ESTUDIO DE PROPIEDADES MECÁNICAS EN COMPOSITES DE MATRIZ POLIMÉRICA (PMC) CARGADOS CON NANOPARTÍCULAS DE SÍLICA

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1 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL ESTUDIO DE PROPIEDADES MECÁNICAS EN COMPOSITES DE MATRIZ POLIMÉRICA (PMC) CARGADOS CON NANOPARTÍCULAS DE SÍLICA Autor: Ignacio Molina Pedregal Director: Dr. Joaquín Darío Tutor Sánchez Madrid Mayo 2013

2 AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN ACCESO ABIERTO ( RESTRINGIDO) DE DOCUMENTACIÓN 1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma. El autor D. Ignacio Molina Pedregal, como estudiante de la UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS (COMILLAS), DECLARA que es el titular de los derechos de propiedad intelectual, objeto de la presente cesión, en relación con la obra Estudio de propiedades mecánicas en Composites de Matriz Polimérica (PMC) cargados con nanopartículas de sílica (Proyecto Fin de Carrera), que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual como titular único o cotitular de la obra. En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita. 2º. Objeto y fines de la cesión. Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la Universidad y hacer posible su utilización de forma libre y gratuita ( con las limitaciones que más adelante se detallan) por todos los usuarios del repositorio y del portal e ciencia, el autor CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica, tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente. 3º. Condiciones de la cesión. Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá: (a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a internet; realizar adaptaciones para hacer posible la utilización de la obra en formatos electrónicos, así como incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e incorporar marcas de agua o cualquier otro sistema de seguridad o de protección. 1

3 (b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica, incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato.. (c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto institucional, accesible de modo libre y gratuito a través de internet. 1 (d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital. 2 4º. Derechos del autor. El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la Universidad por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a: a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario de los derechos del documento. b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través de cualquier medio. c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. A tal fin deberá ponerse en contacto con el vicerrector/a de investigación (curiarte@rec.upcomillas.es). d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites necesarios para la obtención del ISBN. d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de propiedad intelectual sobre ella. 5º. Deberes del autor. 1 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría redactado en los siguientes términos: (c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo institucional, accesible de modo restringido, en los términos previstos en el Reglamento del Repositorio Institucional 2 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría eliminado. 2

4 El autor se compromete a: a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro. b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la intimidad y a la imagen de terceros. c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e intereses a causa de la cesión. d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión. 6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional. La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades: a) Deberes del repositorio Institucional: La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la copia privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio comercial, y que no se realicen obras derivadas. La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso de las obras. La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un futuro. b) Derechos que se reserva el Repositorio institucional respecto de las obras en él registradas: retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficientemente justificados, o en caso de reclamaciones de terceros. 3

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7 ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL ESTUDIO DE PROPIEDADES MECÁNICAS EN COMPOSITES DE MATRIZ POLIMÉRICA (PMC) CARGADOS CON NANOPARTÍCULAS DE SÍLICA Autor: Ignacio Molina Pedregal Director: Dr. Joaquín Darío Tutor Sánchez Madrid Mayo 2013

8 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.

9 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

10 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.

11 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.

12 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.

13 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

14 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.

15 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.

16 ÍNDICE DE CONTENIDOS CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN MOTIVACIÓN PERSONAL COMPOSITES PROPIEDADES MECÁNICAS EFECTOS ADVERSOS POR QUÉ EL USO DE NANOCOMPOSITES? OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL DEL PROYECTO FINAL DE CARRERA OBJETIVOS ESPECÍFICOS DEL PROYECTO FINAL DE CARRERA CAPÍTULO 2: ESTADO DEL ARTE PROPIEDADES MECÁNICAS NANOPARTÍCULAS NANOCOMPOSITES DE MATRIZ POLIMÉRICA CAPÍTULO 3: METODOLOGÍA EXPERIMENTAL PROCEDIMIENTO DE ENSAYO DE CAVITACIÓN Preparación de las muestras Ensayo de los tips mediante erosión por cavitación PROCEDIMIENTO DE ENSAYO DE FLEXIÓN Preparación de las muestras Ensayo de flexión sobre las probetas... 46, PROCEDIMIENTO DE ENSAYO DE DUREZA SHORE D Preparación de las muestras PROCEDIMIENTO DE ENSAYO DE TRACCIÓN Preparación de las muestras CAPÍTULO 4: RESULTADOS RESULTADOS DEL ENSAYO DE CAVITACIÓN RESULTADOS DEL ENSAYO DE FLEXIÓN... 70

17 4.3. RESULTADOS DEL ENSAYO DE DUREZA SHORE D RESULTADOS DEL ENSAYO DE TRACCIÓN CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES CAPÍTULO 6: BIBLIOGRAFÍA... 83

18 ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1: Formas de presentación del material de refuerzo Figura 2: Daños por cavitación en hélice Figura 3: Daños por cavitación en rodete radial Figura 4: Dureza Shore de diversos materiales Figura 5: tip utilizado en los ensayos de cavitación Figura 6: vibrador acústico BRANSON Figura 7: campana de aislamiento Figura 8: controlador digital BRANSON Figura 9: pedestal Figura 10: Probeta para flexión Figura 11: Molde para el ensayo de flexión Figura 12: Máquina de flexión IBTH Figura 13: Durómetro Bareiss Figura 14: Probeta para tracción Figura 15: Molde para el ensayo de tracción Figura 16: Máquina de flexión IBTH

19 ÍNDICE DE TABLAS Tabla 1: módulo de elasticidad de diferentes materiales Tabla 2: límite elástico de diferentes materiales Tabla 3: Aplicaciones industriales de las nanopartículas Tabla 4: Masa de las probetas de epoxi Tabla 5: Pérdida de masa de las probetas de epoxi Tabla 6: Erosión acumulada probetas epoxi Tabla 7: Tasa de erosión probetas de epoxi Tabla 8: Masa de las probetas de epoxi+ SiO 2 3% Tabla 9: Pérdida de masa probetas epoxi+ SiO 2 3% Tabla 10: Erosión acumulada probetas epoxi+ SiO 2 3% Tabla 11: Tasa de erosión probetas epoxi+ SiO 2 3% Tabla 12: Masa de las probetas de epoxi+ SiO 2 5% Tabla 13: Pérdida de masa probetas epoxi+sio2 5% Tabla 14: Erosión acumulada probetas epoxi+ SiO 2 5% Tabla 15: Tasa de erosión probetas epoxi+ SiO 2 5% Tabla 16: Profundidad media de erosión Tabla 17: Tasa de profundidad media de erosión Tabla 18: Resultados del ensayo de cavitación Tabla 19: Medida espesor probetas epoxi Tabla 20: Medida espesor probetas epoxi+3% SiO Tabla 21: Medida espesor probetas epoxi+5% SiO Tabla 22: Resultados flexión epoxi Tabla 23: Resultados flexión epoxi+3% SiO

20 Tabla 24: Resultados flexión epoxi+5% SiO Tabla 25: Resultados dureza epoxi (I) Tabla 26: Resultados dureza epoxi (II) Tabla 27: Resultados dureza epoxi+3%sio 2 (I) Tabla 28: Resultados dureza epoxi+3% SiO 2 (II) Tabla 29: Resultados dureza epoxi+5% SiO 2 (I) Tabla 30: Resultados dureza epoxi+5% SiO 2 (II) Tabla 31: Medida espesor probetas epoxi Tabla 32: Medida espesor probetas epoxi+3% SiO Tabla 33: Medida ancho probetas epoxi Tabla 34: Medida ancho probetas epoxi+3% SiO Tabla 35: Resultados tracción epoxi Tabla 36: Resultados tracción epoxi+3% SiO

21 ÍNDICE DE GRÁFICAS Gráfica 1: Máxima tensión en el agua en función de la temperatura Gráfica 2: Erosión acumulada-tiempo probetas epoxi Gráfica 3: Erosión acumulada-tiempo media probetas epoxi Gráfica 4: Tasa de erosión-tiempo probetas de epoxi Gráfica 5: Tasa de erosión-tiempo media probetas epoxi Gráfica 6: Erosión acumulada-tiempo epoxi+ SiO 2 3% Gráfica 7: Erosión acumulada-tiempo media probetas epoxi+ SiO 2 3% Gráfica 8: Tasa de erosión-tiempo epoxi+ SiO 2 3% Gráfica 9: Tasa de erosión-tiempo media probetas epoxi+ SiO 2 3% Gráfica 10: Erosión acumulada-tiempo epoxi+ SiO 2 5% Gráfica 11: Erosión acumulada-tiempo media probetas epoxi+ SiO 2 5% Gráfica 12: Tasa de erosión-tiempo epoxi+ SiO 2 5% Gráfica 13: Tasa de erosión-tiempo media probetas epoxi+ SiO 2 5% Gráfica 14: Comparativa Erosión acumulada para los diferentes tipos de probeta Gráfica 15: Comparación tasas de erosión-tiempo de las diferentes probetas Gráfica 16: Tensión-deformación ensayo flexión Gráfica 17: Dureza Shore D-concentración de nanopartículas SiO Gráfica 18: Tensión-deformación ensayo tracción... 79

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23 Cap.1: Introducción CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN 1.1. MOTIVACIÓN PERSONAL COMPOSITES Dado que el objeto de investigación de este PFC son los sistemas compuestos técnicamente denominados composites, es lógico que antes de adentrarnos en cualquier tipo de consideración establezcamos una definición clara de lo que es un composite y de sus características principales. El diccionario de la Real Academia Española de la Lengua no recoge una definición de lo que es un composite, debido probablemente a que es un término moderno, que el castellano ha tomado prestado de otra lengua (la inglesa) y que no ha salido del ámbito científico e industrial. Pero si tuviéramos que dar una definición, sería la que sigue: Un composite (también llamado material de composición) es un material hecho a partir de dos o más materiales constituyentes con propiedades físicas o químicas significativamente diferentes, que cuando son combinados producen un material de características diferentes de los componentes individuales. Una característica importante es que los componentes individuales permanecen separados y son diferenciables dentro de la estructura final. Por tanto, debido a esta diferenciación podemos decir que estamos hablando de una mezcla heterogénea, dentro de la cual debemos diferenciar entre aquellos componentes que desempeñan labores de cohesión y aquellos otros que realizan tareas de refuerzo. Como su propio nombre indica los componentes de cohesión envuelven y unen los componentes de refuerzo, manteniendo la rigidez y posición de estos. Por otro lado, aquellos componentes que desempeñan labores de refuerzo mejoran las propiedades de cohesión y rigidez del conjunto. El compuesto resultante de esta combinación de componentes con distintas funciones posee unas propiedades mecánicas notablemente superiores a las que poseen los componentes de forma individual. Este tipo de compuestos suele formar estructuras muy resistentes y livianas, y por tanto son utilizados en campos donde la relación resistencia peso es vital. Ejemplos de ello son los campos de la aeronáutica, la ingeniería naval, la ingeniería civil, etc. Una gran ventaja de los composites es que permite a los fabricantes seleccionar la combinación perfecta de material de refuerzo y material matriz que permita cumplir con los requerimientos de la aplicación a la que van a ser dedicados. Podría decirse que los composites consisten básicamente en un material que hace las veces de matriz reforzado con fibras de otro material, que puede ser cerámico, metálico o polimérico. Estas fibras de refuerzo son las que soportan casi únicamente la carga aplicada al composite, mientras que el compuesto matriz se encarga de ir transfiriendo la carga de una fibra a otra. Como veremos a Molina Pedregal, Ignacio 9

24 Cap.1: Introducción continuación, el material de refuerzo no tiene por qué estar presente obligatoriamente en forma de fibras, ya que el composite que vamos a estudiar (matriz de epoxi cargada con nanopartículas de SiO 2 ) es un claro ejemplo de cómo el material de refuerzo se presenta en forma de partículas. El material matriz habitualmente se busca entre los múltiples plásticos/polímeros usados en ingeniería. A continuación se presenta una imagen en la que se aprecian las diferentes formas en que pueden aparecer los compuestos de refuerzo dentro de la matriz polimérica: Fibras continuas, fibras cortas o partículas (más adelante veremos que dentro de esta categoría podemos incluir un caso especial que es cuando el material de refuerzo se presenta en forma de nanopartículas). Figura 1: Formas de presentación del material de refuerzo Una vez que tenemos claro lo que son los composites, vamos a poder reconocer ejemplos de los mismos allá donde vayamos. Por poner un ejemplo, el adobe, formado por arcilla y paja (siendo la arcilla el compuesto matriz y la paja las fibras de refuerzo), es el composite más antiguo que conocemos y aún hoy se sigue utilizando en la construcción de viviendas. La mezcla heterogénea tiene unas propiedades mecánicas mejores que las de sus respectivos componentes individuales. Otro ejemplo claro lo podemos encontrar en los cimientos de los edificios: matriz de hormigón reforzado con barras de acero corrugado, que son las fibras anteriormente comentadas. Composites típicos en ingeniería son: Composites para construcción como cemento u hormigón Plásticos reforzados como polímeros reforzados con fibras Composites metálicos Composites cerámicos Dado que la pieza final hecha de composite debe tener la forma adecuada que cumpla con la actividad a la que será asignada existirán una serie de métodos de creación de estas piezas. Algunos de los factores que influyen en el método de

25 Cap.1: Introducción fabricación serán la naturaleza de la matriz elegida y el material de refuerzo y el volumen de material a ser producido. Dependiendo de uno y otro podremos tener desde procesos más artesanales que requieren una mayor cantidad de trabajo manual a procesos mucho más automatizados que precisan de una gran inversión de capital. El material matriz y el material de refuerzo pueden ser mezclados antes o después de introducirlo en el molde donde conseguiremos crear la pieza, todo depende del proceso y las funciones finales de la pieza que tengamos entre manos. Dependiendo de la naturaleza del material matriz, el proceso de moldeo puede finalizar con diferentes etapas, como la polimerización química o la solidificación desde estado fundido. Pero, después de todo lo dicho, por qué una empresa debería plantearse el uso de composites en vez de los materiales tradicionales? Para competir en un mercado en continua evolución, las compañías industriales necesitan adaptar o diversificar su producción para dar respuesta a las nuevas demandas. La preocupación actual por el cambio climático está llevando a nuestra sociedad a modificar su comportamiento, favoreciendo productos y equipamientos innovadores y sostenibles. El uso de composites es un camino para lograr este reto, y representa una oportunidad de negocio muy prometedora. Las ventajas de la sustitución de materiales tradicionales por composites son múltiples, y entre ellas destacan: Mejor comportamiento mecánico (resistencia a flexión, a tracción, dureza ) Menor peso Menor consumo de energía (en su producción) Menos emisiones de gases invernadero (derivada de la anterior) Como se ha dicho con anterioridad una gran variedad de procesos de moldeo puede ser usada dependiendo de la finalidad del producto, pero dado que explicar todos ellos quizá requeriría demasiado tiempo vamos a centrarnos en el que nos compete. Vamos a tener un material matriz que va a ser resina epoxi (Apéndice 1), y una material de refuerzo que van a ser nanopartículas de SiO 2 (Apéndice 2) (en concentraciones del 0 3 5%). En el apartado 3 metodología de ensayos se hace un breve resumen de cuál ha sido el procedimiento para la creación de muestras para nuestros ensayos y las variables implicadas en dicho proceso. Epoxi También llamada poliepóxido. Es un polímero termoestable que se endurece cuando se mezcla con un agente catalizador. Las resinas epoxis más frecuentes son producto de una reacción entre epiclorohidrina y bisfenol A. Las resinas epoxis se utilizan en muchas actividades industriales. Principalmente como protectores ante la corrosión y para mejorar la adherencia de capas de pintura. También son usados en la industria como adhesivos entre sólidos. Son considerados los adhesivos más fuertes del mundo. Si en su secado se aplica calor, su resistencia a las altas temperaturas será mayor. Molina Pedregal, Ignacio 11

