blanco.

Ambas partes se mezclan con un agitador mecánico rotativo con cabezal en forma de hélice

a 700 rpm durante 10 minutos para asegurar una buena dispersión de las nanoplaquetas en el

componente A total.

4) Realización de vacío

El componente A posee una gran viscosidad, por eso durante la dispersión de A concentrado en

A blanco, un gran número de burbujas de aire quedan atrapadas en él. Es necesario eliminar en la

medida de lo posible estas burbujas, ya que afectan a los resultados de los ensayos. Con este

objetivo, a la resina se le expone a una atmósfera de vacío durante 15 minutos. A la hora de llevar a

cabo este proceso es recomendable utilizar un recipiente suficientemente grande, ya que durante un

periodo corto de tiempo la resina se expande considerablemente.

5) Mezcla de los componentes A y B: homogenización (0,2%)

El tiempo disponible para manejar la mezcla de ambos componentes es aproximadamente 20

minutos. Por un lado el tiempo de gel al mezclar ambos componentes es limitado y por el otro,

mecanismos de mezclado muy violentos propician la aparición de burbujas de aire. Buscando un

compromiso entre homogenización y vacío, la mezcla se agita manualmente con una varilla a

velocidad baja.





47 47

47

6) Llenado de los moldes

Con el objetivo de garantizar el llenado completo de los moldes, se utilizan jeringuillas de 5 ml.

Son suficientemente precisas y, a su vez, resultan manejables, condición necesaria dado que el

tiempo de gel de la resina con el endurecedor es relativamente corto en la práctica.

7) Curado de las probetas

El tiempo de curado suele estar estimado por el fabricante que proporciona el “tiempo de gel”

de la resina. Sin embargo en la duración del proceso intervienen otros factores como la presión, y de

forma destacada, la temperatura.

En este proyecto, y toando como base estudios anteriores, los moldes llenos reposan 1 hora a

temperatura ambiente (22ºC) y una vez han ganado consistencia, finalizan el proceso de

solidificación en estufa a 60 ºC durante 16 horas.

8) Mecanizado de las probetas

Se extraen las probetas de los moldes y con la ayuda de una fresadora se mecaniza la superficie

libre que no ha estado en contacto con el molde. Esta etapa sirve para planear esta superficie; pero

también para nivelar la probeta en el caso de llenado irregular.

9) Pegado de las galgas extensiométricas en las probetas rectangulares

Las probetas rectangulares se utilizan tanto para los ensayos de excitación armónica, como para

los ensayos de extensometría óhmica. Para éste último, es necesario colocar las galgas

extensiométricas que medirán la deformación del material. Este paso se realiza después de ensayar

las probetas mediante excitación por impulso, para así no interferir en sus medidas.

Figura 21: Materiales y equipos necesarios para pegar y soldar las galgas extensiométricas





48 48

48

Para pegar las galgas a la superficie de las probetas han de seguirse los siguientes pasos:

- Con la ayuda de una escuadra se marca la distancia a la que se soldará la galga. Es

fundamental que la galga esté correctamente orientada, de otro modo la medida de la

deformación longitudinal y transversal se entremezclaría.

- Se coloca la galga sobre una superficie limpia con la cara a adherir boca abajo y se pega

un trozo de celofán a la parte posterior de la galga.

- Manejando la galga con el celofán, se aplican dos capas de imprimación.

- Sobre la superficie de la probeta donde se va a pegar la galga, se vierte una gota de

cianocrilato, se coloca la galga de acuerdo a las marcas por la cara que no tiene celofán

y se presiona durante unos segundos.

- Este es el paso crítico, con delicadeza se retira el celofán, no hacia arriba, sino

manteniéndolo lo más próximo posible a la probeta.

- Una vez que la galga se encuentra correctamente pegada y orientada, se sueldan sus

terminaciones metálicas con los cables que servirán como conexión al aparato de

medida durante el ensayo. En concreto, se pelarán y soldarán (soldadura en frío) 4

terminaciones (2 por galga), prestando atención de no dañar las galgas. El resultado

final aparece en la siguiente figura:

Figura 22: Probeta cilíndrica con galgas extensiométricas pegadas y conectadas

2.2. Probetas unión adhesiva

Para los ensayos de cizalla a tracción (SLJ), cizalla con adherentes gruesos (TAST) y de doble

viga en voladizo (DCB), los pasos para la preparación de la resina no varían respecto al apartado

anterior. Es decir, el cálculo de las proporciones de cada componente, de las proporciones de A

concentrado, la fase de vacío y el mezclado son los mismos.





49 49

49

Y al igual que para los ensayos no destructivos, se han fabricado cuatro tipos de probetas según

el refuerzo utilizado:

1. Resina Resoltech 1050 sin ningún añadido, a la que llamaremos “control”.

2. Resina Resoltech 1050 con nanoplaquetas tipo “OX”.



2.2.1. Probetas cizalladura a tracción

Los ensayos con sustratos en forma de lámina son muy comunes en la industria, dado que

reproducen las uniones en estructuras aeronáuticas, sector pionero en la tecnología de adhesivos.

Existen diversas normas y estándares para la preparación de especímenes para cizalladura a

tracción, como la norma ISO 4587 o la ASTM D 1002 que recomiendan mecanizar las probetas tras

haber unido dos placas grandes de adherente. De esta forma se asegura el buen alineamiento de los

sustratos y el espesor de adhesivo, sin embargo el proceso de cortar las placas trae consigo posibles

grietas en el adhesivo y puede influir en la unión. Tras considerar ambas opciones, en este proyecto

se han mecanizado los sustratos antes de ser adheridos y para cumplir los parámetros geométricos

del ensayo se ha empleado un útil auxiliar de montaje.

El proceso de preparación de la resina no varía sustancialmente. El aspecto crítico de este tipo

de ensayo, es el modo de fallo del adhesivo. Es deseable que la fractura se produzca dentro del

adhesivo (fractura cohesiva). Por tanto, la gran diferencia respecto a las probetas en masa es que en

el caso de los ensayos de la unión adhesiva in situ, también hay que preparar los sustratos.

Las fases de fabricación de las probetas se detallan a continuación:

Figura 23: Esquema del proceso de fabricación de las probetas para ensayos de cizalladura a tracción.

Cálculo de los componentes

A y B

Dilución del concentrado

A Vacío

Chorreado de los

sustratos

Limpieza y silanizado de los sustratos

Mezcla de A y B homogeinizació

n (0,2%)

Unión de los sustratos

con la resina


Alineamiento de las probetas





50 50

50

1) Cálculo de los componentes A y B y del concentrado A

De acuerdo a la norma UNE EN 1465 las dimensiones de las probetas de cizalla por tracción

han de ser las de la siguiente figura. En la superficie de solapamiento el espesor del adhesivo será

de 1 ± 0,1 mm.

Figura 24: Dimensiones de las probetas de los ensayos de cizalla a tracción

Teniendo en cuenta estas medidas se puede calcular la cantidad de adhesivo necesario.

Siguiendo las proporciones 5/1’75 Kg de componente A y B:

Finalmente, dentro de la masa total del componente A, un 10% lo compondrá el concentrado

con nanoplaquetas.





51 51

51

Estas cantidades teóricas son impracticables y llevarían a imprecisión con los medios del

laboratorio. Por este motivo la resina necesaria para este tipo de ensayo se ha elaborado

conjuntamente con la resina para ensayos no destructivos. El resto de pasos referentes al mezclado y

vacío se llevan a cabo de la misma manera que con las probetas en masa.

2) Chorreado de la superficie de los sustratos

Con el objetivo de evitar la rotura adhesiva en los ensayos, se chorrea la superficie de los

sustratos. El proceso de chorreado consiste en proyectar un chorro de arena, en este caso alúmina,

contra una superficie metálica para obtener una superficie limpia (de pinturas, grasa, etc) y rugosa.

De esta forma, aumenta el área de la unión, fortaleciéndola. Finalmente, para eliminar residuos de

alúmina, se proyecta un chorro de aire sobre las placas de aluminio.

3) Silanizado de los sustratos

Dado que el chorreado no garantizaba la rotura cohesiva del adhesivo, se añadió un tratamiento

con silano al proceso de preparación de los sustratos. En concreto, se ha utilizado un silano γ-GPS

que ayuda a la formación de enlaces covalentes con el adhesivo y mejora su mojabilidad. Los pasos

de este tratamiento son:

a. Limpieza de los sustratos chorreados con un limpiador orgánico.

b. Dilución del silano en agua al 1% v/v hasta conseguir una disolución de pH 5.

c. La solución se hidroliza durante 1 hora.

d. Las muestras limpias se sumergen en la solución durante 10 minutos. Durante este tiempo

se mueve suavemente el recipiente.

e. Las muestras se dejan secar verticalmente al aire.

f. Curado del silano en estufa a 100 ºC.

4) Unión de los sustratos con el adhesivo

Para garantizar un espesor uniforme del adhesivo (1 ± 0,1 mm.) y el alineamiento de las

probetas, se empleó el útil mostrado en la Figura 25. Se trata de un molde de teflón que garantiza un

solapamiento de 12’5mm. Al ser de teflón, la extracción de las probetas es relativamente sencilla y

no es necesario aplicar ningún tipo de agente desmoldante. Sin embargo, tras la elaboración de

varios lotes de probetas, las dimensiones del molde se vieron afectadas por las altas temperaturas

del tratamiento térmico.

