Anàlisi de l'envelliment dels compòsits

2023/12/05 Rubén Seoane Rivero - seoane@gaiker.esGAIKER (BRTA), Konposite Jasangarriak eta Polimero Funtzionalak Saila | Koldo Gondra Zubieta - gondra@gaiker.esGAIKER (BRTA), Konposite Jasangarriak eta Polimero Funtzionalak Saila Iturria: Elhuyar aldizkaria

• Materialak

Els materials composts presenten característiques molt interessants: baixa densitat, sota cost de producció, propietats mecàniques específiques, resistència a la corrosió, estabilitat dimensional enfront d'agents químics o físics i bons aïllants elèctrics i magnètics[1,2,3,4]. Es poden trobar en diversos sectors, però cal destacar que en el mercat europeu el sector de la construcció és el que major percentatge de producció presenta, ja que el percentatge de producció de materials compòsits en aquest sector s'ha duplicat des dels anys 90 [5] fins a l'actualitat [6]. En el sector del transport també destaca l'alt percentatge de producció, que inclou àrees com l'automoció i l'aeronàutica.

En aquest article s'analitza el comportament mecànic dels compòsits reforçats amb fibra de vidre BMC (Bulk Moulding Compounds) i la qualitat estètica de la superfície del material en condicions que poden produir-se en entorns corrosius o a l'aire lliure. En els últims anys, l'ús de BMC en aplicacions externes ha adquirit especial rellevància, per la qual cosa és necessari conèixer la influència dels factors ambientals i, en concret, la influència de la radiació UV procedent de la llum solar, la humitat o l'exposició a substàncies corrosives.

Per a analitzar les propietats dels BMC s'han fabricat diferents formulacions de materials, variant alguns dels seus components: resina, additiu termoplàstic, farcit i pigment.El material s'ha conformat pel mètode d'emmotllament per compressió. S'han mecanitzat provetes d'assaig per a assajos de flexió, tracció, color i lluentor. Els resultats obtinguts han estat tractats estadísticament pel mètode ANOVA utilitzant el programari Minitab 9.1. Aquesta anàlisi estadística ha permès extreure conclusions sobre la relació entre els components de BMC i les característiques mecàniques i estètiques del material, així com detectar possibles interaccions entre els components de BMC.

En total s'han analitzat 32 formulacions diferents amb 4 resines diferents (ortoftálica, vinilester, maleica i isoftálica), dos additius (poliestirè i acetat de polivinil), dos farciments (alúmina hidratada i carbonat càlcic) i, finalment, dos tipus de pigments (diòxid de titani). Aquestes matèries primeres han estat subministrades per socis industrials i els acords de confidencialitat impedeixen conèixer la composició exacta d'aquests components.

Els tractaments d'envelliment realitzats s'han basat en la normativa UNEIX; tractaments químics UNEIX 53316:2012 i exposició a radiació UV UNEIX EN ISO 4892-3: Realitzades segons la norma 2016. En el cas de les propietats mecàniques s'han realitzat assajos de flexió (ISO 14125:1998/A1: 2011), assajos de tracció (UNE-EN ISO 527-4: 1997), Assajos de duresa Barcol (UNEIX 53270), mesuraments de color (UNEIX EN ISO 11664-1: 2011), mesures de lluentor (UNE-EN ISO 2813:1999) i contingut de farciment de compostos (UNEIX EN ISO 1172).

La Figura 1 mostra clarament que el tipus de resina és el factor més determinant en les variacions del mòdul mitjà de flexió. Destaca el baix valor de la resina isoftálica (uns 7 PG) i l'alt valor de la resina vinilester (superior a 9 PG). Aquests resultats es basen en la informació facilitada per altres autors, que també mostren el mateix ordre en els valors del mòdul de flexió (però en diferent magnitud) entre resines isoftálicas, ortoftálicas i vinilester [6].

Quant al mòdul de tracció, la resina maleica presenta una rigidesa molt major que la resta de resines (superior a 10 PG), tal com s'aprecia en la Figura 1. Aquesta diferència de resistència a la tracció entre resines ortoftálicas i isoftálicas ha estat comunicada per altres autors [7].

A més, es posa de manifest la importància del tipus de resina en els valors de duresa i, en menor mesura, en els tipus de càrrega i additius. La resina maleica proporciona els valors de duresa Barcol més elevats (més de 45), mentre que la resina isoftálica té un valor de duresa d'aproximadament 36 Barcol, la qual cosa la converteix en una resina més tova. Se sap que la resina de vinilester, en ser híbrida entre polièster i epoxi, té valors superiors a les resines ortoftálicas i isoftalicas6. Quant als farciments, l'alúmina presenta valors de duresa superiors als obtinguts amb carbonat càlcic. S'esperaven aquests resultats perquè el carbonat càlcic és un material tou [8]. El tipus d'additiu també afecta als resultats de duresa Barcol, ja que amb PVAc s'obtenen millors resultats.