26 Cap.1: Introducción En la industria eléctrica y electrónica se utilizan estas resinas como protectores de piezas y circuitos, tales como bobinas, escobillas, aisladores Una importante aplicación está en la ingeniería naval, se usan como capa protectora en los cascos de los barcos. Como les afecta negativamente la exposición a los rayos UV se les aplica encima un barniz protector. Se han utilizado como recubrimientos en el interior de bombas para proteger estas del fenómeno de la cavitación. La resina epoxi que se ha empleado en estos ensayos es EX 401 con un endurecedor Epoxi 432 (Apéndice 1) Composites en el ámbito industrial como solución a la corrosión [1] Una de las propiedades que vamos a estudiar en el presente proyecto es la resistencia del composite fabricado a la erosión por cavitación. Por ello debemos fijarnos cuales son las soluciones que se dan en la actualidad a efectos tales como la corrosión, lo cual nos puede servir como base de comparación para el presente estudio. Las actuales tendencias del mercado y lo ajustado de los presupuestos para proyectos están ayudando a expandir el uso de composites para reparar y sustituir infraestructuras dañadas por causa de la corrosión, tanto a nivel de suelo como por debajo de la superficie. Por poner un ejemplo, 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. El que viene siendo el talón de Aquiles para aquellos fabricantes que trabajan con metales, es en cambio una de las mayores fortalezas de la industria del composite. La prevención contra la corrosión fue una de las primeras aplicaciones que tuvieron los plásticos reforzados con vidrio, entre los que los sistemas con resina isopoliéster fueron los más resistentes a este fenómeno adverso. Aunque ha ido siendo relevado en ese papel especialmente en aplicaciones marinas por resinas estéricas de vinilo de epoxi el uso de composites ha seguido haciendo incursiones en varios mercados con gran potencial a largo plazo. A continuación se detallan algunas aplicaciones en las que el uso de composites ha ido cobrando una importancia vital: Rehabilitación de acero corroído Una de las estrategias más lucrativas es renovar el degradado sistema municipal e industrial de tuberías, ya que las infraestructuras envejecidas y los ajustados presupuestos llevan a las personas responsables de las decisiones en cuestiones de mantenimiento a buscar opciones menos drásticas, disruptivas y financieramente limitantes que una sustitución completa de los sistemas.

27 Cap.1: Introducción La empresa Composites Advantage LLC ofrece una solución basada en composites llamada Pipe Wrap Composite Strengthening. En caso de tuberías expuestas al aire libre o tuberías bajo tierra, se rodea la tubería con una capa de composite, que actúa como refuerzo para las paredes de la misma que han sido debilitadas por el ataque de la corrosión. Se suministran capas de fibra de carbono a través de rodillos que aplican una capa de epoxi sobre el material. Después el compuesto es enrollado en espiral o en bandas directamente alrededor de la tubería. El epoxi, que permite su aplicación hasta dos horas después de la mezcla de la base y el endurecedor, satura las fibras de carbono y se adhiere al sustrato metálico, uniendo firmemente éstas a la tubería. Desde Composites Advantage LLC dicen que las fibras de carbono de alta resistencia funcionan mejor como refuerzo para tuberías corroídas que las fibras de vidrio, ya que el vidrio no solo tiene menor resistencia, sino que tiende a elongarse con el tiempo. Esta empresa suministra actualmente a un contratista que está renovando una red de tuberías de refrigeración de 254 mm de diámetro en el centro de datos de un cliente en California. Las tuberías de refrigeración, que tienen paredes finas y con fugas debido a la corrosión, suministran agua al sistema de ventilación del edificio y al sistema de aspersores. Todos los agujeros y brechas en las tuberías son reparadas primero con placas de acero de 1.02 mm que son fijadas a las tuberías con adhesivo epoxi. El perímetro de la tubería es envuelto en un material de fibra de vidrio que aísla el material de carbono del metal, evitando así una interacción galvánica, después se empieza a rodear con un máximo de cuatro capas de fibra de carbono saturada con epoxi, que tienen un espesor de aproximadamente 1 mm por capa. Según Composites Advantage LLC, desmantelar todo el sistema y ponerlo nuevo hubiese costado bastante más de un millón de dólares, mientras que su reparación con composite de fibra de carbono costará dólares a lo sumo, y dará servicio durante otros quince o veinte años. Encapsulación de hormigón dañado La rehabilitación con plástico reforzado con fibras (FRP, por sus siglas en inglés) se ha convertido en una alternativa muy atractiva para sustitución en otra aplicación relacionada con el agua: las pilonas hechas de hormigón y muelles en zonas marítimas. La firma STRUCTURAL (Hanover, Md.), que se centra en usar tecnología de la que es propietaria para reparar y fortificar determinados componentes de infraestructuras públicas e industriales, dice que ha registrado más de instalaciones de su LifeJacket Galvanic Protection system, que está diseñado para revestir hormigón armado en ambientes marinos. El producto, en el mercado desde 1995, está compuesto por un recubrimiento de 1 mm de grosor de FRP con un forro de malla de zinc que actúa para proteger las pilonas que han sufrido corrosión inducida por cloro. Molina Pedregal, Ignacio 13

28 Cap.1: Introducción Cuando las pilonas envejecidas empiezan a presentar grietas y el agua salada se introduce en el hormigón, las barras de acero están en peligro. El agua salada contiene suficientes iones para conducir la electricidad. En contacto con las barras de acero completa un circuito eléctrico bastante similar al presente en las baterías comunes. Una corriente baja fluye desde las áreas del acero ricas en oxígeno o cloro (el cátodo de la batería) a áreas donde el oxígeno o el cloro son menos abundantes (el ánodo). Al igual que el ánodo en una batería, el acero que es menos rico en oxígeno o cloro se corroe y se expande, lo cual es causa potencial de fallo estructural. Cuando se envuelve la pilona con el producto LifeJacket, la malla de zinc (que es más activa electroquímicamente que el hierro pero se corroe mucho más lentamente) se convierte en el ánodo, esto es, se convierte en el foco de corrosión, y siendo menos propenso que el acero a la corrosión, provee de protección contra la corrosión al acero por un periodo de tiempo mayor hasta que el zinc tenga que volver a ser sustituido. El recubrimiento de FRP también puede funcionar como soporte a aquellas pilonas que han sufrido pérdidas de material en su sección transversal como consecuencia de la intrusión de agua salada y de la corrosión. El uso de los refuerzos con fibras de vidrio o de carbono como recubrimiento para vigas se está expandiendo más allá del contexto marino. Remplazo de acero inoxidable La subida del precio del acero inoxidable en los últimos siete años ha abierto nuevas posibilidades al FRP para competir en los mercados de almacenamiento de químicos y manejo de fluidos. No sólo mejorará con respecto al comportamiento del acero, sino que incluso su precio será mejor. Dado que muchos clientes finales han utilizado acero aleado para aplicaciones donde la corrosión jugaba un papel importante, los suministradores de composites han tenido que hacer un esfuerzo por educar a los clientes en las bondades de las estructuras de composite, su comportamiento en ambientes altamente corrosivos y la necesidad de especificar el compuesto adecuado. Almacenamiento subterráneo de agua La empresa ZCL Composites Inc. (Edmonton, Alberta, Canadá) ha reportado una inusual nueva tendencia. El 70% de sus ventas viene de tanques de almacenamiento subterráneo de fibra de vidrio de doble pared, destinado a gasolineras. Comparado con los tanques de hormigón, estos tanques de FRP son más baratos de instalar y requieren menos mantenimiento. El agua es uno de los elementos más corrosivos que se conocen, con el tiempo el agua se infiltra en las porosidades del hormigón y comienza a degradarlo. Aun así, el hormigón sigue siendo la opción preferida en muchos casos debido a la inercia del mercado y su apego a lo establecido.

29 Cap.1: Introducción Resumen Como los ejemplos anteriores indican, los composites están empezando a tener cada vez más una importancia creciente en el mercado de las soluciones frente a la corrosión, ganando terreno frente a los dominadores históricos como son el acero y el hormigón. Sin embargo, los proveedores y fabricantes de composites reconocen la necesidad continua de impulsar el ciclo de innovación y encontrar formas de reducir al máximo los costes si quieren copar el mercado de las aplicaciones propensas a la corrosión, sustituyendo a los materiales tradicionales PROPIEDADES MECÁNICAS Las propiedades mecánicas son aquellas propiedades de los materiales que se ponen de manifiesto ante la aplicación de cargas y fuerzas, y suponen una cuantificación de la capacidad que tienen para soportarlas. También aparece la resistencia frente a la erosión por cavitación como una de las propiedades mecánicas a estudiar, que es una medida de dureza que se obtiene a través del impacto fluídico sobre la superficie del composite. Dependiendo de la forma de aplicación de las cargas o fuerzas podemos distinguir tres tipos diferentes de propiedades mecánicas: [2] Estáticas: si las cargas o fuerzas actúan de forma constante o crecen gradualmente Dinámicas: en el caso de que las cargas o fuerzas actúen de forma súbita. Normalmente asociadas con choques Cíclicas: cuando las cargas o fuerzas siguen un ciclo, variando de valor o de sentido, o ambas al mismo tiempo El estudio de estas propiedades mecánicas para cada material resulta de vital importancia a la hora de predecir su comportamiento ante determinadas situaciones de cargas y fuerzas, y por tanto, poder elegir entre distintos materiales dependiendo de los requerimientos de la aplicación. A continuación se detalla una lista de las propiedades mecánicas que posee cualquier material: - Tenacidad: propiedad de soportar sin deformarse ni romperse los esfuerzos bruscos que se les apliquen. Molina Pedregal, Ignacio 15

30 Cap.1: Introducción - Elasticidad: capacidad de recuperar su forma y dimensiones originales previas a la deformación producida por un determinado esfuerzo una vez que este esfuerzo desaparece. - Plasticidad: aptitud de algunos materiales sólidos par adquirir deformaciones permanentes sin que se produzca la rotura. - Ductilidad: variante de la plasticidad, propiedad que poseen ciertos metales para estirarse en forma de hilos finos. - Maleabilidad: otra variante de la plasticidad, en este caso consiste en la capacidad de transformar algunos metales en láminas delgadas. - Fragilidad: propiedad que indica la facilidad de un material para romperse por la acción de un choque. - Dureza: resistencia de un material a la penetración. Cualquier material posee todas estas propiedades en mayor o menor medida, es decir, independientemente del material tendrá las propiedades antes descritas, tanto si son buenas como malas. Pongamos como ejemplo el vidrio común, como todo el mundo conoce se trata de un material extremadamente frágil, y a temperatura ambiente su plasticidad es casi inexistente, aunque no por ello no tiene la propiedad de la plasticidad, sino que ésta es mínima. En el estudio de nuestro composite vamos a realizar los siguientes ensayos, cada uno de los cuales nos dará unos valores numéricos para algunas de las propiedades mecánicas anteriormente descritas: - Ensayo de flexión: obtenemos valores de la elasticidad y plasticidad del material. (para más detalles ver Apartado 2.1 y Apartado 3) - Ensayo de tracción: ofrece una idea aproximada de la tenacidad y elasticidad de un material (Para más detalles ver Apartado 2.1 y Apartado 3) - Ensayo de dureza Shore D: como su propio nombre indica devuelve datos de la dureza del material (Para más detalles ver Apartado 2.1 y Apartado 3) - Ensayo de cavitación: no está relacionado específicamente con ninguna de las propiedades anteriores, sino que ofrece resultados de cómo se comporta el material ante la erosión debida al fenómeno físico de la cavitación. (Para más detalles sobre el proceso de cavitación consultar el Apartado Para más información sobre el ensayo de cavitación ver el Apartado 3.1) Todos estos ensayos devuelven datos sobre el comportamiento del composite ante distintas solicitaciones. En el caso de la flexión y la tracción el tipo de esfuerzo aplicado es diferente, pero las propiedades mecánicas a estudiar son similares: elasticidad, plasticidad, tenacidad. Por otro lado, el ensayo de dureza Shore D y el

31 Cap.1: Introducción ensayo de erosión por cavitación son muy distintos, aunque ambos devuelven valores de la dureza superficial del composite, en el caso de la dureza Shore D frente al impacto mecánico y en el caso de la cavitación frente al impacto fluídico. Propiedades mecánicas de los polímeros termoestables. Dado que el epoxi, material matriz de nuestro composite, es un polímero termoestable, se considera relevante hacer una breve reseña de las propiedades mecánicas que poseen este tipo de materiales y sus ventajas frente a otras posibilidades. Los polímeros termoestables son polímeros infusibles e indisolubles, es decir, como su propio nombre indica, no presentan cambios en sus propiedades ante cambios de temperatura. Cuando la temperatura se eleva mucho las cadenas del polímero se compactan haciéndolo más resistente hasta que llega al punto en que se degrada. [3] Las moléculas de polímero están entrelazadas formando una red tridimensional, lo que convierte la estructura en una molécula gigantesca de fuertes enlaces covalentes. Es durante el proceso de curado (entrelazamiento) cuando se crean todos estos enlaces, siendo un proceso irreversible. Es tras este proceso de curado (que en el caso del epoxi se realiza a temperatura ambiente puesto que la reacción es exotérmica y desprende el suficiente calor como para no necesitar una fuente externa) cuando el polímero es inmune a la acción del calor, manteniendo sus propiedades. En general los polímeros termoestables poseen mejores propiedades mecánicas, térmicas y químicas, resistencia eléctrica y estabilidad dimensional que los termoplásticos. Entre ellas se cuenta una mejor resistencia al impacto, a los solventes, a la permeabilidad de los gases y a las temperaturas extremas. Como desventajas frente a los termoestables aparece su dificultad de procesamiento, la necesidad de curado, que son materiales más frágiles y que no presenta acritud. Ejemplos de polímeros termoestables son: Resina epoxi Siliconas Poliuretanos Caucho sintético y natural vulcanizado Baquelita Molina Pedregal, Ignacio 17

