MATERIALES COMPUESTOS
Ol
INFLUENCIA DEL ENVEJECIMIENTO DEL PREG-PREG
EN LAS PROPIEDADES DE LOS PREG-PREG Y LAMINADOS
A.
Pica do*,
F.
Pa ís**, J.
Cañas
**
*Ingenie ía,
Tecnología
y Disci1o
(ITD)
Pa que Emp esa ial San Fe na
ndo
de
Hena es
A da.
de
Cas
illa s/
n.
Edi icio
Jap
ón
Mad id
**E
cuela
Supe io
de
Ingenie os Indus iales
Uni e sidad
de
Se illa.
Camino
de
los
Descub imien os
sin
41
092
Se illa
Palab as Cla e: Ma e iales compues os, Ca acle ización. En ejecimien o.
399
Resumen: Uno
de
los ensayos
má
s emplea
do
s pa a ecali ica p ep egs es el es
de
calo
ime ía di e enci
al
de
ba ido D.S.C.. D
ic
ho es pe mi
e
e alua cómo
la
ma iz
polimé i
ca
se
ha
podido deg ada du an e el almacenamien o dado que
el
obje o
del
es es
de emlina los pa áme os que con olan la eacción
de
cw·ado de
la
esina. Uno de los
obje i os
de
es e abajo
es
es udia el e ec o que
el
en ejecimien o
de
la
esina iene sob
e
l
os
pa áme os que con olan
el
p oce o de cu ado y como
una
al e ación de es os puede o
no
a ec a a
la
s p opiedades mecánicas de
Jos
laminados.
Abs mc .· D.S.C. is one
o !he
mas/ used es s o ecalijj•
p
ep egs. This kind
o_(
es alloll's
o
e alua e hou· !he polyme ic ma ix has been deg aded du ing he s o age due o !he ac
ha1
he aim
o he
es is o de e mine he pa ame e s ha con ol he cu ing eaclion
o he
esin.
One
o
he objec i es
o.l
his a ic!e is o s udy he eJ!ix
o
esin ageing on !he
pa
ame e s ha con
o/.1
· he cu ing cycle and how a a ia ion
o
hese can a. ec he
mechanica/ p ope ies
o
he lamina/es.
1.-I
NT
RODUCCIÓN
El
uso
de ma e iales
no
me álicos pa a ap
li
caciones es uc u ales e es á iendo
inc emen ado, sie
nd
o
el
p incipal
de
ellos el g upo de
los
denominados "composi es
a anzados", en pa 1icula g a i o-epoxy, y los adhesi os. Los compues os
de
políme os
e o
zados con
ib a
con i
nua
on
usados en muchas aplicaciones donde al a esis encia y
400 MATERIALES COMPUESTOS
01
bajo peso son impo an
e
s. ales como la indus ia
ac ospaci~
l.
Es os_
~ompues os
_son
p oducidos embebiendo ib as de educido diáme o
en
una ma nz p oh menea.
La
ma
nz
es
impo an e
no
sólo po
la
ansmisión
de
ca gas
si
no
ambién
po
p o
ee
e
sis encia a
la
ac u a y po p o ege
del
a aque ambien al
al
ma e ial.
Pa
~
aplicaciones
es n~c u ales
de
e
sponsabilidad, los ma e iales compues os son
a
bncados usando ecmcas
de
p eimp cgnación y au ocla e. Laminados
de
di e en e complejidad son p oducidos po el
api
lado
del
p e-p eg y cu ados o consolidados bajo p esión.
El
espes~
de
l lammado
es
de e m
in
ado po el núme o
de
capas a
pi
lada
s.
Po o a pa e, l
as
ca ac ens icas es uc u al
es
de
esis encia y igidez son de e minadas po la o ien
a
ción
de
las capas usadas.
