Konpositeen zahartzearen analisia

Rubén Seoane Rivero

seoane@gaiker.es

GAIKER (BRTA), Konposite Jasangarriak eta Polimero Funtzionalak Saila

Koldo Gondra Zubieta

gondra@gaiker.es

GAIKER (BRTA), Konposite Jasangarriak eta Polimero Funtzionalak Saila

Zabaldu:
Twitter
Facebook
Emaila

Beira-zuntzez indartutako material konpositeak erabiltzea gero eta ohikoagoa da material konbentzionalak ordezkatzeko. Kontuan izan behar da zenbait industria-sektoretan eskakizunak handitu egin direla; esaterako, iraunkortasunaren eta erresistentzia kimikoaren arloetan. Horregatik, lan honetan beira-zuntzez indartutako konpositeen diseinua eta gainazalaren zahartzearen karakterizazioa aurkezten da.

Material konposatuek ezaugarri oso interesgarriak dituzte: dentsitate baxua, ekoizpen-kostu txikia, propietate mekaniko espezifikoak, korrosioarekiko erresistentzia, agente kimiko edo fisikoekiko egonkortasun dimentsionala eta isolatzaile elektriko eta magnetiko onak[1,2,3,4]. Hainbat sektoretan aurki daitezke, baina azpimarratzekoa da Europako merkatuan eraikuntza-sektoreari dagokiola ekoizpenaren ehunekorik handiena; izan ere, sektore horretako material konpositeen produkzioaren ehunekoa bikoiztu egin da 90eko hamarkadatik [5] gaur egun arte [6]. Garraioaren sektorean ere aipatzekoa da ekoizpenaren portzentaje altua —automobilgintza eta aeronautika bezalako arloak barne hartzen ditu—.

Artikulu honetan, BMC (Bulk Moulding Compounds) beira-zuntzez indartutako konpositeen portaera mekanikoa eta materialaren gainazalaren kalitate estetikoa aztertu dira, ingurune korrosiboetan edo aire zabalean gerta daitezkeen baldintzetan. Azken urteotan, garrantzi berezia hartu du kanpoko aplikazioetan BMCak erabiltzeak, eta, beraz, beharrezkoa da ingurumen-faktoreen eragina jakitea, eta, zehazki, jakitea zer eragin duten eguzki-argitik datorren UV erradiazioak, hezetasunak edo substantzia korrosiboekiko esposizioak.

BMCen propietateak aztertzeko, material-formulazio desberdinak fabrikatu dira, osagaietako batzuk aldatuz: erretxina, gehigarri termoplastikoa, betegarria eta pigmentua. Materiala konpresio bidezko moldaketa-metodoaren bidez konformatu da. Saiakuntzak egiteko probetak mekanizatu dira; flexio-, trakzio-, kolore- eta distira-saiakuntzak egiteko. Lortutako emaitzak estatistikoki ANOVA metodoaren bidez tratatu dira, Minitab 9.1 softwarea erabiliz. Analisi estatistiko horri esker, BMCen osagaien eta materialaren ezaugarri mekaniko eta estetikoen arteko erlazioari buruzko ondorioak atera ahal izan dira, baita BMCen osagaien arteko balizko elkarreraginak detektatu ere.

Guztira 32 formulazio desberdin aztertu dira honako osagaiekin; 4 erretxina desberdin (ortoftalikoa, binilesterra, maleikoa eta isoftalikoa), bi gehigarri (poliestirenoa eta polibinil azetatoa), bi betegarri (alumina hidratatua eta kaltzio karbonatoa), eta, azkenik, bi motatako pigmentua (titanio dioxidoa). Lehengai hauek industria-bazkideek hornitu dituzte, eta, konfidentzialtasun-akordioak direla eta, ezin da osagai horien osaera zehatza ezagutu.

Egindako zahartze tratamenduak UNE araudian oinarritu dira; tratamendu kimikoak UNE 53316:2012 eta UV erradiazioarekiko esposizioa UNE EN ISO 4892-3: 2016 arauaren arabera egin dira. Propietate mekanikoen kasuan, saiakuntza hauek egin dira: flexio-saiakuntzak (ISO 14125:1998/A1: 2011), trakzio-saiakuntzak (UNE-EN ISO 527-4: 1997), Barcol gogortasun-saiakuntzak (UNE 53270), kolore-neurketak (UNE EN ISO 11664-1: 2011), distira-neurketak (UNE-EN ISO 2813:1999), eta konposatuen betegarri-edukiak (UNE EN ISO 1172).

