Comparación de propiedades de resina
La elección del sistema de resina que se utilizará en cualquier componente depende de una serie de sus propiedades, lo siguiente es probablemente el más importante en la mayoría de las estructuras compuestas:
1. Propiedades de enlace
2. Propiedades mecánicas
3. Resistencia a la grieta microscópica
4. Fatiga Fuerza
5. Degradación de la corrosión del agua
Propiedades de unión
Se ha discutido cómo las propiedades de adhesión del sistema de resina son importantes para lograr el rango completo de propiedades mecánicas del compuesto. En las estructuras de sándwich, la adhesión de la matriz de resina al refuerzo de fibra o material central es importante.
Las resinas de poliéster generalmente tienen las propiedades de adhesión más bajas de los tres sistemas descritos aquí. Las resinas de vinilo lester exhiben mejores propiedades de unión que los poliésteres, pero los sistemas de resina epoxi proporcionan el mejor rendimiento de todos los adhesivos y, por lo tanto, a menudo se encuentran en muchos adhesivos de alta resistencia. Esto se debe a su composición química y a la presencia de grupos polar de hidroxilo y éter. Dado que las resinas epoxi se curan a una baja tasa de contracción, los diversos contactos superficiales establecidos entre la resina líquida y los adherentes no se molestan durante el proceso de curado. Las propiedades de unión de las resinas epoxi son particularmente útiles en la construcción de laminados del núcleo de panal, donde un área de superficie de unión pequeña significa que se requiere la unión máxima.
La resistencia del enlace entre la resina y la fibra depende no solo de las propiedades de unión del sistema de resina, sino que también está influenciada por el recubrimiento superficial de las fibras de refuerzo.
Propiedades mecánicas
Dos propiedades mecánicas importantes de cualquier sistema de resina son la resistencia a la tracción y la rigidez. Las Figuras 22 y 23 muestran los resultados de las pruebas realizadas en los sistemas de poliéster, lester de vinilo y epoxi de poliéster disponibles comercialmente disponibles a 20 grados y 80 grados.
Después de un período de curado de siete días a temperatura ambiente, se puede ver que las resinas epoxi típicas ofrecen un mayor rendimiento en términos de resistencia y rigidez que los poliésteres y ésteres de vinilo típicos. También se pueden ver los efectos beneficiosos del curado durante cinco horas después de 80 grados.
Igualmente importante para los diseñadores y constructores compuestos es la cantidad de contracción de la resina durante y después del curado. La contracción se debe a la reorganización y la reorientación de las moléculas de resina en las fases líquidas y semi-gel. Los poliésteres y los ésteres de vinilo requieren una cantidad significativa de reordenamiento molecular para alcanzar un estado curado y pueden mostrar una contracción de hasta el 8%. Sin embargo, la naturaleza diferente de la reacción epoxi da como resultado muy poco reordenamiento y la ausencia de bi-productos volátiles, reduciendo la contracción típica de epoxi a aproximadamente el 2%. Hasta cierto punto, la ausencia de contracción es responsable de las mejores propiedades mecánicas del epoxi que el poliéster, ya que la contracción se asocia con tensiones internas que pueden debilitar el material.
Además, la contracción en el grosor del laminado conduce a la "impresión" del patrón de fibra de refuerzo, que es un defecto cosmético difícil y costoso para eliminar.
Grietas microscópicas
La fuerza de un laminado generalmente se considera en términos de cuánta carga puede soportar antes de que falle por completo. Esta fuerza final o resistencia de la rotura es el punto en el que la resina exhibe fracturas catastróficas y las fibras de refuerzo se rompen.
Sin embargo, antes de alcanzar esta resistencia final, el laminado alcanzará un nivel de estrés donde la resina comenzará a romperse desde las capas de refuerzo de fibra que no están alineadas con la carga aplicada, y estas grietas se propagarán a través de la matriz de resina. Esto se conoce como "microchacking transversal" y, aunque el laminado aún no ha fallado por completo, el proceso de ruptura ya ha comenzado. Por lo tanto, los ingenieros que desean una estructura duradera deben asegurarse de que sus laminados no excedan este punto bajo cargas de servicio regulares.
