TRATAMIENTO DE SUPERFICIES PARA FIBRASIng. Alexander Vega Anticona1TSPFLa funcin principal de un tratamiento de superficie de la fibra es mejorar la humectacin de la superficie de la fibra con la matriz y crear una unin ms fuerte en la interfaz de la matriz y la fibra. Ambos son esenciales para la transferencia de tensiones efectivas desde la matriz a la fibra y viceversa.

2TRATAMIENTO PARA FIBRAS DE VIDRIO3BeneficiosMejorar la unin interfacial de la fibra y la matriz a travs de enlaces qumicos y fsicos.

Proteger la superficie de la fibra de la humedad y de lquidos reactivos.

4SILANOSAgentes de acople, comunes que se usan con fibras de vidrio son compuestos organofuncionales de silicio, conocidos como los silanos.

Su estructura qumica es representado R-Si(OR)3 en la que el grupo funcional R debe ser compatible con la resina de la matriz con el fin de que sea un agente de acoplamiento eficaz

SILANOSLa superficie de la fibra de vidrio se trata con silanos en solucin acuosa. Cuando un silano se aade al agua, se hidroliza para formar R-Si(OH)3 .

La fibra es calentado en un horno de a 340 C durante 15-20 h. Como las fibras estn calintes, estas son sumergidas en la solucin acuosa de silano, para formar enlaces qumicos (SiOSi), y enlaces fsicos (puentes de hidrgeno) que se establecen entre los grupos (OH) en la superficie de la fibra de vidrio y las molculas de R-Si(OH)3. 6SILANOS

7ANCLAJESSin un agente de acople, la transferencia de carga entre las fibras y la matriz polmerica es posible gracias a un anclaje mecnico, que es causada por la eleveda diferencia entre las contracciones de la matriz y la fibra.

Dado que el coeficiente de expansin trmica (y de contraccin) de la matriz polimrica es casi 10 veces mayor que el de las fibras, la matriz se reduce considerablemente durante el curado.

La contraccin de polimerizacin en el caso de un polmero termoestable y contraccin por cristalizacin en el caso de un polmero termoplstico y en ambos casos contribuyecon la formacion de los anclajes mecnicos.

Tensiones residuales se generan en la fibra, as como en la matriz que rodea a la fibra, como resultado del anclaje mecnico.

Sin embargo, a temperaturas elevadas o a altas cargas aplicadas en servicio, ladiferencia en la expansin de las fibras y la matriz puede disminuir y esto a su vez el anclaje mecnico y las tensiones residuales.

En circunstancias extremas, se forma una microfisura en la interfaz, lo que da una reduccin de las propiedades mecnicas del compuesto. Por otra parte, la humedad u otros lquidos reactivos que pueden difundir travs de la resina se pueden acumular en la interfaz y alterar propiedades de la fibra.

SILANOS

SILANOSEl vnculo creado por la interfaz de silano u otros agentes de acople permite mejorar la transferencia de carga entre las fibras y la matriz, que a su vez mejora la resistencia a la traccin, as como la resistencia de corte interlaminar del compuesto.

Sin embargo, el grado de mejora de la resistencia depende de la compatibilidad del agente de acople con la matriz de la resina. Por otra parte, se ha observado que a pesar de una interfaz fuerte produce una mayor resistencia a la traccion, una dbil interfaz puede contribuir a la mayor disipacin de energa en la interfaz de la fibra y la matriz, que puede ser beneficiosa para alcanzar mejores tenacidades a la fractura.

TRATAMIENTO PARA FIBRAS DE CARBONO11TSPFCA pesar que las fibras de carbono son qumicamente inertes estas deben ser tratados de forma que superficialmente se generen grupos funcionales que promueven la buena unin qumica con la matriz polimrica.

Los tratamientos de superficie en este caso tambin aumentan la creacin de microporos o huecos en la superficie de la ya porosa de la fibra de carbono; este aumento de la superficie proporciona un mayor nmero de puntos de contacto para la unin de fibra y la matriz. Tratamientos de superficie comercial es para las fibras de carbono son de dos tipos, oxidativo y no oxidativo

Los tratamientos de superficie oxidativo producen grupos funcionales de cidos (carboxlicos, hidroxlicos entre otros) sobre la superficie de la fibra de carbono. Este tratamiento puede ser realizado en un gas (aire, oxgeno, dixido de carbono, ozono, etc.) o en un lquido (como el cido ntrico, hipoclorito de sodio, etc.).

TSPFCLa oxidacin en fase gaseosa se lleva a cabo alrededor de los 250C. La oxidacin a altas temperaturas causa excesiva picaduras en la superficie de la fibra de carbono y reduce la resistencia de la fibra.

El cido ntrico es el lquido ms comn usado para la oxidacin en fase lquida. La eficacia del tratamiento de superficie depende en este caso de la concentracin del cido, el tiempo de tratamiento, y la temperatura , as como el tipo de fibra.