32 Cap.1: Introducción EFECTOS ADVERSOS Cavitación La cavitación es un fenómeno muy importante de la mecánica de los fluidos y, por tanto, de particular influencia en el funcionamiento de toda maquina hidráulica. Los fenómenos que acompañan a la cavitación son la pérdida de sólidos en las superficies colindantes, ruidos, vibraciones y pérdidas de rendimiento. No en todos los casos la cavitación es considerada un fenómeno adverso, sino que en circunstancias controladas puede ser utilizada con propósitos de limpieza de superficies. Concretamente, el fenómeno de la cavitación se presenta en forma de bolsas de vapor dentro del líquido. La condición necesaria para que aparezca la cavitación es la bajada local de la presión en un fluido hasta su presión de vapor. En el fenómeno de la cavitación existe una primera aparición de esas bolsas de vapor dentro del fluido, una segunda etapa de crecimiento de la bolsa y finalmente, cuando la bolsa es arrastrada a zonas de mayor presión, una tercera etapa en la cual implota. [4] Pero lo que nos intriga es cómo aparecen inicialmente estas burbujas. Para que aparezca una cavidad en un líquido este debe ser estirado y después desgarrado. En caso de que considerásemos el fluido como un sólido podríamos decir que el causante sería un esfuerzo de tracción, y en consecuencia, la capacidad de un líquido de soportar ese esfuerzo es la resistencia a tracción. En la siguiente figura se determina la capacidad del agua de tener una presión negativa. Gráfica 1: Máxima tensión en el agua en función de la temperatura

33 Cap.1: Introducción Estos son valores mínimos teóricos para agua absolutamente pura. Así, bajo ciertas condiciones el agua pura puede soportar muy altas tensiones de tracción, o presiones negativas, mucho más bajas que la presión de vaporización. Bajo tensiones de tracción un líquido generalmente se separa a la presión de vapor. El hecho de que el comienzo de la cavitación se produzca cuando se llega a la tensión de vapor, nos hace suponer que en líquido hay impurezas. Estas impurezas se denominan núcleos, puesto que es dónde empieza el fenómeno de la cavitación, las cavidades anteriormente mencionadas, los puntos por donde el líquido se rompe. Teóricamente la tensión necesaria para dar lugar a la nucleación es enorme, pero el fenómeno de cavitación ocurre precisamente a bajas presiones, ello implica que los líquido ya están rotos de antemano, y las fracturas son las anteriormente definidas como núcleos y dan lugar al inicio del proceso. Estos núcleos son diminutas burbujas de gases adheridas a materiales sólidos presentes en los líquidos, burbujas retenidas en fisuras en los conductos de transporte del mismo, o gases absorbidos por el líquido. Los altos contenidos de gas parecen favorecer el comienzo de la cavitación, debido a que originan una mayor cantidad de burbujas. Por otra parte un contenido elevado de aire (presión parcial de aire) disminuye la velocidad de implosión. Con un contenido bajo de gas se demora el comienzo de la cavitación, ya que la resistencia a la tracción del agua en este caso comienza a jugar un papel considerable. Para un contenido de un 10% del valor de saturación la cavitación comienza al alcanzar la presión de vapor. Con elevados contenidos de aire la presión para el comienzo de la cavitación es superior a la presión de vapor, ya que en este caso el crecimiento de las burbujas está favorecido por la difusión de gas en el líquido. Estos núcleos al ser sometidos a una zona de baja presión comienzan a expandirse. Si aún sigue disminuyendo la presión en una magnitud tal que se alcance la presión de vapor del fluido a la temperatura respectiva, entonces el líquido que rodea a este núcleo (micro burbuja) se vaporiza y comienza a crecer hasta que se hace visible en forma de burbuja. Si en el líquido hay disuelto otros gases, ellos también pueden colaborar en formar esta cavidad por difusión de los mismos, cuando las condiciones físicas (de presión y temperatura) lo permitan. Tenemos pues bolsas de gas dentro de nuestro líquido que han ido creciendo a partir de los núcleos originales. Estas bolsas son arrastradas a zonas de mayor presión donde se produce la implosión. Este proceso lleva asociado un fuerte ruido crepitante. Habíamos comentado que en el momento en que se supera la tensión de vapor la bolsa colapsa inmediatamente produciendo la condensación, que también tiene lugar de forma instantánea. Así, con el colapso de la bolsa de Molina Pedregal, Ignacio 19

34 Cap.1: Introducción vapor, el agua que la rodea golpea violentamente con las superficies sólidas con las que estaba en contacto y con otras partes del líquido. Es en este momento cuando se produce la erosión por arranque de partículas y que se puede dar en cualquier tipo de material, desde materiales metálicos, cerámicos o plásticos. A continuación se muestran algunos de los devastadores efectos que puede tener la cavitación sobre elementos metálicos como hélices o rodetes de bombas: [5] Figura 2: Daños por cavitación en hélice Figura 3: Daños por cavitación en rodete radial

35 Cap.1: Introducción Otros efectos adversos de carácter mecánico Los efectos adversos que pueden aparecer relacionados con las otras propiedades mecánicas que se estudian (resistencia a la flexión, resistencia a la tracción y dureza Shore D), son de conocimiento general. En el caso de la resistencia a la tracción y a la flexión los efectos adversos son debidos a solicitaciones sobre estructuras no esperadas o por el hecho de que estas estructuras no estén lo suficientemente bien dimensionadas. Estos defectos llevan a la estructura a una serie de estados límite que se detallan a continuación: [6] Estados límite últimos Son aquellos que, de ser superados, constituyen un riesgo para las personas, ya sea porque producen una puesta fuera de servicio del edificio o el colapso total o parcial del mismo. Como estados límite últimos deben considerarse los debidos a: - Pérdida del equilibrio del edificio, o de una parte estructuralmente independiente, considerado como un cuerpo rígido. - Fallo por deformación excesiva, transformación de la estructura o de parte de ella en un mecanismo, rotura de sus elementos estructurales (incluidos los apoyos y la cimentación) o de sus uniones, o inestabilidad de elementos estructurales incluyendo los originados por defectos dependientes del tiempo (corrosión, fatiga). Estados límite de servicio Son los que, de ser superados, afectan al confort y al bienestar de los usuarios o de terceras personas, al correcto funcionamiento del edificio o a la apariencia de la construcción. Los estados límite de servicio pueden ser reversibles o irreversibles. La reversibilidad se refiere a las consecuencias que excedan los límites especificados como admisibles, una vez desaparecidas las acciones que las han producido. Como estados límite de servicio deben considerarse los relativos a: - Las deformaciones que afecten a la apariencia de la obra, al confort de los usuarios, o al funcionamiento de equipos e instalaciones. - Las vibraciones que causen una falta de confort de las personas, o que afecten a la funcionalidad de la obra. - Los daños o deterioro que pueden afectar desfavorablemente a la apariencia, a la durabilidad o a la funcionalidad de la obra. Molina Pedregal, Ignacio 21

36 Cap.1: Introducción POR QUÉ EL USO DE NANOCOMPOSITES? En apartados anteriores se ha resaltado la importancia de los composites como respuesta a determinadas aplicaciones para las que se precisan unos requerimientos muy determinados. A través de los composites damos una solución muy específica, diseñándolos de forma que se ajusten perfectamente a las necesidades. Con esto se mejora el desempeño de los materiales tradicionales, generalmente materiales metálicos, y se optimiza la cantidad de material y sus propiedades mecánicas, que normalmente se ven limitadas por las propiedades que poseen estos materiales de forma natural, siendo la única solución posible un aumento de la cantidad de material. Vista la clara ventaja de los composites sobre los materiales tradicionales, a los cuales aventajan no solo en comportamiento sino en muchas ocasiones también en precio, la pregunta que nos surge es por qué nanocomposites? Es decir, por qué incluir nanopartículas en nuestro composite? Lo primero es dejar claro que las nanopartículas serán las que desempeñen las funciones de material de refuerzo, mientras que para la matriz vamos a utilizar una resina polimérica, en concreto epoxi. Respondiendo a la pregunta anterior diremos que los nanocomposites son estructuras en las que conviven varias fases que componen el material, y entre las que existen unas distancias fase fase que se repiten y que se deben medir en una escala nanométrica. Normalmente se designa así a la combinación sólida de una matriz y otra fase de escala nanométrica cuyas propiedades difieren debido a variaciones de su estructura y composición química. Al igual que ocurría con los composites las propiedades mecánicas, eléctricas, térmicas, ópticas de los nanocomposites serán marcadamente diferentes a las de sus componentes por separado. Los composites no son sólo una creación humana, sino que pueden ser encontrados en la naturaleza. Un ejemplo de ello es el caparazón de algunos moluscos. Hablando en términos mecánicos, los nanocomposites se diferencian de los composites convencionales en el ratio superficie volumen de la fase de refuerzo, el cual es excepcionalmente alto en el caso de los nanocomposites. El material de refuerzo puede estar hecho de partículas (en el caso que nos ocupa, utilizamos nanopartículas de SiO 2 ), láminas (por ejemplo capas de arcilla exfoliadas) o fibras (por ejemplo nanotubos de carbono). Esta gran área de material de refuerzo significa que una cantidad relativamente baja de refuerzo nanométrico puede tener un efecto observable en las propiedades macrométricas del composite. Por ejemplo, añadiendo nanotubos de carbono mejoramos la conductividad térmica y la conductividad eléctrica. En nuestro estudio pretendemos estudiar la mejora de

37 Cap.1: Introducción las propiedades mecánicas ya mencionadas en apartados anteriores mediante la adición de las nanopartículas de dióxido de silicio. Así pues, el relativamente reciente descubrimiento de las propiedades mecánicas de las nanopartículas nos brinda una gran oportunidad para crear nuevos materiales, nuevos nanocomposites, específicamente diseñados para responder a unas demandas muy concretas con el menor gasto de material posible. Actualmente la producción de nanopartículas de forma industrial está todavía en un proceso de desarrollo, por lo que el precio de las mismas es todavía demasiado elevado como para que se extienda su uso de forma generalizada. De cualquier forma, la investigación en el campo de las nanopartículas evolucionará mucho en los próximos tiempos y se reducirá su coste, haciendo más competitivos los nanocomposites frente a los materiales tradicionales OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL DEL PROYECTO FINAL DE CARRERA Este Proyecto Final de Carrera tiene como objetivo general el estudio de algunas propiedades mecánicas de un compuesto creado en el laboratorio. Este composite será un nanocomposite que tiene como componente matriz resina epoxi y como componente de refuerzo nanopartículas de sílica, es decir, dióxido de silicio (SiO 2 ). Entra pues dentro de la categoría de NanoComposite de Matriz Polimérica (PMNC por sus siglas en inglés). Anteriormente ya se ha comentado los beneficios obtenidos del uso de este tipo de materiales frente a materiales tradicionales como el hormigón o el acero. Las propiedades mecánicas que se estudiaron se relacionan con la elasticidad, la plasticidad, la tenacidad y la dureza. La obtención de estos valores nos permitirá encuadrar nuestro composite dentro del marco de otros nanocomposites ya ensayados y compararlo con éstos, con el material polimérico que forma la matriz (epoxi) por si solo y con otros materiales que puedan desempañar la misma función que el nuestro, la de recubrimiento. Molina Pedregal, Ignacio 23

38 Cap.1: Introducción OBJETIVOS ESPECÍFICOS DEL PROYECTO FINAL DE CARRERA Como objetivos específicos de este Proyecto Final de Carrera tendremos: 1. Analizar el comportamiento elástico del PMNC objeto de estudio 2. Analizar el comportamiento plástico del PMNC objeto de estudio 3. Analizar la tenacidad del PMNC objeto de estudio 4. Analizar la dureza del PMNC objeto de estudio 5. Estudiar el comportamiento del PMNC objeto de estudio ante los efectos de erosión por cavitación. Con este propósito se realizarán los ensayos que a continuación se detallan: - Ensayo de flexión Elasticidad y plasticidad - Ensayo de tracción Tenacidad y elasticidad - Ensayo de dureza Shore D Dureza - Ensayo de cavitación Resistencia a la erosión por cavitación Nuestro principal punto de referencia será el componente matriz a partir del cual se ha creado el nanocomposite mediante la adición de nanopartículas: el epoxi. Se observará como varían las propiedades anteriormente mencionadas con la adición de distintos porcentajes de SiO 2, determinando si esta adición tiene un efecto claramente apreciable sobre cada propiedad o por el contrario no se ven signos de que influya.

39 Cap. 2: Estado del Arte CAPÍTULO 2: ESTADO DEL ARTE 2.1. PROPIEDADES MECÁNICAS Resistencia a la flexión Por resistencia a la flexión se entiende el esfuerzo máximo que soporta el material antes de romperse o agrietarse. En el caso de que el material en cuestión no rompa, el dato que se toma es la resistencia de fluencia en flexión. Los ensayos de caracterización del material, en este caso el ensayo de flexión, son vitales pues nos permiten conocer cómo se va a comportar un determinado material en condiciones de uso. Son especialmente importantes en los materiales compuestos (composites) de nueva creación, puesto que su comportamiento no está totalmente comprobado, al contrario que el de los materiales clásicos como pueden ser el acero o el hormigón, cuyas propiedades están más que comprobadas. Estos materiales compuestos son principalmente usados en sectores como el de la automoción, la industria aeronáutica y el sector energético, en los que es básico conocer cuanto podrá flexionarse el material manteniendo la rigidez. La prueba de flexión en polímeros es una prueba cuasiestática que determina el módulo de flexión, el estrés de flexión y la deformación por flexión en una muestra polimérica. Resistencia a la tracción Como se comenta en el Apartado 3.4 el ensayo de tracción consiste en someter una probeta normalizada a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que la probeta se rompe. Consideramos que la fuerza aplicada es estática, para ello la probeta es sometida a esta fuerza muy lentamente, y como consecuencia de ello se obtienen unas velocidades de deformación muy pequeñas. Un parámetro de influencia fundamental en el ensayo de tracción es el módulo de elasticidad, también llamado módulo de Young. Este parámetro nos da una idea del comportamiento que tiene el material mientras está en la zona de comportamiento elástico. En la siguiente tabla se exponen los valores del módulo de elasticidad para algunos de los materiales más habituales: Molina Pedregal, Ignacio 25

40 Cap. 2: Estado del Arte MATERIAL MÓDULO DE ELASTICIDAD [Kg/cm2] Acero Cobre Hierro Aluminio Vidrio Hormigón Madera Epoxi Tabla 1: módulo de elasticidad de diferentes materiales Otro parámetro muy importante para observar el comportamiento del compuesto ensayado a tracción es conocer su límite elástico, ya que determina en qué momento el compuesto pasa de tener un comportamiento elástico a un comportamiento plástico. Esto es muy importante porque el comportamiento plástico es un estado límite del material, en el que prácticamente nunca se quiere trabajar. Así pues, el límite elástico sería el esfuerzo máximo que nuestro compuesto podría llegar a soportar sin suponer un riesgo. En la siguiente tabla se recogen valores del límite elástico para algunos de los materiales más comunes: MATERIAL LÍMITE ELÁSTICO [Kg/cm2] Acero Cobre Hierro Aluminio Vidrio Hormigón 30 Madera Epoxi 460 Tabla 2: límite elástico de diferentes materiales Dureza El ensayo de dureza Shore tiene la gran ventaja de ser el único ensayo no destructivo que existe para medir valores de dureza. En este ensayo se utiliza la reacción elástica del material al dejar caer un objeto más duro sobre él para medir

