Comportamiento mecánico de materiales compuestos de matriz termoplástica reforzada con partículas de cobre

Abstract

Los materiales compuestos de matriz termoplástica reforzada con partículas de cobre son atractivos por la versatilidad dada por el polímero y el poder antimicrobiano dado por el cobre. Estos sistemas tienen potenciales aplicaciones en diferentes industrias, como la médica, de alimentos, tecnológica y aeronáutica, por nombras algunas. Al pensar en su utilización en un producto, es necesario el conocimiento de las propiedades mecánicas, campo de estudio en donde hay mucho que discutir y profundizar. El objetivo de este trabajo, es estudiar el comportamiento mecánico de materiales compuestos de matriz termoplástica reforzada con partículas de cobre. Se utilizaron tres tipos de matrices poliméricas de diferente morfología: HDPE y otras tipo LLDPE (identificadas como Engage 1 y 2); tres tipos de refuerzo de cobre de diferentes; y a cuatro porcentajes de carga volumétrica: 0,5, 1, 2 y 4% para cada matriz. Los materiales compuestos se fabricaron por medio de mezclado en fundido, y, a través de la realización de ensayos de tracción, se estudió el módulo de Young y la predictibilidad de modelos específicos para esta propiedad, el alargamiento a la rotura; y la resistencia a la tracción. De los resultados se obtuvo que el torque de mezclado disminuyó con el tiempo de ensayo para todos los materiales. Esto se atribuyó a la reducción de la fricción interna del material, debido al deslizamiento de las cadenas del polímero sobre la superficie de partículas de cobre, dado la nula interacción entre ambos. Respecto a las propiedades mecánicas, para todos los materiales, al aumentar la carga volumétrica se produjo un aumento del módulo de Young respecto a la matriz pura, resultado que no fue predicho por el modelo de Halpin Tsai, por ser insuficiente a la hora de integrar todos los fenómenos ocurridos durante la tracción. De los resultados SEM, se obtuvo diferencias en las macro morfologías de fractura según el tipo de matriz, atribuido a la diferencia de rigidez entre ellas. Además se observaron aglomerados de cobre distribuidos uniformemente en la matriz, lo que permitió la aplicación del modelo de agregación primaria (MAP) para el módulo de Young. Este modelo reprodujo los resultados experimentales mejor que el de Halpin Tsai, pero sin predecirlos completamente. Mientras que los materiales de HDPE y Engage 1 disminuyeron su alargamiento, al aumentar la carga volumétrica de cobre, para el Engage 2 esta propiedad se vio muy poco afectada. La tendencia general en todos los materiales fue al aumento de la resistencia a la tracción y a la baja en la tenacidad; sin embargo, para la matriz más elastomérica (Engage 2), se obtuvo un importante aumento de la tenacidad con la inclusión de cobre. Por medio de la realización de ensayos de termogravimetría, se determinó que la temperatura de degradación de los materiales supera los 300ºC, lo que confirma la no degradación de los materiales durante el mezclado a 190 ºC. Quedó en evidencia el efecto catalítico del cobre en las reacciones de degradación del material, disminuyendo la temperatura de degradación máxima de los mismos, al aumentar la carga volumétrica de cobre. La masa residual de estos ensayos aumenta con la carga de cobre, superando el porcentaje en peso de cobre agregado en la fabricación del material.