La
ope ación
de
p cimp cgnación
es
un
a e apa
en
el p ocesado de composi es donde
se
combinan las ib as y
la
esina
de
la ma iz, e moplás ica o e moes ablc, pa cialmen e
cu ada pa a
om1a
el
p e-p eg. Es a e apa en
el
p oceso de polime ización de
la
esina
p o ee
al
ma e ial
de
una adhe encia y una capacidad de de o mación
mu
y deseadas, y
los
p ep egs son ácilmen e apilados sob e ú iles de
a
iadas o mas y cu ados a clc a.das
empe a u as y p esión usando
un
au ocla e o
una
p ensa.
Lo
s p e -p cgs de
_ e
mas
e mocs ables son especí icamen e usados po u
aci
lidad de manejo
lo
que pe mi e que
complicadas con igu aciones puedan se ealizadas.
Una
de las ca ac e ís icas
de
los p e-
p egs basados en
e
s
in
as e moes ables es su adhe encia ( ack). que se de ine como
la
habilidad de adhesión
de
una capa con o a. Es o e básicamen e necesa io pa a el apilado,
el cual end á una
in
luenciad
i
ec a sob e la calidad
del
laminado. Aunque es necesa ia es a
adhe encia pa a p oduci
un
bloqueo mecánico de
do
s capas adyacen es, és a
no
debe se
an
ab
umado a como pa a impedi la ccolocación de una de las capas cuando se desco
lo
ca
du an e el
api
lad
o.
El
p oceso
de
cu ado de
la
esina, que puede se is
o
como
un
p oceso dependien e
de
l
i
empo y
la
empe a u a, con
ll
e a el es ablec
imi
en
o de enlaces c
u
zados en e molécula
s.
Dichos
en
laces
se
es ablecen en la ma iz
de
esi
na
in
c
lu
so
po deba
JO
de
la
empe a u a
ambie
n
e.
Po e
ll
o, es os p e-p egs se almace
nan
a empe a u as del o den
de
-
18
C
(O
F),
pe o incluso a es as empe a u as,
la
eacción de polime ización de la esina
no
se de ie
ne
..
La
can idad de eacción de polime ización acumulada o edad
de
p cunp egnado dcpcnde
a
po an o de las condiciones, empe a u a y iempo, a
la
s que se
ha
is o expues o.
Exi
e po an o
un
p oceso de en ejecimien o
de
la esina
al
cu
al
a ligado o o:
la
abso ci
ón
de humedad. Es a no malmen e acele a
la
eacción
de
cu ado pe o ambién puede
esul a
en
la
o mación
de
po osidad
en
el
laminado.
La ida ú il del p eimp egnado depende á
del
ipo de aplicación pa a
el
cual se equie e.
Si
po ejemplo
se
es á in e esado
en
paneles planos,
el
p e -p eg pudie a se usado aunque
~s e
e haya ue
l
o
í
gido. Si, po el con a io, su u
so
equie e
un
apilado sob e
compiCJa
o
mas, debe se lexible y adhe en e.
El obje o
de
es
e
es udio
es
desa olla
un
mejo en endimien o
de
las
i_mplicaciones
mecánicas que ienen los cambios químicos que
se
p oducen du an e el CI
WCJec
imien o
de
la
ma i
z,
al
co elaciona l
os
esul ados
de
es s isicoquímicos con los ensayos mecánicos
de
los
laminados.
Uno de
lo
s g andes p oblemas
en
es e ipo de es udio es
el
hecho de que las p op
ie
dades
mecánicas pueden es a muy in luenciadas po los p ocesos
de
ab icación y ensayo, Y
pueden lle a a di e encias en
la
s p opiedades del ma e ial. Las p opiedades
mec~nicas
de
los laminados ob enidas a a és del ensayo ienen acompai1adas con coe icien es
de
MATERIALES COMPUESTOS
01
401
a iación bas an e más ele ado que los que apa ecen
en
la
ca ac e ización expe imen al
del
ma e ial me álico. Sin duda
su
ca ác e de ma e ial
no
homogéneo a o ece es a
ci cuns ancia.
