RESUMEN. Introducción

Transcripción

1 RESUMEN Introducción El presente Proyecto Final de Carrera se centra en el estudio y determinación, a través de una serie de ensayos, de algunas de las propiedades mecánicas de un nanocomposite de matriz polimérica. En concreto, el nanocomposite será una resina epoxi cargada con nanopartículas de dióxido de silicio, que actuará como componente de refuerzo, siendo la resina epoxi la que actúe como componente matriz conteniendo al dióxido de silicio. Los ensayos que se realizarán en el transcurso del Proyecto serán los de cavitación, ensayo de flexión, ensayo de tracción y ensayo de dureza tipo Shore D. Los composites son materiales formados por la combinación de dos elementos, cuyas propiedades mecánicas por separado son muy inferiores a las que posee el conjunto final. Son estas excelentes propiedades mecánicas las que hacen que materiales más tradicionales como el acero o el hormigón se vayan viendo gradualmente sustituidos por composites que desempeñen la misma función pero de forma más eficaz. Un sector donde los composites están adquiriendo una mayor importancia a medida que pasa el tiempo es el de las aplicaciones que hacen frente a la corrosión. Algunas estimaciones establecen que los costes en mantenimiento, reparación y sustitución debidos a la corrosión metálica suman un total de 300 billones de dólares tan sólo en los Estados Unidos. A día de hoy existen composites capaces de limitar estas pérdidas aplicándolos como recubrimientos protectores e incluso capaces de sustituir por completo a las partes metálicas, adquiriendo un carácter estructural en ocasiones. Gracias a la utilización de estos composites la durabilidad es mucho mayor, y el mantenimiento se reduce considerablemente. Como se ha dijo con anterioridad el polímero que se va a usar y que servirá como elemento matriz será la resina epoxi. A continuación se hace un breve comentario sobre la misma: Resina epoxi Se trata de un polímero termoestable que se endurece al mezclarse con un agente catalizador. Este endurecimiento se conoce como proceso de curado, y es común a los polímeros termoestables. Generalmente requiere de la aplicación de calor, pero en el caso del epoxi la curación se produce gracias al calor liberado por la propia reacción, pues ésta es exotérmica.

2 Las aplicaciones del epoxi son muy variadas, pero sin duda destacan dos: su aplicación como protector frente a la corrosión y al desgaste y su aplicación como adhesivos entre sólidos, siendo considerados de los más fuertes del mundo. Más relacionado con el Proyecto que nos ocupa, el epoxi es aplicado sobre el casco de los barcos como capa protectora, incluso se ha llegado a utilizar en el interior de bombas hidráulicas para protegerlas frente a la cavitación, y es ésta la razón por la que uno de los ensayos realizados durante este proyecto es el de erosión por cavitación, puesto que nos interesará conocer cual es la variación en el comportamiento del composite al añadir nanopartículas de dióxido de silicio. El núcleo central de este Proyecto Final de Carrera es tanto la creación del mencionado nanocomposite (resina de epoxi con oclusión de nanopartículas de dióxido de silicio) en forma de probetas que cumplan con la norma para los distintos ensayos como los propios ensayos en sí mismos. En los siguientes apartados se hace un recorrido por los tipos de probetas que se van a crear y por los ensayos que se van a realizar y los resultados que se esperan obtener de cada uno de ellos y con qué propiedades mecánicas del nanocomposite están relacionados cada uno de ellos: Probetas creadas Se van a crear tres tipos diferentes de probetas, unas que tan solo contengan resina epoxi, unas segundas que estén formadas por resina epoxi y un 3% de nanopartículas de dióxido de silicio y unas terceras similares a las anteriores pero que ahora contengan un 5% de dióxido de silicio. Como se realizarán distintos tipos de ensayos, distintos tipos de probetas serán necesarios. En concreto, serán necesarios tres tipos distintos, pues aunque hay cuatro ensayos diferentes, el ensayo de dureza tipo Shore D se llevará a cabo sobre la superficie de las probetas destinadas a flexión antes de que las mismas hayan sido ensayadas para flexión. Los ensayos de cavitación poseerán probetas propias como las que se muestran a continuación: Cavitación Flexión Tracción

