Compuesto de matriz polimérica

Las resinas termoestables requieren la adición de un agente de curado o endurecedor y la impregnación sobre un material de refuerzo, seguida de una etapa de curado para producir una pieza curada o acabada. Una vez curada, la pieza no se puede modificar ni reformar, excepto para el acabado. Algunas de las resinas termoestables más comunes incluyen epoxi , poliuretanos , resinas fenólicas y amino, bismaleimidas (BMI, poliimidas) y poliamidas . ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

De estos, los epoxis son los más utilizados en la industria. Las resinas epoxi se emplean en la industria estadounidense desde hace más de 40 años. Los compuestos epoxi también se conocen como compuestos glicidílicos. La molécula de epoxi puede expandirse o reticularse con otras moléculas para formar una amplia variedad de productos de resina, cada uno con características de rendimiento distintas. Estas resinas abarcan desde líquidos de baja viscosidad hasta sólidos de alto peso molecular. Generalmente son líquidos de alta viscosidad.

El segundo ingrediente esencial de un sistema de composite avanzado es el agente de curado o endurecedor. Estos compuestos son muy importantes porque controlan la velocidad de reacción y determinan las características de rendimiento de la pieza terminada. Dado que estos compuestos actúan como catalizadores de la reacción, deben contener sitios activos en sus moléculas. Algunos de los agentes de curado más utilizados en la industria de los composites avanzados son las aminas aromáticas. Dos de las más comunes son la metilendianilina (MDA) y la sulfonildianilina (DDS). Los composites de matriz SiC-SiC son una matriz cerámica de alta temperatura procesada a partir de polímeros precerámicos (precursores poliméricos de SiC) para infiltrar una preforma fibrosa y crear una matriz de SiC. ^{[ 6 ]}

En la industria de los compuestos avanzados también se utilizan otros tipos de agentes de curado. Estos incluyen aminas alifáticas y cicloalifáticas, poliaminoamidas, amidas y anhídridos. Nuevamente, la elección del agente de curado depende de las características de curado y rendimiento deseadas para la pieza terminada. Los poliuretanos son otro grupo de resinas utilizadas en los procesos de compuestos avanzados. Estos compuestos se forman mediante la reacción del componente poliol con un compuesto isocianato, típicamente diisocianato de tolueno (TDI); el diisocianato de metileno (MDI) y el diisocianato de hexametileno (HDI) también se utilizan ampliamente. Las resinas fenólicas y amino son otro grupo de resinas PMC. Las bismaleimidas y las poliamidas son relativamente nuevas en la industria de los compuestos avanzados y no se han estudiado con la misma profundidad que las otras resinas. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

Actualmente, los termoplásticos representan una parte relativamente pequeña de la industria de materiales compuestos de matriz polimérica (PMC). Suelen suministrarse como sólidos no reactivos (no se produce ninguna reacción química durante el procesamiento) y solo requieren calor y presión para dar forma a la pieza final. A diferencia de los termoestables, los termoplásticos generalmente se pueden recalentar y reformar para obtener otra forma, si se desea. ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]}

Los PMC reforzados con fibra contienen aproximadamente un 60 % de fibra de refuerzo en volumen. Las fibras que se encuentran y utilizan comúnmente en los PMC incluyen fibra de vidrio, grafito y aramida. La fibra de vidrio tiene una rigidez relativamente baja, pero a la vez presenta una resistencia a la tracción competitiva en comparación con otras fibras. El costo de la fibra de vidrio también es considerablemente menor que el de otras fibras, razón por la cual es una de las fibras más utilizadas. ^{[ 1 ]} Las fibras de refuerzo tienen sus mayores propiedades mecánicas a lo largo de su longitud, en lugar de a lo ancho. Por lo tanto, las fibras de refuerzo pueden disponerse y orientarse en diferentes formas y direcciones para proporcionar diferentes propiedades físicas y ventajas según la aplicación. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Nanotubos de carbono

A diferencia de los PMC reforzados con fibras, los PMC reforzados con nanomateriales pueden lograr mejoras significativas en las propiedades mecánicas con cargas mucho menores (menos del 2 % en volumen). ^{[ 9 ]} Los nanotubos de carbono, en particular, han sido estudiados intensamente debido a sus excepcionales propiedades mecánicas intrínsecas y bajas densidades. En particular, los nanotubos de carbono tienen algunas de las rigideces y resistencias a la tracción medidas más altas de cualquier material debido a los fuertes enlaces covalentes sp ² entre los átomos de carbono. Sin embargo, para aprovechar las excepcionales propiedades mecánicas de los nanotubos, la transferencia de carga entre los nanotubos y la matriz debe ser muy grande.

