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JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
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UTILIZACIÓN DE FIBRAS NATURALES COMO REFUERZOS DE MATRICES
POLIMERICAS.
O.de la OsaA , A.FragaB, E.Frulloni C, J.KennyC, A.VázquezB
(A)
Area de Arquitectura Naval, Departamento de Ciencia y Tecnología, Universidad Nacional de Quilmes,
Roque Saenz Peña 180, (B1876BXD), Bernal, Bs. As. Argentina. E-mail: [email protected]
(B)
Instituto de Tecnología de los Materiales, INTEMA, Universidad Nacional de Mar del Plata, J.B.Justo
4302, 7600-Mar del Plata, Argentina.
(C)
Universidad de Estudios de Perugia, Terni, Italia.
Se estudia el proceso de difusión de agua en matrices de poliéster, viniléster y epoxy y en sus compuestos
reforzados con fibras de vidrio y fibras naturales (Yute), los que presentan diferente grado de curado y
recubrimiento (apresto) de las fibras. Se utiliza para esto la técnica de espectroscopía dieléctrica la cual es no
destructiva y se basa en la medición de la diferencia de conductividad que presentan las matrices poliméricas con
relación a sus compuestos en las diferentes condiciones de estudio. Los resultados obtenidos guardan relación
con las medidas de absorción de agua realizadas paralelamente por variación de peso de las muestras,
observándose por ambos métodos igual tendencia entre el comportamiento de los compuestos con fibras de vidrio
y naturales, así como, en la resistencia al agua de las matrices. Esto pone de manifiesto que la medición de las
propiedades dieléctricas pueden ser de gran utilidad para establecer el grado de absorción de agua y por ende la
posible degradación hidrolítica de piezas elaboradas en materiales compuestos que prestan servicio en
condiciones de alta humedad, como por ej. las embarcaciones plásticas.
Palabras claves: materiales compuestos, fibras naturales, fibras de vidrio, dieléctrico, absorción de agua.
1. INTRODUCCIÓN
barco, lo que lleva a una disminución considerable del
costo del ensayo.
La espectroscopía dieléctrica es una interesante técnica
no destructiva para monitorear los cambios de
propiedades físicas y químicas en los materiales
poliméricos. Las propiedades dieléctricas de un sistema
agua- polímero dependen de la proporción y estado del
componente agua, tanto como de la polarización y
conductividad de otras sustancias presentes en el sistema
(1). La constante dieléctrica es la aptitud del material
para polarizarse y almacenar carga. Podemos definir una
constante dieléctrica compleja
ε* = ε’ – i ε”
ε’ proporcional a la energía almacenada en el ciclo,
ε” proporcional a la energía disipada en el ciclo, se
denomina factor de pérdida dieléctrica
El agua puede existir en los polímeros como agua
coordinada, caracterizada por fuertes interacciones de la
molécula con la matriz y agua libre presente en capilares
y huecos en el polímero.
Si las muestras no están totalmente curadas o si está
presente solvente residual, toma lugar en estas
sustancias un proceso de desorción y consecuentemente
un decrecimiento inicial en la permitividad, lo cual
puede influir en posteriores mediciones (2)
Nuestro caso, estudio de la absorción de agua en
materiales para uso naval, tiene especial importancia ya
que dichos ensayos pueden hacerse directamente en el
2. MATERIALES Y MÉTODOS
Las resinas utilizadas fueron: polyester insaturado
isoftálico (Polial 1800, Poliresinas San Luis, Argentina)
( PI) con estireno 35-40%, resina vinyl ester (Derakane
350, Dow, Chem., Argentina) (VE) con estireno 45% y
resina epoxy formulada a partir de DGEBA ( diglicidil
eter de bifenol A, GY 9527 de Ciba-Geigy, Argentina)
con una adición del 10% de 1,4 BDGE (1,4 Butanodiol
de diglicidileter, RD2 de Ciba-Geigy, Argentina) Como
sistema de endurecimiento: metil etil cetona (Pergox
50), 1,5% sobre la base del peso de resina y Sol.
Naftenato de Cobalto al 2,5% el que se empleó al 0,8%
en base al peso de resina.
Como refuerzos: a) fibras de vidrio E-Glass tejido tipo
mat de 300 g/m2 (Vetrotex, Argentina), b) tejido tipo
roving de yute de densidad igual a 1,4 g/cm3 con apresto
original, c) igual tejido al cual se le aplicó previamente
un tratamiento de lavado con agua caliente a 70-80 ºC y
posterior secado a 105ºC.