D'altra banda, com s'espera, l'envelliment àcid redueix les propietats mecàniques del material, sobretot després de l'expansió d'ions H+ en solució àcida cap a la superfície de la fibra de vidre [9]. Les resines, càrregues, additius i reforços contenen una gran quantitat d'elements solubles en àcid sulfúric que, en entrar en contacte amb ell, poden lixiviarse i alliberar-se de la matriu i provocar la degradació de la BMC. Pitjor exposició a l'àcid és el carbonat càlcic. No obstant això, el seu ús ofereix millors resultats de rigidesa. Malgrat l'agressió química, l'ús d'alúmina continua sent molt beneficiós per a la duresa del material, ja que s'ha obtingut una diferència en la unitat de duresa de 10 Barcol respecte al carbonat càlcic.

La radiació ultraviolada (UV) procedent de la llum solar o d'altres fonts pot provocar una degradació dels materials polimèrics, alterant el pes molecular i l'estructura reticular. Aquesta degradació o envelliment se sol atribuir al mecanisme de la fotooxidación. En cadenes polimèriques llargues, aquesta radiació provoca la ruptura dels enllaços carboni-carboni per a formar vinil, metil i aldehid, donant al material un color groguenc [10].

El principal efecte de la radiació UV és la foscor de la superfície dels compòsits, encara que en la majoria dels casos la radiació llarga produeix una alteració de les propietats mecàniques[11,12]. En el cas del canvi de color, hi ha dos factors que influeixen especialment en els resultats: el tipus de resina i el tipus de farciment. Cal destacar que la resina ortoftálica és la menys nociva per la degradació UV, encara que també destaca la bona resposta de les resines maleiques i isoftálicas a la radiació UV. Quant als farciments, el carbonat càlcic és menys perjudicial que l'alúmina.

Quant a la lluentor, l'únic factor significatiu després de l'exposició als raigs UV és el tipus de resina. En aquest cas, les resines maléicas i isoftálicas són les més danyades estèticament[13]. La influència de la radiació UV en les formulacions BMC es mostra en la Figura 2.

En aquest article s'analitzen les principals propietats mecàniques i estètiques dels compòsits BMC després de l'envelliment químic i les radiacions UV. Algunes de les conclusions obtingudes en aquest estudi són:

• La resina vinilester té millors propietats mecàniques que les resines ortoftálicas i isoftálicas.
• El farciment d'alumini és més adequat que el de carbonat càlcic per a aplicacions que requereixen una rigidesa i duresa elevades respecte a la flexió.
• Els valors de duresa més elevats s'obtenen amb resina maléica, suplement d'acetat de polivinil i alúmina de farciment.
• Quant als aspectes estètics (color i lluentor), en general s'observa que els atacs afecten menys les resines ortoftalálicas que a la resina vinilester.

Finalment, cal destacar que el treball realitzat és una excel·lent anàlisi per a un ampli ventall d'aplicacions que permet seleccionar la millor formulació BMC per a recobriments protectors per als sectors d'automoció, electricitat i construcció, entre altres.

 

Bibliografia

1 Rosca, V.N., Abdulrahman, A.S., Zubairu, P.T., Isezuo, S.L., Abdulrahman, M.A. i Onuoha, D. C. 2014. “Prospects and Challenges of Compòsits in a Developing Country”. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences.9. 1070-1075.

2 López, F.S., Ferrer, C., Salvador, M.D. i Amic, V. 2002. “Flexural Characteristics of Sunlight-Aged Polyester Compòsits: Influence of Processing Protectors”. Journal of Testing and Evaluation. 30. 20-26.

3 Ilhan, R. i Feyzullahoglu, E. 2021. “Investigation of adhesive wear properties of glass fiber reinforced polyester compòsits having different chemical compositions”. Journal of Engineering Tribology. 236. 156-173.

4 Winkler, M. 1990. “automotivi Under-the-Hood Applications in Vinyl Ester Resin SMC/BMC”. Journal of Materials and Manufacturing. 99. 675-690.

5 Witten, E. i Mathes, V. 2020. The Market for Glass Fibre Reinforced Plastics (GRP) in 2020: Market developments, trends, outlook i challenges. AVC.

6 en Zweb, C.H. i Beaumont, P. 2017. “Comprehensive Compòsit Materials II”. 2. 360-400

7 Middleton, B. 2015 “Design and Manufacturi of Plastic Components for Multifunctionality”. William Andrew. 1. 53-101.

8 Miravete, A. – La seva Tecnologia i Desenvolupaments Recents”. Miravete. March 2019. Vol.1. p.12-26.

9 Sahin, Ö.S., Akdemir, A., Avci, A. i Gemi, L. 2008. “Fatigui Crack Growth Behavior of Filament Wound Compòsit Pipes in Corrosive Environment”. Journal of Reinforced Plastics and Compòsits. 28. 2957-2970

10 Segòvia, F., Ferrer, C., Salvador, M.D. i Amigó, V. 2000. “Influence of processing on mechanical characteristics of sunlight aged polyester-glass fibre compòsits”. Polymer Degradation and Stability.71.179-184.

11 Peters, S.T. 2018. “Handbook of Compòsits”. Springer, Boston, DT.... 2.

12 Barczewski, M. i Matykiewicz, D. 2016. “Application of waste bulk moulded compòsit (BMC) as a filler for isotactic polypropylene compòsits” J. Adv. Cap de bestiar. 7. 373-380.

13 Matykiewicz, D. i Barczewski, M. 2015 “Morphology and thermomechanical properties of epoxi compòsits highly filled with waste bulk molding compounds (BMC)” J. Polym. Eng. 35, 805-811.