1. irudia. Erretxina desberdinetarako flexio- eta trakzio-moduluaren batez besteko balioak.

1. irudiak argi eta garbi erakusten du erretxina-mota dela faktorerik erabakigarriena flexioaren batez besteko moduluaren aldaketetan. Nabarmentzekoa da erretxina isoftalikoak duen balio txikia (7 GPa ingurukoa), eta binilester erretxinak duen balio handia (9 GPa baino handiagoa). Emaitza horiek beste egile batzuek emandako informazioan oinarritzen dira, eta horiek ere ordena bera erakusten dute flexio-moduluaren balioetan (baina magnitude desberdinean) erretxina isoftalikoen, ortoftalikoen eta binilesterraren artean [6].

Trakzio-moduluari dagokionez, erretxina maleikoak gainerako erretxinek baino askoz ere zurruntasun handiagoa du (10 GPa baino handiagoa), 1. irudian ikus daitekeen bezala. Erretxina ortoftalikoen eta isoftalikoen arteko trakzioarekiko erresistentzian dagoen desberdintasun hori beste autore batzuek ere jakinarazi dute [7].

Gainera, agerian jartzen da zenbateko garrantzia duen erretxina-motak gogortasun-balioetan, eta, neurri txikiagoan, karga- eta gehigarri-motetan. Erretxina maleikoak Barcol gogortasun-baliorik handienak ematen ditu (45etik gora), eta erretxina isoftalikoak, berriz, gutxi gorabehera 36 Barcoleko gogortasun-balioa du, eta horrek erretxina bigunagoa bihurtzen du. Jakina da binilesterren erretxinak, poliesterra eta epoxiaren arteko hibridoa denez, erretxina ortoftalikoak eta isoftalikoak baino balio altuagoak dituela6. Betegarriei dagokienez, aluminak kaltzio karbonatoarekin lortutakoak baino gogortasun-balio altuagoak erakusten ditu. Emaitza hauek espero ziren, kaltzio karbonatoa material biguna baita [8]. Gehigarri-motak Barcol gogortasunaren emaitzei ere eragiten die; PVAc erabiliz emaitza hobeak lortzen baitira.

Bestalde, espero den moduan, zahartze azidoaren ondorioz materialaren propietate mekanikoak murriztu egiten dira; batez ere, beira-zuntzaren gainazalerantz soluzio azidoan dauden H+ ioien hedapenaren ostean [9]. Erretxinek, kargek, gehigarriek eta errefortzuek azido sulfurikoan disolbagarriak diren elementu ugari dituzte, eta horrekin kontaktuan jartzean, lixibiatu eta matrizetik aska daitezke, eta BMCren degradazioa eragin. Kaltzio karbonatoak okerrago jasaten du azidoaren eragina. Hala ere, haren erabilerak zurruntasun-emaitza hobeak ematen ditu. Eraso kimikoa gorabehera, aluminaren erabilerak materialaren gogortasunerako oso mesedegarria izaten jarraitzen du, 10 Barcoleko gogortasun-unitateko diferentzia lortu baita kaltzio karbonatoarekin konparatuz.

Eguzki-argitik edo beste iturri batzuetatik datorren erradiazio ultramoreak (UV) material polimerikoen degradazioa eragin dezake, eta pisu molekularra eta egitura erretikulatua aldatu. Degradazio edo zahartze hori fotooxidazioaren mekanismoari egotzi ohi zaio. Kate polimeriko luzeetan, erradiazio honek karbono-karbono loturak apurtzea eragiten du biniloa, metiloa eta aldehidoa osatzeko, eta materialari kolore horixka ematen dio [10].

2.irudia. UV degradazioa BMC konpositeetan.

UV erradiazioaren eragin nabarmen nagusia konpositeen gainazalaren iluntasuna da, nahiz eta kasu gehienetan erradiazio luzeak propietate mekanikoen aldaketa eragin[11,12]. Kolorearen aldaketaren kasuan, emaitzetan bereziki eragiten duten bi faktore daude: erretxina-mota eta betegarri-mota. Azpimarratzekoa da erretxina ortoftalikoa dela gutxien kaltetzen duena UV degradazioak; hala ere, erretxina maleikoek eta isoftalikoek UV erradiazioaren aurrean duten erantzun ona ere aipatzekoa da. Betegarriei dagokienez, kaltzio-karbonatoak kalte txikiagoa jasaten du aluminak baino.

