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Estudio de la morfología interfacial en materiales compuestos de matriz epoxi modificada y fibras de vidrio

De
94 pages

Las resinas epoxi son ampliamente empleadas como matriz en materiales compuestos por sus buenas propiedades: elevada resistencia, módulo elástico, etc. pero su baja tenacidad ha limitado su uso. Existen diversas formas de aumentar la tenacidad de estas resinas sin modificar el resto de sus propiedades. Por ejemplo, una de las alternativas se basa en añadir un polímero termoplástico de modo que aumente la tenacidad la matriz termoestable sin afectar a otras propiedades de interés. Recientemente se ha estudiado el efecto que la naturaleza de la superficie de distintos tipos de fibras tienen en la morfología desarrollada en una resina epoxi modificada, encontrándose que la naturaleza de la superficie de fibra de vidrio influye en la distribución del agente modificador de la tenacidad. En este trabajo, se ha estudiado el efecto de la masa molecular de un polímero termoplástico en la morfología en una matriz epoxi reforzada con fibras de vidrio. Como termoplástico se ha utilizado el polimetacrilato de metilo (PMMA) de pesos moleculares: 34000, 65000, 76000 y 360000 g/mol. Como matriz, se ha empleado un sistema de tipo diepoxi-diamina basado en diglicidil eter de bisfenol A (DGEBA), y 1,5-diamino-2-metilpentano (MDAP). El análisis de la distribución de los dominios de polímero termoplástico formados después de la separación de fases se realizó estimando en diversas micrografías obtenidas por SEM. Para ello se calculó la densidad y densidad acumulada de estos dominios en sectores circulares en función de la distancia a la superficie de una fibra de vidrio. Con los datos obtenidos, se realizó una modelización mediante análisis de regresión no lineal a una función exponencial. La influencia del peso molecular del termoplástico PMMA en la densidad y la densidad acumulada se ha evaluado mediante análisis de varianza para los diferentes parámetros de las curvas modelizadas. El límite asintótico de la modelización exponencial fue mayor para los sistemas PMMA65-F y PMMA76-F con respecto al sistema PMMA34-F (P<0,05). En todos los sistemas este límite asintótico tiende al valor de la densidad de partículas de las matrices poliméricas sin fibras de vidrio de refuerzo. Los sistemas PMMA65-F y PMMA76-F, alcanzaron con mayor rapidez un valor estable respecto al sistema PMMA34-F pero estas diferencias no fueron significativas (P>0,1). En cuanto a la densidad acumulada se aprecia que el aumento de este parámetro al aumentar la distancia a la fibra de vidrio se produce de una forma más lenta y por tanto el límite asintótico se alcanza a una distancia mayor.-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Epoxy resins are widely used as matrixes in polymer composite materials due to their good properties such as high strength, elastic modulus, etc… however their low toughness resistance has limited their use in certain applications. There are several ways to increase the toughness of thermosetting polymers without affecting other properties such as thermal resistance. One of the most common alternatives is the addition of a thermoplastic polymer. Recently, the effect that the nature of the surface of various glass fibers on the morphology developed in a modified epoxy resin has been studied showing that the nature of the glass fiber surface affects the distribution of the domains of thermoplastic polymer. In this work the effect of the molecular weight of thermoplastic polymer in the final morphology of the ternary systems based on a modified epoxy matrix reinforced with glass fibers was studied. As thermoplastic polymer four polymethyl methacrylate (PMMA) of 34000, 65000, 76000 and 360000 g/mol were used. The thermoset matrix, used was a diepoxi-diamine system based on diglycidyl ether of bisphenol A (DGEBA) and 1,5-diamine -2-methylpentane (MDAP). Analysis of the distribution of the domains of thermoplastic polymer was carried out in various SEM micrographs estimating the density and cumulative density of PMMA rich domains in circular sectors, as a function of the distance from the surface of a glass fiber. The data were modeled using nonlinear regression analysis to an exponential function. The influence of molecular weight of PMMA thermoplastic on the density and cumulative density particles was examined by analysis of variance for the different parameters of the modeled curves. The asymptotic limits of exponential modeling was higher for systems PMMA76-F and PMMA65-F than for the system PMMA34-F (P<0,05). In all systems this limit asymptotically approaches the value of the particle density of the polymer matrix without glass fiber reinforcement. Systems PMMA-76 and PMMA-65, reached more rapidly a stable value compared to PMMA34-F system but this difference was not significant (P>0,1). As for the cumulative density, it shows that the increase of this parameter with increasing distance to the fiber glass is produced slower and therefore asymptotic limit is reached at greater distances.
Ingeniería Técnica en Mecánica
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PROYECTO FIN DE CARRERAINGENIERÍA TÉCNICA INDUSTRIAL MECÁNICA
  UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRIDESCUELA POLITÉCNICA SUPERIORDEPARTAMENTO DE CIENCIA E INGENIERÍA DEMATERIALES E INGENIERÍA QUÍMICA
  