41 Cap. 2: Estado del Arte su dureza. Si el material es blando, absorbe gran parte de la energía del impacto, si es duro se produce un rebote cuya altura se puede medir. Este tipo de experimento es utilizado para materiales más blandos, es decir, no es empleado para materiales metálicos. A continuación se muestra una imagen en la que aparecen los valores de dureza de algunos materiales ensayados por este método: [7] Figura 4: Dureza Shore de diversos materiales Resistencia a la erosión por cavitación El ensayo de cavitación nos permite conocer cuál va a ser el comportamiento del composite frente a la erosión que se produce en la superficie del mismo cuando estando sumergido en un fluido pequeñas bolsas de gas implotan en la cercanía de su superficie, arrancando pequeñas partículas del recubrimiento. Para conocer el procedimiento seguido para la realización de este ensayo consultar el Apartado NANOPARTÍCULAS Por nanopartículas se entienden aquellas partículas cuyo tamaño característico se encuentra entre 1 y 100 nanómetros, y son un área de gran interés científico debido a su amplio rango de potenciales usos en los campos biomédico, óptico y electrónico. Aunque las nanopartículas son consideradas generalmente un descubrimiento de la ciencia moderna, en realidad tienen una larga historia a sus espaldas. Los artesanos de la Mesopotamia del siglo 9 ya usaban nanopartículas para dar efecto brillante a la superficie de sus objetos de barro. Incluso hoy en día Molina Pedregal, Ignacio 27

42 Cap. 2: Estado del Arte la artesanía de barro de la Edad Media y el Renacimiento mantiene el brillo metálico coloreado de oro o cobre. Esta coloración es debida a una película metálica que se aplicaba a la superficie transparente del barniz. Esta película contenía nanopartículas de plata y de cobre dispersadas homogéneamente en la capa de barniz. Estas nanopartículas fueron creadas añadiendo sales de cobre y plata y óxidos todo junto con vinagre, ocre y arcilla en la superficie del artefacto sobre el que se trabajaba que ya estaba previamente barnizado. El objeto se situaba después en un horno y se calentaba hasta unos 600,00ºC en una atmósfera reductora. Con el calor el barniz se reblandecería, haciendo que los iones de plata y cobre se moviesen hacia sus capas internas. En ese punto, la atmósfera reductora reduciría los iones de vuelta a los metales, que se juntarían formando las nanopartículas causantes del color y del efecto óptico. Pero, a pesar de esta demostración de un gran conocimiento del comportamiento de los materiales, estos artesanos no conocían el concepto de nanopartículas como tal, fue Michael Faraday quien dio la primera descripción en términos científicos de las propiedades ópticas de los metales a escala nanométrica. La característica principal de las nanopartículas es la variación de propiedades que poseen determinados compuestos cuando su tamaño de partícula es nanométrico, que pueden variar sustancialmente frente a partículas del mismo compuesto de mayor tamaño. Gracias a los recientes avances tecnológicos la producción de estas nanopartículas es ahora viable a escala industrial, y por ello suponen una nueva fuente de innovaciones en el campo de la ciencia de los materiales, sobretodo en el ámbito de los nanocomposites, como se ha comentado en el Apartado A continuación se recoge una tabla con algunas de las principales aplicaciones que tienen las nanopartículas en el ámbito industrial: [8]

43 Cap. 2: Estado del Arte ÁMBITO APLICACIÓN NANOPARTÍCULAS ENERGÍA Almacenamiento de Nanopartículas híbridas metálicas hidrógeno Catalizadores TiO2, cerio, rhodio, platino,paladio Células solares TiO2 sensibilizadas por colorante Mejora de materiales para Nanoarcillas ánodo y cátodo de pilas de combustible SALUD Agentes de contraste MRI Óxidos de hierro Apósitos para heridas Plata antibacterianos Fungicidas Cu2O Protectores solares ZnO y TiO2 INGENIERÍA Herramientas ZrO2, Al2O3, cerámicos no óxidos y cobalto Mejora estructural y física de polímeros y materiales Nanoarcillas, nanooxidos y nanohidroxidos de metales. compuestos Nanoarcilla polímero reforzado con composites Organoarcillas (sepiolite, laponite ysmectite Pigmentos Pb, Zn, Mg y Ag. Otras NPs metálicas ELECTRÓNICA Resistentes al desgaste / recubrimientos resistentes a la abrasión incluyendo ViO, AlO, CdO y otras Nanopartículas de alumina y Y Zr2O3 Sensores químicos Tintas: conductores, Buenos conductores como la plata. magnéticos, etc. (utilizando polvos de metal) partículas magnéticas para la alta densidad de almacenamiento de datos Circuitos electrónicos Ferro líquido Optoelectrónica dispositivos tales como interruptores Química mecánica planarización CMP Fe solo o en combinación con otros metales (o no metales), CoPt o FePt Plata, cobre y nanopartículas de Al Fe (posiblemente recubiertas con una capa de carbono), Co, FeCo y Fe3O4 Gd2O3 o Y2O3 dopados con Eu, Tb, Er, Ce Alumina, sílica y cerio Tabla 3: Aplicaciones industriales de las nanopartículas Molina Pedregal, Ignacio 29

44 Cap. 2: Estado del Arte Así pues, vemos que en la actualidad las nanopartículas están teniendo múltiples y variadas aplicaciones, en muchos campos de la ciencia, con resultados sorprendentes. Como hemos comentado el avance tecnológico ha sido el que ha posibilitado el reciente boom de la tecnología de las nanopartículas. Gracias a éste han aparecido múltiples métodos de obtención de nanopartículas, entre los cuales nos interesará especialmente el utilizado para la producción de nanopartículas de SiO 2. Un reciente experimente ha ido destinado a su obtención a partir de residuos agroalimentarios [9]. El aprovechamiento de residuos agroindustriales ha sido un tema de constante estudio en los últimos años. Estos residuos contienen una cantidad significativa de silicio en estado amorfo, el cual puede ser transformado en nanopartículas de sílice cristalino, aumentando su atractivo. Esta transformación se consigue gracias a organismos vivos, en este caso anélidos de la especie Eisenia foetida que actúan sobre la cascarilla de arroz, la pulpa de café y el bagazo de caña. Estos residuos son sometidos a un proceso de vermicompostaje obteniendo un producto sólido, que después es calcinado para más tarde obtener las nanopartículas de óxido de silicio cristalino. El resultado final de este proceso es la obtención de partículas de un tamaño inferior a 50 nm. En nuestro ensayo concreto las partículas de SiO 2 usadas tendrán un diámetro comprendido entre 10 y 20 nm. El precio de estas partículas es de 472,5 euros por medio kilogramo, muy elevado si se compara con el precio de metales semipreciosos (cobre: 5443,1 /Ton; zinc: 1386,36 /Ton; aluminio: 1379,10 /Ton; cotizaciones a 15/04/13) o comparándolo directamente con el precio del SiO 2 a granel, que es de unos $/Ton. Esta gran diferencia de precio tiene su principal causa en la dificultad para obtener partículas de tamaño tan reducido. Es conveniente resaltar que el precio reflejado para las nanopartículas de SiO 2 es el precio de compra facilitado por el Departamento de Ingeniería Mecánica del ETSI ICAI de la Universidad Pontificia de Comillas, cuyo volumen de compra es mínimo comparado con el que se tendría en caso de uso industrial. Por tanto, este precio podría ser mucho menor dependiendo de la negociación con proveedores y por ello no se ha considerado realizar un estudio de viabilidad económica por falta de datos correctos.

45 Cap. 2: Estado del Arte 2.3. NANOCOMPOSITES DE MATRIZ POLIMÉRICA Como se comentó en el apartado 1.1 un PMNC consiste en su versión más sencilla en la adición de nanopartículas a una matriz polimérica para modificar su comportamiento radicalmente, haciendo uso de la naturaleza y propiedades del componente de relleno nanométrico. Esta estrategia es particularmente efectiva en la creación de composites de alto rendimiento, en los que se consigue una buena dispersión del componente de relleno y las propiedades del mismo son significativamente diferentes o mejores que las de la matriz. Debe notarse que la mejora de las propiedades metálicas no está limitada a su rigidez o resistencia. Con la adición de nanopartículas también se consigue mejorar propiedades que dependen del tiempo. La dispersión de las nanopartículas dentro de la matriz polimérica es un factor vital, limitante del porcentaje de volumen de nanopartículas dentro del nanocomposite, así como su funcionalidad. La dispersión del componente de relleno en el composite puede introducir nuevas propiedades físicas y comportamientos no presentes en las matrices sin relleno. Esto cambia la naturaleza de la matriz original. Algunos ejemplos de estas nuevas propiedades que adquieren las matrices son resistencia frente al fuego y biodegradabilidad acelerada. En algunos estudios recientes en los que se fabricaron nanocomposites con nanoestructuras de carbón unidimensionales y nanomateriales orgánicos e inorgánicos bidimensionales se observó que con bajas concentraciones de carga de nanopartículas se produjo un refuerzo mecánico considerable, reflejado en un incremento del módulo de Young, un refuerzo de la resistencia a compresión y de la resistencia a flexión. Estos resultados sugieren que el refuerzo mecánico es dependiente de la morfología, defectos, dispersión de las nanopartículas dentro de la matriz y de otras características del composite. En general las nanoestructuras bidimensionales proporcionan un mejor refuerzo que las unidimensionales, y las nanopartículas de materiales inorgánicos son mejores refuerzos que las de materiales orgánicos. Existe una amplia gama de aplicaciones de los nanocomposites en la actualidad, que generalmente se encuentran dentro de los campos donde es usada la tecnología más puntera. A continuación destacamos algunas de las más relevantes. Aumento de la resistencia mecánica: investigadores de la NASA han desarrollado nuevos métodos para fortalecer resinas epoxi sin disminuir la dureza Molina Pedregal, Ignacio 31

46 Cap. 2: Estado del Arte o alterar los procesos ya existentes. Las dos tecnologías envueltas incluyen la disposición controlada y selectiva de nanopartículas dentro de la matriz. Las nanopartículas utilizadas son de materiales tales como nanofibras y nanotubos de carbono y arcilla. Las aplicaciones más destacadas son la creación de partes del cuerpo de un automóvil, partes del motor, estructuras que deben trabajar a altas temperaturas, depósitos a alta presión para el almacenamiento de gas natural y armaduras contra impacto de balas entre otro. Mejora de la fotoluminiscencia: se ha informado de que la utilización de óxido de zinc (ZnO) en la preparación de nanocomposites ha conllevado un aumento de la fotoluminiscencia del compuesto, mayor según se aumenta la presencia de ZnO en el nanocomposite. Esta propiedad tiene uso en el sector de la óptica y de la iluminación. También para el sector de la óptica se consiguen materiales reforzados transparentes, ya que las partículas son tan pequeñas y en tan bajas concentraciones que no consiguen dispersar la luz. Mejora de la conductividad: a este respecto se ha descubierto que la inclusión de nanopartículas de plata en alcohol polivinílico disminuye la barrera entre fases y aumenta la probabilidad de que los electrones salten la barrera mejorando así la conductividad. Temperatura de reblandecimiento bajo carga: los nanocomposites permiten conseguir aumentos de hasta 100ºC en la temperatura de deformación bajo carga, ampliando así las posibilidades de aplicación de los composites a mayores temperaturas ambientales (ej. capó de automóviles) Otras aplicaciones: adhesivos conductores, recubrimientos, disminución de la permeabilidad, influencia sobre la cristalización, matrices de otros materiales compuestos Adquieren gran relevancia en la industria aeronáutica.

47 Cap.3: Metodología Experimental CAPÍTULO 3: METODOLOGÍA EXPERIMENTAL 3.1. PROCEDIMIENTO DE ENSAYO DE CAVITACIÓN En los siguientes apartados se hace un recorrido por todos los pasos seguidos que han constituido la metodología seguida en esta investigación sobre el efecto de la cavitación en los nanocomposites de matriz polimérica estudiados. Gracias a este ensayo obtendremos valores numéricos de la mejora que supone la inclusión de nanopartículas de SiO 2 en cuanto a su resistencia frente a la erosión por cavitación Preparación de las muestras El primer paso de todo ensayo será la preparación de las muestras con las que se va a experimentar. En el caso del ensayo de cavitación, debido a las características específicas de la máquina que se va a utilizar para el experimento, el compuesto creado va a ser aplicado en la superficie de un tip. Por tip se conoce la parte final del sonicador (aparato utilizado para la cavitación) sobre cuya superficie plana se produce el efecto adverso estudiado. Figura 5: tip utilizado en los ensayos de cavitación Previo a la aplicación del compuesto sobre la superficie del tip hay que realizar un proceso de silanizado sobre la misma, con el fin de que la adhesión del composite al tip sea mejor. Este proceso de silanizado se describe en detalle a continuación. Molina Pedregal, Ignacio 33

48 Cap. 3: Metodología Experimental PREPARACIÓN DE LOS TIPS (SILANIZADO) Útiles necesarios Estropajo de aluminio Agua desionizada (DIW) Pipeta ph metro

49 Cap. 3: Metodología Experimental Vaso de precipitado de 0,5 l. Agitador magnético Bandeja Horno Molina Pedregal, Ignacio 35

50 Cap. 3: Metodología Experimental Reactivos Detergente alcalino (diluido al 5 %) Desengrasante MEK (Metiletilcetona) γ GPS: 3 Glicidoxypropyl trimetoxysilane, 98 % Cas Marca ALDRICH Antes de proceder al recubrimiento de los tips con la mezcla de epofer y nanopartículas procederemos a realizar un tratamiento superficial de la superficie de estos. Se intenta que nuestro material se adhiera a la superficie utilizando el método del silanizado. Estos son los pasos que se llevaron a cabo: 1. Se limpiaron concienzudamente los tips con agua destilada y con metiletilcetona. 2. Se abrasa la superficie de los tips con un estropajo de aluminio impregnado en un detergente alcalino. 3. Se aclara con agua destilada. 4. Se toma un vaso de precipitados de 500 ml y se rellena con agua destilada. 5. En un recipiente aparte se mezcla agua destilada con unas 5 gotas de AcH 0,01 M. 6. Se calibra el PH del vaso de precipitados a 5, para ello se irán echando poco a poco gotas del AcH mezclado con el agua destilada. 7. Una vez que hemos conseguido un Ph de 5, se procede a rellenar un matraz aforado de 500 ml con el silano (3 Glicidoxypropyl trimetoxylane 98%). Teniendo en cuenta que el silano (GPS) debe estar en una proporción de un 1% sobre el volumen total, la cantidad a añadir para conseguir 500 ml finales será de 5 ml de silano. 8. Se rellena con nuestra mezcla de agua destilada con PH = 5 y se enrasa el matraz aforado hasta alcanzar la marca de 500 ml. 9. Se deja hidrolizando 1 hora en un agitador. 10. Una vez terminado de hidrolizar se colocan los tips en un recipiente y se sumergen durante una hora en el silano. 11. Después de una hora se dejan escurrir los tips durante 10 minutos en posición inclinada. 12. Ahora se procede a meter los tips durante 1 hora en un horno a 93º C para secarlos completamente y que el silano quede fijado. 13. Se dejan enfriar los tips al aire antes de aplicar el recubrimiento.

