Una matriz de polímero termoestable es un refuerzo de polímero sintético donde los polímeros actúan como aglutinante o matriz para asegurar en su lugar partículas incorporadas, fibras u otros refuerzos. Fueron desarrollados por primera vez para aplicaciones estructurales, [1] tales como cúpulas de radar de plástico reforzado con vidrio en aviones y puertas de carga de grafito - epoxi en el transbordador espacial .
Se utilizaron por primera vez después de la Segunda Guerra Mundial , y la investigación continua ha llevado a una mayor gama de resinas termoendurecibles , polímeros o plásticos, [2] así como termoplásticos de grado de ingeniería, [3] todos desarrollados para su uso en la fabricación de compuestos poliméricos con capacidades de servicio mejoradas y a más largo plazo. Las tecnologías de matriz de polímero termoestable también encuentran uso en una amplia diversidad de aplicaciones industriales no estructurales. [4]
Los principales tipos de polímeros termoendurecibles utilizados en compuestos estructurales son resinas de benzoxazina , resinas de bis-maleimida (BMI), resinas de éster de cianato, resinas epoxi (epóxido), resinas fenólicas (PF), resinas de poliéster insaturado (UP), poliimidas, poliuretano (PUR). ) resinas, siliconas y ésteres vinílicos .
Resinas de benzoxazina
Estos se obtienen mediante la reacción de fenoles, formaldehído y aminas primarias que a temperaturas elevadas (400 ° F (200 ° C)) experimentan una polimerización por apertura de anillo formando redes termoendurecibles de polibenzoxazina; cuando se hibrida con resinas epoxi y fenólicas, los sistemas ternarios resultantes tienen temperaturas de transición vítrea superiores a 490 ° F (250 ° C). [5]
El curado se caracteriza por la expansión en lugar de la contracción y los usos incluyen preimpregnados estructurales , moldeo líquido y adhesivos de película para la construcción, unión y reparación de compuestos. El alto contenido aromático de los polímeros de alto peso molecular proporciona un rendimiento mecánico y de inflamabilidad mejorado en comparación con las resinas epoxi y fenólicas.
Bis-maleimidas (IMC)
Formado por la reacción de condensación de una diamina con anhídrido maleico , y procesado básicamente como resinas epoxi (curado a 350 ° F (177 ° C)). [6] Después de un poscurado elevado (450 ° F (232 ° C)), exhibirán propiedades superiores. Estas propiedades están influenciadas por una temperatura de uso continuo de 400-450 ° F (204-232 ° C) y una transición vítrea de 500 ° F (260 ° C).
Este tipo polímero termoestable se combina en materiales compuestos como un material preimpregnado matriz utilizada en eléctricos placas de circuito impreso , y para gran escala estructurales de aeronaves - aeroespaciales estructuras de materiales compuestos, etc. También se utiliza como material de recubrimiento y como la matriz de vidrio reforzada tuberías, en particular en ambientes químicos y de alta temperatura.
Resinas de éster de cianato
La reacción de bisfenoles o resinas de fenol novolaca multifuncionales con bromuro o cloruro de cianógeno conduce a monómeros con función cianato que pueden convertirse de forma controlada en resinas prepoliméricas con función éster cianato mediante extensión de cadena o copolimerización. [7] Cuando se poscura, toda la funcionalidad de éster de cianato residual se polimeriza por ciclotrimerización que conduce a redes de policianurato fuertemente reticuladas con alta estabilidad térmica y temperaturas de transición vítrea de hasta 752 ° F (400 ° C) y estabilidad al calor húmedo de hasta alrededor de 400 ° F (200 ° C).
Los preimpregnados de resina de éster de cianato combinan la estabilidad a altas temperaturas de las poliimidas con la resistencia a la llama y al fuego de los compuestos fenólicos y se utilizan en la fabricación de componentes compuestos estructurales aeroespaciales que cumplen con las regulaciones de protección contra incendios en cuanto a inflamabilidad, densidad de humo y toxicidad. Otros usos incluyen películas adhesivas, películas para superficies e impresión 3D .