En
gene al, las in es
i
gaciones de es
a
na u aleza
han
sido mas bien 1 imi adas pe o hay
al
gunos es udios
al
e
spec o. Así, Sanjana 1 es udió
el
ma e ial
de
denominación He cules
3501-6 exponiendo
el
p e-p eg a
di
e
en es condiciones
de
empe a u a y humedad.
Los
cambios ue on ácilmen e de ec ados median e análisis po diclé c icos y análisis
di
námicomecánico, pe o
no
po calo ime
í
a di e enc
ial.
El
p ime cambio de ec able
ue
la
pé dida
de
adhe encia ( ack) y
l
ex
ib
il
i
dad
(d ape), lo que ocu ió a los dos días a 49
oc
y
en e
la
3"
y
4"
semana a empe a u a ambien
e.
El
l
ujo
de
esina mos ó
un
muy
le e
dec emen o con
el
en ejecimi
en
o a empe a u a ambien e. Se ealiza on es s sob e
laminados pa a la de e minación de las p opiedades mecánicas;
TLSS,
lex
i
ón
y módulo de
elas icidad, pe o és as
no
se
de e io a on has a
que
el
p ep eg
no
es aba
ma
allá
de
su
ida
ú il.
la
cuál es aba de e minada sob
e
la
base de
la
pe dida de adhe encia.
Scola e a1
2
han
ealizado simila
e
s p ocesos obse ando una pé dida de iscosidad du an e
el
p oceso y algunos dec emen os
en
p opiedades mecánicas pe o los da os ue on
insu icien es pa a es ablece una ida ú il. Campbell e
al
3 in om1a on que p ep egs
en ejecidos endían a aumen a
la
empe a u a de ansición í ea
de
los laminados e
incluso pod ían da luga a laminados lib es de po osid
ad
al
educi los po os in e lamina es
que
son una de las uen es
de
la p oducción de huecos en
un
laminado. A
ka
y 4 p epa ó
paneles a pa i
de
p ep egs de ca bono/e
pox
y con en ejecimien o ( iempo ue a
de
igo í ico) conocidos y
se
ensaya on, con y sin acondicionamien o hig o éimico.
No
se
encon ó
un
e ec o signi ica i o del en ejecimien o sob e
la
lexión, 1 LSS, comp esión e
impac o
en
ninguna
de
las p obe as.
Colc
e
a1
5•6
ya
en
la segunda pa e de
su
es udio obse a on que las p opiedades ísicas
más
in luenciadas po el en ejecimien o
ue
on
la adhe encia ( ack),
el
iempo
de
geli icación y
el
con enido
en
olá
il
es.
Sin emba go, los laminados empleados
en
acci
ón
no
mos a on
e idencia del en ejecimien o, y
lo
s u
sa
dos pa a comp esión y ILSS
una
débil dependenci
a.
Y sos ienen que aunque
son
pcquciios cambios
en
el compo amien o mecánico pueden se
mayo es cuan o mayo sea
el
espeso de laminado a ealiza , y
en
el
compo amien o de los
la
minados a la go iempo.
El
obje i o de es e abajo es e ud ia
el
e ec o que
el
en ejecimien o
de
la esina iene
sob e los pa áme os que con olan
el
p oceso de cu ado y como
una
al e ación de es os
puede o
no
a ec a a las p opiedades mecánicas
de
lo
s laminados.
2.-
PLAN DE TRABAJO Y METODOLOGIA EXPERIMENTAL
En
es e abajo
se
e alua án p ep egs
ele
es di
s i
n os ipos
de
esina ( esinas 8552, 913 y
M21).
T
ipo
1:
Resi
na
CP.OX
i
de
cu ado a 1
80°
e de designación 8552
Tipo
2:
Resina epoxi de cu ado a
120°
C de
de
signación
913
Tipo 3: Resina epoxi de cu ado a
180
° C con inc us aciones
ele
esi
na
c moplás ica de
designación
M21
402 MATE
RI
AL
ES
COMPUESTOS 01
Las
mu
es as a ensay
a
son asladadas de l
as
ne e as de a
lm
acena
mi
en o a un amb
ie
n
e
con olado de labo a o io a condiciones ambien e pa a de es a o ma educi
su
ida ú il y
q
ue
la deg adación de p opiedades ocu a en ap
ox
im
adamen e 2 meses.