Se colocan los sustratos de la parte inferior (marcados con una A en la figura), se añade la resina

(la mezcla final de la resina con refuerzo y endurecedor) y finalmente se coloca el sustrato superior.

Se retira el exceso de material y se deja curar a temperatura ambiente durante 1 hora. En este

tiempo se asegura la adhesión de los sustratos con bloques de teflón y pesos. Tras esta solidificación

inicial, la unión ha ganado consistencia y las probetas se someten al mismo tratamiento térmico que





52 52

52

las probetas en masa (16 horas en estufa a 60ºC). Una vez completado el curado, las probetas

enfrían a temperatura ambiente constante y sólo cuando el molde se encuentra también a

temperatura ambiente, se extraen las probetas. De otra forma la resistencia de la unión podría

reducirse debido a la aparición de tensiones residuales.

A la hora de distribuir las probetas en la superficie del molde, se ha optado por garantizar

suficiente espacio entre las probetas, de manera que el adhesivo de distintas muestras no se mezcle.

Aunque el proceso de fabricación de las probetas se ve ralentizado, se evita tener que separar unas

probetas de otras lo que a su vez podría introducir grietas en el adhesivo.

Figura 25: Útil de montaje de las probetas de cizalla por tracción

5) Alineamiento de las probetas

Con el fin de producir un estado de tensiones con únicamente esfuerzos cortantes, se colocará

una placa metálica en cada sustrato alineando así los puntos de aplicación de la fuerza de tracción

sobre las dos partes unidas por el adhesivo.

Figura 26: Detalle de la unión de las probetas de cizalladura a tracción





53 53

53

2.2.2. Probetas de doble viga en voladizo (DCB)

El ensayo de doble viga en voladizo representa el comportamiento del adhesivo en modo I. En

este caso el material de los adherentes fue EN AW 6082-T6 y la geometría de las probetas es la

mostrada en la Figura 28. El modo de rotura buscado sigue siendo la rotura cohesiva que se consigue

sin tratamientos adicionales gracias a que la superficie de solapamiento entre sustratos aumenta

enormemente con respecto a los ensayos de cizalladura a tracción. Los pasos seguidos para la

fabricación de las probetas son:

Figura 27: Esquema del proceso de fabricación de las probetas para ensayos DCB

1) Cálculo de los componentes A y B y del concentrado A

En los ensayos DCB se sigue la norma ISO 25217 y se fabrican probetas con las dimensiones

mostradas a continuación:

Figura 28: Dimensiones de las probetas para los ensayos de doble viga en voladizo

Cálculo de los componentes A y B

Dilución del concentrado A

Vacío

Mezcla de A y B homogeinización (0,2%)

Unión de los sustratos con la

resina






54 54

54

Análogamente a las probetas para ensayos de cizalladura a tracción, la cantidad de resina

necesaria calculada (1’2375g) no es suficiente para garantizar que las proporciones de los

componentes siguen siendo válidas en la práctica.

2) Unión de los sustratos con el adhesivo:

Para la correcta alineación de las probetas se ha empleado el útil mostrado en la Figura 29. En la

imagen se aprecia que es un útil metálico, por este motivo antes de colocar los sustratos se enceran

todas las piezas para poder reutilizar el útil.

Figura 29: Útil de montaje de las probetas para los ensayos de viga en voladizo (DCB)

A diferencia que los ensayos de cizalladura a tracción, el útil donde se colocan las probetas no

garantiza un espesor de adhesivo. Si el adhesivo viniese en film podría aplicarse directamente; pero

dado que en el presente proyecto el adhesivo se suministra en pasta, el espesor de adhesivo se

asegura con un espaciador, un alambre, entre los sustratos. Podría haberse optado por mezclar el

adhesivo con bolas de vidrio que garantizasen un espesor determinado. Sin embargo, las bolas de

vidrio pueden crear puntos de nucleación y grietas.

Figura 30: Alambre utilizado como espaciador (alambre de diámetro 0’25mm) en los ensayos DCB





55 55

55

Los espaciadores deben afectar lo menos posible a los resultados ensayo, por lo que se colocan

en la parte frontal, entre los agujeros de los bloques de carga y en la parte trasera, tal y como viene

representado en la siguiente figura:

Figura 31: Disposición de los espaciadores en las muestras para ensayos DCB

Las muestras reposan durante 1 hora a temperatura ambiente y posteriormente finalizan el

curado en estufa, 16 horas a 60ºC. Si bien la extracción puede ser complicada, las muestras no

requieren un mecanizado posterior.

3. Caracterización de las probetas

Actualmente se exigen materiales con mejores propiedades que deben cumplir cada vez más

requisitos, por eso, continuamente nuevos materiales sustituyen a los ya obsoletos. Para poder

desarrollar las aplicaciones de estos nuevos materiales es necesario conocer su naturaleza y

comportamiento ante diferentes tipos de carga y esfuerzos.

Uno de los materiales que ha despertado más interés en la comunidad científica es el grafeno y

sus derivados. Sin embargo, a pesar de la expectación que ha generado, la simple adición de nano

partículas en base carbono no implica necesariamente la mejora de las propiedades del material

compuesto. Buscando discernir y aportar luz a estas cuestiones, en el siguiente apartado se llevan a

cabo ensayos sobre el propio material en forma de probetas en masa y sobre la aplicación que

podría tener en su uso como adhesivo con probetas sobre la unión adhesiva o in situ.

3.1. Ensayos no destructivos

El primer paso para estudiar el uso de los materiales compuestos del presente proyecto como

adhesivos o en otras aplicaciones es la caracterización mecánica del material. Es necesario conocer

las propiedades del material obtenido para posteriormente evaluar sus posibles aplicaciones.

Por este motivo se han ensayado las probetas en masa mediante tres tipos de ensayo no

destructivo (END): por excitación armónica, ultrasonidos y extensometría óhmica. Como se ha

visto en la literatura, los ensayos no destructivos son de gran utilidad dado que no dañan las

muestras, sin embargo no aseguran precisión y validez. Para poder evaluar su aplicación se

compararán con los datos obtenidos en previos estudios llevados a cabo en el Departamento de





56 56

56

Ingeniería Mecánica de la Universidad Pontificia Comillas en los que se siguen los mismos

parámetros de fabricación de probetas en masa; pero éstas se ensayan mediante ensayos

destructivos.

Ensayos por excitación armónica

A través de la técnica de Excitación por Impulso es posible determinar los módulos de

elasticidad dinámicos y el amortiguamiento de materiales a través de las frecuencias naturales de

vibración. Se han realizado ensayos siguiendo la norma ASTM E1867, donde se sujeta una probeta

rectangular a una distancia desde cada extremo igual a 0’224 de la longitud total de la barra. En la

siguiente figura se representa la colocación de los soportes, micrófono y punto de impacto.

Figura 32: Esquema del ensayo de Excitación por Impulso

Los ensayos se realizaron a temperatura ambiente en un entorno con el mínimo ruido posible

para no introducir distorsiones en la medida del micrófono. Los pasos en la realización de este tipo

de ensayo son:

a) Se miden las probetas para calcular los puntos de apoyo. De acuerdo con el fabricante, es

recomendable ensayar probetas de diferentes dimensiones. En el presente proyecto la longitud de

las probetas no varía significativamente; pero sí que se aprecian diferencias en los espesores

inherentes al proceso de fabricación de las probetas. Se mide también la masa de las probetas para

futuros cálculos en el análisis de resultados.

b) Se ajusta y coloca la probeta en el soporte como aparece en la figura Figura 33.

c) Se introduce el estado de tensiones a flexión manualmente con una varilla metálica.





57 57

57

Figura 33: Montaje para el ensayo de Excitación por Impulso

d) Se comprueba la medida tomada. En ocasiones la primera frecuencia natural aparece

distorsionada y con ruido, por lo que se repetirá la medida hasta obtener una imagen y valor claro

de las frecuencias. Un ejemplo de medida válida es la representada en la Figura 34.

Figura 34: Frecuencias naturales de una probeta blanca obtenidas mediante Excitación por Impulso

e) Cálculo de las magnitudes: se calculará el módulo de Young del material que describe

fácilmente la resistencia del material. De acuerdo a la norma ASTM E1867

Para una probeta de forma rectangular, el módulo de elasticidad se puede calcular de acuerdo a

la siguiente fórmula:

(

) (

)

(

)

o : módulo de elasticidad en GPa





58 58

58

- : frecuencia natural a flexión en Hz

- : masa de la probeta en g

- : longitud de la probeta en mm

- : ancho de la probeta en mm

- : espesor de la probeta en mm

Ensayos por ultrasonidos

Este tipo de ensayo no destructivo se basa en la impedancia acústica, que se manifiesta como el

producto de la velocidad máxima de propagación del sonido y la densidad del material. El palpador

genera ondas ultrasónicas que viajan a través del material compuesto, al alcanzar la frontera del

material son reflejadas y el mismo palpador (emisor) capta el eco de la señal (receptor). Se debe

garantizar que toda la superficie del palpador esté en contacto con la probeta y que ésta tenga la

longitud suficiente para distinguir claramente el eco de la señal enviada. Las probetas rectangulares

ensayadas por excitación armónica son demasiado finas y estrechas, por lo que se fabricaron nuevas

probetas cilíndricas más compactas. (Diámetro alrededor de 30mm y altura entre 12 y 18 mm)

Figura 35: Probeta cilíndrica para ensayos de ultrasonidos antes de ser mecanizada

Al realizar estos ensayos se siguen los siguientes pasos:

1) Se mide la altura y la masa de la probeta.