51 Cap. 3: Metodología Experimental La razón por la cual se realiza el tratamiento superficial de silanizado es para que el recubrimiento quede fijado a la superficie del tip mediante una cadena de silanos. Esto nos va a garantizar que el recubrimiento no se desprenda durante los ensayos y estos queden adheridos a la superficie. La introducción de este método en los ensayos aseguro la vida de los tips recubiertos en casi la totalidad sin los cuales la vida de estos era apenas de un 20%. En el caso de que se usen estos materiales como un recubrimiento aplicado en forma de pintura se recomienda seguir este método para la adhesión del material. PREPARACIÓN DE LOS RECUBRIMIENTOS: Una vez que el adhesivo ha curado los tips ya están preparados para ser recubiertos. Se realizaron en principio tres tipos de recubrimientos. Uno con resina epoxi y los otros dos añadiendo partículas nanométricas a esta base de resina obteniéndose un composite al 3% y al 5 %. Para ello se procede de esta forma: Útiles necesarios Vaso de plástico. Pipeta desechable. Balanza de precisión. Molina Pedregal, Ignacio 37

52 Cap. 3: Metodología Experimental Jeringuilla. Mezclador. Cámara de vacío. Moldes con la forma de los tips. Para epoxi solo: (para la obtención de 10 g de compuesto; para obtener otra cantidad variar proporcionalmente los componentes) 1. Se toma la resina Epofer EX 401 (7,58 g) y su endurecedor Epofer 432 (2,42 g) y se mezclan en un vaso de plástico obteniendo 10 g de resina epoxi. Es importante que una vez que tenemos la resina y antes de añadir el endurecedor desgasificarla en la cámara de vacío. 2. Para realizar el pesaje se introduce el vaso de plástico en una balanza Mettler AG 285 y con una jeringuilla se echan las proporciones antes citadas. 3. Se remueve la mezcla para que los componentes se mezclen y la resina cure. 4. Se vierte la mezcla sobre los tips introducidos en el molde 5. Se nivela la mezcla. 6. Se esperan 72 horas de curación.

53 Cap. 3: Metodología Experimental Para las inclusiones de nanopartículas añadimos lo siguiente: (para la obtención de 10 g de compuesto; para obtener otra cantidad variar proporcionalmente los componentes) 1. Se coloca un vaso de plástico en la balanza y se echa en este orden para que la curación no empiece antes de lo previsto estas proporciones: Composite al 3%: 7,35 g de resina + 0,3 g de nanopartículas Composite al 5 %: 7,20 g de resina + 0,5 g de nanopartículas Cada vez que se introduce una nueva sustancia en el vaso debemos de tarar la báscula para eliminar errores de medición. 2. Se mezcla con una varilla de plástico. 3. Se introduce la mezcla en una jeringuilla a la cual se le ha acoplado un mezclador. 4. Al salir del mezclador se recoge en un vaso y se vuelve a realizar el mismo proceso. 5. Hay que repetir el proceso 7 veces para asegurarse de una perfecta homogeneización de la mezcla. 7. El compuesto se desgasifica en la cámara de vacío. 6. Se añade el endurecedor: Composite al 3%: +2,35 g de endurecedor Composite al 5%: +2,30 g de endurecedor 10. Se mezcla con la jeringuilla 3 veces más. 11. Se vierte la mezcla sobre los tips introducidos en el molde. 12. Se nivela la mezcla. 13. Se esperan 72 horas de curación Ensayo de los tips mediante erosión por cavitación Una vez que hemos creado las muestras necesarias para poder realizar el ensayo de cavitación ahora debemos realizar el experimento propiamente dicho. Durante los ensayos de nuestros materiales se necesitó el siguiente equipo: Molina Pedregal, Ignacio 39

54 Cap. 3: Metodología Experimental Útiles necesarios El aparato empleado para la erosión mediante vibración es un vibrador acústico modelo BRANSON HORN No Figura 6: vibrador acústico BRANSON Una campana de aislamiento acústico (modelo) para mitigar el ruido producido por el vibrador. Figura 7: campana de aislamiento Un controlador digital suministrado conjuntamente con el vibrador modelo BRANSON digital sonifier 250.

55 Cap. 3: Metodología Experimental Figura 8: controlador digital BRANSON Para los ensayos se necesitó agua destilada, un vaso de precipitados, un termopar y un pedestal para sujetar el conjunto. Figura 9: pedestal Un secador de pelo, papel de filtro y un secadero de sal para eliminar el exceso de agua en los materiales por consecuencia de los ensayos. Molina Pedregal, Ignacio 41

56 Cap. 3: Metodología Experimental Para el pesaje de las muestras se utilizó una balanza digital Mettler con una precisión de cuatro decimales. Parámetros estándar en los ensayos (obtenidos a partir de la norma ASTM G32 06, consultar Apéndice 3) Frecuencia = 20 KHz Amplitud = 25 µm Amplitud necesaria en el sonicador = 15 % Profundidad de inmersión del tip = 12 ± 4 mm Altura del líquido en la cubeta = 100 ± 10 mm Líquido empleado = agua destilada Temperatura en el ensayo = 25 ± 2 ºC Atmosfera = aire a 1 ± 6 % atm Cubeta concéntrica al cuerno con un error del 5 % La cara del tip axial al fondo de la cubeta Material empleado en los tips = aluminio Los tips llevaran un recubrimiento protector contra la erosión. Será el compuesto creado, un composite de matriz polimérica cuyo material de refuerzo son nanopartículas de SiO 2. Medida del espesor del tip. Se han tomado 5 tips aleatorios y se han medido sus espesores con un calibre en cuatro puntos distintos obteniéndose: Medida 1 = 4,70 4,74 4,73 4,73 Medida 2 = 4,71 4,65 4,68 4,66 Medida 3 = 4,80 4,75 4,74 4,76 Medida 4 = 4,76 4,75 4,72 4,77 Medida 5 = 4,75 4,73 4,70 4,73

57 Cap. 3: Metodología Experimental Todas las dimensiones se dan en mm. Primeramente se obtiene una media de espesor de cada uno de los 5 tips con su correspondiente error (error de medida del calibre digital 0,01 mm). Posteriormente se halla la media general, con su error de medida. Media 1 = 4,73 ± 0,01 mm Media 2 = 4,68 ± 0,01 mm Media 3 = 4,76 ± 0,01 mm Media 4 = 4,75 ± 0,01 mm Media 5 = 4,73 ± 0,01 mm Espesor medio del tip = 4,73 ± 0,01 mm Realización de los ensayos Una vez se han terminado de curar los recubrimientos de los tips ya se pueden empezar los ensayos: 1. Se llena el vaso de precipitados con agua destilada a la altura adecuada. Se realiza esta operación con cada nuevo espécimen. 2. Se atornilla con mucho cuidado de que quede bien fijado un tip de prueba (sin recubrimiento) 3. Se introduce en el controlador digital los parámetros necesarios para el ensayo: Tiempo = intervalos de entre 5 10 minutos Temperatura máxima = no lo utilizaremos Amplitud = 15 % Modo pulso = 59,9 s ON / 59,9 s OFF Modo pulso temperatura = no es necesario 4. Se calibra nuestro sistema para que el vaso quede concéntrico al cuerno y que la superficie del tip quede a la altura de inmersión adecuada. 5. Se realiza un test para que el controlador compruebe que no hay problemas. Molina Pedregal, Ignacio 43

58 Cap. 3: Metodología Experimental 6. Con el tip de prueba se hace un ensayo de cavitación durante 30 min. Con los anteriores parámetros, para estabilizar el aire de nuestro líquido. 7. Terminado esto se desatornilla el tip de prueba. 8. Se toma un tip recubierto y se limpia con DIW, se seca y se pesa en una balanza de precisión. 9. Se atornilla el tip a ensayar en el cuerno de tal forma que no queden holguras. 10. Se introduce la punta del cuerno con el tip comprobando que la superficie del recubrimiento está a la altura idónea. Se toma la temperatura inicial. 11. Se introducen los parámetros del ensayo en el controlador y se procede a la cavitación de las muestras. 12. La duración de tiempo del ensayo en principio es de 10 min. 13. Pasado este tiempo se detendrá el experimento. Se toma la temperatura final y se sacará el tip dejándose secar en un papel de filtro durante 5 min. 14. Se le aplicará aire durante 15 s. 15. Se pesará el tip registrando la pérdida de masa. 16. Estos cuatro últimos pasos se repetirán las veces que sean necesarias hasta alcanzar la zona de pérdida de masa terminal (esta zona se alcanza cuando la tasa de erosión se estabiliza). 17. Después de entre 8 12 horas de ensayo hay que cambiar el agua en el vaso de precipitados. 18. Cuando podamos dibujar la línea de máxima erosión y la de erosión terminal habremos terminado los ensayos con ese tip. Típicamente llegaremos hasta los 100 minutos de ensayo para cada uno de los tips PROCEDIMIENTO DE ENSAYO DE FLEXIÓN En los siguientes apartados se hace un recorrido por la metodología de ensayos seguida para determinar los valores numéricos del compuesto creado en relación con su capacidad para resistir a la flexión. Se ensayará con un compuesto formado únicamente por epoxi, con otro compuesto formado por epoxi y nanopartículas al 3% y por último con un compuesto formado por epoxi y nanopartículas de SiO 2 al 5%. Así pues, será posible hacer una comparación del comportamiento frente a flexión no solo de estos compuestos entre si, sino con cualquier otro tipo de material de propiedades mecánicas conocidas.

59 Cap. 3: Metodología Experimental Preparación de las muestras Las muestras que van a ser ensayadas a flexión varían sustancialmente frente a las que han sido descritas en el Apartado En este caso no existe soporte metálico sobre el que disponer el compuesto, sino que el compuesto constituye el 100% de la probeta, que tiene una forma prismática alargada como se puede observar en la siguiente imagen: Figura 10: Probeta para flexión La preparación de las muestras constará de dos etapas, una primera de creación del compuesto y una segunda en la que se vierte el compuesto sobre el molde para que durante la curación del epoxi la probeta adquiera la forma requerida para el ensayo. Dado que la primera etapa de creación del compuesto es exactamente igual a la seguida en el Apartado 3.1.1, no volveremos a referir el mismo proceso por completo. Solamente apuntar que, a diferencia de la preparación de muestras para el ensayo de cavitación, se utilizarán moldes específicos para el ensayo de flexión, sin que se introduzca un soporte metálico en el molde sobre el que depositar el compuesto. Figura 11: Molde para el ensayo de flexión Molina Pedregal, Ignacio 45

60 Cap. 3: Metodología Experimental Ensayo de flexión sobre las probetas Para la realización de este ensayo va a ser necesario el uso de los siguientes elementos: Útiles necesarios: Máquina universal de ensayos IBTH500 de la marca IBERTEX, que llevará acoplado el útil de flexión en tres puntos y que dispondrá de un ordenador conectado a ella con el software adecuado para la operación y toma de datos. Figura 12: Máquina de flexión IBTH500 Parámetros estándar de los ensayos: (obtenidos a partir de la norma UNE EN ISO 178, consultar Apéndice 4) El parámetro fijado en el ensayo es el del avance del cabezal de la máquina, que será de 1mm/min. Esto implica que el centro de la probeta, que es donde se apoya el cabezal, tendrá una flecha que aumentará a un ritmo de 1 mm/min.

61 Cap. 3: Metodología Experimental Medida del espesor de la probeta: Para cada una de las probetas se determinará su espesor, ya que éste es necesario para determinar uno de los parámetros del ensayo. Como se ha dicho en el apartado anterior la separación entre apoyos será proporcional al espesor de la probeta. Con este fin en la siguiente tabla aparecen los datos de todas las probetas ensayadas. Para cada una de ellas se han tomado cinco medidas de su espesor en cinco puntos diferentes, de los cuales se ha obtenido un valor medio que es el que luego ha sido usado para calcular la distancia entre apoyos. Realización de los ensayos: Una vez finalizado el ensayo de cada probeta, regido según los parámetros especificados más arriba, el software de la máquina nos devuelve un fichero de Excel que contiene todos los datos registrados durante el tiempo que dura el experimento. Entre ellos se cuenta el avance de la herramienta de la máquina (y por tanto de la flecha de la probeta en su centro, lugar de máxima flexión) y la fuerza ejercida por la máquina para producir la flexión, datos imprescindibles para poder calcular numéricamente la resistencia de la probeta a la flexión. El resultado final será una gráfica que represente la tensión frente a la deformación. En ella se podrá observar tanto el comportamiento elástico como el comportamiento plástico PROCEDIMIENTO DE ENSAYO DE DUREZA SHORE D En los siguientes apartados se hace un recorrido por la metodología de ensayos seguida para determinar la dureza del compuesto creado. Se ensayará con un compuesto formado únicamente por epoxi, con otro compuesto formado por epoxi y nanopartículas al 3% y por último con un compuesto formado por epoxi y nanopartículas de SiO2 al 5%. Así pues, será posible hacer una comparación del comportamiento frente a flexión no solo de estos compuestos entre si, sino con cualquier otro tipo de material de propiedades mecánicas conocidas Preparación de las muestras Para hallar la dureza del compuesto se va a utilizar las propias probetas que fueron creadas para el ensayo de flexión. Se debe tener en cuenta que las medidas de dureza se toman antes de haber realizado el ensayo de flexión, ya si hiciéramos este antes las medidas podrían verse distorsionadas. Por el contrario, el hecho de realizar las medidas de dureza antes de las de flexión no afecta a éstas últimas. Molina Pedregal, Ignacio 47

62 Cap. 3: Metodología Experimental Así pues, en este caso el proceso de preparación de las muestras es análogo al ya descrito en el Apartado Ensayo de flexión sobre las probetas Para la realización de este ensayo va a ser necesario el uso de los siguientes elementos: Útiles necesarios: Durómetro ShoreD de la marca Bareiss. Figura 13: Durómetro Bareiss Parámetros estándar de los ensayos: El único parámetro fijado para este ensayo es el del peso que se coloca encima de la punta que impacta con la superficie del composite. Este peso es de 37,5 N. Realización de los ensayos: La realización de este ensayo consta de muy pocos pasos: 1. Se carga el durómetro con el peso especificado por la norma.