La cepa que un laminado puede lograr antes del microgracking depende mucho de la tenacidad y las propiedades de unión del sistema de resina. Para los sistemas de resina frágil, como la mayoría de los poliésteres, esto ocurre mucho antes de que el laminado falle y, por lo tanto, limita la tensión que tales laminados pueden soportar. Por ejemplo, las pruebas recientes han demostrado que para los laminados itinerantes de poliéster\/vidrio tejido, el microcracking generalmente ocurre a aproximadamente 0. 2% de tensión, con daño final que no ocurre hasta 2. 0% de cepa. Esto corresponde a una fuerza utilizable de solo el 10% de la resistencia final. Dado que la resistencia final del laminado bajo tensión está determinada por la resistencia a la fibra, estas microgrietas de resina no reducen inmediatamente el rendimiento final del laminado.
Sin embargo, en entornos como el agua o el aire húmedo, un laminado microcrackado absorberá más agua que un laminado no apretado. Esto dará como resultado un aumento en el peso, la humedad en el agente de dimensionamiento de resina y fibra, una disminución de la rigidez y una disminución en el rendimiento final con el tiempo.
El aumento de la adhesión de resina\/fibra generalmente proviene de la química de la resina y su compatibilidad con el tratamiento de la superficie química aplicada a las fibras. Aquí, las propiedades bien conocidas de los adhesivos epoxi ayudan al laminado a lograr cepas de microcraqueo más altas. Como se mencionó anteriormente, la dureza de la resina es difícil de medir, pero está ampliamente indicada por su tensión de falla final. En la Figura 25 se muestra una comparación de diferentes sistemas de resina.
Fatiga
En general, los compuestos tienen una excelente resistencia a la fatiga en comparación con la mayoría de los metales. Sin embargo, dado que la falla de la fatiga a menudo es causada por la acumulación gradual de una pequeña cantidad de daño, el comportamiento de fatiga de cualquier material compuesto se verá afectado por la dureza de la resina, su resistencia al microcracking y la cantidad de vacíos y otros defectos que ocurren durante el proceso de fabricación. Por esta razón, los laminados de base de epoxi tienden a exhibir una resistencia de fatiga muy buena en comparación con el éster de poliéster y vinilo, que es una de las principales razones para su uso en aeroestructuras.
Degradación de la corrosión del agua
Una característica importante de cualquier resina, especialmente en el entorno marino, es su capacidad para resistir la degradación por el agua entrante. Todas las resinas absorben algo de agua, agregando peso al laminado, pero lo más importante es que el agua absorbida afecta la resina y el enlace de resina\/fibra en el laminado, lo que lleva a una pérdida gradual y a largo plazo de propiedades mecánicas. Tanto las resinas de poliéster como de éster de vinilo son susceptibles a la degradación del agua debido a la presencia de grupos de éster hidrolizables en la estructura molecular.
Como resultado, se puede esperar que los laminados de poliéster delgados retengan solo el 65% de su resistencia al corte de capas después de un año de inmersión en el agua, mientras que los laminados de resina epoxi retendrán aproximadamente el 90% después de un año de inmersión.
La Figura 26 muestra el efecto del agua sobre los laminados de vidrio tejido epoxi y poliéster que se sumergieron en agua a 100 grados. Esta inmersión de alta temperatura proporciona las propiedades de degradación aceleradas de los laminados inmersos.