   ESTUDIO DE LA MORFOLOGÍAINTERFACIAL EN MATERIALESCOMPUESTOS DE MATRIZ EPOXIMODIFICADA Y FIBRAS DE VIDRIO
  
Autor: José María Arroyo MartínezTutor: Dania Olmos Díaz  
Noviembre 2010 
RESUMEN
Las resinas epoxi son ampliamente empleadas como matriz en materialescompuestos por sus buenas propiedades: elevada resistencia, módulo elástico, etc.pero su baja tenacidad ha limitado su uso. Existen diversas formas de aumentar latenacidad de estas resinas sin modificar el resto de sus propiedades. Por ejemplo, unade las alternativas se basa en añadir un polímero termoplástico de modo que aumentela tenacidad la matriz termoestable sin afectar a otras propiedades de interés.Recientemente se ha estudiado el efecto que la naturaleza de la superficie de distintostipos de fibras tienen en la morfología desarrollada en una resina epoxi modificada,encontrándose que la naturaleza de la superficie de fibra de vidrio influye en ladistribución del agente modificador de la tenacidad.En este trabajo, se ha estudiado el efecto de la masa molecular de un polímerotermoplástico en la morfología en una matriz epoxi reforzada con fibras de vidrio.Como termoplástico se ha utilizado el polimetacrilato de metilo (PMMA) de pesosmoleculares: 34000, 65000, 76000 y 360000 g/mol. Como matriz, se ha empleado unsistema de tipo diepoxi-diamina basado en diglicidil eter de bisfenol A (DGEBA), y 1,5-diamino-2-metilpentano (MDAP).El análisis de la distribución de los dominios de polímero termoplásticoformados después de la separación de fases se realizó estimando en diversasmicrografías obtenidas por SEM. Para ello se calculó la densidad y densidadacumulada de estos dominios en sectores circulares en función de la distancia a lasuperficie de una fibra de vidrio. Con los datos obtenidos, se realizó una modelizaciónmediante análisis de regresión no lineal a una función exponencial. La influencia delpeso molecular del termoplástico PMMA en la densidad y la densidad acumulada seha evaluado mediante análisis de varianza para los diferentes parámetros de lascurvas modelizadas.El límite asintótico de la modelización exponencial fue mayor para los sistemasPMMA65-F y PMMA76-F con respecto al sistema PMMA34-F (P<0,05). En todos lossistemas este límite asintótico tiende al valor de la densidad de partículas de lasmatrices poliméricas sin fibras de vidrio de refuerzo. Los sistemas PMMA65-F yPMMA76-F, alcanzaron con mayor rapidez un valor estable respecto al sistemaPMMA34-F pero estas diferencias no fueron significativas (P>0,1). En cuanto a ladensidad acumulada se aprecia que el aumento de este parámetro al aumentar ladistancia a la fibra de vidrio se produce de una forma más lenta y por tanto el límiteasintótico se alcanza a una distancia mayor.
SUMMARYEpoxy resins are widely used as matrixes in polymer composite materialsdue to their good properties such as high strength, elastic modulus, etc howevertheir low toughness resistance has limited their use in certain applications. Thereare several ways to increase the toughness of thermosetting polymers withoutaffecting other properties such as thermal resistance. One of the most commonalternatives is the addition of a thermoplastic polymer. Recently, the effect that thenature of the surface of various glass fibers on the morphology developed in amodified epoxy resin has been studied showing that the nature of the glass fibersurface affects the distribution of the domains of thermoplastic polymer.
In this work the effect of the molecular weight of thermoplastic polymer inthe final morphology of the ternary systems based on a modified epoxy matrixreinforced with glass fibers was studied. As thermoplastic polymer four polymethylmethacrylate (PMMA) of 34000, 65000, 76000 and 360000 g/mol were used. Thethermoset matrix, used was a diepoxi-diamine system based on diglycidyl ether ofbisphenol A (DGEBA) and 1,5-diamine -2-methylpentane (MDAP).
Analysis of the distribution of the domains of thermoplastic polymer wascarried out in various SEM micrographs estimating the density and cumulativedensity of PMMA rich domains in circular sectors, as a function of the distance fromthe surface of a glass fiber. The data were modeled using nonlinear regressionanalysis to an exponential function. The influence of molecular weight of PMMAthermoplastic on the density and cumulative density particles was examined byanalysis of variance for the different parameters of the modeled curves.
The asymptotic limits of exponential modeling was higher for systemsPMMA76-F and PMMA65-F than for the system PMMA34-F (P<0,05). In allsystems this limit asymptotically approaches the value of the particle density of thepolymer matrix without glass fiber reinforcement. Systems PMMA-76 and PMMA-65, reached more rapidly a stable value compared to PMMA34-F system but thisdifference was not significant (P>0,1). As for the cumulative density, it shows thatthe increase of this parameter with increasing distance to the fiber glass isproduced slower and therefore asymptotic limit is reached at greater distances.
 