Resinas epoxi (epóxido)
Las resinas epoxi son prepolímeros termoendurecibles fabricados por reacción de epiclorhidrina con aromáticos hidroxilo funcionales, cicloalifáticos y alifáticos o aromáticos amina funcionales, o por oxidación de cicloalifáticos insaturados. Los diglicidil éteres de bisfenol-A (DGEBA) y bisfenol-F (DGEBF) son los más utilizados debido a su característica alta adherencia, resistencia mecánica, resistencia al calor y a la corrosión. [8] Las resinas con función epóxido y los prepolímeros curan por poliadición / copolimerización u homopolimerización dependiendo de la selección de reticulante, endurecedor, agente de curado o catalizador, así como de la temperatura. [9]
La resina epoxi se utiliza ampliamente en numerosas formulaciones y formas en la industria aeronáutica-aeroespacial. Es considerado como "el caballo de batalla de los composites modernos". En los últimos años, las formulaciones epoxi utilizadas en los preimpregnados compuestos se han ajustado para mejorar su tenacidad, resistencia al impacto y resistencia a la absorción de humedad. Se han obtenido propiedades máximas para este polímero.
Esto no solo se utiliza en la demanda aeroespacial de aviones. Se utiliza en aplicaciones militares y comerciales y también se utiliza en la construcción. El hormigón reforzado con epoxi y las estructuras de epoxi reforzadas con vidrio y carbono se utilizan en estructuras de edificios y puentes.
Los compuestos epoxi tienen las siguientes propiedades:
- Fibra de vidrio de alta resistencia reforzada
- Densidad relativa 1.6-2.0
- Temperatura de fusión (° C)
- Rango de procesamiento termoestable (° F) C: 300-330, I = 280-380
- Presión de moldeo 1-5
- Contracción 0,001-0,008
- Resistencia a la tracción (psi) 5,000-20,000
- Resistencia a la compresión (psi) 18.000-40.000
- Resistencia a la flexión (psi) 8000-30,000
- Resistencia al impacto Izod (ft · lb / in) 0.3-10.0
- Expansión lineal (10 −6 pulg./in./ ° C) 11-50
- Dureza Rockwell M100-112
- Inflamabilidad V-0
- Absorción de agua 24 h (%) 0,04-0,20
Las resinas Epoxy Phenol Novolac (EPN) y Epoxy Cresol Novolac (ECN) fabricadas por reacción de epiclorhidrina con resinas multifuncionales de fenol novolac o cresol novolac tienen más sitios reactivos en comparación con las resinas epoxi DGEBF y, al curar, dan como resultado termoestables de mayor densidad de reticulación. Se utilizan en el laminado de placas de circuitos / cables impresos y también para encapsulamiento eléctrico, adhesivos y recubrimientos para metales donde existe la necesidad de proporcionar protección contra la corrosión, erosión o ataque químico a altas temperaturas de funcionamiento continuo.
Resinas fenólicas (PF)
Hay dos tipos de resinas fenólicas [10] : novolacas y resolas. Las novolacas se preparan con catalizadores ácidos y una relación molar de formaldehído a fenol de menos de uno para dar oligómeros fenólicos enlazados con metileno; Los resoles se preparan con catalizadores alcalinos y una relación molar de formaldehído a fenol superior a uno para dar oligómeros fenólicos con metileno y unidades fenólicas unidas a éter bencílico.
Las resinas fenólicas, desarrolladas originalmente a finales del siglo XIX y, consideradas como los primeros tipos de polímeros verdaderamente sintéticos, a menudo se denominan "el caballo de batalla de las resinas termoendurecibles". Se caracterizan por una alta fuerza de unión, estabilidad dimensional y resistencia a la fluencia a temperaturas elevadas y, con frecuencia, se combinan con resinas de co-curado como epoxis.