2) Se expande una gota de glicerina sobre la superficie plana de la probeta.

3) Se coloca el palpador sobre la glicerina, asegurándose de que el contacto con la superficie es

total





59 59

59

4) La señal es filtrada e incrementada por el osciloscopio. Es necesario escalar la imagen e

introducir el valor de la altura de la probeta. El software del equipo utilizado da como resultado la

velocidad del sonido en el material.

Figura 36: Montaje para el ensayo de ultrasonidos

5) Cálculo de las magnitudes: el módulo de elasticidad se relaciona con la densidad ( ), el

coeficiente de Poisson ( )y la velocidad de propagación del sonido en el material ( ) como se

representa en la siguiente fórmula:

El valor de la velocidad de propagación del sonido se obtiene empíricamente a través del

ensayo. Por otro lado, la densidad se calcula con las mediciones de masa y de las dimensiones de la

probeta, siendo el cociente entre la masa y el volumen de la misma. Sin embargo el coeficiente de

Poisson no puede ser calculado directamente en este ensayo y la bibliografía al respecto es muy

escasa y poco representativa. Afortunadamente, estas mismas probetas serán ensayadas

posteriormente a flexión con extensometría óhmica por lo que se puede extraer el coeficiente de

Poisson experimentalmente de esos ensayos.

Ensayos por extensometría óhmica

Una vez realizados los ensayos de excitación armónica, se pegan y conectan las galgas a la

superficie de las probetas rectangulares. Se trata de galgas biaxiales que medirán la deformación

longitudinal y transversal de la probeta tanto a flexión como a tracción. Su funcionamiento se basa





60 60

60

en el efecto piezorresistivo, es decir en la propiedad que tienen de cambiar el valor nominal de su

resistencia eléctrica cuando se les somete a ciertos esfuerzos. Se consiguen lecturas directas de las

deformaciones en los puntos analizados.

La resistencia de las galgas es sensible a los cambios de temperatura, por eso en los aparatos de

medida se utilizan Puentes de Wheatstone donde el diferencial de temperaturas es asumido por una

galga cuya resistencia está incluida en el circuito electrónico. En concreto, se ha empleado el

aparato de medida de resistencias P3500 Strain Indicator con un montaje en cuarto de puente con

“tres hilos” para cada galga. La conexión de los cables en el aparato de medida viene representada

en la siguiente figura:

Figura 37: Montaje de las galgas extensiométricas en cuarto de puente

o Ensayo a flexión:

El estado de flexión se le aplicará a la probeta mediante el uso de un peso calibrado. Con la

ayuda de un soporte se fija la probeta a una superficie plana como aparece en la Figura 38 simulando

un empotramiento. A una distancia de 100mm desde el punto de soporte se colocará el peso de 100

gramos.





61 61

61

Figura 38: Montaje de ensayo a flexión medido con galgas extensiométricas

Cálculo de las magnitudes: para extraer otros datos a partir de las medidas de deformación

tomadas, se recurre al modelo de deformación lineal basado en la ley de Hooke para un material

isotrópico.

- Coeficiente de Poisson:

- Módulo de elasticidad:

Momento flector:

Momento de inercia de un prisma rectangular:

Tensión en la galga en la dirección longitudinal

Módulo de elasticidad:

100 mm





62 62

62

o Ensayo a tracción:

En este caso el estado tensional lo aplica una máquina universal de ensayos y las deformaciones,

además de por las probetas, quedan registradas por un extensómetro.

Al ser un experimento dinámico, se toman medidas de las galgas extensiométricas en diferentes

puntos de tensión: a 100, 150, 200, 250 y 300 Newton de fuerza de tracción. Las deformaciones

obtenidas junto a estas tensiones representan la parte lineal de la curva de tensión- deformación del

material.

Cálculo de las magnitudes: el módulo de Young y el coeficiente de Poisson se obtienen de

manera análoga al ensayo de tensión; pero con otro estado de tensiones.

- Coeficiente de Poisson:

- Módulo de Elasticidad:

Tensión en la galga en la dirección longitudinal

Módulo de Elasticidad

3.2. Ensayos de la unión adhesiva

En este apartado se consigue caracterizar, no el adhesivo como material, sino la unión

adhesiva que se obtiene al aplicarlo. En concreto, a través de los ensayos de cizalladura a

tracción se evalúa el esfuerzo de cizalla a rotura. Mientras que con el ensayo de doble viga en

voladizo (DCB) se determina la tenacidad a fractura en modo I de la unión adhesiva.

Ensayos cizalladura a tracción

El ensayo consiste en aplicar una carga en la dirección longitudinal de la probeta hasta que la

unión adhesiva falle. Las probetas fabricadas y alineadas se colocan en los soportes de una máquina

universal de ensayos Ibertest ELIB-20. El ensayo se lleva a cabo en las condiciones del laboratorio

(25 ± 2 °C y 40 ± 10 % HR) y a una velocidad de a 1mm/min.

Es importante prestar atención al colocar la probeta en la máquina; se persigue un estado de

tensiones con únicamente esfuerzos cortantes en el adhesivo que sigan la dirección de tracción de la





63 63

63

máquina. Si la probeta no se encuentra perfectamente vertical, los cálculos realizados al interpretar

los resultados no se corresponderán con las medidas tomadas. Por otro lado, las muestras no deben

deslizarse de las sujeciones; pero tampoco deben deformarse al apretar las sujeciones demasiado.

Dado que el adhesivo a ensayar posee gran resistencia, al menos teóricamente, se ha empleado una

célula de carga de 50 kN (Figura 39).

Figura 39: Células de carga y máquina universal de ensayos ibertest utilizadas en los ensayos de cizalladura a tracción.

Cálculo de magnitudes:

Pese al uso de placas de material que alineen los esfuerzos, existe cierto desalineamiento, que

junto a los efectos diferenciales de deformación del adhesivo hacen que la unión adhesiva esté

sometida a un estado de tensiones complejo. Como se muestra en la Figura 40 a lo largo del

adhesivo aparecen tensiones cortantes y de pelado no uniformes que se concentran en los extremos

de la zona de solapamiento. La dirección y magnitud de estas tensiones dependen de la respuesta

mecánica del adhesivo; pero también de otros factores como el espesor entre adhesivo y adherente,

la rigidez de los adherentes (a menor rigidez, tensiones más elevadas) o la geometría de la unión.





64 64

64

Figura 40: Distribución de los esfuerzos cortantes y de pelado a lo largo de la unión adhesiva en los ensayos de

cizalladura a tracción

Teniendo esto en cuenta y siguiendo las recomendaciones de la norma UNE 1465, de este

ensayo se extraerá el esfuerzo de cizalladura a fractura aparente como el cociente entre la carga

máxima y el área de solapamiento.

El valor de la fuerza máxima se extrae con la ayuda del programa Wintest® 32 que controla la

máquina de ensayos. Se podría haber recurrido a este software para obtener los cálculos

directamente. Sin embargo se comprobó que las dimensiones de la unión adhesiva (espesor y

ancho), se medían más fácilmente a posteriori. En muchos casos, tras el curado del adhesivo, la

superficie de adhesivo era menor que el solapamiento de los sustratos. Por este motivo una vez que

se producía la fractura, se tomaban las medidas reales de la unión adhesiva para el cálculo de

magnitudes.

Tipo de fractura:

Los ensayos de cizalladura a tracción aportan también información cualitativa sobre la fractura

del adhesivo. Se observará el tipo de fallo, cohesivo o adhesivo y la deformación de los sustratos.

Según el tipo de fallo, se puede establecer la zona crítica de la unión. Una rotura cohesiva

significaría que los sustratos están fuertemente unidos al adhesivo, mientras que en una rotura

adhesiva, la unión entre ambos es más débil que el adhesivo en sí. Se buscará siempre la rotura

cohesiva, por un lado porque estos ensayos pretenden describir las características del material; y por

otro porque en la práctica es preferible que la rotura de una unión afecte sólo al adhesivo y no dañe

las piezas unidas.

La deformación plástica de los sustratos puede observarse directamente sobre las placas de

aluminio al terminar el ensayo o durante el propio ensayo, interpretando la curva de tensión

deformación dibujada por la máquina de ensayos. En el caso del proyecto se espera que la tensión y

la deformación se relacionen linealmente.





65 65

65

Doble viga en voladizo (Double Cantilever Beam DCB)

Al igual que los ensayos de cizalladura a tracción, este método describe el comportamiento a

fractura de materiales en la zona linear elástica. Para llevarlo a cabo se añaden dos bloques de carga

en las probetas, desde donde se aplica la carga a velocidad constante hasta que se produce la

fractura de la unión. En concreto la velocidad de carga de las probetas fue de 0,1 mm/min al

cargarlas y de 0,5 mm/min al descargarlas. El ensayo se lleva a cabo en las condiciones del

laboratorio: de 25°C ± 2 y una HR de 35%

Para iniciar y propogar las grietas del ensayo se utilizó una maquina universal de ensayos

Ibertest ELIB-20, con una célula de carga de 2 kN y un transductor de desplazamiento que registran

la carga y el desplazamiento a lo largo del ensayo. La longitud de las grietas se mide con unas

reglas de papel pegadas en los laterales de las probetas y con la ayuda de una lupa 10X.

