Desarrollo de materiales nanocompuestos poliméricos de bajo coste con prestaciones mecánicas mejoradas

Presentación oral en XXXIII Reunión Bienal de la real Sociedad Española de Física (2011).

 C. Manteca, A. Yedra y J. González

 Resumen:

El empleo de materiales compuestos poliméricos (composites) se ha incrementado rápidamente en todo el mundo, debido a que aportan importantes ventajas frente al uso de materiales tradicionales, como los metales, consiguiéndose mediante su formulación mejores propiedades específicas a la medida de la aplicación. Inicialmente su uso fue en sectores tecnológicamente punteros como la aeronáutica, aunque el avance tecnológico y la disminución de costes de producción han provocado que en la actualidad su demanda venga de otros sectores como la construcción, energías renovables, automoción, deporte, naval, etc. En todos los casos existen retos/necesidades de reducir peso, tener un buen comportamiento frente ambientes agresivos y poseer altas prestaciones para garantizar su correcto funcionamiento en aplicaciones cada vez más exigentes.

El objetivo del presente trabajo ha sido desarrollar materiales compuestos termoestables multiescalares con propiedades mecánicas mejoradas, los cuales combinan refuerzos tradicionales como son las fibras de vidrio junto con nanorefuerzos consistentes en nanoestructuras carbonosas, principalmente nanotubos de carbono multipared (MWCNT’s), aunque también se han empleado nanofibras de carbono (CNF’s), y nanoestructruras de carbono procedentes del reciclado de neumáticos. Los MWCNT’s y CNF’s presentan un gran potencial como materiales de refuerzo en polímeros, ya que poseen unas únicas y excelentes propiedades mecánicas, térmicas y eléctricas, a un coste razonable y se encuentran a nivel comercial en cantidades suficientes para uso industrial. Como matriz polimérica se ha empleado resina de poliéster. Estos materiales compuestos poliméricos de bajo coste con prestaciones mecánicas mejoradas con nano-refuerzos abrirán nuevas oportunidades de negocio en aplicaciones estructurales: ingeniería civil, industria del transporte, etc.

 El principal reto de este trabajo ha sido conseguir la transferencia de las excelentes propiedades de las MWCNT’s a la matriz polimérica de la manera más eficiente posible. Ello implica dispersar uniformemente los nanorefuerzos de manera individual dentro de la matriz, evitando la presencia de aglomerados. Para ello se ha estudiado e implementado una técnica avanzada de dispersión de fuerzas de alta cizalla llamada molienda de tres rodillos (Three Roll Mills), y en algunos casos los nanorefuerzos han sido sometidos a un tratamiento químico previo para facilitar su dispersión.

Por otro lado, se ha realizado una novedosa y detallada caracterización cualitativa y cuantitativa del grado de dispersión sobre las muestras mediante diferentes técnicas: la viscosimetría, la espectroscopía RAMAN Confocal y microscopía de fuerza atómica (AFM). Finalmente se realizó una caracterización mecánica de las probetas desarrolladas.

Con la técnica molienda de tres rodillos se han obtenido altos grados de dispersión de los nano-refuerzos en la matriz polimérica, siendo las proporciones empleadas de estos muy bajas: desde 0.1% hasta 1 % en peso de MWCNT’s, obteniéndose buenos resultados con un 0.1% en peso. Además es un proceso relativamente sencillo, robusto y de fácil implantación industrial.

Desde el punto de vista mecánico se han mejorado las prestaciones de los prototipos desarrollados respecto al control (sin nanorefuerzos). Dependiendo del contenido en MWCNT’s/CNF’s y los parámetros del proceso de dispersión empleados, estas mejoras pueden llegar a ser hasta un 13% en tensión de rotura (s ) y un 15% en el módulo de Young (E), en ensayos de tracción, y un 26% en s y un 84 % en E para ensayos de flexión.