Los compuestos de moldeo de uso general , los compuestos de moldeo de ingeniería y los compuestos de moldeo de láminas son las formas principales de los compuestos fenólicos. Los fenólicos también se utilizan como aglutinante de matriz con núcleo de panal. Los fenólicos encuentran uso en muchas aplicaciones eléctricas, como cajas de interruptores , materiales de revestimiento de frenos y, más recientemente, en combinación con varios refuerzos en el moldeado de un conjunto de bloque de motor y cabezal , llamado polimotor . Los fenólicos pueden procesarse mediante diversas técnicas habituales, entre las que se incluyen la compresión, la transferencia y el moldeo por inyección .
Las propiedades de los compuestos fenólicos tienen las siguientes propiedades:
- Fibra de vidrio de alta resistencia reforzada
- Densidad relativa 1,69-2,0
- Absorción de agua 24 h (%) 0,03-1,2
- Temperatura de fusión (◦c)
- Rango de procesamiento termoestable (◦F) C: 300-380 I: 330-390
- Presión de moldeo I-20
- Contracción 0,001-0,004
- Resistencia a la tracción (psi) 7000-18000
- Resistencia a la compresión (psi) 16.000-70.000
- Resistencia a la flexión (psi) 12,000-60,000
- Resistencia al impacto Izod (ft-lb / in) 0.5-18.0
- Expansión lineal (10−6 pulg./in./ ° C) 8-21
- Dureza Rockwell E54-101
- Inflamabilidad V-0
Resinas de poliester
Las resinas de poliéster insaturado son una clase de polímero termoendurecible extremadamente versátil, [11] [12] y bastante económico formado por la policondensación de mezclas de glicol que contienen propilenglicol, con un ácido dibásico y anhídridos generalmente anhídrido maleico para proporcionar la insaturación de la cadena principal necesaria para la reticulación, y anhídrido ortoftálico, ácido isoftálico o ácido tereftálico donde se requieren propiedades superiores de resistencia estructural y a la corrosión. Las resinas de poliéster se diluyen / disuelven de forma rutinaria en un monómero con función de vinilo como el estireno e incluyen un inhibidor para estabilizar la resina con fines de almacenamiento. La polimerización en servicio se inicia por los radicales libres generados por la radiación ionizante o por la descomposición fotolítica o térmica de un iniciador de radicales. Los peróxidos orgánicos , como el peróxido de metiletilcetona y los aceleradores auxiliares que promueven la descomposición para formar radicales, se combinan con la resina para iniciar un curado a temperatura ambiente.
En estado líquido, las resinas de poliéster insaturado pueden procesarse mediante numerosos métodos, que incluyen la colocación manual, el moldeo en bolsa al vacío y el compuesto de moldeo en láminas (SMC) moldeado por pulverización y compresión. También pueden ser escalonados después de la aplicación al refuerzo picado y refuerzo continuo, para formar preimpregnaciones. Los compuestos de moldeo sólidos en forma de pellets o gránulos también se utilizan en procesos como el moldeo por compresión y transferencia.
Poliimidas
Hay dos tipos de poliimidas comerciales : poliimidas reticulables termoendurecibles obtenidas mediante la condensación de diaminas aromáticas con derivados de dianhídridos aromáticos y anhídridos con sitios insaturados que facilitan la polimerización por adición entre oligómeros y monómeros imida preformados, [13] [14] y poliimidas termoplásticas formadas por la reacción de condensación entre diaminas aromáticas y dianhídridos aromáticos. Las poliimidas termoendurecibles son las más avanzadas de todas las matrices poliméricas termoendurecibles con características de propiedades físicas y mecánicas de alta temperatura y están disponibles comercialmente como resina, preimpregnado, formas de stock, láminas / películas delgadas, laminados y piezas mecanizadas. Junto con las propiedades de alta temperatura, este tipo de polímero termoendurecible debe procesarse a temperaturas y presiones relativas muy altas para producir características óptimas. Con materiales preimpregnados, se requieren temperaturas de 600 ° F (316 ° C) a 650 ° F (343 ° C) y 200 psi (1379 kPa ) de presión. Los perfiles de curado completos son intrínsecamente largos, ya que hay una serie de temperaturas intermedias, cuya duración depende del tamaño y el espesor de la pieza.