Figura 41: Curva fuerza frente al desplazamiento de la probeta en el ciclo de ensayo (izq.) e imagen de la probeta

cargada durante el ensayo (dcha.)

Cálculo de magnitudes

Con las medidas tomadas en los diferentes intervalos de tiempo del ensayo se calcula la energía

de fractura adhesiva en modo I (GIC) a partir de la ecuación de Irwin-Kies donde P representa la

carga medida, B el ancho de la probeta y a la longitud de la grieta.

2

2c

P CG

B a

El parámetro C introduce la flexibilidad de la probeta y se define como el cociente entre el

desplazamiento en la probeta en la línea de carga y la fuerza:

CP





66 66

66

Según el procedimiento para determinar el diferencial dC/da, existen tres métodos de análisis

derivados de la ecuación de Irwin-Kies: la teoría de la viga simple, la teoría de la viga corregida y el

método de la flexibilidad experimental [51]. En el presente proyecto se ha aplicado el método de la

viga simple corregida que tiene en cuenta los efectos debidos a la flexión y cortadura en la probeta.

E, I y h son respectivamente el módulo de Young, el momento de inercia y el espesor del adherente.

32

3

Pa

EI

3 3

3

2 8

3

a aC

EI BEh

Para tener en consideración efectos como la rotación y deflexión de la punta de grieta se

considera la viga con una grieta ligeramente más larga; (a+|Δ|) (51). Otra perturbación en la medida

de la rigidez de la probeta proviene de los bloques de carga adheridos. Dicha variación se corrige

con el coeficiente N obteniendo la siguiente ecuación corregida:

3

3

8 aC N

BEh

De esta ecuación se extrae que la flexibilidad C y la longitud de grieta (a+|Δ|) elevada al cubo se

relacionan de manera lineal. Lo que se puede representar de la siguiente manera:

1 1

3 3

3

8Ca

N BEh

El incremento de la longitud de grieta, Δ, se obtiene gráficamente a partir de los datos

experimentales de la raíz cúbica de la flexibilidad frente a la longitud de grieta.

Figura 42: Curva de flexibilidad de la probeta respecto a la longitud de grieta.





67 67

67

Con lo que es posible diferenciar la ecuación corregida anterior y resolver la ecuación de Irwin-

Kies:

3

2Ic

P FG

B a N

El factor N tiene en cuenta las perturbaciones introducidas por los bloques de carga, sin

embargo no considera la disminución del momento flector como consecuencia de los elevados

desplazamientos de la probeta. Este efecto de especial relevancia cuando δ /a > 0.4, se contabiliza

con el factor de corrección. Ambos factores de corrección, del bloque de carga N y del

desplazamiento F, se calculan según las siguientes expresiones:

2

1

2

3 31

10 2

lF

a a

2 2 2

2 2 1

2

9 91 1

8 35

l l lN

a a a a

Donde l1 representa la distancia desde el centro del bloque de carga al centro del sustrato de la

viga y l2 la distancia desde el centro del bloque de carga a la arista del bloque (Figura 43). En el

caso de emplear bisagras de piano o taladros directamente sobre el adherente, el valor de N es igual

a 1.

Figura 43: Geometría de las probetas de doble viga en voladizo con bloques de carga.




68 68

68

CAPÍTULO 3: ANÁLISIS DE RESULTADOS




69 69

69

CAPÍTULO 3:

Análisis de resultados

1. Ensayos no destructivos

1.1. Ensayos por excitación armónica

Como se expone en el Capítulo 2, se han fabricado probetas de 4 tipos: probetas de control sin

refuerzar y probetas con las distintas nano partículas. Para los ensayos de excitación armónica se

fabricaron dos lotes y se ensayaron al menos 15 probetas de cada tipo de material.

Módulo Elástico (MPa)

Probetas control Probetas-OX Probetas-AC1 Probetas-AC2

Lote 1

1 3571,30 3924,66 3782,38 3687,57

2 3139,19 3319,57 3372,97 3719,57

3 4124,47 3210,32 3615,20 3657,22

4 3810,41 3697,63 3406,80 3731,96

5 3529,57 3837,88 3545,73 3472,45

6 2674,18 3264,50 3630,70

7 3395,35 3439,04 3571,96

8 3393,05

3481,95

9 3647,82

3727,25

10

3764,06

Lote 2

11 3654,91 3117,62 3510,70 3037,35

12 3687,89 3189,24 3331,82 3643,81

13 3766,09 3437,60 3403,92 3499,71

14 3902,29 3178,86 3336,81 3632,96

15 3760,13 3147,85 3135,51 3171,83

16 3760,20 3371,06 3168,60 3470,83

17 3837,17 3227,56 3529,41 3852,64

18 4023,13 3305,39 3230,75 3793,01

19 3859,54 3494,14 3178,87 3617,96

20 3570,82 3274,31 3401,76 3522,82

Media 3637,24 3378,66 3456,36 3567,45

Desviación típica 319,52 231,67 189,59 212,92

p-valor vs resina

0,000 0,000 0,347

ANOVA

SD SD NSD

Tabla 6: Módulo elástico calculado experimentalmente a través de ensayos por excitación armónica.

En los resultados expresados en la Tabla 6 se observan valores relativamente altos en la

desviación típica de las probetas reforzadas; pero en especial de las probetas control. El valor medio

del módulo de elasticidad indicado por el fabricante es de 3300 MPa, que contrasta con el valor





70 70

70

medio obtenido (3637,24 MPa). Los resultados obtenidos con las probetas reforzadas con

nanocargas no superan este valor. Como se indica en la siguiente tabla, en vez de mejorar, las

propiedades del material empeoran en especial en el caso de la resina Epoxi-OX.

Variación respecto a la resina sin refuerzo [%]

Epoxi-OX Epoxi.AC1 Epoxi-AC2

-7,11% -4,97% -1,92%

Tabla 7: Porcentaje de mejora de las probetas con refuerzo en los ensayos por excitación armónica.

Para evaluar la fiabilidad de las diferencias obtenidas entre los materiales con respecto a la

resina, se ha calculado el p-valor que permite determinar si las medias obtenidas se deben al azar o

si realmente tienen relevancia estadística. Tanto las probetas OX, como las AC1 presentan p-valores

nulos, sin embargo el módulo de Young hallado para las probetas AC2 no se considera

estadísticamente relevante. Del mismo modo, al analizar la varianza se puede determinar si los

diferentes materiales muestran diferencias significativas o si por el contrario sus medias no difieren.

El estudio de la varianza concluye que las muestras de AC2 no muestran diferencias significativas

respecto a las probetas de control ensayadas.

Gráfica 1: Módulo elástico de las probetas control, OX, AC1 y AC2 mediante excitación armónica

Los resultados medios del módulo elástico para cada material con sus respectivas barras de error

representadas en la Gráfica 1, impiden hacer una comparación fiable entre los distintos refuerzos y

las probetas de control. Sin embargo, atendiendo al valor aportado por el fabricante, 3300MPa, sí

que se observa cierta mejora con la adición de nanocargas, especialmente la funcionalización AC2.

1.2. Ensayos por ultrasonidos

Los módulos elásticos calculados a partir de la velocidad de propagación del sonido en los

distintos materiales aparecen representados en la siguiente tabla:

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Epoxi OX AC1 AC2

Mó

du

lo Y

ou

ng

[MP

a]





71 71

71



1 2276,21 2463,18 1512,46 2629,81

2 2276,61 2482,43 1487,55 2604,33

3 2013,24

2695,25

4 2321,38

2748,98

Media 2221,86 2472,80 1500,00 2669,59


p-valor vs resina

0,069 0,000 0,000

ANOVA

NSD NSD SD

Tabla 8: Módulo elástico obtenido experimentalmente mediante ultrasonidos

Tanto en la Tabla 8 como en la Gráfica 2 se observan valores para el módulo de Young muy

inferiores a lo esperado. Tomando como referencia los valores de excitación armónica o el módulo

elástico aportado por el fabricante de la resina, los resultados mediante ultrasonidos no son

representativos del material. Sin embargo es una técnica que aporta repetibilidad, dada su baja

desviación típica.

Del estudio estadístico de la varianza del AC2 con respecto a la resina, se concluye que el

aumento del módulo elástico de las muestras AC2 es significativo. Respecto a las probetas OX y

AC1, los resultados obtenidos no son concluyentes si se los compara con la resina epoxi. Sin

embargo comparando los materiales entre sí destaca el refuerzo con AC2 sobre los otros dos

materiales, en especial sobre las probetas reforzadas con AC1. Mientras la funcionalización AC2

aumenta el módulo elástico en un 20,15%, la funcionalización AC1 lo disminuye un 32,49%.



+11,29% -32,49% +20,15%

Tabla 9: Porcentaje de mejora de las probetas con refuerzo en los ensayos por ultrasonidos.





72 72

72

Gráfica 2:Módulo elástico de las probetas control, OX, AC1 y AC2 mediante ultrasonidos

La notable mejora de las probetas con nano partículas AC2 se distingue claramente en la

gráfica, al igual que el descenso del módulo de elasticidad de las probetas Epoxi-AC1.