Varios tratamientos de superficie no oxidativa se han desarrollado para fibras de carbono. Estos tratamientos de superficie la fibra de carbono est recubierta con un polmero orgnico que tiene grupos funcionales capaces de reaccionar con la matriz de resina.

Ejemplos de recubrimientos de polmeros son copolmeros de estireno-anhidrdo maleico, entre otros.

El mtodo preferido de cubrir la superficie de la fibra es electropolimerizacin, en la que las fibras de carbono se utilizan como uno de los electrodos en una solucin cida de monomeros o mezclas de monmeros. Mejores resultados se obtienen si la superficie de la fibra de carbono se oxida antes del proceso de recubrimiento.

TRATAMIENTO PARA FIBRAS DE KEVLAR14TSPKSimilares a la fibra de carbono, las fibras de kevlar tambin sufren de adhesin interfacial dbil con la mayora de las resinas. Dos mtodos han tenido xito en mejorar la adhesin interfacial de kevlar 49 con resina epxica [7]:Oxidacin de la superficie del filamento o ataque por plasma.

Formacin de grupos reactivos , tales como las aminas (-NH2), sobre la superficie de la fibra. Estos grupos reactivos forman enlaces covalentes con los grupos epxido a travs de la interfase.RELLENOS Y OTROS ADITIVOS16RellenosSe aaden rellenos a una matriz polimrica por uno o ms de las siguientes razones:

1. Reducir costos (ya que la mayora de rellenos son mucho mas baratos que la matriz de resina)2. Aumentar mdulo.3. Reducir la contraccin del moldeo.4. Control de la viscosidad.5. Producir una superficie ms lisa.RellenosEl relleno ms comn para resinas de polister y vinilster es el carbonato de calcio (CaCO3), que se utiliza para reducir costos , asi como para disminuir la contraccin en el molde

Ejemplos de otros rellenos son los de arcillas , mica y microesferas de vidrio (slidos o huecas). A pesar de que los rellenos aumentan el mdulo de una matriz no reforzada, tienden a reducir su resistencia ala traccion y resistencia al impacto18PRE-IMPREGNADOS19Pre-impregnadosSe trata de finas lminas de fibras impregnadas con cantidades predeterminadas de matriz polimrica uniformemente distribuda.

Las fibras pueden ser en forma de mechas (rovings) continuas, estera (mat) o tela tejida (woven). La resina epxica es el material principal de la matriz en lminas impregnadas , aunque otros termoestables y polmeros termoplsticos tambien se han utilizado.El ancho de las lminas impregnada puede variar desde 25mm (1 pulg) a ms de 457 mm (18 pulg). Lminas ms anchas se denominan broadgoods.

El grosor de una capa curada de lminas pre-impregnadas est normalmente en el rango de 0.13 a 0.25 mm (0.005-0.01 pulgadas).

El contenido de resina en preimpregnados disponibles en el mercado es de entre 30% y 45% en peso.

CANTIDAD DE FIBRA Y VACIOS / DENSIDAD21Fraccin en volumenLos clculos tericos para la resistencia en traccin, mdulo, y otras propiedades de un compuesto reforzado con fibras se basan en la fraccin de volumen de fibras; aunque experimentalmente, es ms fcil para determinar la fraccin en peso de fibra (wf) , y a partir de all la fraccin en volumen de la fibra (vf) y la densidad del compuesto (c) de la siguiente manera:

DensidadEn trminos de fracciones de volumen, la densidad de compuesto (c)puede ser escrito como :

La fraccin en peso de la fibra puede ser determinada experimentalmente ya sea por el mtodo de prdida de peso por calor (ASTM D2854) o el mtodo de disolucion de la matriz (ASTM D3171). El mtodo de la prdida por calor se utiliza para PMC que contienen fibras que no pierden peso a altas temperaturas, tales como las fibras de vidrio. En este mtodo, se toma una pequea muestra de la resina curada y se lo somete a un horno a temperaturas entre 500C-600C. En el mtodo de disolucion de la matriz, esta (ya sea polimricos o metlicos) es disuelto en un medio lquido adecuado, como el cido ntrico concentrado. En ambos casos, la fraccin en peso se determina mediante la comparacin de los pesos de la muestra antes y despus de la separacin de la fibra de la matriz. Para los compuestos que contienen fibras unidireccionales que son conductoras elctricas (como el carbono) que se encuentran en un no conductor como matriz, la fraccin de volumen de fibra se determina directamente mediante la comparacin de la resistividad elctrica con respecto a los componentes de las fibras (ASTM D3355).

VaciosEl aire atrapado en un laminado se encuentra como vacios, que pueden afectar considerablemente a algunas de sus propiedades mecnicas.

Un alto contenido de vacios (ms del 2% en volumen) por lo general conduce a una menor resistencia a la fatiga, una mayor susceptibilidad a la difusin del agua, y una mayor variacin en las propiedades mecnicas.

El contenido de vaco en un laminado compuesto puede estimarse mediante la comparacin de la densidad terica con su densidad real:

Donde:Vv : fraccin en volumen de huecosc : la densidad terica : la densidad real, es medida experimentalmente tomando muestras del compuesto

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