3 Ensayos realizados Ensayo de cavitación La dinámica del ensayo de cavitación es la que sigue: la probeta se pesa inicialmente, después se introduce en el agua y se mantiene cavitando durante diez minutos. Pasados estos 10 minutos se saca del agua, se seca para eliminar el agua que se haya podido quedar ocluida en las cavidades y se pesa, obteniendo la pérdida de masa que se ha producido en esos diez minutos que ha estado cavitando. Se vuelve a introducir en el agua y se realiza un nuevo ciclo de diez minutos, el proceso se repite de igual forma hasta que la tasa de erosión se estabiliza en torno a un valor. Los resultados característicos que devuelve este ensayo son la erosión acumulada, la tasa de erosión, la tasa de erosión máxima, la tasa de erosión terminal y el tiempo de incubación. Los resultados se devolverán en forma de tablas y de gráficas que incluyan la erosión acumulada y la tasa de erosión en función del tiempo. Ensayo de flexión En este ensayo, que se utilizada para conocer cuál será el comportamiento del compuesto ante esfuerzos de flexión, la probeta se mantiene apoyada sobre dos puntos, y el cabezal de la máquina desciende sobre el punto central de la probeta, a una velocidad de 1mm/min. Durante todo el ensayo la máquina irá tomando constantemente valores de desplazamiento del cabezal y fuerza ejercida por el mismo sobre la probeta para deformarla. Con estos valores y los datos geométricos de la probeta se podrán obtener valores de deformación y de tensión ejercida sobre ella. Entre los resultados obtenidos se esperarán valores de tensión máxima soportada y módulo de flexión. Los resultados se devolverán en forma de tablas y mostrando una gráfica en la que se represente la tensión en función de la deformación. Ensayo de tracción Este ensayo es muy similar al ensayo de flexión, pero en este caso lo que se estudia es el comportamiento del nanocomposite ante esfuerzos de tracción. Esta vez la probeta se sujeta con dos mordazas por sus extremos y se procede a traccionarla, teniendo un avance la mordaza superior de 1mm/min. Durante todo el ensayo la máquina irá tomando constantemente valores de desplazamiento de la mordaza y fuerza ejercida por la misma sobre la probeta para deformarla. Con estos valores y los datos geométricos de la probeta se podrán obtener valores de deformación y de tensión ejercida sobre ella. Entre los resultados obtenidos se esperarán valores de tensión máxima soportada y módulo de Young, así como deformación a la que rompe la probeta.

4 Los resultados se devolverán en forma de tablas y mostrando una gráfica en la que se represente la tensión en función de la deformación. Ensayo de dureza tipo Shore D Este ensayo se realizará mediante el impacto de la punta de un durómetro, que registrará el valor de dureza obtenido. Los resultados se presentaran en forma de tablas y en una gráfica que muestre la variación de dureza tipo Shore D en función de la concentración de nanopartículas de dióxido de silicio.