Es necesario precisar que las muestras de los distintos materiales dentro de cada lote no se

realizaron todas a la vez, por lo que diferencias en el proceso pueden afectar a la comparación.

1.3. Ensayos extensometría óhmica

1.3.1. Ensayos a flexión



1 4220,44 3893,00 4122,83 3868,43

2 3624,20 4161,85 3879,03 4042,22

3 4313,25 3376,95 3712,24 3927,37

4 3917,20 3698,18 4030,49 3464,41

5 3863,33 4422,48 3827,80 3685,93

6 3908,82 4153,78 3935,87 4021,57

7 4221,70 3476,08 3748,79 4032,87

8 4339,15

3348,61 3073,45

9 4025,54

3869,96 3350,51

10 3671,09

3965,86 3219,11

Media 4010,00 3883,00 3899,00 3668,00


p-valor vs resina

0,86 0,88 0,11

ANOVA

NSD NSD NSD

Tabla 10: Módulo elástico obtenido experimentalmente mediante extensometría óhmica a flexión

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

Epoxi OX AC1 AC2

Mó

du

lo Y

ou

ng

[Mp

a]





73 73

73

Según los datos obtenidos, la adición de cualquiera de las nano partículas supone un descenso

en el módulo de Young; pero son variaciones relativamente bajas que no permiten establecer

conclusiones sólidas.



-3,17% -2,77% -8,53%

Tabla 11: Porcentaje de mejora de las probetas con refuerzo en los ensayos por ultrasonidos.

Gráfica 3: Módulo elástico de las probetas control, OX, AC1 y AC2 mediante extensometría óhmica a flexión

Al igual que en los ensayos por excitación armónica, el módulo de elasticidad calculado es

anormalmente alto, superando el valor aportado por el fabricante (3300MPa). Las probetas de resina

no pueden considerarse aptas como probetas de control. Esta afirmación se apoya también en los

cálculos del p-valor de los valores medios de las probetas reforzadas respecto a la resina, que

indican que los resultados y la diferencia entre ellos no son estadísticamente relevantes. La

diferencia entre los diferentes valores medios no es fiable dada la desviación típica y el análisis de

las varianzas llevado a cabo. Este resultado es fácilmente observable en la Gráfica 3, donde pese a

haber diferencias, las barras de error se superponen en gran medida.

En cuanto al cálculo del coeficiente de Poisson, los resultados obtenidos mediante

extensometría son relativamente precisos y con un alto grado de repetibilidad como se desglosa en

la Tabla 12. Respecto a las diferencias entre materiales destacar que las probetas con las

nanoplaquetas AC1 superan el valor del coeficiente de Poisson de las probetas control, en cambio,

el coeficiente obtenido tanto para las AC2 como para las OX es inferior al de las probetas de resina

de control.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

Epoxi OX AC1 AC2

Mó

du

lo Y

ou

ng

[Mp

a]





74 74

74

Coeficiente de Poisson


1 0,490 0,401 0,479 0,482

2 0,406 0,447 0,402 0,419

3 0,493 0,393 0,467 0,449

4 0,490 0,389 0,418 0,364

5 0,410 0,439 0,443 0,462

6 0,417 0,497 0,403 0,426

7 0,401 0,402 0,593 0,422

8 0,419 0,443 0,418

9 0,435 0,480 0,414

10 0,455 0,454 0,411

Media 0,442 0,424 0,458 0,427


Tabla 12: Coeficiente de Poisson obtenido experimentalmente mediante extensometría óhmica a flexión.

1.3.2. Ensayos a tracción


Los resultados obtenidos se han procesado en tablas como la Tabla 13, se obtienen por tanto 5

puntos de la parte elástica (lineal) de la curva tensión deformación. Para comprobar que

efectivamente todos los puntos medidos se encuentran dentro de la parte de deformación plástica se

ha representado la deformación longitudinal en referencia a la tensión aplicada como en la Gráfica

4. De este modo se detectan perturbaciones como en la probeta R1 que están fuera de la región a

estudiar y que por tanto no se tienen en cuenta a la hora de calcular el módulo de elasticidad del

material.

Área(mm2) 60,54

R1 εt (µdef) εL(µdef) µ ζ(MPa) E(GPa)

100 -170 392 0,434 1,652 4,214

150 -260 589 0,441 2,478 4,207

200 -331 774 0,428 3,304 4,268

250 -408 976 0,418 4,130 4,231

300 -492 1062 0,463 4,955 4,666

0,438 3,717 4,230

Tabla 13: tabla de resultados de una de las probetas de resina ensayadas mediante extensometría a tracción.





75 75

75

Gráfica 4: Curva tensión deformación resina lote 1.

Este análisis se ha llevado a cabo con todas las probetas de los dos lotes ensayados y los

resultados globales se desglosan a continuación.



Lote 1

1 4229,92 3881,73 5852,67 5542,42

2 4069,38 4044,08 6249,86 4257,52

3 3865,35 4122,89 5622,96 5339,69

4 4328,14 4885,55 3406,86 4772,40

5 4166,49

5176,98

6

3740,43

Lote 2

1 6146,60 3420,69 4205,90 3236,39

2 3239,34 2974,54 3995,51 3693,21

3 3120,97 2536,59 4259,46 3818,72

4 5792,49 3052,81 3698,97 4302,21

5 3238,02

3099,21 6179,59

6 3161,81

5746,40

7

4499,78

Media 4123,50 3614,86 4482,62 4671,67


Tabla 14: Módulo elástico obtenido experimentalmente mediante extensometría óhmica a tracción.

De los resultados expuestos en la Tabla 14, destacan los altos valores de desviación típica que

concuerdan con los resultados fluctuantes obtenidos. Las diferencias en los resultados dentro de

cada tipo de material se dan también entre los dos lotes ensayados, con por ejemplo datos

0,000

1,000

2,000

3,000

4,000

5,000

6,000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Ten

sió

n [

MP

a]

Deformación [µdef]

R1

R2

R3

R4

R5





76 76

76

atípicamente bajos para las probetas OX del segundo lote.

La división entre los lotes permite visualizar el impacto de las condiciones de fabricación

concretas en las propiedades del material. Como se observa en la Gráfica 5 existen diferencias

notables, no sólo en los valores obtenidos, sino en el error y la dispersión de estas medidas. Es

decir, las medidas tomadas son muy sensibles a los cambios en la fabricación de probetas.

Gráfica 5: Módulo elástico de las probetas control, OX, AC1 y AC2 mediante extensometría óhmica a tracción

desglosados en los lotes 1 y 2.

Pese a las diferencias entre lotes, son llamativos los bajos valores del módulo de elasticidad de

las probetas OX en comparación con las probetas AC1 y AC2. El resultado total, teniendo en cuenta

ambos lotes se muestra en la Gráfica 6. Dado el error en las medidas no se puede distinguir entre las

probetas AC1, AC2 y las probetas control. Sin embargo sí que es posible apreciar la inferioridad de

las probetas OX.

0,00

1000,00

2000,00

3000,00

4000,00

5000,00

6000,00

7000,00

Epoxi OX AC1 AC2

Mó

du

lo d

e Y

ou

ng

(MP

a)

Lote 1

Lote 2





77 77

77

Gráfica 6: Módulo elástico de las probetas control, OX, AC1 y AC2 mediante extensometría óhmica a tracción.

Extensiómetro



1 2715 3700 3220 3703

2 2302 3830 3220 4081

3 4922 2870 2820 3759

4 4274 2850 3000 2564

5 3019 4210 3040 2501

6 4187 2951

7 5286 3691

8 3740 2909

9 3876

10 3613

11 3081

12 2907

13 2431

14 3612

Media 3568 3492 3060 3269

Desviación típica 894 606 168 608

p-valor vs resina

1 1 1

ANOVA

NSD NSD NSD

Tabla 15: Módulo de elasticidad medido por un extensiómetro en un estado a tracción

4123,50

3614,86

4482,62 4671,67

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

Epoxi OX AC1 AC2

Mó

du

lo d

e Y

ou

ng

(MP

a)





78 78

78

A la vista de los resultados obtenidos mediante otros métodos, se aumentó el tamaño del grupo

de control, para así obtener un valor de referencia más representativo. Sin embargo, como se aprecia

en la Tabla 15, el módulo elástico de las resinas fluctúa entre un valor mínimo de 2431 MPa y un

valor máximo de 4922MPa. Por esta razón, tras el análisis de las varianzas en comparación con la

resina, las diferencias entre los distintos materiales reforzados y la resina de control no son

estadísticamente determinantes.

Gráfica 7: Módulo elástico de las probetas control, OX, AC1 y AC2 mediante extensometría óhmica a tracción,

medido con un extensiómetro.

1.4. Comparativa de los ensayos no destructivos

La siguiente gráfica representa el módulo de elasticidad de los diferentes materiales según el

método de caracterización empleado. Incluye también los resultados de ensayos a tracción con

probetas de hueso de perro llevados a cabo en estudios previos en el Departamento de Materiales de

la Universidad Pontificia Comillas.

3568 3492 3060

3269

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

Epoxi OX AC1 AC2

Mó

du

lo Y

ou

ng

[Mp

a]





79 79

79

Gráfica 8: Comparativa del módulo de elasticidad mediante diferentes tipos de ensayos.

