Desarrollo y caracterización de nuevos recubrimientos poliméricos reforzados con fibras de vidrio para aplicaciones en la energía

Abstract

L’idea de realitzar aquest treball sorgeix de la necessitat de millorar l’adhesió entre fibres de vidre (GF, glass fiber) i la resina epoxi, al ser modificades superficialment i poder millorar les propietats tribològiques. Actualment, hi ha una mancança considerable d’informació sobre quin és el millor tractament per tal de millorar l’adhesió interfacial i d’aquesta manera millorar el seu comportament a fricció. En aquest sentit, per estudiar l’efectivitat d’aquests tractaments superficials es desitjava realitzar assajos tribològics (assajos de ratllat i desgast) per tal d’avaluar el coeficient de fricció i la tassa de desgast, respectivament. Però degut a la pandèmia causada per el COVID-19, es va veure truncat i el treball final de màster és va convertir en un treball: experimental i teòric. (1) Experimentalment, només es va poder determinar el temps de gelificació i realitzar uns compostos a petita escala, per determinar la relació òptima de resina-fibra, per el mètode de la bossa al buit (BV) o el procés d’infusió al buit (VIP, vacuum infusion process). Els resultat va mostrar que per a major temps d’agitació el temps de gelificació disminueix. Lo mateixa tendència s’observa quan s’incrementa la quantitat de solució de NH4OH ja que aquest accelera la velocitat de gelificació. Mentre que per a realitzar un compost amb unes dimensions de 3 x 3 cm amb 3 capes de fibra de vidre (aprox. 300 mg) resulta necessari injectar aprox. 900 mg de resina, és a dir, es requereix un 25% en pes de fibra. (2) Pel que fa al treball bibliogràfic, s’ha realitzat un treball exhaustiu on s’ha avaluat si la modificació superficial de les fibres ajuda a millorar les propietats mecàniques. En aquest sentit, es va trobar que l’addició de fibres en resines termoestables, específicament epoxídics, augmenta les propietats mecàniques, en comparació amb la resina pura. Però la modificació superficial del reforç, efectivament, augmenta encara molt més les seves propietats finals. En aquest sentit, el tractament amb silà és el tractament més utilitzat degut a la compatibilitat del òxid de sílici amb l’estructura del vidre, permetent augmentar així l’adhesió entre fibra/matriu al generar una superfície rugosa a nivell nanomètric que permet l’ancoratge mecànic de la resina, millorant l’adhesió. Al llarg d’aquest Treball Final de Màster, és mostren una seria de micrografies electròniques d’escombrat on s’observa una major quantitat de resina adherida a elles i menor quantitat de buits a la interfase.

La idea de realizar el presente trabajo surge de la necesidad de mejorar la adhesión entre fibras de vidrio (GF, glass fiber) y resina epoxi, al ser modificada superficialmente y poder mejorar las propiedades tribológicas. Actualmente, no existe ningún artículo donde se explique cuál es el mejor tratamiento para mejorar la adhesión interfacial i de esta manera mejorar su comportamiento a fricción. En este sentido, con el objetivo de estudiar la efectividad de estos tratamientos superficiales se iba a realizar un estudio de estos compuestos en condiciones tribológicas (frente a la fricción y desgaste) con el objetivo final de poder evaluar el coeficiente de fricción y la tasa de desgaste, respectivamente. Pero debido a la pandemia causada por el COVID-19, se tomó la decisión de hacer un trabajo final de máster mixto: experimental y teórico. (1) Experimentalmente, solo se pudo determinar el tiempo de gelificación y realizar unos compuestos a pequeña escala, para determinar la relación óptima de resina-fibra, por el método de la bolsa de vacío (BV) o el proceso de infusión al vacío (VIP, vacuum infusion process). Los resultados mostraron que a mayor tiempo de agitación el tiempo de gelificación disminuye. La misma tendencia se observa cuando se incrementa la cantidad de solución de NH4OH ya que este actúa como catalizador acelerando la velocidad de gelificación. Mientras que para realizar un compuesto de 3 x 3 cm con 3 capas de fibra de vidrio (aprox. 300 mg) resulta necesario inyectar aprox. 900 mg de resina, es decir, se requiere un 25% en peso de fibra. (2) Por lo que hace referencia al trabajo bibliográfico, se ha realizado un trabajo exhaustivo donde se observó que la modificación superficial de las fibras ayuda a mejorar las propiedades mecánicas. En este sentido, se encontró que la adición de fibras en resinas termoestables, específicamente epoxi, aumenta las propiedades mecánicas, en comparación con la resina pura. Pero la modificación superficial del refuerzo, efectivamente, aumenta considerablemente sus propiedades finales. En este sentido, el tratamiento con silano el el tratamiento más empleado debido a la compatibilidad de la sílice con la estructura del vidrio, permitiendo aumentar así la adhesión entre fibra/matriz al generar una superficie rugosa a nivel nanométrico que permite el anclaje mecánico de la resina mejorando la adhesión. A lo largo de este Trabajo Final de Máster, se muestran una serie de micrografías electrónicas de barrido donde se observa una mayor cantidad de resina adherida a ellas y menor cantidad de huecos en la zona de interfase.

The idea to conduct this research work arises from the need to improve the adhesion between glass fibers (GF) and epoxy resin, by means of superficially modifying and be able to enhance their tribological properties. Nowadays, scarce information related to this topic is available in the literature. In this sense, in order to study the effectiveness of these coatings, tribological tests were desired to conduct (scratch and wear tests) in order to evaluate the friction coefficient and the wear rate, respectively. However, due to the pandemic caused by COVID-19, this research work was adapted to mixed Master’s thesis: experimental and theoretical. (1) Experimentally, it was only possible to determine the gelification time and performsome small specimens (laboratory scale), to determine the optimum resin-fiber ratio, by the bag of empty method or the vacuum infusion process (VIP). The preliminary results showed that the longer the stirring time, the gelling time decreased. Similar trend was observed when the amount of NH4OH solution increases due to this chemical agent acts as a catalyst and accelerates the gelling rate. In this context, some specimens were built (3 x 3 cm composite with 3 layers of fiberglass). These specimens present around 300 mg of GF and around 900 mg of resin, which means around 25 weight % of fiber is required. (2) Regarding the bibliographic study, exhaustive work was carried out on the evaluation of the different superficial modification techniques which leads to enance the mechanical properties. In this sense, it was found that the addition of fibers in thermosetting resins, specifically epoxy, increases the mechanical integrity in comparison with the pure resin. But the surface modification of the reinforcement effectively increases their final mechanical properties. Within this context, the silane treatment is turned out to be the most used treatment due to the compatibility of silica with the glass structure, allowing to increase the adhesion between fiber/matrix by generating a rough surface modification at the nanometric length scale which allows to increase the mechanical anchoring of the resin, improving the adhesion. Along this Master’s thesis, several scanning electron microscopy micrographs where it is clearly evident that the adhesion has been considerable improved due to more amount of resin is attached to the fibers and less amount of voids are evident at the interface.