La ma iz del p e-p eg se e alua á media
n
e DSC y Reo
lo
gía en
di
e en es e apas de la ida
del ma e
i
a
l.
jun o con
la
ab icación de laminados pa a la ca ac e
i
zación de l
as
p
op
iedades inge
ni
e
il
es, como la comp esión, la co adu a in e lamina , la ole ancia
al
da
'i
o po impac o y
la
p ocesabili
da
d del ma e
i
a
l.
Po an
o,
los o
bj
e
i
os del análisis expe ime
n
al son el en
e
jec
imi
en o de los p ep egs
en
un
ambie
n
e con olado,
la
ab icación de laminados
en
sie
e
e apas
di
e en es (cada e apa
se á de
un
a sema
na
)
de
la
polime
i
zación espon ánea del p ep eg, y
la
ca ac e izaci
ón
qu
ími
ca y mecánica
de
lo
s es sis em
as
pa a cada u
na
de l
as
e apas.
Pa a los ensayos mecánicos a ealiza , se
ha
n de inido es a
pil
ados
di
e en es:
A
pil
ado 1:
La
m
in
ado 150 x 150 mm.l6 capas Cuasiso ópico pa a impac o
Ap
il
ado
2:
Laminado 150 x 150 mm. 32 capas Cuasiso ópico pa a comp esión
Ap
il
ado 3:
150
x 150 m
m.
16 cap
as
U
ni
di eccional pa a co adu a in e lamina y
l
ex
ión
en 3 pun os
En la ab
la
1 se
mu
es an (con
un
colo más o cu o) qué ensayos se ealizan y que
p19
pi
edades se de e minan en cada e apa del en
e
j
ec
im
ie
n
o, y cuáles no (en blanco).
Ensayo
P
opiedad
i
e
mp
o de en
e
je
cimien o (semanas)
1 2 3 4 5 6 7
D.S.C Ts (0C)
Tp
COC)
Tg ("C)
L'.
H
(J
/g)
P occsabil idad
Comp esión Módulo (GPa)
Resis encia (MPa)
IIL
S Resis enc
ia
(M
Pa)
Fl
exión Resis encia (MPa)
Ra io (N/
mm
)
Impac o
En
e
g
ía
(J)
Tabla
1.-
En
sayos a ea
li
za sob e p eg y laminados.
La me odolog
ía
usada en cada ensayo
u
e la sig
ui
en
e:
Ensayo DSC: se ealiza sob e una p obe a seg
ún
la no ma
ISO
-11357.
En
es e ensayo
se
dc en;1ina on
la
s siguien es p opiedade
s:
e
mp
e a u a
de
co
mi
enzo
de
la
eacción de cu ado
(Ts), e
mp
e a u a máxima
al
canzada en la eacción de cu ado (Tp
),
empe a u a
de
ansición í
ea
(T
g)
y
L'.H
,
la
en alpía
lib
e ada en
el
ensayo.
MATERIALES COMPUESTOS
01
403
Ensayo de P ocesabilidad: en
la
e apa de laminación se comp ueba
la
p ocesabiiidad del
p eimp
egnado~
es deci
.
su
a~ilidad
pa a se apilado, ya que és e es
un
ac o impo an e a
la ho a
de
cons de a un ma enal como inú i
l.
Se u i
li
za
la
siguien e clasi icación: ap a (A)
poco ap a (PA),
in
ú il
(R). '
Ensayo de C
omp e
sión: sob e cinco p obe as. ins umen alizadas con bandas
ex ensomé icas según CRAG 7 (mé odo
401
), de em
1i
nando
la
ca ga de o u a y
el
módulo.
El
lammado es de 32 capas cuasi o ópico
pa
a comp esión.
