Fabricación y caracterización de materiales compuestos de matriz polimérica reforzada con nanofibras de carbono

Resumen

El presenta trabajo contempla el efecto de diversas técnicas de fabricación de materiales compuestos epoxi/nanofribras de carbono sobre la estructura del material y sus propiedades termomecánicas, mecánicas y eléctricas. Las técnicas utilizadas recogen dos aspectos: la modificación química de la superficie de las nanofibras de carbono y elmétodo de dispersión de las nanofibras en la matriz epoxi. El método de modificación química seleccionado consiste en una oxidación en un medio ácido seguida de un proceso de acilación en cloruro de tionilo, finalizando con la amidación con el uso de 4,4¿-diaminodifenilmetano. El método de dispersión seleccionado consiste en la generación previa de una suspensión estable en un disolvente mediante la combinación de técnicas de agitación ultrasónica y magnética. Incorporando posteriormente los componentes que conforman la matriz. En una primera fase, se llevó a cabo una puesta a punto de los dos procesos anteriormente descritos: -Modificación química de nanofibras de carbono. Se determinó que un medio de oxidación compuesto únicamente por ácido nítrico era el más adecuado entre los distintos medios ácidos considerados, dada su efectividad química y su efecto limitado respecto a la degradación estructural de las nanofirbras de carbono. Se determinó, entre una serie de candidatos, el cloroformo como mejor alternativa disolvente para la dispersión de nanofibras de carbono. En esta primera fase, además, se realizó un estudio crítico sobre la idoneiad del proceso de funcionalización completo con respecto a uno más simplificado, que se limitaba tan solo a la etapa de de oxidación. Se concluyó que el proceso de oxidación podía considerarse suficiente como vía para mejorar la interacción refuerzo-matríz de las nanofribras de carbono utilizadas. En la segunda fase, se llevó a cabo la caracterización termomecánica, mecánica y eléctrica de los materiales nanocompuestos fabricados con los procedimientos anteriormente optimizados. -El análisis termomecánico determinó, en general, incrementos en el módulo de almacenamiento de los materiales compuestos con respecto al de la resina no reforzada. Se puso de manifiesto el posible efecto de la presencia de las nanofibras de carbono sobre la cinética de curado de la matriz de resina epoxi, así como el efecto de la composición química de la matriz. Además, se detectaron fenómenos asociados a la variación de la temperatura de transición vítrea de los nanocomposites que permitieron plantear un posible modelo microestructural para los materiales compuestos fabricados. -El estudio mecánico determinó la ausencia de incrementos del módulo de Young y de la tenacidad de fractura de los nanocomposites fabricados, con respecto a la resina sin reforzar. Además, mediante el estudio de las superficies de fractura obtenidas, se confirmó el modelo microestructural anteriormente propuesto. En el caso del módulo de Young, se justificaron los resultado mediante el uso de un modelo micromecánico que considera la microestructura de material. En el caso de la tenacidad de fractura, se identificaron mecanismos de consumo de energía que deberían haber aumentado su valor, por lo que se concluyó que necesariamente estaban presentes mecanismos que compensaban dichos aumentos. -El estudio eléctrico determinó notables descensos de la resistividad eléctrica de los materiales compuestos con respecto de la resina sin reforzar, en el caso de los materiales reforzados con nanofibras de carbono no modificadas químicamente. Este comportamiento no se observaba cuando las nanofibras de carbono utilizadas habían sido sometidas previamente a un proceso de oxidación en medio ácido. Se justificaron tales resultados en base a la microestructura de los materiales fabricados y a la posible presencia de recubrimientos no conductores (en el caso de las nanofibras oxidadas). Además se ha identificado el potencial de las medidas en corriente alterna como posible técnica de ensayo no destructivo para obtener datos sobre la microestructura de los materiales fabricados.