Distirari dagokionez, UV izpiekiko esposizioaren ondorengo faktore esanguratsu bakarra erretxina-mota da. Kasu honetan, erretxina maleikoak eta isoftalikoak dira estetikoki kaltetuenak[13]. UV erradiazioak BMC formulazioetan duen eragina 2. irudian erakusten da.

Artikulu honetan, BMC konpositeen propietate mekaniko eta estetiko nagusiak aztertu dira zahartze kimikoaren eta UV erradiazioen ostean. Hona hemen azterlan honetan ateratako ondorioetako batzuk:

Binilester erretxinak propietate mekaniko hobeak ditu, erretxina ortoftaliko eta isoftalikoak baino.
Aluminazko betegarria kaltzio karbonatozkoa baino egokiagoa da flexioarekiko zurruntasun eta gogortasun handia eskatzen duten aplikazioetarako.
Gogortasun-baliorik altuenak erretxina maleikoarekin, polibinilo azetatoaren gehigarriarekin eta alumina betegarriarekin lortzen dira.
Alderdi estetikoei dagokienez (kolorea eta distira), oro har ikusten da erasoek gutxiago eragiten diotela erretxina ortoftalalikoei binilester erretxinari baino.

Amaitzeko, azpimarratzekoa da egindako lana analisi bikaina dela aplikazio-sorta zabal batzuetarako; hala, BMC formulazio onena hauta daiteke, besteak beste automozioaren, elektrizitatearen eta eraikuntzaren sektoreetarako estaldura babesleetarako.

Bibliografia

1 Haruna, V.N., Abdulrahman, A.S., Zubairu, P.T., Isezuo, L.O., Abdulrahman, M.A. eta Onuoha, D.C. 2014. “Prospects and Challenges of Composites in a Developing Country”. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 9. 1070-1075.

2 López, F.S., Ferrer, C., Salvador, M.D. eta Amigo, V. 2002. “Flexural Characteristics of Sunlight-Aged Polyester Composites: Influence of Processing Variables”. Journal of Testing and Evaluation.. 30. 20-26.

3 Ilhan, R. eta Feyzullahoglu, E. 2021. “Investigation of adhesive wear properties of glass fiber reinforced polyester composites having different chemical compositions”. Journal of Engineering Tribology. 236. 156-173.

4 Winkler, M. 1990. “Automotive Under-the-Hood Applications in Vinyl Ester Resin SMC/BMC”. Journal of Materials and Manufacturing. 99. 675-690.

5 Witten, E. eta Mathes, V. 2020. The Market for Glass Fibre Reinforced Plastics (GRP) in 2020: Market developments, trends, outlooks and challenges. AVK.

6 Zweben, C.H. eta Beaumont, P. 2017. “Comprehensive Composite Materials II”. 2. .360-400

7 Middleton, B. 2015. “Design and Manufacture of Plastic Components for Multifunctionality”. William Andrew. 1. 53-101.

8 Miravete, A. “Procesos de Materiales Compuestos: Su Tecnología y Desarrollos Recientes”. Miravete. March 2019. Vol.1. p.12-26.

9 Sahin, Ö.S., Akdemir, A., Avci, A. eta Gemi, L. 2008. “Fatigue Crack Growth Behavior of Filament Wound Composite Pipes in Corrosive Environment”. Journal of Reinforced Plastics and Composites. 28. 2957-2970

10 Segovia, F., Ferrer, C., Salvador, M.D. eta Amigó, V. 2000. “Influence of processing variables on mechanical characteristics of sunlight aged polyester-glass fibre composites”. Polymer Degradation and Stability. 71.179-184.

11 Peters, S.T. 2018. “Handbook of Composites”. Springer, Boston, MA.. 2.

12 Barczewski, M. eta Matykiewicz, D. 2016. “Application of waste bulk moulded composite (BMC) as a filler for isotactic polypropylene composites” J. Adv. Res. 7. 373-380.

13 Matykiewicz, D. eta Barczewski, M. 2015. “Morphology and thermomechanical properties of epoxy composites highly filled with waste bulk molding compounds (BMC)” J. Polym. Eng. 35, 805-811.