¿Una nueva definición de compuestos?

A medida que se desarrolle la tecnología de los compuestos, también debería hacerlo nuestra comprensión de lo que pueden ser los compuestos y lo que pueden ofrecer.

Este blog se originó a partir de un comunicado de prensa que recibí de IntegriCo Composites (Sarepta, La., EE. UU.), Que fabrica traviesas ferroviarias compuestas y alfombrillas de construcción. Al mirar su comunicado de prensa y su sitio web, ambos centrados en el reciclaje y la transformación de residuos plásticos en productos finales sostenibles y de rendimiento mejorado, me di cuenta de que se trataba de una tecnología 100% plástica. Entonces, le respondí y dije, "su definición de compuesto no coincide con la nuestra". Pero estaba equivocado.

Cómo una mezcla se convierte en un compuesto

¿Cuál es la definición de un compuesto ? ?

Le expliqué que si bien IntegriCo afirma que sus productos son compuestos con propiedades superiores, son, de hecho, una aleación - una fusión de plásticos fundidos. No hay refuerzo de fibra y no hay más de un material identificable en el producto final.

Brian Arkwood, director técnico de IntegriCo, discrepó y explicó que los productos de IntegriCo son una mezcla de dos o más tipos de materiales que conservan una identidad única, diseñados y fabricados mediante procesamiento para ofrecer características y rendimiento superiores. "Permítanme aclarar", dijo.

Nuestro proceso utiliza una mezcla de HDPE (polietileno de alta densidad) y LDPE (polietileno de baja densidad), así como polipropileno y poliestireno. Esto es por diseño, ya que cada uno de estos polímeros diferentes contribuye a las características generales del producto final. Podemos manipular y / o cambiar las propiedades del producto final al diferenciar las proporciones de cada plástico y / o procesar la mezcla en general. Sin embargo, los diferentes plásticos no se funden simplemente juntos.

Aquí es donde esta mezcla se diferencia como un compuesto:

“Los plásticos de mayor peso molecular (HMW) que no se funden se intercalan a través del polímero continuo de los plásticos que se procesan por encima de la temperatura de fusión. A medida que esta mezcla se enfría, los plásticos se someten al proceso de nucleación. La velocidad y el proceso de nucleación se controlan mediante la temperatura de procesamiento, la velocidad de enfriamiento y la posterior carga de un agente nucleante. Este agente es una sustancia química desarrollada por IntegriCo y solo se utiliza en nuestro proceso ”.

“A medida que tiene lugar la nucleación, se manipula la cristalinidad general de la mezcla plástica y los polímeros HMW no fundidos se entrelazan entre las cadenas de polímero que están unidas covalentemente. Los polímeros también se manipulan mediante esfuerzo cortante para reducir la viscosidad durante el moldeo y promover una mejor interacción y entrelazamiento de polímeros nucleados con los polímeros que no se funden ”.

Nucleación, cristalinidad y relación de aspecto de control

Para mí, los conceptos clave aquí son nucleación (el proceso inicial de formación de cristales), control de la cristalinidad (gestión de la formación de cristales) y manipulación del proceso para lograr una mejor interfaz entre los polímeros nucleados entrelazados y los polímeros no fundidos. El último bit es realmente crucial para los compuestos, porque sin una buena interfaz entre los diferentes materiales, no hay transferencia de carga efectiva ni rendimiento superior.

Además, recuerde que en el área de alto crecimiento de los compuestos termoplásticos, los polímeros que ofrecen mayores propiedades mecánicas así como mayor temperatura y resistencia química son semicristalinos. Esas propiedades semicristalinas se logran y se adaptan gestionando la cristalinidad, generalmente a través del control de temperatura durante el procesamiento.

Las traviesas de ferrocarril de material compuesto IntegriCo ofrecen una forma de reutilizar los residuos plásticos en un producto compuesto de rendimiento superior, donde el plástico alargado de alto punto de fusión refuerza una matriz de plástico de bajo punto de fusión. FUENTE | Compuestos IntregiCo

La descripción de Arkwood también me hizo pensar en plásticos autorreforzados (SRP) , como Pure, Curv, Armordon, Tegris y el más reciente, el proyecto BIO4SELF, que ganó un premio a la innovación JEC 2019. Normalmente, los compuestos SRP se fabrican utilizando un polímero de baja temperatura de fusión (biopolímero de PE, PP o PLA) y reforzándolo con una fibra de temperatura de fusión más alta hecha del mismo polímero. Este uso de polímeros de alta y baja temperatura de fusión es exactamente lo que está haciendo IntegriCo. Así que le pregunté a Arkwood si los polímeros no fundidos de mayor peso molecular (HMW) que está usando en realidad están apareciendo / formando / comportándose como fibras ?

