¿Está relleno de vidrio o reforzado con vidrio?

Hace un par de meses escribí un artículo comparando las propiedades del homopolímero y copolímero de acetal. En ese artículo mencioné que la fibra de vidrio podría "acoplarse" (adherirse) al copolímero de acetal pero no al homopolímero; y que, como resultado, los beneficios de poner fibra de vidrio en el copolímero fueron mayores. Bueno, resulta que, aunque no estaba prestando atención, uno de los principales proveedores de homopolímeros de acetal introdujo un par de homopolímeros de acetal reforzados con vidrio reales.

LLENO VS. ACETAL REFORZADO

La Tabla 1 muestra el perfil de propiedades del homopolímero de acetal sin relleno junto con el grado típico con relleno de vidrio al 20% y los grados nuevos que contienen 10% y 25% de vidrio donde la fibra se acopla a la matriz del polímero. Las diferencias de resistencia son bastante evidentes y esto sirve como un excelente ejemplo de la diferencia entre un material relleno de vidrio y un material reforzado con vidrio. Vale la pena discutir esto con cierto detalle porque esta distinción también existe para algunos otros polímeros.

Comienza con la fibra. Estos proporcionan mayores mejoras de rendimiento que los rellenos típicos porque tienen algo llamado relación de aspecto. En las fibras, esta es la relación entre la longitud y el diámetro. Cuanto mayor sea la relación de aspecto, mejor será la mejora de la propiedad. La introducción de refuerzos de fibra larga en la década de 1980 se diseñó para aprovechar este principio aumentando la longitud de fibra inicial en gránulos de 2-3 mm a 11-12 mm.

Los materiales de fibra larga con longitudes de fibra de hasta 6 mm (1/4 pulg.) Se ofrecieron en realidad antes de la introducción de los compuestos modernos de vidrio largo, sin embargo, los nuevos compuestos se fabricaron de una manera que maximizaba la "humectación" o la superficie. contacto entre el polímero y las fibras de vidrio individuales. La otra forma de mejorar la relación de aspecto es emplear fibras con longitudes típicas pero diámetros más pequeños, que se denominan bigotes.

Las superficies de las fibras de vidrio utilizadas en la composición de polímeros se tratan o aprestan típicamente para mejorar la adhesión del polímero al vidrio. Diferentes tamaños son óptimos para diferentes polímeros. Pero en algunos casos, incluso un buen encolado no es suficiente para producir una unión óptima entre el polímero y la fibra. Esta unión es importante porque las fibras de vidrio agregan resistencia al manejar la tensión en el material cuando el polímero comienza a sufrir una sobrecarga mecánica. Las fibras son más fuertes que la matriz de polímero y, en consecuencia, aumentan la resistencia de todo el compuesto. Sin embargo, si la unión entre el polímero y la fibra de vidrio es débil, la transferencia de la carga no es eficiente y no se obtienen los beneficios del vidrio.

Si la fibra de vidrio simplemente se agrega al polímero sin una buena unión, el material está relleno de vidrio. Si la unión entre las fases es óptima, el material está reforzado con vidrio. La diferencia, como se muestra en la Tabla 1, es significativa.

Tenga en cuenta que, si bien la resistencia del acetal relleno de vidrio es menor que la del material sin relleno, los materiales reforzados son siempre más fuertes. De hecho, un grado reforzado con vidrio al 10% es más de un 35% más resistente y casi tan rígido como el grado con relleno de vidrio al 20% y, al mismo tiempo, reduce el peso en un 5%. Este es un excelente ejemplo de un uso más eficiente de los mismos ingredientes para lograr un mejor resultado final.

PROGRESO EN ACOPLAMIENTO QUÍMICO

El polipropileno es otro polímero en el que el proceso de adición de fibra de vidrio ha experimentado una evolución. Los materiales originales estaban rellenos de vidrio. El PP es un polímero no polar y nada se adhiere a él, incluidas las fibras de vidrio. Pero a fines de la década de 1970 y principios de la de 1980, algunos proveedores comenzaron a trabajar con un proceso conocido como acoplamiento químico. Esto implicó hacer pequeños ajustes a la química de la columna vertebral de polipropileno para introducir polaridad. Esta polaridad mejoró la unión entre el polímero y las fibras de vidrio, produciendo el tipo de mejora de propiedad que se muestra en la Tabla 2.

