PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS ELASTÓMEROS REFORZADOS CON NANOPARTÍCULAS DE CARBONO

PRESENTADO POR:DIEGO FERNANDO RODRIGUEZ GUARIN

CODIGO 2128797MATERIALES INDUSTRIALES II

INGENIERIA MECANICAUSTA -TUNJA

OBJETIVOS Mostrar una gran mejora del modulo inicial en muestras como resultado de una función de relleno que aporta propiedades únicas las nanoparticulas de carbono las cuales son importantes y efectivas para el refuerzo. Conocer los procesos experimentales que aumentan el rendimiento en el material a estudiar (elastómeros),los cuales se comportan bajo esfuerzos mecánicos y responden a estos mediante incrementos en la mejora del modulo por medio de interfaces y transferencias de esfuerzos a los nanotubos

RESUMEN

Este articulo describe la forma en que algunos elastómeros basados en siliconas se han mezclado con nanotubos de una sola pared o nano fibrillas de carbono más grandes ,y la manera en que éstas partículas actúan como material de relleno y de refuerzo, haciendo una transferencia de propiedades finales mediante la reorientación y el incremento de material de refuerzo ,a través de la captura y liberación de caucho dentro de los grupos de relleno permitiendo la mejora de algunas propiedades mecánicas como el módulo de baja tensión ,lo cual se demostrará mediante ensayos o experimentos que cuantificarán el desarrollo con este material.

INTRODUCCION

En éste trabajo se estudia el mejoramiento de las propiedades mecánicas de un caucho de silicona reforzado con nanotubos de carbono de pared (SWNT) simple o mayor , y el carbono nano fibras, se realizaron ensayos de tracción en probetas , los cuales muestran una mejora considerable en las propiedades mecánicas y para las muestras de nanotubos se utilizó la espectroscopia Raman y así relacionar los resultados macroscópicos al comportamiento nano escala. Para lograr la eficacia en este material debe haber una fuerte interacción entre la matriz y la fase más rígida y esto se puede alcanzar usando un agente de relleno con una gran relación de superficie área – volumen.

NANOTUBOS

NANOTUBOS

En química, se denominan nanotubos a estructuras tubulares cuyo diámetro es del tamaño del nanómetro..Los nanotubos de carbono son una forma alotrópica del carbono, como el diamante, el grafito o los fullerenos. Su estructura puede considerarse procedente de una lámina de grafito enrolladas sobre sí misma.

SILICONA RTV

El RTV es un acrónimo de "Room Temperature Vulcanizing" (temperatura de vulcanización) de silicio, lo que significa que se seca a temperatura ambiente. El RTV es un polímero de caucho. Similar al epoxi, que está hecho de material de caucho de base más un curativo que se activa por exposición al aire

.NANOFIBRAEs una fibra polimérica con diámetro inferior a 500 nanómetros. se obtienen a partir de técnicas especiales que permiten obtener esas fibras ultrafinas, de propiedades muy particulares y de muy diversos usos.

TOLUENOEl tolueno se adiciona a los combustibles (como antidetonante) y como disolvente para pinturas, revestimientos, caucho, resinas, diluyente en lacas  nitro celulósicas y en adhesivos.

Dispersión Raman o el denominado Efecto Raman es una dispersión inelástica de un fotón. Cuando la luz es dispersada de un átomo o molécula, la mayoría de los fotones son dispersados elásticamente Los fotones dispersados tienen la misma energía (frecuencia) y, por lo tanto, la misma longitud de onda que los fotones incidentes.

SWNT ( SINGLE-WALLED NANOTUBES) 

En química, se denominan nanotubos a estructuras tubulares cuyo diámetro es del tamaño del nanómetro. existen nanotubos de muchos materiales, tales como silicio o nitruro de boro pero, generalmente, el término se aplica a los nanotubos de carbono.

LA ESPECTROSCOPIA RAMAN

Es una técnica espectroscópica usada en química y física de la materia condensada para estudiar modos de baja frecuencia como los vibratorios, rotatorios, y otros. Se basa en los fenómenos de dispersión inelástica, o dispersión Raman, de la luz monocromática, generalmente de un láser en el rango de luz visible, el infrarrojo cercano, o el rango ultravioleta cercano.