63 Cap. 3: Metodología Experimental 2. Se sitúa la probeta a ensayar debajo de la punta del durómetro. 3. Se descarga la punta del durómetro sobre la probeta accionando la palanca. 4. Se deja en esta posición hasta que se estabilice la medida. Se anota la medida y se descarga la probeta. Se tomarán cinco medidas en cada probeta, en cinco puntos diferentes de la misma, para que la medida tomada en un punto no se vea distorsionada por la medida tomada en otro punto. De las cinco medidas sacamos la media para cada probeta. Dado que medimos la dureza en cinco probetas distintas para cada tipo de probeta, tendremos 25 medidas de dureza para cada tipo de probeta (epoxi, epoxi + nanopartículas al 3% y epoxi más nanopartículas al 5%). Se resumirán los daos obtenidos en un cuadro, en el que también aparecerán las desviaciones de cada tipo de probeta y una comparación con otros nanocomposites de matriz polimérica PROCEDIMIENTO DE ENSAYO DE TRACCIÓN En los siguientes apartados se hace un recorrido por la metodología de ensayos seguida para determinar los valores numéricos del compuesto creado en relación con su capacidad para resistir a la tracción. Se ensayará con un compuesto formado únicamente por epoxi y con otro compuesto formado por epoxi y nanopartículas al 3%. Así pues, será posible hacer una comparación del comportamiento frente a tracción no solo de estos compuestos entre si, sino con cualquier otro tipo de material de propiedades mecánicas conocidas Preparación de las muestras Las muestras que van a ser ensayadas a flexión varían sustancialmente frente a las que han sido descritas en el Apartado En este caso no existe soporte metálico sobre el que disponer el compuesto, sino que el compuesto constituye el 100% de la probeta, que tiene una forma prismática alargada como se puede observar en la siguiente imagen: Molina Pedregal, Ignacio 49

64 Cap. 3: Metodología Experimental Figura 14: Probeta para tracción La preparación de las muestras constará de dos etapas, una primera de creación del compuesto y una segunda en la que se vierte el compuesto sobre el molde para que durante la curación del epoxi la probeta adquiera la forma requerida para el ensayo. Dado que la primera etapa de creación del compuesto es exactamente igual a la seguida en el Apartado 3.1.1, no volveremos a referir el mismo proceso por completo. Solamente apuntar que, a diferencia de la preparación de muestras para el ensayo de cavitación, se utilizarán moldes específicos para el ensayo de tracción, sin que se introduzca un soporte metálico en el molde sobre el que depositar el compuesto. Figura 15: Molde para el ensayo de tracción Ensayo de tracción sobre las probetas Para la realización de este ensayo va a ser necesario el uso de los siguientes elementos:

65 Cap. 3: Metodología Experimental Útiles necesarios: Máquina universal de ensayos IBTH500 de la marca IBERTEX, que llevará acoplado el útil de flexión en tres puntos y que dispondrá de un ordenador conectado a ella con el software adecuado para la operación y toma de datos. Figura 16: Máquina de flexión IBTH500 Parámetros estándar de los ensayos: El parámetro fijado en el ensayo es el del avance del cabezal de la máquina, que será de 1mm/min. Esto implica que la probeta, sufrirá una elongación que aumenta a un ritmo de 1 mm/min. Medida del espesor de la probeta: Para cada una de las probetas se determinará su espesor, ya que éste es necesario para determinar uno de los parámetros del ensayo. Como se ha dicho en el apartado anterior la separación entre apoyos será proporcional al espesor de la probeta. Con este fin en la siguiente tabla aparecen los datos de todas las probetas ensayadas. Para cada una de ellas se han tomado cinco medidas de su espesor en Molina Pedregal, Ignacio 51

66 Cap. 3: Metodología Experimental cinco puntos diferentes, de los cuales se ha obtenido un valor medio que es el que luego ha sido usado para calcular la distancia entre apoyos. Realización de los ensayos: Una vez finalizado el ensayo de cada probeta, regido según los parámetros especificados más arriba, el software de la máquina nos devuelve un fichero de Excel que contiene todos los datos registrados durante el tiempo que dura el experimento. Entre ellos se cuenta el avance de la herramienta de la máquina (y por tanto de la elongación de la probeta) y la fuerza ejercida por la máquina durante la tracción, datos imprescindibles para poder calcular numéricamente la resistencia de la probeta a la tracción. El resultado final será una gráfica que represente la tensión frente a la deformación. En ella se podrá observar tanto el comportamiento elástico como el comportamiento plástico.

67 Cap. 4: Resultados CAPÍTULO 4: RESULTADOS 4.1. RESULTADOS DEL ENSAYO DE CAVITACIÓN. En el siguiente apartado se recogen los resultados que ha arrojado el experimento de cavitación. Este ensayo se ha realizado sobre tres tipos diferentes de probetas (solo epoxi, epoxi + nanopartículas al 3% y epoxi + nanopartículas al 5%), y para cada tipo de probeta se han ensayado tres probetas. Probetas de epoxi solo Como ya se ha explicado en el apartado 3.1.Técnica de cavitación, la metodología consiste en realizar el ensayo de cavitación en intervalos de 10 minutos, entre los cuales se procede a la medición del peso de la probeta y, en consecuencia, de la pérdida de masa durante los últimos 10 minutos. Estos resultados son los que se recogen en la siguiente tabla para los ensayos de las probetas de epoxi, con una duración total del ensayo de 100 minutos para cada probeta: MASA (mg) TIP Nº PROBETAS Inicial 5850, , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,7 5365, , , , , , , , , , , , , , , ,77 Tabla 4: Masa de las probetas de epoxi Nota: las medidas de la probeta 1 no son fiables a partir del minuto 20 por desprendimientos del recubriendo debidos a efectos no relacionados con la cavitación. Sus valores no han sido tenidos en cuenta durante los cálculos. A partir de la tabla anterior podremos calcular la pérdida de masa que se produce cada 10 minutos simplemente con restar al valor de masa anterior el valor de masa una vez pasados los diez minutos. En la siguiente tabla aparecen los resultados de esta operación: Molina Pedregal, Ignacio 53

68 Cap. 4: Resultados PÉRDIDA DE MASA (mg) TIP Nº Inicial ,56 18,68 7,31 14, ,73 28,97 4,89 13, ,92 11,04 20, ,64 13,6 15, ,51 8,12 11, ,33 8,75 9, ,8 10,09 7, ,25 9,37 8, ,31 9,38 10, ,17 10,02 10,09 Tabla 5: Pérdida de masa de las probetas de epoxi Para poder estudiar el comportamiento de este compuesto frente a la erosión por cavitación tenemos que obtener los datos de la tasa de erosión y la erosión acumulada. Estos son los parámetros que usaremos para comparar este compuesto con los demás que estemos ensayando. Para calcular la erosión tendremos que hacer una sencilla operación. Habrá que sumar la erosión que se produce cada diez minutos a la erosión previa. En la siguiente tabla se recogen estos cálculos. Además, se calcula el valor medio de las tres probetas. TIP Nº Media EROSIÓN ACUMULADA (mg) Inicial ,56 18,68 7,31 14,26 13, ,29 47,65 12,2 27,87 29, ,57 23,24 48,63 45, ,21 36,84 63,73 58, ,72 44,96 75,05 68, ,05 53,71 84,32 78, ,85 63,8 92,23 87, ,1 73,17 100,51 97, ,41 82,55 110,88 107, ,58 92,57 120,97 117,37 Tabla 6: Erosión acumulada probetas epoxi A partir de los valores de esta tabla podremos elaborar una gráfica de erosión acumulada frente a tiempo para cada una de las probetas, la cual aparece a continuación (cada gráfica aparece designada por el número de la probeta a la que pertenece):

69 Cap. 4: Resultados Erosión acumulada [mg ] Erosion acumulada Tiempo [min.] Gráfica 2: Erosión acumulada tiempo probetas epoxi Se puede observar que todas las probetas tienen un comportamiento similar con el tiempo, con cierta variación muestral. Pero el parámetro que usaremos para la comparación de este compuesto con otros será la media de los valores de las tres probetas. La gráfica de la erosión acumulada media frente al tiempo aparece a continuación: 140 Erosión acumulada Erosión acumulada (mg ) Epoxy Tiempo (min.) Gráfica 3: Erosión acumulada tiempo media probetas epoxi El otro gran parámetro que nos va a servir para comparar el comportamiento de distintos compuesto frente a la cavitación es la tasa de erosión. El cálculo de la misma es sencillo, teniendo en cuenta la pérdida de masa y el tiempo transcurrido para que se produzca dicha pérdida hay que dividir ambos factores para obtener la Molina Pedregal, Ignacio 55

70 Cap. 4: Resultados tasa de erosión. En la siguiente tabla se dan los resultados obtenidos para las diferentes probetas ensayadas: TIP Nº Media TASA DE EROSIÓN (mg/min.) Inicial ,87 0,73 1,43 1, ,90 0,49 1,36 1, ,59 1,10 2,08 1, ,26 1,36 1,51 1, ,05 0,81 1, ,03 0, , ,08 1,01 0,79 0, ,03 0,94 0,83 0, ,03 0,94 1, ,02 1 1,01 1,01 Tabla 7: Tasa de erosión probetas de epoxi Con estos valores de tasa de erosión realizamos un gráfico tasa de erosión frente a tiempo para cada una de las probetas: Tasa de erosión [mg /min.] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 Tasa de erosión Tiempo [min.] Gráfica 4: Tasa de erosión tiempo probetas de epoxi De igual manera que ocurría con la erosión acumulada, los valores de tasa de erosión que realmente nos interesan son los pertenecientes a la media calculada de las probetas ensayadas. En la siguiente gráfica aparece reflejado este parámetro:

71 Cap. 4: Resultados 1,80 Tasa de erosión Tasa de erosión (mg./min) 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 Epoxy 0, Tiempo (min.) Gráfica 5: Tasa de erosión tiempo media probetas epoxi Con todos estos datos y cálculos ya tenemos perfectamente definido el comportamiento del epoxi frente a la cavitación. Esto es vital, puesto que uno de los objetivos de este estudio es la comparación del epoxi simple con el epoxi con nanopartículas ocluidas. Esto nos dará una idea de la influencia que estas nanopartículas tienen en el comportamiento del compuesto frente a la erosión por cavitación. En los siguientes apartados se estudia el comportamiento del epoxi cuando se ocluyen nanopartículas de SiO 2 al 3% y 5%. Probetas epoxi más nanopartículas de SiO 2 al 3% La metodología de ensayo para estas probetas será análoga a la ya usada para las probetas de epoxi, teniendo en cuenta los mismos parámetros y cálculos. Así mismo las tablas y gráficas realizadas en esta sección son equivalentes a las que aparecen en la sección anterior. Pasamos pues a las tablas con los datos y los cálculos realizados. Molina Pedregal, Ignacio 57

72 Cap. 4: Resultados MASA (mg) TIP Nº 1 2 Inicial 5436, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,12 Tabla 8: Masa de las probetas de epoxi+ SiO 2 3% PÉRDIDA DE MASA (mg) TIP Nº 1 2 Inicial ,32 1, ,32 8, ,97 8, ,41 10, ,97 10, ,38 10, ,17 11, ,14 12, ,57 7, ,19 6,65 Tabla 9: Pérdida de masa probetas epoxi+ SiO 2 3% TIP Nº 1 2 Media EROSIÓN ACUMULADA (mg) Inicial ,32 1,85 2, ,64 10,37 12, ,61 19,03 21, ,02 29,3 33, ,99 40,11 43, ,37 50,84 52, ,54 61,95 63, ,68 74,17 73, ,25 1,33 81, ,44 87,98 88,71 Tabla 10: Erosión acumulada probetas epoxi+ SiO 2 3%

73 Cap. 4: Resultados Igual que antes primero reflejaremos la gráfica con los valores obtenidos para las probetas por separado y una segunda gráfica con los valores de erosión acumulada en función del tiempo para la media obtenida con los datos de cada una de las probetas. Erosion acumulada Erosión acumulada [mg ] Tiempo [min.] 1 2 Gráfica 6: Erosión acumulada tiempo epoxi+ SiO 2 3% Erosión acumulada Erosión acumulada (mg ) Epoxy+3%SiO Tiempo (min.) Gráfica 7: Erosión acumulada tiempo media probetas epoxi+ SiO 2 3% Molina Pedregal, Ignacio 59

74 Cap. 4: Resultados Por último pasamos al parámetro de tasa de erosión. Se procede exactamente igual que se hizo con las probetas de epoxi: TIP Nº Media TASA DE EROSIÓN (mg/min) Inicial ,33 0,19 0, ,03 0,85 0, ,1 0,87 0, ,24 1,03 1, ,08 1, ,64 1,07 0, ,12 1,11 1, ,91 1,22 1, ,76 0,72 0, ,82 0,67 0,74 Tabla 11: Tasa de erosión probetas epoxi+ SiO 2 3% Tasa de erosión Tasa de erosión [mg /min.] 1,4 1,2 1 0,8 0,6 0,4 0, Tiempo [min.] Gráfica 8: Tasa de erosión tiempo epoxi+ SiO 2 3%

75 Cap. 4: Resultados Tasa de erosión 1,20 Tasa de erosión (mg./min) 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 Epoxy+3%SiO2 0, Tiempo (min.) Gráfica 9: Tasa de erosión tiempo media probetas epoxi+ SiO 2 3% Probetas epoxi más nanopartículas de SiO 2 al 5% La metodología de ensayo para estas probetas será análoga a la ya usada para las probetas de epoxi y de epoxi más nanopartículas de SiO 2 al 3%, teniendo en cuenta los mismos parámetros y cálculos. Así mismo las tablas y gráficas realizadas en esta sección son equivalentes a las que aparecen en las secciones anteriores. Pasamos pues a las tablas con los datos y los cálculos realizados. MASA (mg) TIP Nº Inicial 5619, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,2 5567, , , , , , , , ,4 5469, , , , , , ,6 5532, ,48 Tabla 12: Masa de las probetas de epoxi+ SiO 2 5% Molina Pedregal, Ignacio 61

76 Cap. 4: Resultados PÉRDIDA DE MASA (mg) TIP Nº Inicial ,32 2,56 1,22 0, ,68 9,92 14,67 8, ,47 14,02 11,59 8, ,09 8,84 12,77 11, ,21 9,03 9,84 7, ,99 8,58 8,03 8, ,14 9,08 10,48 6, ,15 9,28 8,53 6, ,05 8,18 7,81 7, ,58 8,06 7,98 7,17 Tabla 13: Pérdida de masa probetas epoxi+sio2 5% TIP Nº Media EROSIÓN ACUMULADA (mg) Inicial ,32 2,56 1,22 0, ,48 15,89 9,61 12, ,47 26,49 27,48 18,05 23, ,56 35,33 40,25 29,77 34, ,77 44,36 50,09 37,31 43, ,76 52,94 58,12 45,69 51, ,9 62,02 68,6 52,4 60, ,05 71,3 77,13 59,28 69, ,1 79,48 84,94 66,37 77, ,68 87,54 92,92 73,54 85,42 Tabla 14: Erosión acumulada probetas epoxi+ SiO 2 5% Igual que antes primero reflejaremos la gráfica con los valores obtenidos para las probetas por separado y una segunda gráfica con los valores de erosión acumulada en función del tiempo para la media obtenida con los datos de cada una de las probetas.

