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Materiales Compuestos de Matriz Termoplástica: Estructura Química y Propiedades

10 agosto 2009

Los termoplásticos, son materiales poliméricos orgánicos formados por grandes moléculas lineales que se pueden deformar hasta conseguir la forma deseada y poseen facilidad para fluir en un molde con gran cantidad de obstáculos, en concreto las resinas termoplásticas. Se caracterizan por una alta relación resistencia/densidad unas propiedades excelentes para el aislamiento térmico y eléctrico y gran resistencia a los ácidos, disolventes y álcalis. Su estructura final se caracteriza por tener grandes moléculas lineales ramificadas que le dan la característica de la cristalinidad.

En todas las descripciones iniciales de los polímeros termoplásticos se incluyen dos lineas principales de descripción: la linealidad del polímero y  la capacidad para el reprocesado. Estas dos características tienen una gran importanca a la hora de determinar la capacidad de utilización de las resinas termoplásticas como matriz en un composite. La linealidad influye en su comportamiento reológico y de solubilidad y deben tenerse en cuenta a la hora de utilizar estas resinas junto con un refuerzo de fibras tanto de carbono como de vidrio. También, para aplicaciones aeroespaciales, son necesarias diversas modificaciones estructurales y de fabricación para que la resina resista los distintos solventes como el fluido hidraúlico, combustible y el cloruro de metileno utilizado en la imprimación. Para poder definir el polímero vamos a fijarnos en las propiedades de cristalinidad y capacidad de mezcla.

  • Cristalinidad

La forma más efectiva de obtener una resistencia mecánica y a los solventes es la de establecer una cristalinidad, un orden estructural, en la estructura molecular del polímero. Las fuerzas moleculares que se derivan de la cristalinidad del polímero compensan  la resistencia de los líquidos al difundirse en la matriz. Establecer el control de la cristalinidad también es importante ya que esta afecta profundamente al módulo de la matriz. Consecuentemente, los tiempos de solidificación afectan al grado de cristalinidad, la cual es función del tiempo de organización del polímero en la repitividad de la estructura cristalina.

Si un polímero es enfriado rápidamente, la viscosidad de la mezcla aumenta rápidamente y la movilidad de las cadenas decrece de tal forma que no se obtiene una gran organización interna de estas dentro del polímero no obteniéndose una gran cristalinidad. Sin embargo, realizando un enfriamiento lento, ocurre lo contrario, consiguiendose una alta cristalinidad ya que a las cadenas le ha dado tiempo a organizarse obteniendo una estructura ordenada. La importancia de esta propiedad en la resina termoplástica es clara: el rango de enfriamiento es crítico y todos los factores que afecten al rango de enfriamiento son importantes, como el espesor del composite.

Si la molécula de termoplástico es lineal se produce un incremento de la alongación después de la rotura. Las moléculas tienden a desenmarañarse, orientarse y cristalinizar. Además, existe una gran área debajo de la curva tensión-deformación la cual es función del trabajo necesario para el fallo. En otras palabras: las moléculas de termoplásticos son más resistentes que las rígidas de los termoestables. La elongación de las resinas termoplásticas que aquí se analizan, ver figura, son consideradas para matrices de composites con un rango de elongación entre un 30 y 100%, comparados con el 1 al 2% de las resinas termoestables.

Dibujo

La elongación y la resistencia se modifican según el grado de cristalnidad del polímero. Con un alto grado de cristalinidad, se consigue un módulo alto y una mayor resistencia a la difusión de líquidos dentro de la matriz.

Gracias a las propiedades de los termoplásticos, existen campos de gran interés relacionados con la linealidad de las moléculas de estos. Por ejemplo; estas moléculas lineales poseen memoria de la configuración de las cadenas en el estado de mezcla. Esto reduce el enredo de las cadenas de moléculas cuando se produzca el proceso de laminación. También muchos termoplásticos se fragilizan cuando son expuestos a la temperatura de transición vítrea, provocando zonas amorfas en la matriz, creando fronteras entre zonas cristralinas y amorfas. Este proceso tienen dos consecuencias: posible aparición del creep en las zonas amorfas bajo carga y comienzo de microgrietas en las fronteras. Por lo tanto hay que tener un contro adecuado a la hora de determinar la temperatura de servicio e dichas resinas. Estas temperaturas límites son muy altas para la temperaturas de servicio de los composites, entre 150 y 250ºC.

  • Capacidad de mezcla

La integridad de la molécula lineal en el estado de mezcla esta sujeta a factores mecánicos y termales durante su fabricación. La cortadura, por ejemplo, puede romper las cadenas y reducir las propiedades de la resina. Similarmente, la exposición térmica degrada las propiedades del polímero. Materiales termoplásticos como el ABS, acrinonitrilo-butaieno-estireno y el policarbonato pierden sus buenas propiedades ante el impacto si son extruidos en la máquina de inyección cuando la barra está demasiado caliente o el tiempo de residencia en la cámara es demasiado largo.

Por lo tanto podemos resumir las capacidades de las resinas termoplásticas en los siguientes puntos:

  • Alta resistencia debido a la capacidad de cristalización
  • Alta temperatura de servicio para composites
  • Procesos de fabricación cortos
  • Reprocesado para poder reparar defectos
  • Reciclado de resinas

One Comment leave one →
  1. Juan Pablo Gutierrez permalink
    9 febrero 2011 19:51

    Hola,

    felicidades por su blog! Estoy empezando un proyecto para la fabricacion de aglomerado de fibra de coco. Según lo que he leído las resinas más usadas para el aglomerado son fenólicas y escuché que un problema de las resinas es que “se avanzan” no se que quiera decir eso. Me podrían ayudar?

    Muchas gracias

    I.Q. Juan Pablo Gutiérrez Llerenas

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