Al igual que en los compuestos reforzados con fibras, la dispersión del tamaño de los nanotubos de carbono afecta significativamente las propiedades finales del compuesto. Los estudios de tensión-deformación de nanotubos de carbono de pared simple en una matriz de polietileno mediante dinámica molecular mostraron que los nanotubos de carbono largos conducen a un aumento en la rigidez y resistencia a la tracción debido a la transferencia de tensión a gran distancia y la prevención de la propagación de grietas. Por otro lado, los nanotubos de carbono cortos no conducen a ninguna mejora de las propiedades sin ninguna adhesión interfacial. ^{[ 10 ]} Sin embargo, una vez modificados, los nanotubos de carbono cortos pueden mejorar aún más la rigidez del compuesto, aunque todavía hay muy poca contención de la propagación de grietas. ^{[ 11 ]} En general, los nanotubos de carbono largos y de alta relación de aspecto conducen a una mayor mejora de las propiedades mecánicas, pero son más difíciles de procesar.

Además del tamaño, la interfaz entre los nanotubos de carbono y la matriz polimérica es de excepcional importancia. Para lograr una mejor transferencia de carga, se han utilizado diversos métodos para mejorar la unión de los nanotubos de carbono a la matriz mediante la funcionalización de la superficie del nanotubo con varios polímeros. Estos métodos se pueden dividir en estrategias no covalentes y covalentes. La modificación no covalente de los CNT implica la adsorción o el recubrimiento de polímeros a la superficie del nanotubo, generalmente a través de interacciones de van der Waals o de apilamiento π . En cambio, la funcionalización covalente implica la unión directa al nanotubo de carbono. Esto se puede lograr de varias maneras, como oxidando la superficie del nanotubo y reaccionando con el sitio oxigenado, o utilizando un radical libre para reaccionar directamente con la red del nanotubo de carbono. ^{[ 12 ]} La funcionalización covalente se puede utilizar para unir directamente el polímero al nanotubo de carbono, o para agregar una molécula iniciadora que luego se puede utilizar para reacciones posteriores.

La síntesis de PMC reforzados con nanotubos de carbono depende de la elección de la matriz y la funcionalización de los nanotubos de carbono. ^{[ 13 ]} Para polímeros termoestables, se utiliza el procesamiento en solución, donde el polímero y los nanotubos se colocan en un disolvente orgánico. La mezcla se somete a sonicación y se mezcla hasta que los nanotubos se dispersan uniformemente, y luego se moldea. Si bien este método es ampliamente utilizado, la sonicación puede dañar los nanotubos de carbono, el polímero debe ser soluble en el disolvente elegido y la velocidad de evaporación a menudo puede generar estructuras indeseables como haces de nanotubos o huecos en el polímero. Para polímeros termoplásticos, se puede utilizar el procesamiento en fusión, donde el nanotubo se mezcla con el polímero fundido y luego se enfría. Sin embargo, este método no tolera una alta carga de nanotubos de carbono debido al aumento de la viscosidad. La polimerización in situ se puede utilizar para polímeros que no son compatibles con disolventes o calor. En este método, los nanotubos se mezclan con el monómero, que luego reacciona para formar la matriz polimérica. Este método puede dar lugar a una transferencia de carga especialmente buena si los monómeros también están unidos a la superficie del nanotubo de carbono.

Grafeno

Al igual que los nanotubos de carbono, el grafeno prístino también posee propiedades mecánicas excepcionalmente buenas. Los compuestos poliméricos de grafeno (PMC) se procesan típicamente de la misma manera que los PMC de nanotubos de carbono, utilizando procesamiento en solución, procesamiento en fusión o polimerización in situ. Si bien las propiedades mecánicas de los PMC de grafeno suelen ser peores que las de sus equivalentes de nanotubos de carbono, el óxido de grafeno es mucho más fácil de funcionalizar debido a los defectos inherentes presentes. Además, los compuestos poliméricos de grafeno 3D muestran cierto potencial para la mejora isotrópica de las propiedades mecánicas. ^{[ 14 ]}