Fibras cortas

Los polímeros termoplásticos que contienen fibras cortas como refuerzo se comercializaron por primera vez en la década de 1960. El tipo más común de fibras utilizadas en los termoplásticos de fibra corta son la fibra de vidrio y la fibra de carbono. La adición de fibras cortas a las resinas termoplásticas mejora su rendimiento; además, los termoplásticos de fibra corta son más simples y menos costosos que los reforzados con fibra continua. Este compromiso entre costo y rendimiento permite el uso de resinas termoplásticas en múltiples aplicaciones.

Propiedades mecánicas

Las propiedades mecánicas de las resinas de fibra corta dependen fundamentalmente de la distribución de la longitud de la fibra (FLD) y la orientación de la fibra (FOD). En particular, la resistencia aumenta con el aumento de la longitud media de la fibra y con la disminución del ángulo de orientación de la fibra media (ángulo entre el eje de la fibra y la dirección de carga).

Relación de aspecto

Un parámetro importante que caracteriza los compuestos de fibras cortas es la relación entre la longitud (l) y el diámetro (d) de las fibras utilizadas como refuerzo, también llamada "Relación de aspecto".

En lo anterior, hemos visto la influencia de la forma de las partículas en el aumento de la rigidez: las partículas más largas tienen un mayor efecto. Una consecuencia lógica es el uso de fibras. La mayoría de los materiales termoplásticos, particularmente cuando están destinados para su uso como materiales compuestos, están disponibles comercialmente en formulaciones con fibras de vidrio cortas. Además de las fibras de vidrio, también se aplican fibras de carbono. Las fibras tienen unos pocos mm de largo y, p. de 10 a 14 µm de espesor. Durante el mezclado y el procesamiento posterior, las fibras pueden romperse, por lo que su longitud final puede diferir de un caso a otro 250 - 500 µm. La fibra tiene una rigidez mucho mayor que el polímero, pero solo podrá contribuir a la rigidez y resistencia del material compuesto si lleva parte de la carga. Hasta el límite no es así; La interfaz cilíndrica está sujeta a una carga de corte que, con buena adherencia, disminuye gradualmente desde el extremo de la fibra, al tiempo que aumenta la carga de tracción en la fibra. La parte efectiva de la fibra es, por lo tanto, su longitud total disminuida por la longitud de las partes transitorias. Por lo tanto, la fibra no debe ser demasiado corta para obstaculizar su función de carga.

Al contrario de los compuestos, las fibras inducen un aumento de la resistencia. Se puede concluir que la resistencia a la tracción aumenta en un factor entre 1,5 y 3,5 a 20% en volumen de fibras de vidrio. Aparentemente, las fibras juegan un papel de soporte tan importante que el polímero mismo está considerablemente menos estresado. La tensión en la rotura, sin embargo, disminuye bruscamente.

Efecto de fibras cortas sobre la resistencia al impacto

El efecto de las fibras cortas sobre la fuerza de impacto varía; a veces es positivo y a veces negativo. En términos generales, los polímeros con baja resistencia al impacto, e incluso los polímeros más resistentes a las bajas temperaturas, han mejorado en este sentido. Lo contrario también es cierto: los polímeros duros sufren una pérdida de resistencia al impacto cuando se llenan con fibras de vidrio. Las fibras parecen nivelar las diferencias en la resistencia al impacto de los diversos polímeros.

Efecto de fibras cortas sobre las temperaturas de ablandamiento (Vicat)

Las temperaturas de ablandamiento (Vicat) aumentan cuando están presentes rellenos de refuerzo o fibras cortas. Por supuesto, Tg y Tm no cambiarán, pero el aumento de la rigidez hace que toda la curva E (T) se mueva a un nivel superior, p. de un factor 2 para varios polvos (talco de cuarzo, etc.) y un factor de 3 a 5 para fibras de vidrio.

