Mejora de la vida a fatiga de polímeros termoestables mediante la aplicación de altas presiones y ultra altas cizalladuras

1           Resumen
Haciendo uso de la teoría de lubricación elastohidrodinámica en pares cinemáticos superiores [1], hemos logrado modificar las propiedades mecánicas de algunos polímeros termoestables, gracias a la modificación controlada de la longitud y grado de entrelazamiento físico y químico de las cadenas que forman dichos materiales [2]. Para ello, los polímeros son sometidos a procesos de muy alta presión (en el orden de GPa) combinada con una tasa muy elevada de cizalladura (en el orden de 106 s-1), mediante el control de variables como la temperatura, la velocidad relativa de los elementos del par cinemático, su presión de contacto y el tiempo de procesado. Esta tecnología ha sido probada en distintos tipos de polímeros termoestables, como resinas epoxi y viniléster con base Bisfenol A. Se han conseguido aumentos muy considerables de tenacidad (de más del 200%) sin reducciones en la rigidez ni la resistencia, como sucede en otros métodos de desfragilización. Esta mejora en la tenacidad permite aumentar la fiabilidad y la vida a fatiga de composites poliméricos en fibra de carbono [3].
1.1        Cuál es el problema que se aborda en la contribución y por qué es interesante
Los polímeros termoestables son ampliamente utilizados en distintas industrias, desde la marítima hasta la aeroespacial, debido a sus excelentes propiedades mecánicas, bajo coste, y al hecho de que pueden ser utilizados como matriz para la fabricación de piezas en materiales compuestos [4]. Sin embargo, debido a su naturaleza, son frágiles, lo cual implica un aumento de la cantidad de material necesario en el diseño de componentes en los que la fiabilidad juega un papel importante, como las estructuras primarias de las aeronaves, las palas eólicas o los automóviles. Aunque existen procedimientos de fabricación mediante los cuales se mejoran las propiedades mecánicas de los polímeros termoestables a través del alargamiento de las cadenas poliméricas, estos procedimientos siguen estando limitados al nivel industrial, bien sea por su coste, o bien por la reducción de la resistencia y la rigidez que implican [5].
1.2        Cuál es la contribución principal del trabajo, los resultados fundamentales obtenidos y su novedad frente a otros trabajos recientes existentes
Mediante el uso de este método se logra mejorar las propiedades mecánicas de los materiales procesados, sin merma de ninguna otra propiedad físico-química. La tecnología desarrollada es fácilmente escalable y de bajo coste [6, 7].
1.3        Describir brevemente el método empleado
El proceso permite el aprovechamiento de los fenómenos de lubricación elastohidrodinámica en pares cinemáticos superiores, controlando adecuadamente los parámetros de influencia (carga, velocidad relativa entre los elementos del par cinemático, temperatura del polímero procesado). Consta de una cámara de proceso en la que se instala el par cinemático superior, que se inunda con el polímero a procesar. Dos motores eléctricos controlados mediante variadores de frecuencia permiten el accionamiento automático de una plataforma que aplica una fuerza de contacto entre los elementos del par cinemático, y el movimiento de rodadura relativo entre ellos. La fuerza se controla en bucle cerrado mediante la lectura de una célula de carga. La temperatura del polímero se controla mediante un sistema de enfriamiento por agua. La alta tasa de cizalladura es debida al reducidísimo espesor de película que se obtiene [6].
Referencias
[1]       V. L. Popov, Contact mechanics and friction: physical principles and applications, 2nd edition. Berlin: Springer, 2017.
[2]       M. A. Fox y J. K. Whitesell, Organic chemistry. Buch, 3. ed. Sudbury, Mass.: Jones and Bartlett, 2004.
[3]       F. Bueche, «Mechanical degradation of high polymers», J. Appl. Polym. Sci., vol. 4, n.o 10, pp. 101-106, jul. 1960, doi: 10.1002/app.1960.070041016.
[4]       S. Jaswal y B. Gaur, «New trends in vinyl ester resins», Rev. Chem. Eng., vol. 30, n.o 6, ene. 2014, doi: 10.1515/revce-2014-0012.
[5]       J. M. Munoz-Guijosa, G. Fernández-Zapico, H. Akasaka, y E. Chacón, «Analysis of the effect of manufacturing imperfections in the elastic properties of platelet nanocomposites», Compos. Sci. Technol., vol. 167, pp. 507-514, oct. 2018, doi: 10.1016/j.compscitech.2018.09.001.
[6]       J. M. Munoz-Guijosa, G. Fernández Zapico, O. Peña-Rodríguez, y H. Akasaka, «Toughening of graphene oxide-epoxy nanocomposites by means of very high pressures and shear rates», Compos. Sci. Technol., vol. 199, p. 108354, oct. 2020, doi: 10.1016/j.compscitech.2020.108354.
[7]       G. Fernández Zapico, N. Ohtake, H. Akasaka, y J. M. Munoz-Guijosa, «Epoxy toughening through high pressure and shear rate preprocessing», Sci. Rep., vol. 9, n.o 1, p. 17343, nov. 2019, doi: 10.1038/s41598-019-53881-0.