El corte de poliimidas es 450 ° F (232 ° C), el más alto de todos los termoendurecibles, con capacidades de exposición a corto plazo de 900 ° F (482 ° C). Las temperaturas de funcionamiento normales oscilan entre criogénicas y 500 ° F (260 ° C).
Los compuestos de poliimida tienen las siguientes propiedades:
- Buenas propiedades mecánicas y retención a altas temperaturas.
- Buenas propiedades eléctricas
- Alta resistencia al desgaste
- Baja fluencia a altas temperaturas
- Buena compresión con refuerzo de fibra de vidrio o grafito
- Buena resistencia química
- Inherentemente resistente a las llamas
- No se ve afectado por la mayoría de los solventes y aceites.
La película de poliimida [15] posee una combinación única de propiedades que la hace ideal para una variedad de aplicaciones en muchas industrias diferentes, especialmente porque se mantienen excelentes propiedades físicas, eléctricas y mecánicas en un amplio rango de temperatura.
La resina de poliimida de alto rendimiento se utiliza en materiales eléctricos, resistentes al desgaste y como materiales estructurales cuando se combina con el refuerzo para aplicaciones aeroespaciales de aeronaves, que están reemplazando metales más pesados y costosos. El procesamiento a alta temperatura causa algunos problemas técnicos, así como mayores costos en comparación con otros polímeros. La serie Hysols [16] PMR es un ejemplo de este polímero.
Resinas de poliuretano (PUR)
Los prepolímeros de poliuretano termoendurecibles con enlaces carbamato (-NH-CO-O-) son lineales y elastoméricos si se forman mediante la combinación de diisocianatos (OCN-R1-NCO) con dioles de cadena larga (HO-R2-OH), o reticulados y rígidos si se forman a partir de combinaciones de poliisocianatos y polioles . Pueden ser sólidos o tener una estructura celular abierta si están espumados, y se utilizan ampliamente por su característica [17] alta adherencia y resistencia a la fatiga. Los núcleos estructurales de espuma de poliuretano [18] combinados con laminados compuestos reforzados con vidrio o con grafito se utilizan para hacer estructuras tipo sándwich ligeras y resistentes. Todas las formas del material, incluidas las espumas flexibles y rígidas, las molduras de espuma, las molduras elastoméricas sólidas y los extruidos, cuando se combinan con varios rellenos de refuerzo han encontrado aplicaciones comerciales en compuestos de matriz de polímero termoendurecible.
Se diferencian de las poliureas, que son polímeros elastoméricos termoestables con enlaces de carbamida (-NH-CO-NH-) formados por la combinación de monómeros o prepolímeros de diisocianato (OCN-R-NCO) con mezclas de resinas de poliéter o poliéster terminadas en amina de cadena larga (H2N -RL-NH2) y extensores de diamina de cadena corta (H2N-RS-NH2). Las poliureas se caracterizan por un curado casi instantáneo, alta resistencia mecánica y resistencia a la corrosión, por lo que se utilizan ampliamente para aplicación por pulverización con una proporción de mezcla de 1: 1, revestimiento y revestimiento protector impermeabilizante resistente a la abrasión.
Resinas de silicona
Las resinas de silicona son en parte de naturaleza orgánica con una estructura de polímero de cadena principal hecha de alterna de silicio y de oxígeno átomos en lugar de las familiarizados carbono características backbone -to-carbono de polímeros orgánicos. Además de tener al menos un átomo de oxígeno unido a cada átomo de silicio, las resinas de silicona tienen enlaces directos al carbono y, por lo tanto, también se conocen como poliorganosiloxanos. Tienen la fórmula general (R2SiO) ny la forma física (líquido, gel, elastómero o sólido) y su uso varía con el peso molecular, la estructura (lineal, ramificada, enjaulada) y la naturaleza de los grupos sustituyentes (R = alquilo, arilo, H , OH, alcoxi). Las resinas de silicona sustituidas con arilo tienen mayor estabilidad térmica que las resinas de silicona sustituidas con alquilo cuando se polimerizan (mecanismo de curado por condensación) a temperaturas entre ~ 300 ° F (~ 150 ° C) y ~ 400 ° F (~ 200 ° C). El calentamiento por encima de ~ 600 ° F (~ 300 ° C) convierte todos los polímeros de silicona en cerámicas [19] ya que todos los componentes orgánicos se descomponen pirolíticamente dejando polímeros de silicato cristalinos con la fórmula general (-SiO2-) n. Además de las aplicaciones como precursores de compuestos de matriz cerámica , las resinas de silicona en forma de polímeros de polisiloxano a partir de resinas de silicona con funcionalidad acrilato colgante, éter vinílico o epoxi encuentran aplicación como compuestos de matriz polimérica termoendurecible, de haz de electrones y UV donde se caracterizan por su resistencia a la oxidación, el calor y la degradación ultravioleta.
