Preparación, caracterización y análisis de materiales nanocompuestos basados en sistemas epoxi-caolín

Resumen

En este trabajo se han sintetizado y caracterizado materiales compuestos de matriz polimérica termoestable tipo epoxi rellena con nanoláminas de caolín. Para ello se ha preparado un derivado de caolín organofílico, modificado con una amina alifática, la etilendiamina (EDA), que ha servido como precursor para la incorporación del caolín en la matriz epoxi. Este tratamiento se llevó a cabo con dos objetivos principales: (a) compatibilizar la superficie de las láminas de caolín con la matriz epoxi y (b) aumentar el espaciado interlaminar del caolín de partida a fin de facilitar la intercalación de la matriz polimérica y promover la deslaminación del caolín para facilitar finalmente su dispersión en el material nanocompuesto. El derivado de caolín modificado con la amina se ha denominado C-EDA. Para su obtención ha sido necesario intercalar previamente de forma consecutiva, dimetilsulfóxido (DMSO) y metanol (MeOH) entre las láminas de caolín. Los resultados de la caracterización mediante FTIR, DRX y EFEE indican que en el derivado C-EDA quedan restos de estas moléculas y confirman la intercalación, al menos parcial, de las moléculas de EDA entre las láminas de caolín. Se ha estudiado el efecto que ejerce la presencia de distintos tipos de caolín en el proceso de curado de la matriz epoxi, discutiendo la influencia de los distintos pretratamientos del caolín. El seguimiento de la reacción de curado se llevó a cabo por medio de espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FT-NIR) y espectroscopía de fluorescencia de estado estacionario (EFEE), permitiendo obtener información complementaria de los sistemas bajo estudio. Los experimentos de FT-NIR revelaron que la presencia de relleno: (a) no permite una reacción completa de curado siendo este efecto mayor cuando se utiliza caolín sin modificar (este resultado se ha relacionado con las características superficiales del refuerzo) y (b) no afecta significativamente al mecanismo de reacción. Los resultados de EFEE indicaron que la reacción en la interfase avanza mediante un mecanismo distinto que la reacción en la matriz, por medio del cual la reacción se ve favorecida. Este resultado se podría explicar considerando la mayor cantidad de grupos hidroxilo en la interfase, capaces de catalizar la reacción de curado. El estudio morfológico y estructural de los materiales compuestos, llevado a cabo mediante DRX, SEM y TEM muestran que el material compuesto de matriz epoxi relleno con 2% en peso de caolín presenta una morfología múltiple, que va desde agregados micrométricos hasta láminas individuales de caolín. Las micrografías de SEM sugieren que el tratamiento aplicado al caolín para obtener el derivado C-EDA mejora la dispersión del caolín en la matriz polimérica y que disminuye el número de agregados al disminuir el porcentaje de caolín añadido a la matriz. Se ha estudiado el comportamiento termo-mecano-dinámico y dieléctrico de los materiales compuestos epoxi-caolín, evaluando la influencia de la presencia y porcentaje del relleno en los resultados obtenidos. Los resultados de los ensayos de DMTA revelaron una posible plastificación del material, que se ha atribuído a un cambio en la estequiometría de la mezcla reactiva DGEBA-amina ocasionado por la adición del derivado C-EDA. Por otro lado, no se observaron diferencias significativas entre las Tgs de los materiales compuestos hasta con un 2% en peso de caolín. Los resultados de la caracterización dieléctrica revelaron que la presencia del caolín, en los porcentajes empleados en este trabajo parece afectar muy ligeramente a la movilidad de los dipolos y a los entornos Gipolares asociados a la relajación principal ? de la matriz polimérica y que no afecta de forma apreciable a la movilidad de los dipolos asociados a la relajación secundaria ? de la resina epoxi. Además, se observó que las propiedades dieléctricas de estos materiales se hacen patentes a bajas frecuencias y altas temperaturas. También se han estudiado las propiedades mecánicas de estos materiales y se ha llevado a cabo un análisis fractográfico, analizándose el efecto de la presencia y porcentaje de caolín añadido. Los resultados indican que la adición del caolín modificado no afecta de forma significativa a la tenacidad a fractura, KIC de la matriz epoxídica. Sin embargo, los valores tienden a aumentar con el porcentaje de caolín añadido a la matriz, observándose la misma tendencia en el parámetro, GIC. Estos resultados sugieren que la presencia del caolín incrementa la resistencia del material a la fractura, efecto que parece aumentar con el contenido de caolín en la matriz. Por otro lado, la dureza universal, HU no varía de forma significativa aunque tiende a disminuir al aumentar el porcentaje de caolín en el material. El módulo de indentación, YHU, en principio tampoco se ve afectado por la presencia de caolín en los porcentajes estudiados. Este resultado podría deberse al balance existente entre el efecto que produce, por un lado, la adición de partículas de mayor módulo que la matriz, lo que conduciría a un aumento del módulo del material y por otro lado, la presencia de los agregados de caolín, que podrían actuar como centros concentradores de tensiones, en detrimento del módulo del material. También es probable que al llevar a cabo los ensayos de microdureza el indentador no haya encontrado en la superficie de los materiales las partículas de caolín, y por tanto su efecto reforzante no se haya reflejado en estos ensayos. El análisis fractográfico muestra que en los materiales compuestos, la presencia del caolín parece actuar dificultando la propagación de grietas. Los resultados indican que en los materiales compuestos el caolín absorbe parte de la energía de fractura en el material a través de la actuación de algunos mecanismos de aumento de la tenacidad. El mecanismo que parece dominar la fractura es el denominado “crack pinning”, cuya presencia está de acuerdo con los resultados obtenidos en los ensayos de tenacidad a fractura.-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------