Síntesis y caracterización de un compuesto de matriz epoxi reforzado con nanotubos de carbono

Abstract

Las resinas epoxídicas son los polímeros termoestables de mayor utilización comercial puesto que poseen excelente resistencia térmica y química, alta resistencia mecánica y elevada rigidez. Su principal limitación radica en que son materiales frágiles y presentan una baja resistencia a la propagación de grietas. Aún así y debido a su elevada mojabilidad y compatibilidad con muchos refuerzos, son ampliamente utilizadas como matrices de materiales compuestos en numerosas aplicaciones de la industria aeronáutica, en automoción e ingeniería civil. Cuando el refuerzo introducido tiene dimensiones nanométricas se habla de nanocomposites, dichos materiales están aún sometidos a investigación y desarrollo, pero se espera que presenten propiedades muy interesantes y mejoradas respecto a las que tienen los composites tradicionales. Entre ellas, se espera mejorar su resistencia térmica, sus propiedades mecánicas e incluso aumentar su conductividad eléctrica con un bajo nivel de percolación. En este trabajo se ha procedido a la optimización del proceso de fabricación de un nanocomposite de matriz epoxi reforzada con nanotubos de carbono parcialmente funcionalizados con grupos amino. Se han analizado diferentes variables del material, entre ellas, se ha realizado un estudio acerca de la influencia sobre las propiedades finales del material curado, de la aplicación de un tratamiento térmico de precurado en la mezcla inicial antes de la adición del entrecruzante. Su principal objetivo es mejorar la interacción refuerzomatriz, provocando a su vez una mejora del grado de dispersión de los nanotubos de carbono en la matriz. También se ha evaluado la cantidad de nanorefuerzo óptima. Las muestras, una vez fabricadas, han sido sometidas a diferentes ensayos para llevar a cabo su caracterización morfológica, térmica, mecánica y eléctrica. Para su caracterización morfológica se han empleado dos técnicas, un estudio de la variación de densidad del material y un análisis microscópico mediante FEG-SEM (Field emission gun-Scanning electron microscopy). La caracterización térmica se llevó a cabo mediante ensayos térmicos mecano-dinámicos (DMTA). Ensayos mecánicos de flexión y el posterior análisis fractográfico mediante SEM han permitido estudiar el comportamiento mecánico de estos nuevos materiales. Y para la caracterización eléctrica se ha realizado una medida de su resistividad eléctrica. La principal observación que se ha obtenido en este trabajo es que se han conseguido los objetivos marcados con el tratamiento del precurado, observando que dicho tratamiento térmico mejora plausiblemente el grado de dispersión de los nanotubos y favorece la interacción matriz-refuerzo. Es por ello, que los nanocomposites precurados presentan significativas mejoras en algunas de sus propiedades mecánicas, con un aumento de aproximadamente un 68% en su capacidad de deformación, respecto al aumento del 38% obtenido para el nanocomposite sin precurar. En cuanto a la caracterización térmica lo más significativo es que con tan sólo la introducción de un 0,1% de nanorefuerzo se consigue un aumento del módulo de almacenamiento en estado vítreo del 12% respecto al de la resina epoxi sin reforzar. También se observan mejoras en las propiedades eléctricas, si bien la resina pura tiene comportamiento no conductor al introducir pequeñas cantidades de nanotubos de carbono su resistividad eléctrica cae drásticamente y dicha caída se ve también aumentada por la aplicación del tratamiento de precurado.