Otros usos variados en el área general de compuestos para siliconas incluyen selladores, materiales de revestimiento y como material de bolsa reutilizable para el curado con bolsa al vacío de piezas compuestas.
Resinas de viniléster
Las resinas de éster de vinilo preparadas mediante reacciones de adición entre una resina epoxi con derivados de ácido acrílico, cuando se diluyen / disuelven en un monómero con función de vinilo , como el estireno , se polimerizan. Los termoendurecibles resultantes destacan por su alta adherencia, resistencia al calor y resistencia a la corrosión. Son más fuertes que los poliésteres y más resistentes al impacto que los epoxis. [20] Las resinas de éster de vinilo se utilizan para laminado laminado húmedo, SMC y BMC en la fabricación y reparación de componentes resistentes a la corrosión y al calor que van desde tuberías, embarcaciones y edificios hasta aplicaciones de transporte, marinas, militares y aeroespaciales.
Diverso
Las amino resinas son otra clase de prepolímeros termoendurecibles formados por copolimerización de aminas o amidas con un aldehído. Las resinas de urea-formaldehído y melamina-formaldehído , aunque no se usan ampliamente en aplicaciones de compuestos estructurales de alto rendimiento, se usan característicamente como matriz polimérica en compuestos de moldeo y extrusión donde ocurre algún uso de cargas y refuerzos. Las resinas de urea-formaldehído se utilizan ampliamente como aglutinante de matriz en productos de utilidad para la construcción como tableros de partículas , tableros de obleas y madera contrachapada , que son verdaderas estructuras compuestas laminares y particuladas. Las resinas de melamina-formaldehído se utilizan para el laminado de plásticos.
Los prepolímeros de resina de furano hechos de alcohol furfurílico , o por modificación de furfural con fenol , formaldehído ( metanal ), urea u otros extensores, son similares a las resinas termoendurecibles amino y fenólicas en que el curado implica policondensación y liberación de agua, así como calor. Aunque generalmente se curan bajo la influencia del calor, los catalizadores y la presión, las resinas de furano también se pueden formular como sistemas endurecidos con ácido sin horneado de dos componentes que se caracterizan por una alta resistencia al calor, los ácidos y los álcalis. Las resinas de furano son de interés creciente para la fabricación de compuestos sostenibles: biocompuestos hechos de una matriz bioderivada (en este caso resina de furano) o refuerzo de biofibras, o ambos. [21]
Ventajas y desventajas
Ventajas
- Historial de solicitudes y procesamiento bien establecido
- En general, mejor economía que los polímeros termoplásticos
- Mejores propiedades a altas temperaturas
- Buena humectación y adherencia al refuerzo.
Desventajas
- Las resinas y los materiales compuestos deben refrigerarse.
- Absorción de humedad y posterior degradación de las propiedades [22]
- Ciclos de proceso largos
- Impacto reducido - dureza
- Pobre capacidad de reciclaje
- Capacidad de reparación más difícil
Referencias
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enlaces externos
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- http://pslc.ws/macrog/lab/epoxy.htm
- http://www.thefreedictionary.com/silicone+polymer
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- http://www.profma.com/polyimide.htm
- http://www.wisegeek.com/what-is-polyester.htm