“Permite algunos de los mismos beneficios que las fibras”, dijo. “Cambiamos las relaciones de aspecto de los polímeros HMW dentro de la matriz del polímero para impulsar las propiedades del producto. Aumentar o disminuir los polímeros HMW, junto con cambios en otros parámetros operativos, puede tener efectos significativos sobre las propiedades plásticas, como el módulo de elasticidad, el módulo de ruptura y la dureza ”.

Arkwood explica que IntegriCo puede modificar las proporciones de polímeros y los parámetros operativos para satisfacer las necesidades específicas del cliente. “Hemos documentado esto con datos de pruebas destructivas y hemos cumplido con las solicitudes impulsadas por la propiedad de clientes, incluidos Union Pacific y el Ejército de los EE. UU. La proporción de polímeros - HMW a LMW y lineal a no lineal o altamente ramificado - juega un papel en nuestros productos muy similar al refuerzo de fibra en otros productos compuestos de plástico, al afectar las propiedades clave de rendimiento de resistencia, rigidez, dureza y tenacidad ".

Sostenibilidad

Por lo tanto, el primer punto, IntegriCo de hecho proporciona una inspiración que vale la pena mencionar por parte de la industria de los materiales compuestos, ya que nuestro planeta está siendo destruido con desechos. Más del 90% del plástico se convierte en desperdicio en todo el mundo y más de 34 millones de toneladas métricas de plástico se envían a vertederos o incineradores cada año solo en los EE. UU. Y Canadá. IntegriCo ofrece una solución real al reciclar plásticos rígidos mixtos y los grados 3 a 7 normalmente no reciclables, que China dejó de recibir en 2018. Los grados de plástico 3 a 7 son los más difíciles de reciclar según la clasificación del Sistema de codificación de identificación de resinas (RIC) de ASTM International, que identifica los polímeros constituyentes y la reciclabilidad de todos los plásticos. Los grados 1 (PETE, PET) y 2 (HDPE) son altamente reciclables, y el 5 (PP) está comenzando a reciclarse, mientras que todos los demás grados, incluidos 3 (PVC), 4 (LDPE), 6 (PS) y 7 (otros ) no se reciclan actualmente. Por lo tanto, IntegriCo está marcando la diferencia, desviando los desechos del vertedero y transformándolos en productos compuestos de valor agregado que duran más que las alternativas, produciendo menos desechos con el tiempo.

Nano-CMC

Mi segundo punto es que la tecnología avanza en lo que es un compuesto. Creo que eso ya está impactando el avance de la ciencia de materiales compuestos y espero inspirar nuevos desarrollos. Lo que provocó esta comprensión para mí fue el uso de Arkwood de nucleación . Lo reconocí de inmediato por mi investigación reciente sobre compuestos de matriz nanocerámica (nano-CMC, consulte mi artículo de julio de 2019 sobre nanocomposites).

Esto es de un artículo de noviembre de 2017, "Nanocomposites de polímero y cerámica para aplicaciones aeroespaciales":

" Los nanocompuestos son los materiales del siglo XXI que tienen una tasa de crecimiento anual del 25% debido a sus capacidades multifuncionales. … Debido a la posibilidad de combinar las propiedades deseadas, los nanocomposites están ampliando su potencial en aplicaciones aeroespaciales y en futuras misiones espaciales. … Los nanorrellenos aumentan la capacidad de nucleación mejorando la interacción interfacial con la matriz del polímero ”.

No puedo responder por la tasa de crecimiento del 25%, pero es obvio que los nanocompuestos ofrecen mucho potencial. Este texto discutió la nucleación de nanorrellenos. Lo nuevo para mí fue el desarrollo de nano-CMC donde una matriz cerámica en realidad se refuerza no con una fibra o relleno, sino con otra cerámica, donde la nucleación y cristalización de esta última se controlan para producir un refuerzo de alta relación de aspecto.

En mi artículo de julio de 2019 sobre nanocompuestos, utilizo una ilustración del artículo de 2015 de Paola Palmero, "Nanocomposites de cerámica estructural:una revisión de las propiedades y los métodos de síntesis de polvos" para mostrar ejemplos de compuestos a microescala y nanoescala. A, B y C muestran una matriz de microescala (micrónica) reforzada con nanopartículas, nanofibras o nanoplaquetas, respectivamente, mientras que D tiene nanorrefuerzos redondeados y de alta relación de aspecto. Sin embargo, E y F ilustran nanocompuestos bifásicos y multifásicos , respectivamente, donde las cerámicas a nanoescala son inmiscibles.