 
INDICE
1. Introducción y objetivos 1.1. Introducción 1.2. Objetivos2. FUNDAMENTOS 2.1. Materiales compuestos 2.1.1. Definición y clasificación 2.1.2. Refuerzos. Fibras de vidrio 2.1.3. Matrices. Las resinas epoxi 2.1.4. Interfase fibra-matriz 2.2. Sistemas epoxi modificados 2.2.1. Curado de resinas epoxi. Estudios cinéticos 2.2.2. Morfología en sistemas epoxi modificados 2.3. Espectroscopía Infrarroja. Generalidades y fundamentos 2.3.1. Seguimiento del curado mediante espectrocopía infrarroja portransformada de Fourier (FTIR). 2.4. Microscopia electrónica de barrido (SEM)3. Parte experimental 3.1. Materiales 3.1.1. Fibras de vidrio 3.1.2. Matriz polimérica 3.2. Preparación de muestras y caracterización 3.2.1. Calcinación superficial de las fibras de vidrio 3.2.2. Preparación del material compuesto 3.3. Seguimiento del curado del material compuesto por FTIR 3.4. Estimación del porcentaje de refuerzo en los materiales compuestos 3.5. Técnicas y métodos experimentales 3.5.1. Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) 3.5.2. Microscopía electrónica de barrido (SEM)4. Resultados y Discusión 4.1. Estudio de la evolución del curado en sistemas epoxi modificados 4.2. Microscopía electrónica de barrido (SEM) 4.3. Análisis de la distribución de domínios de polímero termoplástico5. Resumen y conclusiones 5.1. Resumen 5.2. Conclusiones
 77912121215171921212224282837373737383839414445454649495155838383
 
 
 
ANEXO I.Análisis de varianza parámetros modelización densidad
partículas 2μm 
ANEXO II. Análisis broken line densidad y densidad acumulada
partículas 2μm
 