77 Cap. 4: Resultados Erosión acumulada Erosión acumulada (m g ) Tiempo (min.) Gráfica 10: Erosión acumulada tiempo epoxi+ SiO 2 5% Erosión acumulada Erosión acumulada (mg ) Epoxy+5%SiO Tiempo (min.) Gráfica 11: Erosión acumulada tiempo media probetas epoxi+ SiO 2 5% Por último pasamos al parámetro de tasa de erosión. Se procede exactamente igual que se hizo con las probetas de epoxi y con las de epoxi más nanopartículas de SiO 2 al 3%: Molina Pedregal, Ignacio 63

78 Cap. 4: Resultados TIP Nº Media TASA DE EROSIÓN (mg/min) Inicial ,33 0,26 0,12 0,09 0,2 20 0,77 0,99 1,47 0,87 1, ,25 1,4 1,16 0,84 1, ,11 0,88 1,28 1,17 1, ,62 0,9 0,98 0,75 0, ,86 0,8 0,84 0, ,01 0,91 1,05 0,67 0, ,02 0,93 0, , ,81 0,82 0,78 0,71 0, ,86 0,81 0,8 0,72 0,79 Tabla 15: Tasa de erosión probetas epoxi+ SiO 2 5% Tasa de erosión Tasa de erosión (mg /min.) 2 1,5 1 0,5 0 0, Tiempo (min.) Gráfica 12: Tasa de erosión tiempo epoxi+ SiO 2 5%

79 Cap. 4: Resultados 1,40 Tasa de erosión Tasa de erosión (mg./min) 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 Epoxy+5%SiO 2 0, Tiempo (min.) Gráfica 13: Tasa de erosión tiempo media probetas epoxi+ SiO 2 5% Comparación entre los tres compuestos Hasta ahora se ha analizado cada uno de los tres compuestos por separado (epoxi, epoxi+sio 2 3% y epoxi+sio 2 5%). En esta sección compararemos los resultados obtenidos para unos y otros, determinando cuál de ellos se comporta mejor frente a la erosión por cavitación, e indicando la influencia que tienen las nanopartículas a este efecto. Lo primero que debemos hacer es situar las gráficas de erosión acumuladatiempo y tasa de erosión tiempo de las medias de las distintas probetas en un mismo gráfico. Esto nos dará la oportunidad de comparar de forma tanto cualitativa como cuantitativa los diferentes tipos de probetas entre sí. Molina Pedregal, Ignacio 65

80 Cap. 4: Resultados Erosión acumulada 120 Erosión acumulada (mg ) Epoxy+5%SiO2 Epoxy Epoxy+3%SiO Tiempo (min.) Gráfica 14: Comparativa Erosión acumulada para los diferentes tipos de probeta Lo primero que podemos observar es que el epoxi presenta una erosión acumulada claramente mayor para cualquier intervalo de tiempos. De ello ya podemos deducir que la inclusión de nanopartículas de SiO 2 afecta favorablemente a la resistencia a la erosión por cavitación. Podríamos cifrar esta ganancia en un 25% menos de masa perdida al cabo de los 100 minutos de ensayo. Un dato curioso que se ve fácilmente en la gráfica es que no existe una diferencia apreciable entre las probetas que contienen nanopartículas al 3% y al 5%. Esto puede llevar a dos conclusiones, o bien la diferencia entre el tres y el cinco por ciento es tan insignificante en el conjunto global del compuesto que no hay diferencias entre ellos, o bien puede darse el hecho de que a partir de cierto porcentaje de nanopartículas de SiO 2 ya no se produce mejora de la resistencia a la erosión por cavitación. Sería preciso realizar un mayor número de ensayos con probetas con un mayor porcentaje de nanopartículas a fin de comprobar este punto. Además de esta reducción de masa perdida, lo siguiente que podemos observar es que el comportamiento de nuestras probetas es el teóricamente establecido para los ensayos de cavitación. En los ensayos de cavitación existe una primera fase en la que la pérdida de masa avanza a un ritmo lento, puesto que la superficie de la probeta es muy uniforme y es más difícil arrancar partículas del compuesto. En nuestros tres tipos de compuesto podríamos establecer que esta etapa abarca los primeros 10 minutos de ensayo, en los que la erosión es pequeña. Este efecto ocurre sobretodo para los compuestos reforzados con SiO 2, en los que los diez primeros minutos de ensayo apenas tienen efecto. El tiempo que dura esta fase es conocido como tiempo de incubación nominal.

81 Cap. 4: Resultados La siguiente etapa del proceso de erosión por cavitación conlleva una rápida escalada de la pérdida de masa. La tasa de erosión como veremos más adelante aumenta mucho durante esta etapa y alcanza su máximo. El proceso de erosión por cavitación terminará finalmente en una etapa de estabilización de la erosión. Es conocida como zona de pérdida terminal de masa. El compuesto se sigue erosionando, pero lo hace más despacio que en la anterior etapa. Lo hasta ahora visto nos da una idea más cualitativa que cuantitativa del comportamiento de los compuestos. Según la norma (consultar Apéndice 1), el resultado primario de un ensayo de erosión es la curva erosión acumulada tiempo. Aunque los datos en bruto estarán en términos de pérdida de masa versus tiempo, para su análisis y posterior realización de un informe es necesario convertirlos a una curva mean depth of erosion (MDE) tiempo, ya que la pérdida volumétrica tiene más sentido que la pérdida de masa cuando se comparan materiales con diferentes densidades. Para el cálculo de esta mean depth of erosion se tendrá en cuenta un área de 1,986 cm2. En nuestro ensayo, dado que estamos ensayando con materiales cuya densidad exacta desconocemos, no podemos calcularlo. Aun así, para poder calcular el parámetro anteriormente mencionado vamos a suponer la densidad del epoxi (ρ=1200 kg/m3) para los tres compuestos. La fórmula para calcula la MDE es la que sigue: MDE = Pérdida de masa/ Área Densidad Los resultados de este nuevo parámetro aparecen reflejados en la siguiente tabla: PROFUNDIDAD MEDIA DE EROSIÓN (μm) Tipo TIP Epoxi Epoxi+3% SiO2 Epoxi+5% SiO2 Inicial ,3 10,85 8, ,69 50,37 51, ,44 91,56 100, ,26 139,14 146, ,15 182,74 180, ,8 218,64 217, ,08 265,39 255, ,11 310,19 292, ,15 341,1 325, ,5 372,23 358,43 Tabla 16: Profundidad media de erosión Molina Pedregal, Ignacio 67

82 Cap. 4: Resultados Lo siguiente a analizar es la ya comentada tasa de erosión. En la gráfica que aparece a continuación se comparan las tasas de erosión de los tres tipos de probetas. 1,80 Tasa de erosión Tasa de erosión (mg./min) 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 Epoxy Epoxy+5%SiO2 Epoxy+3%SiO2 0, Tiempo (min.) Gráfica 15: Comparación tasas de erosión tiempo de las diferentes probetas Se comprueba lo ya comentado anteriormente, una tasa de erosión que inicialmente todavía es muy baja, que en la siguiente fase aumenta mucho y alcanza un pico donde se hace máxima, y por último una serie de oscilaciones que se prolongan hasta que se va estabilizando poco a poco en torno a un valor de tasa de erosión. Al igual que ocurría cuando analizábamos la erosión acumulada la tasa de erosión de los compuestos que incluyen nanopartículas siempre es menor que la del epoxi sólo. La tasa de erosión máxima es mucho menor (aproximadamente un 27%), y la tasa de erosión terminal también es menor (un 25% menor aproximadamente). De todo esto deducimos que la inclusión de nanopartículas de SiO 2 en una resina epoxi mejora claramente la resistencia de ésta a la erosión por cavitación. Igual que ya habíamos comprobado con la erosión acumulada el comportamiento de las probetas cargadas con nanopartículas es muy similar, independientemente del porcentaje en que éstas se encuentren. De forma análoga a lo que hacíamos con la erosión acumulada se puede calcular la tasa de erosión en función de la profundidad que erosiona por minuto. En la siguiente tabla se muestran los resultados:

83 Cap. 4: Resultados Tipo TIP Epoxi Epoxi+3% SiO2 Epoxi+5% SiO2 TASA DE PROFUNDIDAD MEDIA DE EROSIÓN(μm/min) Inicial ,63 1,08 0, ,64 3,95 4,3 30 6,67 4,12 4, ,78 4,76 4, ,19 4,36 3, ,97 3,59 3, ,03 4,67 3, ,9 4,48 3, ,2 3,09 3, ,24 3,11 3,33 Tabla 17: Tasa de profundidad media de erosión Como resumen final de los resultados finales más importantes de este ensayo contamos con la siguiente tabla Epoxi Epoxi+3% SiO 2 Epoxi+5% SiO 2 Tasa de erosión máxima (μm/min.) Tiempo nominal de incubación* (min.) Tiempo para un MDE de 50μm (min.) Tiempo para un MDE de 100μm (min.) Media 8,86 13,33 26,67 Desviación estándar 3,23 5,57 11,55 Coeficiente de variación % 36,46 43,3 43,3 Media 5, ,67 Desviación estándar 0,06 0 7,07 5,77 Coeficiente de variación % 1, ,28 15,74 Media 5, Desviación estándar 0,57 0 5,77 5,77 Coeficiente de variación % 10, ,09 16,5 Tabla 18: Resultados del ensayo de cavitación *Al estar trabajando con compuestos cuya etapa de incubación es muy pequeña ésta está comprendida dentro de los primeros 10 minutos de ensayo y, por tanto, nuestras medidas carecerán de la precisión necesaria. En esta tabla vemos como claramente el comportamiento frente a erosión mejora con la inclusión de nanopartículas en todos los aspectos, pero también Molina Pedregal, Ignacio 69

84 Cap. 4: Resultados aparece el hecho ya comentado de que no existe diferencia entre el compuesto con un 3% y e l compuesto que contiene un 5%. La desviación y el coeficiente de variación en prácticamente todos los casos son muy altos, esto es achacable en gran medida al pequeño tamaño de la muestra, pero principalmente a que los intervalos de diez minutos son demasiado grandes como para obtener una buena precisión RESULTADOS DEL ENSAYO DE FLEXIÓN En el siguiente apartado se recogen los resultados que ha arrojado el experimento de flexión. Este ensayo se ha realizado sobre tres tipos diferentes de probetas (solo epoxi, epoxi + nanopartículas al 3% y epoxi + nanopartículas al 5%), y para cada tipo de probeta se han ensayado tres probetas. Para la realización del ensayo de flexión se ha seguido la norma UNE EN ISO 178. Lo parámetros y útiles necesarios para la realización de este ensayo han sido previamente descritos en la sección 3.2. Técnica de flexión. Antes de poder llevar a cabo el experimento se debe medir el espesor de cada una de las probetas, el cual será importante tanto para la realización del ensayo (para el cálculo de la distancia entre apoyos) como a la hora de llevar a cabo los cálculos de los que sacaremos nuestros resultados. En las siguientes tablas se detalla el cálculo del espesor medio de cada una de las probetas, de cada una de las cuales se hicieron 5 mediciones para calcular su valor medio. Espesor Epoxi Pr.1 [mm] Espesor Epoxi Pr.2 [mm] Espesor Epoxi Pr.3 [mm] Medida 1 3,8 3,75 4,4 Medida 2 4,2 3,75 4,5 Medida 3 4,1 3,8 4,3 Medida 4 3,85 3,75 4 Medida 5 3,6 3,5 3,65 Mean value 3,91 3,71 4,17 Tabla 19: Medida espesor probetas epoxi

85 Cap. 4: Resultados Espesor Epoxi+3% Pr.1 [mm] Espesor Epoxi+3% Pr.2 [mm] Espesor Epoxi+3% Pr.3 [mm] Medida 1 4,15 4,7 4,2 Medida 2 5 4,9 4,5 Medida 3 4,85 4,9 4,5 Medida 4 4,9 4,75 4,35 Medida 5 5,05 4,6 3,9 Mean value 4,79 4,77 4,29 Tabla 20: Medida espesor probetas epoxi+3% SiO 2 Espesor Epoxi+5% Pr.1 [mm] Espesor Epoxi+5% Pr.2 [mm] Espesor Epoxi+5% Pr.3 [mm] Medida 1 4,15 4,55 4,85 Medida 2 4,4 4,7 5,15 Medida 3 4,5 4,65 5,05 Medida 4 4,4 4,4 4,6 Medida 5 4,35 4 4,05 Mean value 4,36 4,46 4,74 Tabla 21: Medida espesor probetas epoxi+5% SiO 2 Del experimento se obtiene un archivo Excel con las mediciones realizadas por la máquina. A partir de estos datos de desplazamiento y fuerza aplicada en el extremo de la máquina podemos calcular de la forma que se describe en la norma los valores de deformación y tensión. Con ellos se realiza el gráfico que se muestra a continuación para una probeta de cada tipo que se considera la más representativa del comportamiento del composite: Molina Pedregal, Ignacio 71

86 Cap. 4: Resultados Gráfica 16: Tensión deformación ensayo flexión De esta primera representación de los resultados ya conseguimos ver una clara agrupación de los resultados de las probetas por el tipo de compuesto del que están hechas. Las tres probetas claramente diferenciadas del resto y que tienen un comportamiento más frágil son las que están compuestas únicamente por epoxi, tal y como indica la leyenda. Por otro lado, la diferencia entre las probetas con contenido de nanopartículas al 3 y al 5% es menor, su comportamiento se asemeja mucho, aunque sí se aprecia cierta agrupación de sus valores. Lo que sí se puede asegurar es que la adición de nanopartículas afecta de forma determinante al comportamiento del compuesto ante esfuerzos de flexión. A partir de los datos obtenidos en el ensayo se puede calcular el módulo de flexión, tal y como indica la norma, con lo que se obtiene un valor numérico de dicho ensayo. No es un resultado que explique de forma global el comportamiento del compuesto ante flexión, sino que únicamente habla de la zona en que se comporta de forma elástica. A continuación se adjuntan una serie de tablas que contienen los resultados obtenidos para el módulo de flexión de cada uno de los compuestos así como una serie de datos estadísticos referidos a estos resultados:

87 Cap. 4: Resultados MÓDULO DE FLEXIÓN EPOXI [MPa] Pr ,95 Pr ,53 Pr ,91 Media 7762,46 Desviación típica 896,03 Coeficiente de variación % 11,54 Z 1,96 Error 19,93 Intervalo de confianza* 7742, ,39 Tabla 22: Resultados flexión epoxi MÓDULO DE FLEXIÓN 3% [MPa] Pr ,36 Pr ,93 Pr ,32 Media 1699,20 Desviación típica 174,60 Coeficiente de variación % 10,28 Z 1,96 Error 8,30 Intervalo de confianza* 1690,9 1707,5 Tabla 23: Resultados flexión epoxi+3% SiO 2 MÓDULO DE FLEXIÓN 5% [MPa] Pr.1 776,37 Pr.2 428,74 Pr.3 858,73 Media 687,95 Desviación típica 228,22 Coeficiente de variación % 33,17 Z 1,96 Error 17,05 Intervalo de confianza* 670,9 705 Tabla 24: Resultados flexión epoxi+5% SiO 2 *Nota: el intervalo de confianza está calculado en base a un 95% de probabilidad Molina Pedregal, Ignacio 73