5 ABSTRACT Introduction This Final Project is focused in the study and determination, through a series of tests, of some of the mechanical properties of a Polimeric Matrix Nanocomposite. The nanocomposite will be an epoxy resin charged with silicon dioxide nanoparticles, which will work as reinforcement component, being the epoxy resin the matrix component holding the silicon dioxide nanoparticles in its inside. The tests to be run during the Project, will be: cavitation test, flexion test, traction test and hardness type Shore D test. Composites are materials made up of two components, which mechanical properties by themselves are inferior to the ones of the final compound. It is because of these excellent mechanical properties that more traditional materials such as steel or concrete are being gradually substituted by composites that have the same use but they do it in a more a efficient way. A sector in which composites are acquiring a bigger importance with the pass of time, are applications that have to face corrosion. According to some estimations, maintenance, fixing and substitution costs due to metallic corrosion add up to a total of 300 billion dollars only in the United States of America. Nowadays, there are composites able to reduce these losses by using them as protective layer and they are even able to substitute all the metallic parts, acquiring by doing so structural characteristics sometimes. Thanks to these composites, durability is bigger, and maintenance is reduced considerably. As said before, the polymer to be used and that will work as matrix component is the epoxy resin. In the following chapter there are a few notes about it: Epoxy resin The epoxy resin is a thermostable polymer that strengthens when mix with a catalyser agent. This strengthening is known as curing process, and it is a thing that all thermostable polymers have in common. In general, it requires a certain amount of heat to cure, but not in the case of epoxy resin, because the curing process uses the heat released during the exothermic chemical reaction. The applications of epoxy resin are many, but without any doubt there are two that stand out: its use as a protector against corrosion and wear, and its use as an adhesive, being considered one of the strongest that exists. More relevant to this Project is the epoxy resin used in the underwater walls of ships as a protective layer. It has even been used in the inside of hydraulic pumps to protect them against cavitation erosion, and this is the reason for which one of the tests run during this Project is the cavitation erosion test, since we are interested in what will be the variation of the composite when we add silicon dioxide nanoparticles.

6 The core of this Final Project is both the fabrication of the nanocomposite (Epoxy resin with silicon dioxide nanoparticles within it) in the shape of the specimens needed for the different tests and the tests themselves. In the following chapters you will find information about the specimens to be created and the tests to be run and the results expected from each ones and which mechanicl properties are related to which. Specimens created Three different types of specimens will be created, one type containing only epoxy resin, other type containing epoxy resin and a 3% of silicon dioxide nanoparticles, and the last type of specimens containing a 5% of silicon dioxide nanoparticles. Since different kinds of tests will be run, different kinds of specimens will be needed. In particular, there will be needed three different kinds, although there are four different tests, the hardness type Shore D test will use the specimens made for flexion test before running this last one. The cavitation, flexion and traction tests will use their own specimens, as it follows: Cavitation Flexion Traction

7 Tests run Cavitation test The way to proceed in the cavitation test is the following: the specimen has to be weighted before doing anything else, after that it is introduced in the water and remains cavitating for ten minutes. Passed these ten minutes it is taken out of the water and dried in order to eliminate all the water that could remain inside the cavities. Then it is weighted again, obtaining the mass loss that occurred in those ten minutes that was cavitating. It is introduced again in the water and performs another ten minute cycle, at the end of which is weighted again. This whole process remains the same way until the erosion rate stabilizes around a value. The results obtained from this test are: cumulative erosion, erosion rate, maximum erosion rate, terminal erosion rate and incubation time. The results will be presented in charts and graphs including the cumulative erosion and erosion rate versus time. Flexion test In this test, which is used to know what will be the behaviour of the compound against flexion efforts, the specimen lays on two points and the head of the machine goes down on its middle part at a speed of 1mm/min. During the whole test the machine will record constantly values of head displacement and strength applied to the specimen. Taking into account these values and the geometrical data of the specimen, the results for deformation and tensile strength will be calculated. The expected results include maximum tensile strength and flexural modulus. The results will be presented in chars and a graph that represents tensile strength versus deformation. Traction test This test is very similar to the flexion test, but in this case what we study is the behaviour of the nanocomposite when it faces traction efforts. This time, the specimen is grabbed on its ends and the machine tries to separate this two points. During the whole test the machine will record constantly values of head displacement and strength applied to the specimen. Taking into account these values and the geometrical data of the specimen, the results for deformation and tensile strength will be calculated. The expected results include maximum tensile strength, Young modulus and breaking point of the specimen. The results will be presented in chars and a graph that represents tensile strength versus deformation.

8 Hardness type Shore D test This test will be conducted by dropping the tip of the durometer that will register the hardness value. The results will be presented in chars and a graph that shows the variation of hardness type Shore D versus the amount of silicon dioxide nanoparticles included.