En referencia al tipo de ensayo llevado a cabo, destacan los bajos valores de módulo elástico

obtenidos con la técnica de ultrasonidos en comparación con los otros métodos. Especialmente si se

comparan con los valores aportados por el fabricante de la resina, que sitúan el módulo elástico de

las probetas de control en torno a 3300MPa. Mientras los ensayos de excitación armónica,

extensometría con galgas y con extensiómetro superan este valor (ampliamente en el caso de las

galgas extensiométricas), con los ensayos por ultrasonidos se obtienen valores más de 1000MPa por

debajo de los 3300MPa esperados. En el otro lado de la balanza se encuentran los ensayos

destructivos con probetas de hueso de perro, 3163MPa y los ensayos con el extensiómetro,

3568MPa.

Para evaluar la relevancia y magnitud de las diferencias entre los distintos métodos empleados y

también en relación a las probetas de hueso de perro se ha calculado el p-valor entre los módulos de

Young de las resinas reforzadas y sin reforzar. De las siguientes tablas se extrae que normalmente

las diferencias estadísticamente relevantes son aquellas que comparan los ultrasonidos con otro

método.

Epoxi (control) Hueso de

perro

Galgas

extensiométricas Ultrasonidos Impulso Extensiómetro

Hueso de perro 0,115 0,166 0,423 0,741


0,000 0,731 0,372

Ultrasonidos

Symm.

0,000 0,001

Impulso

0,947

Extensiómetro

Tabla 16: p-valor de la resina epoxi entre los distintos métodos de caracterización empleados.

3163

4010

2221

3723 3568

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Hueso de perro Galgas Ultrasonidos Impulso Extensiómetro

Mó

du

lo d

e el

asti

cid

ad (

MP

a)






80 80

80

Epoxi-OX Hueso de

perro

Galgas


Hueso de perro

0,107 0,157 0,999 0,889


Symm.

0,000 0,013 0,372

Ultrasonidos

0,032 0,016

Impulso

0,873

Extensiómetro

Tabla 17: p-valor del epoxi-OX entre los distintos métodos de caracterización empleados.

Epoxi-AC1 Hueso de

perro

Galgas


Hueso de perro

0,000 0,000 0,064 0,999


Symm.

0,000 0,000 0,000

Ultrasonidos

0,000 0,000

Impulso

0,002

Extensiómetro -

Tabla 18: p-valor del epoxi-AC1 entre los distintos métodos de caracterización empleados.

Epoxi-AC2 Hueso de

perro

Galgas


Hueso de perro

0,946 0,032 0,987 0,895


Symm.

0,001 0,997 0,305

Ultrasonidos

0,001 0,126

Impulso

0,410

Extensiómetro -

Tabla 19: p-valor del epoxi-AC2 entre los distintos métodos de caracterización empleados.

Otra comparación válida (para epoxi, epoxi-OX y epoxi-AC1) es la que evalúa la técnica de

excitación armónica por impulso con la tracción medida por el extensiómetro. Esta relación es

interesante dado que se emplean las mismas probetas, por lo que el proceso de fabricación no tiene

tanto peso a la hora de establecer las diferencias entre los dos métodos. En la Gráfica 9 es posible

observar un ligero descenso general de las medidas tomadas con el extensiómetro salvo por los

valores del módulo de Young de la epoxi-OX.





81 81

81

Gráfica 9: Evolución del módulo de elasticidad de los diferentes materiales según el método de caracterización

empleado.

En cuanto al rendimiento de los distintos materiales reforzados, cabe destacar que la resina

epoxi con AC2 muestra valores del módulo de Young más altos en todos los ensayos salvo en los

medidos con galgas extensiométricas. Análogamente, el refuerzo AC1 suele comportarse peor que

las otras funcionalizaciones en la mayoría de los experimentos.

2. Ensayos en la unión adhesiva

2.1. Ensayos cizalla a tracción

En este apartado se mostrarán los cálculos realizados (resistencia a rotura) y también la

información cualitativa obtenida del tipo de fractura y de la deformación plástica de los sustratos.

2.1.1 Resistencia a rotura

En primer lugar, es necesario tener en cuenta que las probetas dentro de los lotes no han sido

elaboradas simultáneamente para los distintos materiales, por lo que pueden aparecer diferencias

relacionadas con las condiciones específicas de fabricación y no con el material empleado.

En la siguiente tabla se desglosan los resultados de resistencia a rotura de cada probeta

ensayada. Se obtuvieron los valores más altos para las probetas reforzadas con AC2, seguidas de

AC1 y de las OX. Es decir, todas las funcionalizaciones mejoraron la resistencia de la unión

adhesiva.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

Hueso deperro

Galgas Ultrasonidos Impulso Extensiómetro

Mó

du

lo d

e e

last

icid

ad (

MP

a)

Epoxi

Epoxi-Ox

Epoxi-AC1

Epoxi-AC2





82 82

82

Resistencia a rotura (MPa)


Lote 1

1 8,333 6,965 10,870 12,335

2 8,049 10,710 12,756 11,376

3 6,261 8,963 7,145 10,999

4 6,629 8,117 6,689 13,758

5 7,621 8,616 9,095 12,335

Lote 2

6 8,774 9,894 12,001 11,055

7 6,932 10,393 11,901 10,260

8 9,670 11,306 12,320 10,743

9 8,193 12,404 11,146 9,320

10 9,731 11,786 9,558 10,346

Media 8,019 9,916 10,348 11,253


Tabla 20: Resultados de resistencia a rotura mediante cizalla a tracción.

Diferenciar entre lotes permite ver la variación entre las propiedades de las probetas ante las

posibles variaciones que se dan en el proceso de fabricación. En la Gráfica 10 se pone de manifiesto

la sensibilidad de las probetas y de los ensayos ante dicha fabricación. Por ejemplo en el caso de las

muestras epoxi-AC2 donde, incluso teniendo en cuenta las barras de error, existen diferencias

significativas entre un proceso en el que se ha empleado el mismo material y se han seguido los

mismos pasos de fabricación.

Gráfica 10: Resistencia a rotura de los diferentes materiales mediante ensayos de cizalladura a tracción para el lote 1 y

el lote 2.

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Epoxi OX AC1 AC2

Re

sist

en

cia

Ro

tura

(M

Pa)

Lote 1

Lote 2





83 83

83

Gráfica 11: Resistencia a rotura de los diferentes materiales mediante ensayos de cizalladura a tracción.

Pese al error, sí que es posible establecer cierta superioridad de las probetas AC2 respecto a

las otras funcionalizaciones y más ampliamente, respecto a la resina epoxi sin reforzar. En la

siguiente tabla se muestra la mejora porcentual de la resistencia a rotura de las probetas tras la

adición de nano partículas. Aunque todos los refuerzos mejoran en al menos un 23 % las

propiedades del material, destaca la funcionalización AC2 con un aumento del 40% de la

resistencia a rotura. Además de ser la mejora más significativa, es la que está más sólidamente

afirmada, dados los valores de desviación típica de la resina epoxi y de la funcionalización AC2

que son los más bajos de toda la serie.

Tabla 21: Porcentaje de mejora de las probetas con refuerzo respecto de la resina epoxi control en los ensayos de

cizalladura a tracción.

8,019

9,916 10,348 11,253

0

2

4

6

8

10

12

14

16

Epoxi OX AC1 AC2

Re

sist

en

cia

Ro

tura

(M

Pa)


Epoxi-OX Epoxi-AC1 Epoxi-AC2

+23,65 % +29,04% +40,32%





84 84

84

2.1.2 Tipo de fractura

Figura 44: Probetas cizalladura a tracción control (arriba) y epoxi-AC2 (abajo) tras haber sido ensayadas.

Tras realizar los ensayos, se pudo apreciar como la superficie de unión no se correspondía en

algunos casos con la esperada, bien porque el adhesivo se había contraído o por la escasa viscosidad

del adhesivo a la hora de fabricar las muestras. Estas variaciones se han tenido en cuenta a la hora

de obtener la resistencia a rotura de las probetas, donde el área de la unión empleado en los cálculos

es el medido a posteriori.

Como se observa en las imágenes de la Figura 44, a primera vista la fractura de las muestras se

produce en la interfaz entre adhesivo y adherente, sin embargo, al ampliar la superficies de roturas

puede observarse una delgada capa de adhesivo, especialmente en las probetas epoxi-OX.





85 85

85

Figura 45: Detalle de la fractura de las probetas epoxi (a), epoxi-OX (b), epoxi-AC1 (c) y epoxi-AC2 (d).

Durante el ensayo, la deformación plástica que admite el adhesivo es limitada y la fractura se

produce de forma repentina y brusca en la mayoría de los casos. Este comportamiento puede

deducirse también al observar la probeta epoxi-AC1 de la Figura 45 c).

2.1.3 Deformación plástica de los sustratos

Se observa cualitativamente y también en las gráficas tomadas por el software Wintest (zona de

crecimiento plano de la curva fuerza-desplazamiento)

a) b)

d) c)





86 86

86

Figura 46: Imagen de una muestra deformada plásticamente tras el ensayo (izq.) Curva de fuerza-deformación

correspondiente (dcha.)

