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Determinación de la absorción de humedad de materiales compuestos

18 mayo 2009

La compactación y polimerización de la matriz en la fabricación de elementos de material compuesto suponen un paso controlante en la calidad de la pieza. Aun así la absorción de humedad por parte de este tipo de materiales hace que sea necesario establecer un ensayo para medir esa tendencia. No debemos olvidar que estamos tratando con un material no continuo y heterogéneo; cuya matriz polimérica posee avidez por absorber la humedad del ambiente.

camara climatica

Objetivos

La normativa aeronáutica establece un ensayo (septiembre de 1990) para la determinación del carácter absorbente de los materiales compuestos mediante la fabricación de unas probetas y una estancia en cámara climática persiguiendo los siguientes puntos: 

  • Humedad absorbida en función del tiempo
  • Contenido en humedad en equilibrio según la atmósfera

 

Equipo

Los equipos necesarios para la realización de este ensayo son:

  • Cámara climática automatizada
  • Baño con regulación de temperatura (opcional)
  • Estufa para secado con control de temperatura constante
  • Desecador
  • Balanza y calibre

 

Probetas

Las probetas podrán ser fabricadas con unidireccional (cinta) o tejido. En cualquier caso constituiremos el laminado con la dirección preferente de cada capa en la misma dirección y respetando la tolerancia de ±1º de desviación.

Se fabricarán tres probetas planas de 75×75 mm y de espesor igual a 2 ±0.2 mm de tal manera que el número de telas necesarias para conseguir dicho espesor se deja en función del valor nominal de cada capa según norma. Siempre diferenciaremos las probetas de carbono, vidrio o aramida para tener en cuenta su volumen en fibra. Por último, el ciclo de curado será el necesario según la resina del material preimpregnado.

 

Método

Secado

Comenzaremos por obtener el peso de referencia (Po). Para ello deberemos asegurarnos que están secas y para ello procederemos a eliminar la posible humedad que puedan haber captado desde su fabricación. Limpiaremos las caras externas con alcohol isopropílico, las pesaremos en la balanza y comprobaremos las dimensiones con el calibre. Se introducen en la estufa a 70ºC garantizando la máxima superficie de exposición de las probetas. Cada 168º se deberán pesar las probetas. Previamente se dejarán en el desecador hasta que alcancen la temperatura ambiente cada vez que se extraigan de la estufa.

Se considera que la probeta a perdido toda la humedad cuando tras tres medidas consecutivas de su masa, la diferencia es menor de 0.3 mg/g de probeta. El valor del peso Po será el último valor registrado.

 

Exposición a atmósfera húmeda

Las condiciones de humedad (%) y temperatura (ºC) a programar en la cámara climática se pueden tomar de la tabla siguiente o se podrán escoger valores cualesquiera de humedad y temperatura.

 

Método A:      70%     70 ºC

Método B:      85%     70 ºC

Método C:      90%     80 ºC

Método D:      95%     60 ºC

Método E:      95%     70 ºC

Método F:       95%     80 ºC

Método G:      100%   70 ºC

(Método G: Inmersión en agua utilizando el baño termorregulable)

 

Como norma general, siempre garantizaremos, como máximo, el contacto puntual entre las probetas y los útiles para garantizar una máxima superficie de exposición.

Una vez introducidas en la cámara climática, estableceremos una pauta para registrar la absorción en función del tiempo: Se pesarán las probetas, previa aclimatación en el desecador cada:

  • 24 h durante las 120 primeras horas del ensayo
  • 72 h durante las siguientes 408 horas
  • 168 h a partir de este momento y hasta la finalización del ensayo

Se dará por finalizado cuando la diferencia entre tres pesadas consecutivas, realizadas cada 168 h, sea menor de 0.3 mg/g de probeta. Si pasados 6 meses no se alcanza dicho requerimiento el ensayo se dará, igualmente, por finalizado.

 

Análisis de Resultados

Humedad absorbida en función del tiempo

El cálculo es sencillo de realizar. No hay más que obtener el porcentaje de aumento de masa de cada probeta reverenciándolo al peso Po:

Mt=(Pt/Po-1)*100 ;

Con los puntos obtenidos podremos realizar una gráfica y una curva de interpolación usando valores medios de las tres probetas ensayadas.

Contenido de humedad en equilibrio

            Se determinará el valor M∞ del material promediando los valores de Mt correspondiente a las últimas tres pesadas. Calcularemos también la desviación típica (σ). De esta manera la humedad en equilibrio será:

M∞  ± 2σ

 

En el caso de que el ensayo se haya detenido después de 4300 h sin haberse estabilizado, se tendrán en cuenta los valores correspondientes a la última pesada de las tres probetas.

En cualquiera de los casos anteriores y siempre que el laminado no sea de aramida, el contenido de equilibrio se podrá expresar referido a un contenido en resina del 40% v/v según la expresión:

 

Cálculo general de Absorción de Humedad de Materiales Compuestos

 

Si se realiza este cálculo, se deberá indicar en el informe expresamente.

 

Para terminar este apartado, debemos tener en cuenta que la fibra de aramida sufre un proceso de hidratación igual que la resina, por ello este último cálculo normalizado no es válido para este tipo de laminados.

+info: Norma I+D-E-239

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