Fig. 1 Estructuras comunes de micro / nanocompuestos para materiales cerámicos.
FUENTE | "Nanocomposites de cerámica estructural:una revisión de las propiedades y los métodos de síntesis de polvos" por Paola Palmero.

Palmero describe el in-situ la cristalización de segundas fases en la superficie de las partículas de la matriz, es decir, la matriz es la primera fase y otra cerámica es la segunda fase, como uno de los procesos clave en la fabricación de nanocompuestos cerámicos. Después de la cristalización, se gestiona el tamaño y la forma de los cristales o granos cerámicos, lo cual es crucial, ya que estos determinan las propiedades volumétricas del compuesto cerámico. Por ejemplo, se sabe que los granos alargados tienen un in-situ efecto endurecedor. Palmero señala que la capacidad de adaptar las características nanoestructuradas deseadas en estos compuestos sinterizados es vital pero desafiante, y exige un estricto control del proceso durante la mezcla, formación, sinterización y densificación.

Una ilustración y una discusión similares se ven en la Fig. 6 en el libro de Intechopen.com, Características físicas y metalúrgicas de los compuestos de matriz de cerámica reforzada con fibra . La sección 9.1.2 analiza la microestructura del nitruro de silicio (Si ₃ N ₄ ) / nanocompuestos de carburo de silicio (SiC), que se obtienen por sinterización (prensado en caliente). Su microestructura contiene grandes partículas alargadas de β- Si ₃ N ₄ (bigotes) que están rodeados por partículas más finas de β- Si ₃ N ₄ con forma de aguja. La micrografía electrónica de barrido a continuación de la Fig. 7b muestra esta estructura con un aumento de 20.000.

Estas secciones transversales de nanocompuestos cerámicos bifásicos (izquierda) y compuestos plásticos reciclados (derecha) son en realidad bastante similares, aunque difieren mucho de las secciones transversales de los compuestos convencionales reforzados con fibra continua.

FUENTE | Figura 7, Sección 9.1.2 de Características físicas y metalúrgicas de los compuestos de matriz de cerámica reforzada con fibra de Zdeněk Jonšta, Evelyn A. Bolaňos C., Monika Hrabalová y Petr Jonšta (izquierda) y sección transversal de la traviesa de ferrocarril compuesta, IntegriCo Composites (derecha).

Beneficios de los compuestos bifásicos y multifásicos

Entonces, ¿por qué beneficia a la industria de los compuestos? Porque los científicos de materiales están utilizando esta nueva definición de compuestos para lograr combinaciones únicas y personalizadas de propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas y ablativas . Por ejemplo, el Laboratorio de Investigación Naval (NRL, Washington, D.C., EE. UU.) Ha desarrollado compuestos de nitruro de silicio, nitruro de circonio y diboruro de titanio, así como métodos para reforzarlos con fibras resistentes. Estas cerámicas refractarias exhiben alta resistencia, estabilidad térmica y conductividades eléctricas y térmicas variables que les permiten satisfacer las demandas de los componentes de vehículos hipersónicos - algo que los compuestos de polímeros orgánicos e incluso las aleaciones metálicas avanzadas no pueden hacer.

NRL también está desarrollando tecnología de fabricación aditiva que incorporará nanoestructuras en estos materiales y afinará aún más las propiedades de blindaje dieléctrico, térmico y electromagnético a una resolución más alta que la posible con los materiales disponibles actualmente . Incluso si no está necesariamente de acuerdo con las aplicaciones de defensa planeadas para estos materiales, también podrían brindar soluciones valiosas para exploración espacial planificada y misiones a Marte. Pero también pueden abrir nuevas vías para compuestos de base biológica completa que ofrecen no solo un alto rendimiento aquí en la tierra, sino también la capacidad de hacerlo de manera sostenible y de manera que los materiales y productos finales se puedan fabricar y reciclar utilizando menos energía y recursos.

No estoy sugiriendo que los compuestos reforzados con fibra estén saliendo del escenario o incluso desvaneciéndose. Pero a medida que se desarrolla la tecnología, también debería hacerlo nuestra comprensión de lo que pueden ser los compuestos y lo que pueden ofrecer.