Efecto de fibra corta en ISO-HDT

El efecto del refuerzo en ISO-HDT y Vicat es, para los polímeros semicristalinos, mucho mayor que para los vidrios amorfos. El gran efecto sobre los polímeros cristalinos es, por un lado, trivial y evidente; por otro lado, las fibras de refuerzo parecen causar un aumento de rigidez tal a temperaturas crecientes que la región de temperatura de aplicación se agranda sustancialmente.

El efecto sobre los polímeros amorfos es menor, mientras que para los polímeros semicristalinos los puntos de reblandecimiento aumentan drásticamente. Ambas observaciones están directamente relacionadas con la pendiente de la curva logarítmica E (T). Además de mejorar las propiedades mecánicas, las fibras cortas también se pueden aplicar para otros fines, como la conductividad eléctrica.

Agentes de acoplamiento

Es necesario distinguir cuidadosamente entre agentes de acoplamiento, que tienen un solo propósito en los plásticos reforzados con fibras, a saber, promover la adhesión y así facilitar la transferencia de carga que es la esencia del refuerzo, y los tamaños, como los basados ​​en poli (acetato de vinilo). ), que a veces también se aplican a las fibras. 'Tamaño' se refiere a una formulación más compleja que tiene varias funciones que cumplir. Una de sus funciones más importantes es unir una gran cantidad de filamentos delicados en hebras más robustas, para que puedan resistir más fácilmente las operaciones de procesamiento de tipo textil que convierten los filamentos continuos en tejidos o para que puedan sobrevivir como haces de fibras cortas en maquinaria de procesamiento de termoplásticos. Un componente común de los aprestos es el poli (acetato de vinilo). El mismo poli (acetato de vinilo) también se utiliza en la tecnología de fibra de vidrio como aglutinante (adhesivo) para unir haces de filamentos cortados cortos y formar una estera de hilos cortados, una de las formas más comunes de refuerzo de fibra de vidrio. Sin la adhesión proporcionada por el agente de acoplamiento entre las dos fases en los plásticos reforzados con fibras, es poco lo que las fibras pueden hacer para proteger la matriz de las tensiones mecánicas. Un fallo de la interfaz entre la fibra y la matriz a veces será visible bajo un microscopio de baja potencia, pero se refleja más fácilmente en las propiedades mecánicas de los materiales plásticos reforzados. En el caso de laminados reforzados unidireccionalmente, las propiedades afectadas incluirán resistencia a la flexión transversal, resistencia a la tracción transversal y resistencia al corte. Algunos polímeros carecen de los grupos funcionales reactivos necesarios para aprovechar los mecanismos de silano descritos anteriormente. El polipropileno y otras poliolefinas son ejemplos principales. Por lo tanto, se modifican mediante un proceso de polimerización por injerto para unir moléculas funcionales a los polímeros. El anhídrido maleico se promueve ampliamente como un agente adecuado para su uso con polipropileno.

Fibras diferentes al vidrio

Hay muchas resinas polares que se adherirían a las fibras de carbono o grafito si las superficies de las fibras tuvieran grupos polares similares como carbonilo y carboxilo. Las fibras de carbono a base de PAN de alta resistencia y baja temperatura de calor ya tienen estos grupos químicos de superficie y, por lo tanto, no hay una gran necesidad de agentes de acoplamiento. Las fibras de carbono de alto módulo y alta temperatura de tratamiento térmico tienen una orientación mucho mayor de sus anillos de carbono de seis miembros, que se alinean con sus planos basales mirando hacia afuera, con muy poco margen para grupos polares de superficie. En los primeros días de las fibras de carbono, se evaluaron muchos tratamientos de superficie y agentes de acoplamiento, pero el procedimiento más favorecido fue simplemente someter las fibras a una oxidación moderada, ya sea químicamente usando ácido / dicromato, ácido nítrico o hipoclorito, o electrolíticamente. El reciente crecimiento en el uso de fibras de polietileno de alto peso molecular y altamente orientadas no habría sido posible sin un tratamiento superficial similar del polietileno mediante un proceso de plasma.