Introducción
Resinas fenólicasSon materiales termoestables formados a partir de reacciones de condensación entre compuestos fenólicos y aldehídos, más comúnmente fenol y formaldehído. Estos materiales se utilizan en sistemas compuestos donde el comportamiento térmico, el comportamiento ante el fuego, la estabilidad dimensional o la resistencia química pueden ser relevantes.
Los sistemas de resina fenólica curados pueden exhibir un comportamiento de fractura relativamente frágil, aunque esto depende de la química de la resina, la formulación y las condiciones de curado. La estructura de red altamente reticulada que proporciona resistencia térmica y química también restringe la movilidad molecular, lo que puede influir en el comportamiento de la fractura.
Dureza de la matriz frente a resistencia a la fractura del compuesto
El desempeño relacionado con la tenacidad debe interpretarse de acuerdo con el nivel del material y el método de prueba que se considere. Varios conceptos distintos son relevantes:
La tenacidad de la matriz se refiere al comportamiento de deformación y absorción de energía de la matriz curada antes de fallar.
Los parámetros de tenacidad a la fractura son propiedades mecánicas de fractura específicas medidas en condiciones de prueba y probetas definidas.
Las pruebas de impacto caracterizan la respuesta del material o de la muestra bajo carga rápida.
La resistencia a la fractura y la tolerancia al daño del compuesto se refieren al comportamiento del sistema compuesto completo.
Estas mediciones describen diferentes aspectos del comportamiento del material, por lo que la mejora en una propiedad no necesariamente corresponde a la mejora en otra.
El caucho, los productos químicos, los polímeros multifásicos y las estrategias de nanopartículas seleccionadas alteran principalmente la matriz o la fase que contiene la matriz, mientras que la arquitectura de la fibra y el comportamiento interfacial influyen principalmente en la respuesta a la fractura del compuesto completo.
Modificación de caucho
La modificación del caucho es un método bien estudiado para endurecer los materiales seleccionados.sistemas de resina fenólica. La modificación elastomérica se ha investigado como un medio para modificar el comportamiento de impacto y fractura en formulaciones fenólicas seleccionadas.
Los efectos observados dependen de la química, la morfología, la dispersión, el comportamiento interfacial, las condiciones de curado, la carga y el método de prueba del caucho. Los dominios de caucho dispersos pueden alterar los campos de tensión locales y el comportamiento de propagación de grietas. Los mecanismos involucrados dependen de la morfología y formulación específica de resina-caucho.
La carga de caucho puede influir en el comportamiento del procesamiento, la rigidez y el comportamiento térmico, por lo que se debe evaluar el nivel apropiado para la formulación específica.
Comportamiento de refuerzo de fibra y fractura compuesta
El refuerzo de fibra modifica principalmente el comportamiento a la fractura y la tolerancia al daño del compuesto completo en lugar de la tenacidad intrínseca de la matriz fenólica curada. Se utilizan diversas arquitecturas de fibras, incluidas fibras cortas, fibras continuas, refuerzos tejidos y refuerzos no tejidos, según los requisitos de la aplicación.
Encompuestos fenólicos reforzados con fibra, varios mecanismos pueden contribuir a la resistencia a la fractura:
Los puentes de fibras pueden contribuir a la resistencia a la fractura cuando las fibras atraviesan una grieta en desarrollo y resisten la apertura de la grieta.
Cuando las condiciones de deslizamiento y desunión interfacial lo permiten, la extracción de la fibra puede contribuir a la absorción de energía.
Las rutas de las grietas también pueden ser redirigidas por fibras o interfaces.
El comportamiento a la fractura de un compuesto reforzado con fibra depende de factores que incluyen la arquitectura del refuerzo, la orientación, la fracción de volumen, el comportamiento interfacial, el modo de carga y el proceso de fabricación. Las propiedades interfaciales influyen en la transferencia de carga y el comportamiento de fractura. Se pueden utilizar agentes de acoplamiento y tratamientos de superficie para modificar el comportamiento interfacial fibra-matriz.
Modificación química y multifásica
Modificación química
La modificación química puede alterar la estructura y la respuesta mecánica de la red fenólica curada. Las modificaciones destinadas a cambiar el comportamiento relacionado con la fractura también pueden afectar la rigidez, el comportamiento térmico, las características de curado o la procesabilidad.
El cardanol y otros componentes líquidos de la cáscara de anacardo se han investigado como modificadores en los sistemas fenólicos. El comportamiento mecánico y térmico resultante depende de la composición y las condiciones de curado.
Redes poliméricas interpenetrantes
Una red polimérica interpenetrante (IPN) comprende dos o más redes poliméricas que están al menos parcialmente entrelazadas a escala molecular, no están unidas covalentemente entre sí y no pueden separarse sin romper los enlaces químicos. Una mezcla de redes poliméricas preformadas por separado no es, por sí sola, una IPN.
Una red polimérica semiinterpenetrante contiene una o más redes poliméricas junto con uno o más polímeros lineales o ramificados que penetran la estructura de la red a escala molecular.
Dependiendo de la composición, morfología y condiciones de procesamiento, las arquitecturas IPN o semi-IPN pueden alterar el equilibrio del comportamiento mecánico, térmico y de fractura en sistemas que contienen fenólicos.
Modificación de nanopartículas
Las nanopartículas han sido investigadas como modificadores ensistemas de resina fenólica. Sus efectos dependen de la química de las partículas, la carga, la dispersión, las características de la superficie y las interacciones con la matriz.
La calidad de la dispersión puede influir en el comportamiento de los sistemas modificados con nanopartículas. El tratamiento de la superficie y la estrategia de dispersión pueden influir en la compatibilidad y el rendimiento.
