Compósitos laminares en base de fibra de carbono y una poliéterimida : estudio de la influencia de incorporar un material híbrido de grafeno sobre sus propiedades eléctricas y mecánicas

Abstract

Los compósitos laminares reforzados con fibra de carbono (CLRFC) son materiales atractivos en numerosas aplicaciones relacionadas con áreas como deportes, aeroespacial, automotriz, energía eólica, y defensa, entre otras, pero poseen ciertas limitaciones, tales como una conductividad eléctrica anisotrópica. Esto implica una conductividad longitudinal a la fibra de carbono siendo baja de forma transversal. Además, al preparar compósitos empleando resinas termoendurecibles, por ejemplo, resinas epóxicas o poliéster insaturado, suelen ser compósitos laminares frágiles, desechables y prácticamente no reciclables. Esta limitante puede ser superada empleando en el proceso de fabricación nanomateriales eléctricamente conductores como relleno y polímeros termoplásticos de ingeniería de altas prestaciones. En base a estas premisas, se planteó la obtención de CLRFC a partir de polímeros termoplásticos como es el caso de las poliéterimidas (PEIs) y la síntesis de un material híbrido de óxido de grafeno compuesto por óxido de grafeno (GO), injertado con poli(monometil itaconato) (PMMI), unido covalentemente a nanopartículas de titanato de bario (BTN). Este material fue sintetizado y denominado GO-g-PMMI/BTN. Para la obtención de los CLRFC, se recubrió tejidos planos de fibra de carbono con una PEI que contenía como relleno un nanomaterial híbrido de grafeno, consistente en GO-g-PMMI/BTN y rGO (PEI/(GO-g-PMMI/BTN + rGO)). Esto permitió obtener CLRFC con alta conductividad eléctrica sin presentar una disminución drástica de la resistencia dieléctrica. La metodología propuesta para el cumplimiento de los objetivos de este proyecto englobó la preparación de los nanocompósitos de PEI rellenos de GO-g-PMMI/BTN y rGO. Se prepararon los CLRFC mediante la consolidación térmica de capas de tejidos planos en tafetán, sarga y satén de fibra de carbono oxidada y sin oxidar, y PEI/(GOg- PMMI/BTN + rGO). Cada uno de los CLRFC ensamblados fueron caracterizados por medio de ensayos mecánicos de esfuerzo-deformación al igual que fueron evaluadas respecto a sus propiedades eléctricas, determinando su rigidez dieléctrica. De los ensayos mecánicos se pudo determinar que los CLRFC preparados a partir de fibra de carbono de tejido sarga presentaron mayores valores de módulo de Young seguido del tejido tafetán, ubicándose el tejido sarga con los menores valores de módulo de Young reportados. En cuanto a las propiedades eléctricas, los CLRFC preparados a partir de PEI/(GO-g- PMMI/BTN + rGO)) presentaron el mayor valor de conductividad eléctrica (1x10-7 S/cm) con respecto al valor reportado para la matriz polimérica sin relleno (1x10-11 S/cm). Por otro lado, todos los CLRFC fueron sometidos a una tensión de 150000 [v] para determinar la rigidez dieléctrica sin evidenciar ruptura dieléctrica. El desarrollo de este proyecto de tesis permitió la obtención de nuevos conocimientos relacionados con el uso de materiales grafénicos para mejoras la conductividad eléctrica y propiedades mecánicas de compósitos laminares basados en PEI y reforzados con fibra de carbono, los cuales pueden tener potenciales aplicaciones en áreas tales como deportes, aeroespacial, automotriz, energía eólica, y defensa.

Laminar carbon fiber reinforced composites (CLRFC) are attractive materials in many applications related to areas, such as sports, aerospace, automotive, wind power, and defense, among others. These materials can present certain limitations, such as anisotropic electrical conductivity, i.e., longitudinal due to carbon fiber being low in cross section and prepared using thermosetting resins, for example, epoxy resins or unsaturated polyester, which are usually brittle, disposable, and practically nonrecyclable. These limitations can overcome by using electrically conductive nanomaterials as fillers and high-performance engineering thermoplastic polymers in process manufacturing. Based on these premises, it proposed to obtain CLRFC from thermoplastic polymers such as polyetherimides (PEIs) and the synthesis of a graphene oxide hybrid material composed of graphene oxide (GO), grafted with poly (monomethyl itaconate) (PMMI), covalently bonded to barium titanate (BTN) nanoparticles. This material was synthesized and named GO-g-PMMI/BTN. To obtain the CLRFCs, flat carbon fiber fabrics were coated with a PEI containing a graphene hybrid nanomaterial as filler, consisting of GO-g-PMMI/BTN and rGO (PEI/(GO-g-PMMI/BTN). +rGO)), allowed to be obtained CLRFCs with high electrical conductivity without presenting a drastic decrease in dielectric strength. The proposed methodology for meeting the objectives of this project is the preparation of PEI nanocomposites filled with GO-g-PMMI/BTN and rGO. CLRFCs were prepared by heat consolidation of oxidized and unoxidized carbon fiber taffeta, twill, satin, and PEI/(GO-g-PMMI/BTN+rGO) weave layers. Each CLRFC was assembled and characterized by mechanical stress-strain tests, their electrical properties, determining their dielectric strength. From the mechanical tests, it was possible to determine that the CLRFCs prepared from twill weave carbon fiber presented higher values Young's modulus followed by taffeta weave, being the twill weave with the lowest reported Young's modulus values. Regarding the electrical properties, the CLRFCs prepared from PEI/(GO-g-PMMI/BTN + rGO)) presented the highest electrical conductivity (1x10-7 S/cm) concerning the values reported for the polymeric matrix without filling (1x10-11 S/cm). On the other hand, all the CLRFCs were subjected to a voltage of 150000 [v] to determine the dielectric strength without evidencing dielectric breakdown. The development of this thesis project allowed the obtaining of new knowledge related to the use of graphene materials to improve the electrical conductivity and mechanical properties of laminated composites based on PEI and reinforced with carbon fiber, which may have potential applications in areas such as sports, aerospace, automotive, wind power, and defense.