En
la
igu a 1 a se mues a el
disposi i o de ensayo así como
un
a de las p obe as a ensaya .
En
sayo ILSS: se
ea
l
iza
el ensayo sob e 5 p obe
as
según
la
ISO 14130, y se de e mina la
esis encia a co adu a in e
l
a
mi
na , en
un
laminado
de
16
capas unidi eccional.
En
la
Figu a
lb
se mues a el ensayo a ealiza .
b)
Fi
g.
l.
-Ensayos mecánicos: a)Ensayo de comp esión, b )Ensayo I LSS.
En
sayo de Flexión: Sob e 5 p obe as, según
la
ISO 14125 (en es pun os), y se de e mina
la ensión ú
l
ima
y
el
a io ca ga/dc lexión. en
un
laminado de
16
capas unidi eccional.
En
s_ay
o de Impac o: Sob e
un
a p obe a, ealizando
un
impac o de baja ene gía en
un
lammado de
16
capas cuasiso ópico.
El
impac o es de 15 J e on una masa
de
2.629 kg a
3.38
m/s.
si
b
ie
n en el 913 es de 1 O J.
~
3.- RESUL T AOOS EXPERIMENTALES
A con
i
nuación, en la abla
2,
se mues an l
os
esul
ad
os expe imen al
es
ob enidos du an e
el
ans_cu
s_o
de es e es u
di
o.
En
la g
á
i
ca
de la F
ig.
2 se e alúa
la
empe a u a de
ans
c on J ea (Tg)
en e al
i
empo de en ejeci
mi
en o pa a cada
illO
de
los
ma e iales.
404 MATERIALES CO
MP
UES
TOS
01
Ensayo P opiedad Tipo
de
Tiempo de en ejecimien o (semana)
Resina 1 2 3 4 5 6
8552 18
1.1
175
.3
1
73.3
175.7 17
1.3
166.7
Ts
COC)
913 144.6
144
.0
142.
6
14
2.0 141.6 141.5
M
21
196.5
196.
3
19
7
.5
198.2
19
8
.5
199.9
85
52
228.6 226.9 226.2 226
.4
225. 1 226.3
Tp
CC)
913
154
.0
15
3.2
15
2
.2
15
2.0 152.0
15
1
.9
D.
S.C
M21
256.5 254
.0
256.8 255.0 255.8 255.7
8552 -1.8 -9
.2
Tg
(OC)
913
-5.3
-5
.1
M21 -3.3 -8.9
OH
(J
/
g)
8552 203.5 194.4 1
85.1
175.5 168.2 157.9
913 141.7
14
7.3 1
52
.6
157
.5
159.3 165.6
M2
1
84.
1 92.3
100
.7
104.7 108.6
11
2.6
P occsabilidad 8552 A A A PA
PA
R
913 A A A A A PA
M
21
A A A A PA
PA
Co
mp es
ión
Módulo (
GPa)
8552 61.7 55.7
62.1
6
1.0
61.3 61.5
913 49.4 53.2 49.3 52.9 46.4 46.6
M21
56.3 54.3 59.3 55.9
Rcsis . (MPa) 8552 534 467 500 506 490 489
913
477 462
481
540 479 4
81
M21
498 492 483 519 501 490
II
LS
Rcsis .
(MPa)
8552
125
125
12
7
121
12
9
112
913
107
104 102
103
106 104
M21
110 105 106
109
10
8
107
Flexión Resis .
(M
Pa
) 8552 32
33 33
33 34
35
913 32 36 29 31 30 34
M2
1 31
32
29 30 34 30
Ra
io(
mm)
8552 129
130
135
134
141
142
913 1
31
138
11
8
13
3
134 146
M21
166 164
170
1
75
166 168
Imp
ac
o
En
e gía (J) 8552 5.4 9.9
913 3.2 3.2
M21
2.8
1.8
Tabla 2.- R
es
ul ados expe
i
men
al
es ob enidos.
7
160.3'
1
41.3
200.5
228.5--;
151.6'
257
.2
-25.