2.1 PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS
Las muestras de matriz de poliester y vinilester se
prepararon a temperatura ambiente entre dos platos de
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JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
La epoxy (E) es la de mayor polaridad dado que
presenta grupos hidroxilo, muy polares, distribuidos a lo
largo de la cadena dada la presencia en su formulación
del 1,4 BDGE. La matriz UP es un poliéster insaturado
aromático del tipo Isoftálico, que presenta como grupos
polares la función éster, que brindan cierta polaridad. La
matriz VE es aromática, los grupos polares son de la
misma naturaleza que la UP ( grupos esteres ) pero su
diferencia fundamental está en que éstos se encuentran
en un menor número distribuidos en la estructura ya que
sólo se encuentran en la cabeza y cola de las cadenas
poliméricas y no en la unidad repetitiva como sucede
con la matriz UP, esto trae como consecuencia que la
polaridad de la estructura sea algo menor
5,0
EM
4,5
4,0
e'
vidrio separados por una goma de espesor de 3 mm,
durante 24h. Luego postcuradas durante 1 hr. a 80 ºC y 4
hrs. a 110 ºC.
Los compuestos fueron preparados a temperatura
ambiente por el método de hand-lay-up (laminación
manual) . Los de fibras de vidrio con matriz de poliéster
( PIM, PIMO) con un contenido de fibra del 25-27 % en
peso ( 15-17 % volumen) y los de matriz de viniléster
(VEM, VEMO) con un contenido de fibra del 33-35 %
en peso ( 21-23 % en volumen). La determinación del
contenido de fibra se realizó siguiendo la norma ASTM
D678. Las muestras PIMO y VEMO se curaron a
temperatura ambiente. Las PIM y VEM fueron
posteriormente postcuradas 1hr. a 80 ºC y 4 hrs. a
110ºC.
Los compuestos de fibras de yute se prepararon a
temperatura ambiente por VARTM (Resin transfer
molding vacuum assist o RTM con vacío asistido) con
un contenido de fibra de aproximadamente 38-40 % en
peso o volumen dado a que la densidad de la fibra y la
matriz son aproximadamente iguales. Las muestras
fueron posteriormente postcuradas 1 hr. a 80 ºC y 4 hrs.
a 110 ºC .
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E
3,5
UP
VE
3,0
2.2 METODO DE MEDICIÓN
Las probetas fueron cortadas con un tamaño de 80mm x
13mm x 3mm , luego sumergidas en agua destilada a
temperatura ambiente (20ºC). A diferentes tiempos de
inmersión fueron secadas cuidadosamente y el cambio
de peso fue medido usando una microbalanza con una
aproximación de 10 mg.
Las medidas dieléctricas fueron realizadas en un rango
de frecuencias 4Hz a 1,8 GHz, usando un Equipo para
Análisis de Impedancias (RF Impedance Material
Analyser) Hewlett Packard 4291 A.
Los resultados son el promedio de las medidas de 3
muestras. Las muestras fueron denominadas:
PI: matriz de poliéster
VE: matriz de vinilester
M: cargada con fibra de vidrio (MAT)
MO: cargada con fibra de vidrio sin tratamiento de
poscurado.
Y: matriz de poliéster cargada con fibra de yute ( fibra
sin tratar)
YL: matriz de poliéster cargada con fibra de yute
tratada.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
0,00E+000
5,00E+008
1,00E+009
1,50E+009
2,00E+009
Frecuencia (Hz)
Figura 1. Permitividad en función de la frecuencia para:
matrices y sus compuestos .
Existe una diferencia entre la placa de matriz sola y la
cargada con fibra de vidrio. Este hecho es explicado por
S.D.Logsdon et al (3), la heterogeneidad del compuesto
conduce a la acumulación de cargas eléctricas en la
interfase de los dos materiales que tienen permitividad
diferente y lleva a efectos de polarización. Como
resultado de estos efectos el compuesto muestra una más
alta permitividad y una más alta pérdida dieléctrica que
la matriz sola ( Ej. E y EM ).
Se observó que los compuestos cargados con fibra
natural de yute (tratada y sin tratar) lleva a que la
absorción de agua sea facilitada dado el tipo de fibras
( fig.2 ), por lo que presentan una permitividad mayor.
Comparando ambas compuestos de yute se observa que
las reforzadas con yute sin tratar tienen una permitividad
dieléctrica menor lo que implica que hay menor
contenido de agua en la muestra.
Los resultados son el promedio de las medidas de 3
muestras. La Figura 1 muestra los valores de
permitividad dieléctrica en función de la frecuencia para
las matrices y sus compuestos con fibra de vidrio. Se
observó que los valores de la constante dieléctrica (e’)
tienen el siguiente orden VE<UP<E .
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JORNADAS SAM/ CONAMET/ SIMPOSIO MATERIA 2003
La permitividad dieléctrica para compuestos de yute sin
tratar, en función de las frecuencias se reporta en la
figura 4 . En ella se observa que a tiempos superiores a
144 h de inmersión en agua, a temperatura de 20ºC, los
valores de permitividad comienzan a ser iguales para
mayores tiempos de inmersión a iguales valores de
frecuencia. Esto se puede explicar debido a que para un
contenido de agua tal, correspondiente al que se alcanza
para ese tiempo de inmersión, se comienza alcanzar el
estado de saturación de la fibra de yute la cual además a
perdido su recubrimiento o el mismo se ha saturado.