Permeabilidad
Todos los laminados en el entorno marino permiten que las cantidades muy pequeñas de agua pasen a través de ellos en forma de vapor. A medida que pasa el agua, reacciona con cualquier componente hidrolizable dentro del laminado para formar pequeñas células de solución concentrada. Bajo el ciclo osmótico, más agua pasa a través de la membrana semipermeable del laminado en un intento por diluir esta solución. Esta agua aumenta la presión del líquido dentro de la célula a 700 psi. Eventualmente, la presión se deformará o rompe el laminado o el gelcoat y puede dar como resultado una superficie típica de "varicela". Los componentes hidrolizables en el laminado pueden incluir suciedad y escombros atrapados durante el proceso de fabricación, pero también pueden incluir enlaces éster en el poliéster curado y, en menor medida, el listón de vinilo.
El uso de una capa rica en resina al lado de una capa de gel es esencial para que las resinas de poliéster reduzcan este tipo de degradación, pero generalmente la única cura una vez que comienza el proceso es reemplazar el material afectado. Para evitar que ocurra la infiltración en primer lugar, es necesario usar una resina que tenga baja permeabilidad y alta resistencia a la erosión del agua. La ampollas se puede eliminar virtualmente cuando se usa junto con un material de refuerzo que tiene una resistencia similar al tratamiento de la superficie y se lamina a un estándar muy alto. Las cadenas de polímeros con cadenas a base de epoxi resisten los efectos del agua mucho mejor que muchos otros sistemas de resina. Se ha demostrado que dichos sistemas tienen una excelente resistencia química y del agua, baja permeabilidad al agua y muy buenas propiedades mecánicas.
Resumen de propiedades de resina comparativa
Las resinas de poliéster, éster de vinilo y epoxi discutidos aquí probablemente representan aproximadamente el 90% de todos los sistemas de resina termoestable utilizados en compuestos estructurales. En resumen, las principales ventajas y desventajas de estos tipos son:
Otras resinas para compuestos
Además del poliéster, el éster de vinilo y las resinas epoxi, se utilizan muchos otros sistemas de resina especializados donde se necesitan sus propiedades únicas.
Resinas fenólicas
Se requiere principalmente donde se requiere una alta resistencia al fuego, las resinas fenólicas conservan bien sus propiedades a altas temperaturas. Para materiales curados a temperatura ambiente, el uso de ácidos corrosivos conduce a un manejo desagradable. La naturaleza condensada de su proceso de curado tiende a dar como resultado la inclusión de muchos vacíos y defectos superficiales, la resina tiende a ser frágil y tiene malas propiedades mecánicas. Costo típico: £ 2-4\/kg.
Fenilo isocianato
Se utiliza principalmente en la industria aeroespacial. Las excelentes propiedades dieléctricas del material lo hacen ideal para su uso en fibras dieléctricas bajas como el cuarzo, que se utilizan en la fabricación de radomas. El material también es una temperatura estable de hasta 200 grados húmedo. Costo típico: £ 40\/kg.
Resinas de silicona
Synthetic resins with silicon as the base material rather than carbon as the organic polymer. Good resistance to fire and high temperatures. Requires high temperature curing. Used in missile applications. Typical cost: >£ 15\/ kg.
Poliuretano
Material altamente dúctil, a veces mezclado con otras resinas, debido a propiedades mecánicas laminadas relativamente bajas en la compresión. Utiliza isocianatos peligrosos como agentes de curado. Costo típico: £ 2-8\/kg.
Bismaleimida (IMC)
Mainly used in aircraft composites requiring higher temperatures (230°C wet/250°C dry). For example, engine inlets, high speed aircraft flight surfaces. Typical cost:>£ 50\/kg.
Poliimida
Used where operation at higher temperatures is required than bismaleimide can withstand (use up to 250°C wet/300°C dry). Typical applications include missile and aircraft engine components. Extremely expensive resin (>£ 80\/kg) con materias primas tóxicas utilizadas en el proceso de fabricación. Las poliimidas son difíciles de trabajar debido a la reacción de condensación que libera agua durante el proceso de curado, y son relativamente frágiles después del curado. PMR15 y LARC160 son las dos poliimidas más utilizadas en los compuestos.
Fuente "Fronteras en compuestos"