Materiales compuestos con capacidad de autorreparación

Resumen

Los polímeros reforzados con fibras (FRPs) son materiales de altas prestaciones formados por fibras continuas hasta un 70%, impregnadas de una matriz polimérica. Estos materiales tienen excelentes propiedades mecánicas, gran resistencia a la corrosión y a los agentes químicos, buena estabilidad térmica y gran ligereza, lo que explica su excelente relación resistencia-peso. Sin embargo, estos materiales no están exentos de daños y su ciclo de vida es limitado. La demanda tecnológica actual exige materiales sostenibles para reducir la cantidad de residuos. Una alternativa es dotar al material compuesto de una capacidad de autorreparación, esto es que pueda repararse de forma autónoma cuando se dañe. Esta tesis tiene como objetivo el desarrollo de FRPs de carbono con capacidad autorreparadora a través del uso de mezclas poliméricas. Se utilizaron tres tipos de sistemas, dos de ellos basados en polímeros termoplásticos, poli(etileno-co-ácido metacrílico) (EMAA) y poli(metilmetacrilato) (PMMA), y uno de ellos mediante el uso de un polímero superabsorbente, la poli(acrilamida-co-ácido acrílico) sal de potasio (SAP). La gran ventaja de usar mezclas poliméricas es que permite utilizar una resina termoestable comercial, lo cual hace que sea un método sencillo, económico y fácilmente escalable a nivel industrial. En primer lugar, fue necesario desarrollar un protocolo para estudiar la autorreparación de las muestras, ya que se observó que la resina epoxi tiene por sí sola capacidad intrínseca para reparar daños superficiales, como, por ejemplo, un arañazo. Este hecho no se tiene en cuenta en la mayoría de los trabajos publicados en la literatura y establece la necesidad de evaluar las muestras tras un fallo catastrófico. La incorporación del EMAA mezclado en la resina en un 10 % en peso permitió fabricar una resina epoxi autorreparable con una eficiencia de reparación de hasta un 50% tras una fractura catastrófica. La incorporación de PMMA se llevó a cabo en concentraciones de hasta un 20 % en peso mediante dos metodologías, mezclado en la resina y polimerización in-situ durante el curado de la resina. Este sistema permitió únicamente estudiar de manera cualitativa la capacidad de autorreparación de las muestras. El sistema resina epoxi con SAP se estudió mediante la preparación de recubrimientos sobre el acero, preparando tres tipos de recubrimientos atendiendo a su localización. El recubrimiento donde el SAP se ubicaba entre la resina y el acero presentó altas capacidades como recubrimiento autorreparable y anticorrosivo. Tras este estudio, se procedió a desarrollar los materiales compuestos con fibra de carbono autorreparables. Se seleccionaron los sistemas con polímeros termoplásticos, ya que el polímero superabsorbente no permite recuperar propiedades mecánicas, y se estudiaron dos metodologías para incorporar el termoplástico, disperso en la resina epoxi e incorporado sobre la superficie de la fibra por aerografía. Los materiales compuestos se fabricaron mediante la técnica de infusión de resina asistida por vacío y la reparación se evaluó mediante ensayos de fractura interlaminar. Los mejores resultados se obtuvieron para los materiales en los que la matriz termoplástica se depositaba sobre la superficie de la fibra de carbono, alcanzando eficiencias de reparación entre un 50 y un 70 % con ambos termoplásticos. Después de tres ciclos de reparación, la eficiencia se encontraba en valores aceptables, alrededor del 20 ¿ 40 %. Los resultados de esta Tesis doctoral permiten concluir que las mezclas poliméricas basadas en resina termoestable y matriz termoplástica es un método sencillo, viable y económico para producir FRPs con capacidad autorreparadora.