0,10
0,09
0,08
0,07
0,06
(M-M0)/ M0
11-06
0,05
0,04
0,03
0,02
0,01
0,00
125
-0,01
-100
0
100 200
300 400
500 600
700 800 900
t (h)
100
Figura 2. Absorción de agua en función del tiempo de
inmersión en agua para : nmatriz de poliéster
insaturado, lcompuesto con fibra de vidrio (mat),
scompuesto con fibra de yute, t compuesto con fibra
de yute lavada.
Se analizó la dependencia de la permitividad dieléctrica
a diferentes frecuencias con la fracción de agua
absorbida. La figura 3 muestra el comportamiento para
el compuesto con resina poliéster reforzado con fibra de
yute sin tratar, donde se aprecia que para frecuencias
mayores a 4 Hz la permitividad se hace independiente de
la absorción de agua, . Esto no se observa por igual para
todos los materiales estudiados, por lo que es importante
establecer la región de frecuencias donde todos los
materiales tengan una dependencia entre el agua
absorbida y la permitividad y poder definir el modelo
que describa dicha relación. Esto puede ser explicado
dada la rigidez que presenta el compuesto y por lo tanto
su dificultad en responder a los cambios de polaridad
frente al aumento de las frecuencias independiente de la
mayor cantidad de agua absorbida.
e'
75
50
25
0
0
200
400
600
800
1000
Frecuencia (Hz)
Figure 4. Permitividad de la muestra (e’ ) en función de
la frecuencia para compuestos de poliéster cargado con
fibra de yute sin tratar a distintos tiempos de inmersión
en agua: n0h, l20h, s45h, t 144h, u312h, ÷ 480h,
ÿ 653h.
También se analizó la repuesta dieléctrica de los
materiales con relación al grado de curado, estos
resultados se observan en las figuras 5 y 6 para poliéster
y vinilester respectivamente a 363 h de inmersión en
agua.
3,4
400
350
PIMO
3,2
300
3,0
e'
PIM
er
250
200
2,8
150
2,6
PI
100
2,4
50
0,00E+000
0
0,00
0,02
0,04
0,06
0,08
5,00E+008
1,00E+009
1,50E+009
2,00E+009
f (Hz)
(M-M0)/ M0
Figura 3. Permitividad en función de la fracción de agua
absorbida por una muestra de poliéster insaturado
cargado con fibra de yute a frecuencias: n4Hz, l
200Hz, s 400Hz, t 1000Hz.
Figura 5. Permitividad en función de la frecuencia para
nmatriz poliéster, lcargada con fibra de vidrio mat y
con tratamiento de poscurado, s cargada con fibra de
vidrio y sin tratamiento de poscurado, para 363 h de
inmersión en agua.
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[4] Qingzhong Xue, Journal of Electrostatics, 50,
2001, 169-175.
4,0
3,8
3,6
3,4
e'
11-06
3,2
VEMO
VEM
3,0
VE
2,8
2,6
0,00E+000
5,00E+008
1,00E+009
1,50E+009
2,00E+009
f (Hz)
Figura 6. Permitividad en función de la frecuencia para
nmatriz de viniléster, l cargado con fibra de vidrio con
tratamiento de poscurado, s cargado con fibra de vidrio
sin tratamiento de poscurado, para 363 h de inmersión
en agua.
De la observación de los gráficos anteriores se puede
apreciar que los compuestos sin tratamiento de
poscurado presentan una mayor permitividad, ellos
también presenta una mayor absorción de agua, esto es
explicable dado a un mayor grado de movilidad que
presenta la matriz en estos compuestos con relación a los
materiales que tienen tratamiento de poscurado, lo que
los hace menos resistentes al agua.
4. CONCLUSIONES
Los compuestos con fibra tienen una mayor constante
dieléctrica y a su vez una mayor absorción de agua.
Los compuestos con fibra de yute absorben mayor
cantidad de agua y cuando la fibra es tratada es aún
mayor.
Los compuestos que no presenta postcurado absorben
mayor cantidad de agua y presentan mayor permitividad
dieléctrica.
La permitividad dieléctrica guarda una relación con la
absorción de agua para matrices y compuestos la cual es
creciente y válida para cierta región de frecuencias., en
función de esto se puede buscar un modelo matemático
que describa esta relación y poder con el predecir el
grado de absorción de un material compuesto a partir de
su medida de permitividad dieléctrica, a través de un
ensayo no destructivo.
5. REFERENCIAS
[1] J.B.Hasted, in Aqueoust Dielectrics, Chapman
and Hall, London, (1973).
[2] A.M.Manffezzoli, L.Peterson, .C.Seferis,
J.Kenny and L.Nicolais, Polymer Engineering and
Science, Vol 33, Nº2, (1993).
[3] S.D.Logsdon, D.A.Laird, Journal NonCrystalline Solids, 305, 2002, 243-246.
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