86
89
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 1. Introducción y Objetivos
1. Introducción y objetivos.
1.1. Introducción.
Capítulo 1. Introducción y Objetivos 
Un material compuesto puede definirse como un sistema de materialesconstituido por una mezcla o combinación de dos o más micro- o macroconstituyentesque difieren en forma y composición química y que son esencialmente indisolublesentre sí. En general, las propiedades del material compuesto no corresponden con lasuma de las propiedades de cada uno de sus constituyentes, sino que se obtiene unamejora al menos en una de las propiedades, siendo el resto de las propiedadesdistintas a las de sus constituyentes por separado. En la mayoría de materialescompuestos se pueden distinguir las siguientes partes [1]: superficie del refuerzo,interfase refuerzo-agente de acoplamiento, agente de acoplamiento, interfase agentede acoplamiento-matriz, y matriz.
La misión principal de la matriz en el material compuesto es dar cohesióngeométrica al conjunto y transmitir los esfuerzos de unas fibras a otras del refuerzo. Enlos últimos años se ha generalizado el empleo de las matrices de naturalezapolimérica. Este tipo de matrices se caracteriza por su baja densidad, buenaresistencia, alta resistencia a la corrosión y bajo coste, junto a la rapidez y sencillez deconformado. También hay que tener en cuenta su baja tenacidad y la influencia quetienen las condiciones medioambientales en los polímeros (humedad, temperatura yradiación). Dentro de las matrices poliméricas podemos encontrar dos tipos:termoestables y termoplásticas. En las termoestables las cadenas poliméricasreaccionan entre sí y, a la vez, con un agente entrecruzante, formándosemacromoléculas orientadas en todas las direcciones y con numerosos enlacescovalentes entre ellas que hacen que la estructura adquiera una disposiciónpermanente, por ello la reacción es irreversible y el polímero no puede reciclarse. Lasventajas de los polímeros termoestables en la elaboración de matrices son: altaestabilidad térmica, alta rigidez, alta estabilidad dimensional, resistencia a la fluencia ya la deformación bajo carga, bajo peso, y buenas propiedades como aislante eléctricoy térmico.
Las resinas epoxi son uno de los materiales más utilizados en la preparaciónde matrices para materiales compuestos, debido a: su facilidad de procesado, buenaadhesión a distintos tipos de sustratos, baja contracción en el proceso de curado,mejora tras el curado de las propiedades mecánicas, resistencia térmica y química,bajo coste, y relativa alta resistencia en ambientes cálidos y húmedos. Por el contrario
Morfología Interfacial en Materiales Compuestos de Matriz Epoxi Modificada y Fibras de vidrio Pá  
Capítulo 1. Introducción y Objetivos 
entre sus limitaciones están: la necesidad de un largo proceso de curado [2], su bajatenacidad a la fractura y tendencia a absorber agua que han limitado su utilización enalgunos sectores industriales. Así, en las últimas décadas diversas líneas deinvestigación han tenido como objetivo principal intentar conseguir un aumento de latenacidad de fractura en este tipo de polímeros termoestables. En general, hasta elmomento, se han empleado fundamentalmente dos estrategias para modificar latenacidad en este tipo de sistemas. Una de ellas consiste en la adición de unelastómero a la mezcla inicial de reacción. Sin embargo, ésta presenta como principallimitación que en ocasiones, se ven disminuidas otras propiedades, como por ejemplola resistencia mecánica. La segunda alternativa, consiste en la introducción de unpolímero termoplástico, que es la que se ha elegido en este trabajo [3].
Se han empleado diferentes termoplásticos con este propósito, demostrándoseque se puede conseguir aumentar la tenacidad de la matriz epoxídica sin que se veanperjudicadas otras propiedades como por ejemplo la resistencia mecánica. Entre losfactores que influyen en la modificación de la tenacidad de la matriz termoestable seencuentran: (i) la morfología del material curado, esto es el tamaño y la forma de laspartículas de termoplástico y el tipo de estructura multifásica (ii) la naturaleza,concentración y peso molecular del termoplástico. En el pasado, mayoría de lasinvestigaciones en resinas epoxi modificadas se han centrado en la estructuramultifásica de la matriz sin considerar los posibles efectos que las fibras del refuerzopudieran tener en la morfología final, especialmente en las interfases matriz-fibrageneradas. La presencia de fibras puede influir en la morfología de la interfase porinteracción de la superficie de la fibra con los componentes de la matriz. Además,como las propiedades mecánicas del material están íntimamente relacionadas con lamorfología, la transferencia del esfuerzo desde la matriz a la fibra de refuerzo no esobvia puesto que la morfología de la matriz puede haberse visto modificada por lapresencia de la fibra. En la actualidad existen muy pocos trabajos que se han centradoen la evolución de la morfología de la matriz en presencia de diferentes tipos de fibrasde refuerzo han mostrado en ocasiones resultados contradictorios [4-9].
Recientemente se ha estudiado el efecto de la naturaleza de la superficie dediferentes fibras de vidrio tienen en la morfología desarrollada en una resina epoximodificada [10], encontrándose que la naturaleza de la superficie de fibra de vidrioinfluye enormemente en la distribución de las partículas del termoplástico en lainterfase matriz/refuerzo.
 
Morfología Interfacial en Materiales Compuestos de Matriz Epoxi Modificada y Fibras de vidrio  
Pá 
Capítulo 1. Introducción y Objetivos 
1.2. Objetivos.En base a lo expuesto los objetivos del presente proyecto son los siguientes:a) Objetivo general.Estudio del efecto de la masa molecular del polimetilmetacrilato de metilo(PMMA) empleado como agente modificador de la tenacidad de una matrizpolimérica de tipo epoxi en la morfología final tanto de la propia matriz como delas interfases generadas matriz/refuerzo en materiales compuestos basados enun sistema epoxi modificado con PMMA y reforzados con fibra de vidrio.b) Objetivos específicos.ƒ Seguimiento de la evolución del curado de una matriz epoxi modificadacon un termoplástico de distintas masas moleculares medianteespectroscopía infrarroja.ƒ Análisis de las morfologías generadas en una matriz epoxi modificadacon un termoplástico de distintas masas moleculares mediantemicroscopía electrónica de barrido.ƒ Estudio de la distribución de los dominios ricos en PMMA termoplásticomodificador de distintas masas moleculares en la interfasematriz/refuerzo de un material compuesto de matriz epoxi y refuerzo defibra de vidrio.
Morfología Interfacial en Materiales Compuestos de Matriz Epoxi Modificada y Fibras de vidrio  
Pá 
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