A la vista de estos resultados se ha realizado un análisis de la efectividad del sustrato empleado.

Siguiendo la metodología propuesta por Adams et al. [52], la carga que corresponde a la

deformación plástica total del adhesivo es:

Donde es la carga crítica del adhesivo por deformación plástica, es la resistencia a cizalla

del adhesivo, es el ancho y el solapamiento. El valor de la carga crítica del adhesivo se

compara con el valor de carga crítico por deformación plástica del adherente, .

Este valor se calcula a partir de la resistencia a tracción del sustrato, , del ancho de la unión

, y de su espesor .

Aplicando estas fórmulas al caso particular del proyecto, donde:

Se obtiene:

ok!





87 87

87

2.2. Ensayos doble viga en voladizo

Siguiendo la norma y el método detallado en la memoria experimental, basado en la ecuación de

Irwin-Kies resuelta con el método de la viga simple corregida se calcula la energía de fractura

adhesiva. En las siguientes gráficas se muestra el proceso de carga (iniciación de la grieta) y

descarga (propagación de la grieta) en una probeta de resina de control y en una probeta reforzada

con AC2.

Figura 47: Curva fuerza-desplazamiento de una probeta de control en un ensayo de doble viga en voladizo.

Gráfica 12: Curva fuerza-desplazamiento de una probeta de control en un ensayo de doble viga en voladizo.

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Fuer

za (

kN)

Desplazamiento (mm)

Epoxi control

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0

Fuer

za (

kN)

Desplazamiento (mm)

AC2





88 88

88

Para el cálculo del diferencial de flexibilidad respecto de la longitud de grieta, se representan

ambas magnitudes en una recta obtenida de la interpolación de las medidas en los diferentes

intervalos de tiempo.

Gráfica 13: Recta experimental de la flexibilidad de una probeta AC2 respecto a la longitud de grieta

Como resultado se obtiene la energía de fractura en los diferentes intervalos de tiempo que

mostrados gráficamente en una recta como la de la siguiente figura, representan la evolución de la

liberación de energía durante el inicio y propagación de la grieta. Se puede apreciar que a medida

que los mayores valores de energía se registran al iniciar la grieta.

Figura 48: Curva de energía de fractura respecto a la longitud de grieta en una probeta AC2.

De estos valores se calcula un valor promedio. Los resultados de este procedimiento

aplicado a los diferentes ensayos se muestran en la siguiente tabla:

y = 0,1692x + 0,0139 R² = 0,995

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16

C/N

(m

/N^1

/3)

Longitud de grieta(m)

0

50

100

150

200

250

300

350

400

0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14 0,16

Ener

gía

de

frac

tura

ad

hes

iva

, Gc

(J/m

^2)

Longitud de grieta, a (m)





89 89

89

Energía de fractura adhesiva en Modo I


Lote 1 Media 135 303 176 264

% mejora 125% 30% 96%

Lote 2 Media 135 205 274 184

% mejora 52% 103% 37%

Desviación típica 17 69 56 69

Tabla 22: Resultados de energía de fractura adhesiva en Modo I en los ensayos de doble viga en voladizo.

Todas las nanopartículas de todos los lotes presentan notables mejoras al combinarse con la

resina epoxi en comparación con las uniones de resina control. Llegando a superar la energía de

fractura adhesiva de la resina en más de un 100% en algunos casos.

Llama la atención las diferencias entre lotes, lo que no permite hacer una comparación fiable

entre los distintos refuerzos. Pese a estas variaciones y teniendo en cuenta el error, los resultados

siguen reflejando mejoras sustanciales del material al añadirle las nanopartículas.

Gráfica 14: Energía de fractura adhesiva en Modo I en los ensayos de doble viga en voladizo.

Finalmente, si se cuantifica la mejora obtenida con la adición de nano-refuerzos, aparecen

aumentos superiores al 50% en todos los casos como se muestra en la siguiente tabla:


Epoxi-OX Epoxi-AC1 Epoxi-AC2

88,44% 66,80% 66,21%

Tabla 23: Porcentaje de mejora de las probetas con refuerzo en los ensayos de doble viga en voladizo.

135

254

225 224

0

50

100

150

200

250

300

350

Epoxi OX AC1 AC2

Ene

rgía

de

fra

ctu

ra a

dh

esi

va ,

Gc

(J/m

^2

)




90 90

90

CAPÍTULO 4: CONCLUSIONES




91 91

91

CAPÍTULO 4:

Conclusiones

Ensayos no destructivos en materiales compuestos

I. Ultrasonidos: los bajos módulos de elasticidad obtenidos, aproximadamente un 40%

menores que el resto de ensayos muestran que con esta técnica los resultados se ven

menguados. Sin embargo la relación cualitativa entre las resinas es análoga a la obtenida con

las probetas de hueso de perro: AC2, AC1, Epoxi control, OX; en orden decreciente. Por

tanto se descarta su uso para hallar numéricamente las propiedades mecánicas del material;

pero no se descarta su utilidad en la comparación de materiales.

II. Excitación armónica: los resultados numéricos se sitúan en un rango similar a los resultados

obtenidos de manera destructiva. Sin embargo la precisión de esta técnica se ve

comprometida debido a la propia naturaleza del material compuesto de base polimérica que

no vibra tan nítidamente como lo haría por ejemplo un material metálico.

III. Extensiometría óhmica: tanto el módulo elástico de la resina, como el de las probetas

reforzadas obtenido a flexión se encuentran muy por encima del valor del módulo elástico

aportado por el fabricante de la resina de control (3300MPa). Durante la realización del

ensayo a flexión cabe destacar que la deformación de las probetas variaba significativamente

con el tiempo (creep), posibles efectos viscoplásticos distorsionan las medidas.

El empleo de esta técnica en los ensayos a tracción no se ve afectada por efectos

viscoplásticos, ya que “dibuja” la curva tensión deformación. Sin embargo los resultados

obtenidos, presentan una gran dispersión.

Propiedades mecánicas

En los ensayos llevados a cabo de manera no destructiva, la resina epoxi reforzada con

nanoplaquetas AC2 es la funcionalización que presenta valores del módulo de elasticidad mayores

en la mayoría de ensayos.

Uso como adhesivo

I. Ensayos cizalladura a tracción: de los resultados se puede concluir que la adición de los

distintos refuerzos mejora las propiedades de la unión adhesiva. Si bien no se aprecia tan

claramente entre los materiales compuestos con OX y AC1 respecto a la resina, la mejora

del material reforzado con AC2 respecto a la resina control es notable. La aplicación y

viabilidad del ensayo estriba en gran medida en el tipo de fractura que se produce, que si

bien puede considerarse cohesiva, presenta un amplio margen de mejora.

CAPÍTULO 4: CONCLUSIONES




92 92

92

II. Ensayos doble viga en voladizo: se puede afirmar que todas las uniones con materiales

reforzados con nanopartículas son superiores a las uniones con resina de control. Sin

embargo no aparecen diferencias apreciables entre las distintas funcionalizaciones del

grafeno.




93 93

93

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97 97

97

Anexos

Anexo A: Technical Datasheet Epoxy Resoltech ® 1050

Anexo B: GRAPHENIT-OX Technical Data

Anexo C: GRAPHENIT-AC1: Characterization sheet

Anexo D: GRAPHENIT-AC2: Characterization sheet




98 98

98

RESOLTECH RESOLVING YOUR ENGINERING CHALLENGES www.resoltech.com

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Technical Datasheet V2 - 23.03.2015

RESOLTECH 1050 Hardeners 1053S to 1059S

The 1050 epoxy laminating system is formulated to manufacture high performance lightweight structures with glass, carbon, aramid and basalt reinforcements with or without post-curing. This latest generation system, without CMR substances according to GHS criteria is optimized with a low exotherm, low viscosity and excellent air release properties. This epoxy system is also suitable for the manufacture of small to very large structures and composite parts by wet lay-up, infusion, injection moulding or filament winding while guaranteeing low toxicity working conditions to the users. All hardeners mix with a 100/35 ratio and can be pre-blended together to precisely adjust the desired pot life. The 1050 resin + 1053S system is particularly recommended for infusion thanks to its low mixed vis-cosity (205mPa.s). The 1050 resin is available in a thixotropic version 1050T for wet lay-up application in vertical or over-hanging surfaces prone to resin dripping. It is possible to release the parts from the mould without post-curing. To speed up demoulding a 40ºC cure is possible and optimum thermo-mechanical properties of the laminate will be obtained after a 60ºC post-curing cycle. Laminates produced with the 1050 system will offer very good mechanical properties combined with ex-cellent fatigue resistance thanks to its exceptional wetting properties, improving the composite interlami-nar properties even on aramid reinforcements. Its elongation at break in flexion up to 5% makes the 1050 system as a prime choice epoxy system for large structural laminates submitted to dynamic working efforts.

Structural Lamination Epoxy System

Adjustable pot life from 10min to 14hours Room temperature cure & mould release TG up to 75°C Excellent wetting properties on all reinforcements For small to XXL size parts productions


Page 2/4


MIXING RATIO

The mixing ratio must be accurately followed. It is not possible to change the ratio, it would result in lower mechanical properties. The mixture should be thoroughly stirred to ensure full homogeneity. It is important to note that epoxy systems tend to heat up much faster in a pot than as a thin film. It is preferable to only mix the necessary amount usable within the given pot life. Keeping the mixture in flat open containers reduces the risks of exothermic reaction.