13
-
4.5
-11.7
148.1
16
8.1
115.7
R
PA
R
60.9
49.3
55
.6
480
498
490
119
10
6
108
31
35
32
14
7
1
43
1
66
6.
~
3.5
2.0
MATERIALES COMPUESTOS
01
405
o
-5
·10
~
-15
-8552
-20
-9
13
· •
.1<
·M21
-25
-30 o 2 6
Tiempo de en ejecimien o (semanas)
Fi
g.
2.- E
o
lución de la Tempe a u a de ansici
ón
í ea (Tg) en e al iempo de
en ejecimien o pa a
lo
dis in os ma e ial
es.
4.- CONCLUSIONES
De
los indicado es químico obse ados a
a
és de los ensayos podemos obse a que
es
el
pa áme
o
Tg que
se
ob iene
del
DSC
el
que mues a una cla a endencia a inc emen a su
a
lo a
lo
la go
del
en
ejecimien o del ma e ial.
O os indicado es pa ecen su
i le es endencias como
AH
y T · Es os indicado es, sin
duda,
e
lejan los cambios químicos en
el
p c
im
p egnado, pe o
la
incidencia de es os
camb
io
s en
la
s p opiedad
es
mecánicas
del
laminado,
es
sin
dud
a,
escasa. Así, se
pue
de
obse a , cómo
en
el ensayo de
co
mp esi
ón
o impac o,
la
a iación de
las
magni udes
medidas
es
la p opia
del
ca
ác e no homogéneo del ma e ial, y
no
se
pod ía a i ma que el
deg adamien o d
el
p eimp cgnado se aduzca
en
un
de e io o de d
ic
has
p opiedades
en
el
laminado.
La
le e endencia de
la
es
is e
nc
ia
de
co adu a
en
el
ensayo
de
1
LSS
y
el
a io N/
mm
del
ensayo de
l
exión
no
demues an
en
nues a opinión que
el
laminado posca meno es
ca ac e ís icas mecánicas. Se pa ece in e i
de
lo
s ensayos una endencia débil a
la
baja
en
el caso de
la
esis encia a co adu a y
al
alza en caso
del
a io. pe o
no
lo
u icien e pa a
de
secha
el
ma e ial po
in
ú
il.
Así.
po an o,
no
se puede al menos po los ensayos mecánicos ealizados en es e es udio
a inna que
el
ma e ial se de e io e. Sí es cla o que se p oducen cambios químicos en el
p oceso de en ejecimien
o
que len amen e
se
a
a p oduci
en
el almacenamien o del
p eimp egnado en la ne e a, pe o nada más se puede in e i a aíz de
los
ensayos
ea
lizados.
Sí
es
no o
i
o que la p ocesab
il
idad del ma e ial queda se iamen e dañada pc di
cn
do
el
ack,
imp
escindible pa a
su
pos e io apilado,
en
geo
me
ías complejas sob e odo,
lo
que
p o oca que llegada cie
a
e apa, que depende en cada caso
del
sis ema esina - ib a, la
ab icación
del
laminado pueda se muy di icul osa.
Se ía de g
an
in e és y complemen a io a es e es
udi
o, la explo ación de cie as p opiedades
me
cánicas como la esis encia a a iga o
el
e ec o de en allas
en
los
lam
in
ados.
406 MATERIALES COMPUESTOS
01
5.-
AGRADECIMIENTOS.
Es e abajo ha podido de a o
ll
a se g acias a la inanciación ob enida del p oyec o FEDER
1 FD97-0580. Los au o es desean ag adece al D .
J.
Mo on (DERA) el habe hecho
po iblc una es ancia en DE
RA
al p ime o de lo au o es, así como la
ac
ilidades o o gadas
pa a la ealización de los ensayos.
6.- R
EFE
RENCIAS
1 Z. . Sanjana ( 1980), O e age indica o s
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g p opc ies
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ib e cin o ced plas ics. Royal Ae ospace
Es
ablis
hm
en . Technical Repon 88012