Este desarrollo creó un nuevo mercado para el PP como material que podría competir con algunos termoplásticos de ingeniería. A medida que los usuarios finales llevaron este potencial al límite, las mejoras en el acoplamiento químico produjeron mejoras adicionales. Estas mejoras no fueron necesariamente evidentes en la hoja de datos, pero produjeron un mejor rendimiento en aplicaciones a largo plazo que implican mecanismos como la fatiga y la fluencia. Es posible que un aumento del 10% en la resistencia y la rigidez no llame la atención de todos, pero una mejora de esta magnitud en las propiedades a corto plazo puede duplicar la vida de fatiga de un producto.

El PVC ha experimentado un conjunto similar de mejoras, con tecnología de acoplamiento que aumenta el rendimiento de los materiales reforzados con vidrio sobre los materiales rellenos de vidrio.

El rendimiento a largo plazo en determinados entornos también se puede mejorar cambiando la forma en que se acoplan el polímero y la fibra de vidrio. Los compuestos de PPS casi siempre se venden con cargas importantes de fibra de vidrio. Uno de los beneficios del PPS es que tiene una excelente resistencia química y uno de los químicos que resiste muy bien es el agua caliente, incluso si el agua está clorada. Muchos otros materiales de ingeniería como el acetal, el nailon y los poliésteres termoplásticos se hidrolizarán en ambientes cálidos y húmedos, mientras que el PPS se mantiene muy bien.

Sin embargo, en los primeros años del uso de PPS reforzado con vidrio en ambientes acuosos calientes, los materiales mostraron fallas tempranas que fueron desconcertantes. Las evaluaciones de las piezas defectuosas mostraron que, si bien el polímero no fue dañado por el agua caliente, la unión entre el polímero y el vidrio se rompió. Con la interfaz debilitada, las piezas perdieron la integridad estructural y fallaron. Las nuevas tecnologías de acoplamiento han resuelto este problema.

Existen otras variables que pueden manipularse para mejorar el rendimiento de los polímeros con fibras de vidrio. La composición de las fibras de vidrio es una de estas variables. La gran mayoría de la fibra de vidrio utilizada en compuestos poliméricos se conoce como vidrio E. Esto denota una cierta química en el vidrio y va acompañado de un conjunto particular de propiedades. Sin embargo, hay otras químicas de vidrio disponibles que pueden impartir propiedades diferentes a la matriz del polímero, pero a un costo que normalmente no se considera que valga la pena el gasto adicional.

Otra variable interesante es la geometría de la fibra de vidrio. La forma de la sección transversal de la mayoría de las fibras de vidrio es circular. En la década de 1990 se realizó un trabajo interesante utilizando fibras de vidrio con secciones transversales bilobulares o trilobulares. Esto aumentó la superficie de contacto entre las fibras de vidrio y la matriz de polímero y produjo algunas mejoras interesantes en el rendimiento mecánico. Sin embargo, esta también fue una ruta hacia la mejora de la propiedad donde el equilibrio costo / rendimiento no se consideró atractivo, a pesar de que estas configuraciones se utilizan en la industria de las alfombras para aumentar la resiliencia e incluso crear ciertos efectos ópticos.

Pero incluso dentro del ámbito de la composición típica de materiales, es importante comprender que, si bien la composición a granel es importante, la forma en que los materiales se ensamblan y se conectan entre sí tiene un efecto significativo en el rendimiento, especialmente en el rendimiento a largo plazo. Con toda la atención que se ha prestado recientemente en la industria automotriz a reducir el peso mientras se mantiene el rendimiento, este es un principio que es importante recordar.

Acerca del autor

Michael Sepe es un consultor independiente de procesamiento y materiales con sede en Sedona, Arizona, con clientes en América del Norte, Europa y Asia. Tiene más de 35 años de experiencia en la industria del plástico y ayuda a los clientes con la selección de materiales, el diseño para la fabricación, la optimización de procesos, la resolución de problemas y el análisis de fallas. Contacto:(928) 203-0408 • [email protected].