Resin 1050 Hardeners 1053S, 1054S, 1055S, 1056S, 1058S, 1059S

PHYSICAL CHARACTERISTICS

APPLICATION

The 1050 system can be applied by brush, roller, infused or injected. In case of laminating over a cured surface without peel ply, it is required to deglaze, clean and degrease the support prior to laminating. It is recommended to have workshop temperature conditions between 18-25°C in order to facilitate the mixing and the fibers reinforcement impregnation. A lower temperature will increase the viscosity of the mix as well as its pot life. On the contrary, a higher temperature will reduce the viscosity and the pot life of the mix.

Visual aspect

1050 : Opalescent neutral liquid 1053S - 1059S : Transparent yellow liquid Mixture aspect : Neutral to transparent yellow liquid Density (ISO 1675, + 0.05 tolerance)

References 1056S 1058S 1059S 1050 1054S 1055S 1053S

Density at 23°C 0.97 0.98 1.00 1.14 0.95 0.96 0.94

Mixed density at 23°C 1.10 1.11 1.12 - 1.09 1.09 1.08

Viscosity (ISO 12058.2, + 15% tolerance)

References 1056S 1058S 1059S 1053S 1054S 1055S 1050

Viscosity at 23°C (mPa.s) 40 68 166 14 21 30 1000

Mixed viscosity at 23°C (mPa.s) 462 520 637 251 308 362 -

Systems 1050 / 1053S 1050 / 1054S 1050 / 1055S 1050 / 1056S 1050 / 1058S 1050 / 1059S

Mixing ratio by weight 100 / 35


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Reactivity measurements realized on Trombotech®

NR: Non Representative

REACTIVITIES


CURING & POST CURING

TG obtained with following hardeners & curing cycles:

TG measured on Kinetech® Hardness: ISO 868

Systems Gel time on 70mL

at 23°C (4cm high mix)

Time at exothermic peak on 70mL at

23°C

Temperature at exothermic peak on 70mL at 23°C

Geltime on 2mm thick film at 23°C

1050 / 1053S 14h 11h40min NR 12h40min

1050 / 1054S 4h25min 3h20min 38°C 7h40min

1050 / 1055S 1h30min 1h40min 140°C 5h45min

1050 / 1056S 37 min 38min 184°C 3h10min

1050 / 1058S 19 min 21min 213°C 2h10min

1050 / 1059S 10 min 16min 217°C 1h05min

14 days at 23°C 16h at 60°C

Systems TG Shore D Hardness TG Shore D

Hardness

1050 / 1053S 42.4°C 88 54.6°C 88

1050 / 1054S 46.3°C 88 64.9°C 89

1050 / 1055S 48.6°C 89 65.9°C 89

1050 / 1056S 49.1°C 89 66.7°C 90

1050 / 1058S 49.7°C 90 69.4°C 91

1050 / 1059S 50.6°C 91 75.0°C 93


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PACKAGING

1,35kg kit : (1kg+0.35kg) 6,75kg kit : (5kg+1.75kg) 37,8kg kit : (28kg+9.8kg) 270kg kit : (200kg+3x23.33kg) 1350kg kit :(1t IBC+2x175kg steel drums)

Shelf life is minimum one year in sealed containers as provided. Keep containers sealed and away from heat and cold preferably between 10°C and 30°C in a well ventilated area.

TRANSPORT & STORAGE

HEALTH & SAFETY

Skin contact must be avoided by wearing protective nitrile gloves & overalls or other protective clothing. Eye protection should be worn to avoid risk of resin, hardener, solvent or dust entering the eyes. If this occurs flush the eye with water for 15 minutes, holding the eyelid open, and seek medical attention. Ensure adequate ventilation in work areas. Respiratory protection should be worn with ABEKP coded filters. Resoltech issues full Material Safety Data Sheet for all hazardous products. Please ensure that you have the correct MSDS to hand for the materials you are using before commencing work.

The data provided in this document is the result of tests and is believed to be accurate. We do not accept any responsibility over the mishandling of these products and our liability is limited strictly to the value of the products we manufacture and supply.

13790 ROUSSET • FRANCE Tel : +33 4 42 95 01 95 • Fax : +33 4 42 95 01 98 Email : [email protected] • www.resoltech.com


MECHANICAL PROPERTIES

Flexion according to ISO 178

Systems

Modulus (GPa)

Maximum strength (MPa)

Elongation at max. strength (%)

Curing Cycles 14 days at

23°C 16h at 60°C 14 days at 23°C 16h at 60°C 14 days at

23°C 16h at 60°C

1050 / 1053S 3.17 3.08 81.5 97.2 2.7 4.3 1050 / 1054S 3.38 3.18 89.4 91.1 3.4 4.2

1050 / 1055S 3.46 3.45 84.6 110.1 2.5 4.5

1050 / 1056S 3.52 3.42 72.1 113.6 2.2 5

1050 / 1058S 3.50 3.46 76.1 113.5 2.3 4.9

1050 / 1059S 3.56 3.33 81.6 118.1 2.4 5.6

NIT Graphene Nanoplatelets GRAPHENIT-OX Technical Data

Reported data: Field-Emission Scanning Electron Microscopy (FE-SEM) with Energy-dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) mapping, Transmission Electron Microscopy (TEM), Raman Spectroscopy, Elemental analysis, X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS), X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM) , conductivity, Brunauer–Emmett–Teller (BET) area, bulk density and dispersions.

x Field-Emission SEM and EDS mapping for C (red) and oxygen (white).

Nanoinnova Technologies SL C/Faraday 7, 28049 Madrid www.nanoinnova.com

x TEM

x Elemental analysis. Starting graphite contains min. 99.97%wt C.

%C %H %N %S %O Graphenit-OX 96.45 0.34 0.43 <0.01 2.28

x Raman Spectroscopy (excitation 532nm)

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Inte

nsity

(a.u

.)

Raman shift (cm-1)

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500

Inte

nsity

(a.u

.)

Raman shift (cm-1)

2600 2700 2800 2900

Inte

nsity

(a.u

.)

Raman shift (cm-1)

Fitting peaks:

Band Center Area Width Height D 1353 1359.34 57.04 19.01 G 1580 7111.1 28.89 196.37 2D 2696 5334.9 86.82 49.03

x XPS C1s O1s C (%at) O (%at) Graphenit-OX 284.8 (69)

286.1 (23) 287.5 (8)

531.6 (38) 533.2 (62)

96.9 3.1

Binding energies (eV) and deconvoluted peaks (%) for C1s, O1s core levels.

Assignment (eV): 284.8 C-C 531.6 C=O 286.1 C-O 533.2 C-O

287.5 C=O

1200 1800 2400

Inte

nsity

(a.u

.)

Raman shift (cm-1)

280 284 288 292

coun

ts p

er s

econ

d (a

u)

BE (eV)

C1sGNPsC97

528 532 536

coun

ts p

er s

econ

d (a

u)

BE (eV)

O1sGNPsC97

x XRD

XRD pattern for (a) Graphenit-OX, (b) starting graphite and (c) detail for 2theta = 26.5º peak for both XRD patterns showing the decrease in intensity for Graphenit-OX.

x Scanning Electron Microscopy of powder

20 40 60 80

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

Inte

nsity

2Theta

Graphenit-OX

20 40 60 80

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

Inte

nsity

2Theta

Starting Graphite

26 28

0

200000

400000

Inte

nsity

2Theta

Starting Graphite Graphenit-OX

(a) (b)

(c)

x Scanning Electron Microscopy of powder dispersed in NMP, deposited on a silicon wafer and dried.

x Conductivity

Conductivity of pressed pellets is 1.5 E+05 S/m

x BET Surface Area: 110 m²/g

x Bulk density 0.2 g/ml

x Dispersions (1mg/ml, 1h US bath)

Graphenit-OX 0h

H2O

THF

DMF

Graphenit-OX 1h

H2O

THF

DMF

Graphenit-OX 2 days

H2O

THF

DMF

NIT Graphene Nanoplatelets graphenit-AC1: Characterization sheet

Reported data: FTIR Spectroscopy, X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM)

x FTIR Spectroscopy: Attenuated Total Reflectance (ATR)

x XRD

XRD pattern for graphenit-AC1.


4000 3500 3000 2500 2000 1500 100020

30

40

50

60

70

Tran

smita

nce

(a.u

.)

Wavenumber (cm-1)

graphenitAC1

30 60 900

3000

6000

Inte

nsity

(a.u

.)

2Theta

graphenit-AC1

NIT Graphene Nanoplatelets graphenit-AC2: Characterization sheet

Reported data: FTIR Spectroscopy, X-ray Diffraction (XRD), Scanning Electron Microscopy (SEM).

x FTIR Spectroscopy: Attenuated Total Reflectance (ATR)

x XRD

XRD pattern for graphenit-AC2.


4000 3000 2000 1000

28

35

42

Tran

smita

nce

(a.u

.)

Wavenumber (cm-1)

graphenit-AC2

30 60 90

0

2000

4000

6000

Inte

nsity

(a.u

.)

2Theta

graphenit-AC2

CARACTERIZACIÓN MECÁNICA DE MATERIALES COMPUESTOS DE … · del adhesivo). En concreto, la...

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