Las nanopartículas pueden alterar el comportamiento de propagación de grietas dependiendo de la dispersión y las interacciones interfaciales. La rigidez, la resistencia y la tenacidad son propiedades distintas y pueden responder de manera diferente a la modificación.
Evaluación del rendimiento relacionado con la dureza
Caracterización de Impacto y Fractura
Las pruebas Charpy o Izod se pueden utilizar para comparar la respuesta al impacto bajo condiciones de prueba y muestras definidas. Las pruebas de impacto y las pruebas de mecánica de fracturas proporcionan diferentes tipos de datos de caracterización y no son intercambiables.
Las configuraciones de curvatura con muesca de un solo borde (SENB) se pueden usar para la caracterización de la mecánica de fractura bajo un método de prueba de polímero aplicable. La validez de los parámetros de tenacidad a la fractura informados depende de la geometría de la muestra, la respuesta del material y las condiciones de prueba.
Para compuestos laminados apropiados, se pueden utilizar métodos de doble viga en voladizo (DCB) para la caracterización de la fractura interlaminar Modo I. Se pueden utilizar métodos de flexión con muesca final (ENF) para la caracterización de la fractura interlaminar Modo II de laminados apropiados. Para compuestos laminados donde la resistencia a la delaminación es una preocupación de diseño, la caracterización de la fractura interlaminar puede ser particularmente relevante.
Apoyo a la caracterización mecánica y viscoelástica
Se pueden utilizar pruebas de tracción y flexión para evaluar los cambios en la resistencia y la rigidez asociados con una modificación. Estas mediciones complementan la caracterización relacionada con la tenacidad al identificar compensaciones entre propiedades mecánicas.
El análisis mecánico dinámico (DMA) puede proporcionar información sobre la respuesta viscoelástica y el comportamiento relacionado con la transición vítrea. DMA proporciona una caracterización termomecánica de apoyo en lugar de datos de tenacidad a la fractura.
Compensaciones de formulación
La evaluación debe considerar los efectos sobre la rigidez, la resistencia, el comportamiento térmico, el comportamiento de curado, la viscosidad, la procesabilidad, la compatibilidad de fabricación y el costo.
Se pueden combinar múltiples enfoques, pero sus interacciones deben evaluarse experimentalmente para el sistema material específico.
Conclusión
Rendimiento relacionado con el endurecimiento encompuestos de resina fenólicaSe puede modificar tanto a nivel matricial como compuesto. Los enfoques de caucho, químicos, polímeros multifase y nanopartículas afectan principalmente a la fase que contiene la matriz, mientras que la arquitectura del refuerzo y el comportamiento interfacial influyen principalmente en la respuesta a la fractura del compuesto completo.
La estrategia adecuada depende de las propiedades del objetivo, el sistema de materiales, la ruta de procesamiento y los requisitos de la aplicación. Por lo tanto, la caracterización de impacto, fractura, mecánica y viscoelástica debe seleccionarse de acuerdo con la cuestión de rendimiento que se evalúa.
Referencias
- Chang, S., Wang, X., Zhang, G., Zhao, F.-G., Pei, K. y Yang, X. (2024). Habilitación del endurecimiento de las resinas fenólicas y su resistencia al calor: tácticas y avances recientes.Polímero,315, 127782. DOI: 10.1016/j.polymer.2024.127782
- Kaynak, C. y Cagatay, O. (2006). Endurecimiento del caucho de resina fenólica mediante el uso de caucho nitrilo y aminosilano.Pruebas de polímeros,25(3), 296–305. DOI: 10.1016/j.polymertesting.2006.01.004
- Ma, HY, Wei, GS, Liu, YQ, Zhang, XH, Gao, JM, Huang, F., Tan, BH, Song, ZH y Qiao, JL (2005). Efecto de nanopartículas elastoméricas sobre las propiedades de la resina fenólica.Polímero,46(23), 10568–10573. DOI: 10.1016/j.polímero.2005.07.103
- Huong, NL, Nieu, NH, Tan, TTM y Griesser, UJ (1996). Resinas de cardanol-fenol-formaldehído. Análisis y caracterización térmica.Química Macromolecular Aplicada,243, 77–85. DOI: 10.1002/apmc.1996.052430107
- Alemán, J., Chadwick, AV, He, J., Hess, M., Horie, K., Jones, RG, Kratochvíl, P., Meisel, I., Mita, I., Moad, G., Penczek, S., & Stepto, RFT (2007). Definiciones de términos relacionados con la estructura y el procesamiento de soles, geles, redes y materiales híbridos inorgánicos-orgánicos (Recomendaciones IUPAC 2007).Química Pura y Aplicada,79(10), 1801–1829. DOI: 10.1351/pac200779101801
- Clyne, TW y Hull, D. (2019).Una introducción a los materiales compuestos(3ª ed.). Prensa de la Universidad de Cambridge. DOI: 10.1017/9781139050586
- Organización Internacional de Normalización. (2018).ISO 13586:2018, Plásticos. Determinación de la tenacidad a la fractura (GIC y KIC). Enfoque de la mecánica de fractura elástica lineal (LEFM)..
- ASTM Internacional. (2021).ASTM D5528/D5528M-21, Método de prueba estándar para la tenacidad a la fractura interlaminar Modo I de compuestos de matriz polimérica unidireccional reforzados con fibra. DOI: 10.1520/D5528_D5528M-21
- ASTM Internacional. (2019).ASTM D7905/D7905M-19, Método de prueba estándar para la determinación de la tenacidad a la fractura interlaminar Modo II de compuestos de matriz polimérica unidireccional reforzados con fibra. DOI: 10.1520/D7905_D7905M-19