88 Cap. 4: Resultados Como ya se observaba en la gráfica tensión deformación de las probetas el módulo de flexión se reduce claramente a medida que aumentamos el porcentaje de nanopartículas en el compuesto, pasando de más de 7700 MPa para el epoxi a menos de 700 MPa en el caso de epoxi+5% SiO 2. Eso supone que el epoxi será mucho más resistente a la flexión, pues es necesaria una fuerza mucho mayor para deformarlo que en el caso del epoxi más nanopartículas. Así mismo, podemos establecer que el esfuerzo máximo de flexión capaz de soportar el epoxi es de entre 80 y 90 MPa, mucho mayor que el que es capaz de soportar el compuesto de epoxi+3% SiO 2 (20 25 MPa) y el de epoxi+5% SiO 2 (aproximadamente 10 MPa). De todo lo anterior y teniendo en cuenta las gráficas tensión deformación, podemos concluir que la inclusión de nanopartículas de dióxido de silicio en la matriz polimérica de epoxi tiene una gran influencia en el comportamiento de la misma frente a solicitaciones de flexión. Este cambio en sus propiedades no es necesariamente negativo. Si bien es cierto que la resistencia a la flexión se reduce de forma sensible, el compuesto se hace más dúctil, lo cual implica que va a tener un comportamiento elástico ante deformaciones que para el epoxi solo iba a suponer un comportamiento plástico (que en la inmensa mayoría de las ocasiones va a ser un comportamiento no deseado). En cuanto a los resultados estadísticos cabe destacar que el coeficiente de variación para las probetas de epoxi+5% SiO 2 es bastante alto, más de un 30%. Habría sido recomendable haber ensayado un mayor número de probetas para poder acotar mejor la media del módulo de flexión y reducir la desviación típica, reduciendo de esta forma el coeficiente de variación RESULTADOS DEL ENSAYO DE DUREZA SHORE D En el siguiente apartado se recogen los resultados que ha arrojado el experimento de dureza Shore D. Este ensayo se ha realizado sobre tres tipos diferentes de probetas (solo epoxi, epoxi + nanopartículas al 3% y epoxi + nanopartículas al 5%), y para cada tipo de probeta se han ensayado tres probetas. Para cada una de las probetas se han tomado 5 medidas distintas, de las cuales seremos capaces de obtener los siguientes datos estadísticos: media muestral, desviación típica, coeficiente de variación e intervalo de confianza con una probabilidad del 95%. En las siguientes tablas se recogen los resultados del ensayo:

89 Cap. 4: Resultados Probetas epoxi Epoxi Pr.1 Epoxi Pr.2 Epoxi+3% SiO 2 Pr.3 Medida Medida medida Medida Medida Mean value 74 73,8 76,8 Standard deviation 3,39 3,63 1,30 Variation coef. % 4,58 4,92 1,70 Error 0,77 0,83 0,29 Confidence interval 73,23 74,77 72,97 74,63 76,51 77,09 Tabla 25: Resultados dureza epoxi (I) Dureza Shore D Epoxi Pr.1 74 Pr.2 73,8 Pr.3 76,8 Mean value 74,87 Standard deviation 1,68 Variation coef. % 2,24 Error 0,38 Confidence interval 74,49 75,25 Tabla 26: Resultados dureza epoxi (II) Probetas epoxi+3% SiO 2 Epoxi+3% SiO 2 Pr.1 Epoxi+3% SiO 2 Pr.2 Epoxi+3% SiO 2 Pr.3 Medida Medida medida Medida Medida Mean value 62,2 60,6 61,4 Standard deviation 1,64 3,85 3,91 Variation coef. % 2,64 6,35 6,37 Error 0,41 0,97 0,98 Confidence interval 61,79 62,61 59,63 61,57 60,42 62,38 Tabla 27: Resultados dureza epoxi+3%sio 2 (I) Molina Pedregal, Ignacio 75

90 Cap. 4: Resultados Dureza Shore D Epoxi+3% SiO 2 Pr.1 62,2 Pr.2 60,6 Pr.3 61,4 Mean value 61,4 Standard deviation 0,80 Variation coef. % 1,30 Error 0,20 Confidence interval 61,2 61,6 Tabla 28: Resultados dureza epoxi+3% SiO 2 (II) Probetas epoxi+5% SiO 2 Epoxi+5% SiO 2 Pr.1 Epoxi+5% SiO 2 Pr.2 Epoxi+5% SiO 2 Pr.3 Medida Medida medida Medida Medida Mean value 59, ,8 Standard deviation 1,52 1,58 1,10 Variation coef. % 2,54 2,64 1,80 Error 0,39 0,40 0,28 Confidence interval 59,21 59,99 59,6 60,4 60,52 61,08 Tabla 29: Resultados dureza epoxi+5% SiO 2 (I) Epoxi+5% SiO 2 Pr.1 Pr.1 59,6 Pr.2 60 Pr.3 60,8 Mean value 60,13 Standard deviation 0,61 Variation coef. % 1,02 Error 0,15 Confidence interval 59,98 60,28 Tabla 30: Resultados dureza epoxi+5% SiO 2 (II) Se ha realizado una gráfica que refleja la variación de la dureza tipo Shore D en función de la concentración de nanopartículas presentes en el compuesto:

91 Cap. 4: Resultados Gráfica 17: Dureza Shore D concentración de nanopartículas SiO RESULTADOS DEL ENSAYO DE TRACCIÓN En el siguiente apartado se recogen los resultados que ha arrojado el experimento de flexión. Este ensayo se ha realizado sobre dos tipos diferentes de probetas (solo epoxi y epoxi + nanopartículas al 3%), y para cada tipo de probeta se han ensayado tres probetas. Lo parámetros y útiles necesarios para la realización de este ensayo han sido previamente descritos en el Apartado 3.4. Antes de poder llevar a cabo el experimento se debe medir el espesor de cada una de las probetas, el cual será importante tanto para la realización del ensayo (para el cálculo de la distancia entre apoyos) como a la hora de llevar a cabo los cálculos de los que sacaremos nuestros resultados. En las siguientes tablas se detalla el cálculo del espesor medio de cada una de las probetas, de cada una de las cuales se hicieron 3 mediciones para calcular su valor medio. Espesor Epoxi Pr.1 [mm] Espesor Epoxi Pr.2 [mm] Espesor Epoxi Pr.3 [mm] Medida 1 2,55 3 3,1 Medida 2 2,65 3,15 3,05 Medida 3 2,65 3,1 2,85 Mean value 2,62 3,08 3 Tabla 31: Medida espesor probetas epoxi Molina Pedregal, Ignacio 77

92 Cap. 4: Resultados Espesor Epoxi+3% Pr.1 [mm] Espesor Epoxi+3% Pr.2 [mm] Espesor Epoxi+3% Pr.3 [mm] Medida 1 2,6 2,8 2,1 Medida 2 2,65 2,85 2,1 Medida 3 2,7 2,8 2,2 Mean value 2,65 2,82 2,13 Tabla 32: Medida espesor probetas epoxi+3% SiO 2 De igual forma es necesario medir el ancho de las probetas, ya será necesario a la hora de calcular la sección que soporta el esfuerzo de tracción. En las siguientes tablas se detalla el cálculo del ancho medio de cada una de las probetas: Ancho Epoxi Pr.1 [mm] Ancho Epoxi Pr.2 [mm] Ancho Epoxi Pr.3 [mm] Medida ,1 Medida 2 5, Medida 3 4,95 5,2 5,25 Mean value 5 5,07 5,12 Tabla 33: Medida ancho probetas epoxi Ancho Epoxi+3% Pr.1 [mm] Ancho Epoxi+3% Pr.2 [mm] Ancho Epoxi+3% Pr.3 [mm] Medida 1 5,1 5,1 4,9 Medida 2 5,1 5,05 5 Medida 3 5,1 5,35 4,95 Mean value 5,1 5,17 4,95 Tabla 34: Medida ancho probetas epoxi+3% SiO 2 Del experimento se obtiene un archivo Excel con las mediciones realizadas por la máquina. A partir de estos datos de desplazamiento y fuerza aplicada en el extremo de la máquina podemos calcular de la forma que se describe en la norma los valores de deformación y tensión. Con ellos se realiza el gráfico que se muestra a continuación donde se han seleccionado las probetas más representativas:

93 Cap. 4: Resultados Gráfica 18: Tensión deformación ensayo tracción En esta gráfica se pone de manifiesto que en ausencia de partículas de refuerzo el epoxi tiene un comportamiento marcadamente termoestable. Es importante resaltar pues que al incluir nanopartículas de dióxido de silicio se produce un cambio observable en su tipo de comportamiento pasando a presentar unas características más propias de un termoplástico semicristalino. A partir de los datos obtenidos en el ensayo se puede calcular el módulo de Young, tal y como indica la norma, con lo que se obtiene un valor numérico de dicho ensayo. No es un resultado que explique de forma global el comportamiento del compuesto ante flexión, sino que únicamente habla de la zona en que se comporta de forma elástica. A continuación se adjuntan una serie de tablas que contienen los resultados obtenidos para el módulo de Young de cada uno de los compuestos así como una serie de datos estadísticos referidos a estos resultados: MÓDULO DE YOUNG EPOXI [MPa] Pr ,30 Pr ,26 Pr ,59 Media 2044,05 Desviación típica 202,55 Coeficiente de variación % 9,91 Z 1,96 Error 8,78 Intervalo de confianza* 2035, ,83 Tabla 35: Resultados tracción epoxi Molina Pedregal, Ignacio 79

94 Cap. 4: Resultados MÓDULO DE YOUNG 3% [MPa] Pr ,42 Pr ,35 Pr ,25 Media 2434,67 Desviación típica 162,47 Coeficiente de variación % 6,67 Z 1,96 Error 6,45 Intervalo de confianza* 2428, ,12 Tabla 36: Resultados tracción epoxi+3% SiO 2 *Nota: el intervalo de confianza está calculado en base a un 95% de probabilidad A pesar de que en el resultado gráfico de este ensayo no se aprecia una gran diferencia entre probetas con sólo epoxi y probetas con epoxi y nanopartículas, a la hora de analizar numéricamente los resultado si que se puede ver una clara mejoría debida a la incorporación de nanopartículas. No solo el módulo de Young es mayor en todos los casos para las probetas que incluyen nanopartículas, sino que además la tensión máxima que estas aguantan también son mayores. Hay que resaltar que los datos estadísticos que arroja este ensayo son mucho mejores que los que obteníamos en el ensayo de flexión. Este hecho es meramente circunstancial y debido a lo pequeño de la muestra.

95 Cap. 5: Conclusiones CAPÍTULO 5: CONCLUSIONES Las conclusiones a las que se ha llegado al finalizar este proyecto son las siguientes: 1. La inclusión de nanopartículas de dióxido de silicio disminuye el módulo de flexión y el límite elástico en el ensayo de flexión, lo cual supone un empeoramiento de su resistencia a la flexión. Como hecho positivo resaltar que al convertirse en un material mucho más dúctil, no empieza a plastificar hasta que no alcanza valores de deformación mayores que los que se obtienen para epoxi solo. Respecto al ensayo de tracción se observa un aumento claro del módulo de Young y del límite elástico con la inclusión de nanopartículas. Este comportamiento es opuesto al observado para el ensayo de flexión, lo cual nos lleva a concluir que las propiedades del material no son las mismas en todas las direcciones, es decir, es un material anisótropo. 2. El comportamiento plástico de los materiales no es tan afectado por la inclusión de nanopartículas como lo era el comportamiento elástico. La única consideración a hacer es que el comportamiento plástico se alcanza después (a mayores deformaciones) cuando hay nanopartículas ocluidas. 3. Considerando la tenacidad como la energía total que absorbe un material hasta que se produce su rotura por acumulación de dislocaciones, se puede establecer que por lo visto en el ensayo de tracción los composites que contienen nanopartículas absorben una mayor cantidad de energía hasta que rompen, coincidiendo este aspecto con el hecho de que se comportan como un polímero termoplástico. 4. El ensayo de dureza tipo Shore D no deja lugar a dudas sobre el hecho de que la inclusión de nanopartículas de dióxido de silicio en la resina epoxi provoca una disminución de su dureza Shore D de forma muy pronunciada. Este es pues un aspecto claramente negativo. 5. Ante los resultados del ensayo de erosión por cavitación se saca en conclusión que el hecho de incluir nanopartículas como elemento de refuerzo en un composite de matriz polimérica mejora claramente el comportamiento del mismo frente a la cavitación. Esto se pone de manifiesto en que todas las variables que controlan el proceso de cavitación (tasa de erosión máxima, tasa de erosión terminal, tiempo de incubación) son sensiblemente mejores. Molina Pedregal, Ignacio 81

96 Cap. 4: Resultados Este comportamiento es coherente con estudios previos realizados con nanopartículas y micropartículas de carburo de silicio y carburo de boro. [10]

97 Cap. 6: Bibliografía CAPÍTULO 6: BIBLIOGRAFÍA [1] LEGAULT.M; Composite vs. Corrosion: Battling for marketshare ; Composites technology. Enero 2011 [2] FLORES. D; Introducción a la Ciencia de los Materiales ; Capítulo 1: Propiedades de los materiales (mecánicas). Octubre 2004 [3] KALPAKJIAN.S, SCHMID.S; Manufactura, ingeniería y tecnología ; 4ºEd. Prentice Hall [4] MARCHEGIANI.A.; Cavitación ; Octubre 2006 [5] COLTTERS.R.; Cavitación corrosión ; [6] Código técnico de la edificación español [7] [8] Aplicaciones de las nanopartículas ; [9] ESPÍNDOLA GONZÁLEZ.A, ESTEVEZ.M, MARTÍNEZ HERNÁNDEZ.A.L, CASTAÑO.V.M, VELASCO SANTOS.C; Obtención y caracterización microestructural de nanoparticulas de SiO 2 a partir de cascarilla de arroz, pulpa de café y bagazo de caña empleando bioprocesos a base de anélidos. ; [10] ROMERO PALANCAR.J.A; Estudio de los efectos de erosión por cavitación en composites de matrices poliméricas con oclusiones de micropartículas y nanopartículas ; Otras web consultadas: Molina Pedregal, Ignacio 83

98 APÉNDICE 1 HOJA DE DATOS DEL EPOXY

99 EPOFER EX E-432 Resina Epoxy para Coladas DESCRIPCION Sistema no cargado diseñado para la reproducción de piezas en molde de silicona, formado por una Resina Epoxy (EX-401), y un endurecedor (E-432) que polimeriza a temperatura ambiente. APLICACIONES Reproducción de piezas en molde de silicona. La ausencia de cargas en su composición permite la adición en la proporción que consideremos mas adecuada de aquella que mejor se ajuste a las necesidades de cada pieza. DATOS TECNICOS DE LA MEZCLA* Proporción de la mezcla en peso... EX partes E partes Color... Amarillento Viscosidad Brookfield, cps Densidad, gr/cm ,08 Tiempo de trabajo, minutos Tiempo de curado, horas Máxima Exoterma, ºC 40 CARACTERISTICAS DE LA RESINA CURADA Dureza Shore D Contracción lineal, %... 0,1 Elongación a la rotura, %... 6,20 Absorción de Agua, UNE 53028, %... 0,035 Resistencia a la Compresión, ASTM D-695, Kg/cm Resistencia a la Flexión, ASTM D-790, Kg/cm Resistencia a la Tracción, ASTM D-638, Kg/cm *Ensayo realizado a 25º C sobre una masa de 100 gr. La presente información corresponde a experiencias y se suministra únicamente a título informativo. Comercial Feroca, S.A. Españoleto, 11 Madrid Tel Fax