EXPERIMENTAL

MATERIALES Y ENSAYOS

Los materiales de carga fueron los nanotubos de carbono de pared simple (SWNT ) , son altamente grafíticos con longitudes de hasta unos pocos cientos de micras y diámetros alrededor de 200 nm.

Composites con fibra de buena dispersión tal como se determina por microscopía electrónica - El tolueno

-Ensayos de tracción-Microscopia de Raman

PROCEDIMIENTO• Nano fibras con longitudes de alrededor de 200 nm de

diametro,tal como se determina por microscopía electrónica se prepararon disolviendo primero el RTV en tolueno ( 1 mg / ml ) para reducir la viscosidad , y dispersar por separado los materiales de carga en tolueno por ultrasonido ( 0,1 mg /ml , 10 min , 6 W ) .

• . El tolueno se eliminó por evaporación a 50 ͦC durante varios días con agitación continua y, finalmente el endurecedor se fue mezclando mecánicamente y, se eliminaron las burbujas de aire por bombeo de vacío . Películas de espesor 200-300 μm fueron producidas por cizallamiento de la mezcla sin curar a través de una placa de vidrio .

Después de curar durante 24 horas a temperatura ambiente, las vigas simples de 1,5 mm de ancho y de 20 mm de longitud se cortaron las películas . Las muestras con relleno de concentraciones de hasta 1 % de peso ,( SWNT ) y 4 % en peso . ( fibrillas ) se prepararon , pero las muestras con concentraciones superiores eran demasiado viscosas para las burbujas que puedan efectivamente eliminadas y para la difusión de películas uniformes .Para los ensayos de tracción se utilizó una máquina Instron 4502 y muestras de longitud de calibre 10 mm se estiraron en 100 mm / min hasta la rotura . Diez muestras de cada composición se pusieron a prueba para revelar estadísticas fiables . a lo largo de este trabajo , la cepa citado es la deformación verdadera , es decir, la porcentaje de elongación , y el estrés es la nominal o esfuerzo de ingeniería (la fuerza dividida por la sección transversal área de la muestra sin carga) .

Los espectros se obtuvieron en la retro dispersión geometría usando 632,8 nm láser la luz , que fue polarizado a lo largo del eje de deformación de la comprobador de tracción . El haz de láser se centró en un punto de 20 mm de diámetro sobre la muestra para evitar el calentamiento efectos , y el mismo punto de la muestra se utilizó para todas las mediciones .

3 . RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 . ENSAYOS MECÁNICOS

En la figura 1 muestra las curvas de esfuerzo-deformación representativas para RTV puro y para materiales compuestos RTV / nano partículas .

• En esta grafica se muestran las curvas de tensión-deformación para materiales compuestos de nano fibras RTV / carbono.

• El estrés es la deformación en la ingeniería osea (fuerza aplicada dividida por el área de la carga de la sección transversal) y la tensión es la deformación real.

• La figura muestra el módulo inicial de los materiales compuestos como una función de la fracción en peso de relleno. Las barras representan la dispersión de diez experimentos para cada composición. Las curvas sólidas , con relacion de aspecto relleno. La curva punteada es típica de cargas convencionales tales como partículas negras de carbono y sílice. La teoría Halpin-Tsai compara con los datos. En la tecla, la letra O se refiere a materiales de carga perfectamente orientado a lo largo del eje de deformación y R se refiere a materiales de carga orientadas al azar en tres dimensiones.

Concluimos de estos resultados que las propiedades específicas de los nanotubos de carbono y las fibrillas son importantes en el refuerzo . El bien conocido modelo de Guth [ 1 ] para el módulo de varilla de partículas elastómeros reforzados se basa únicamente en la relación de aspecto y la fracción de volumen de la carga , y no toma ningún otras propiedades del material de carga en cuenta , asumen que los materiales de carga son rígidas en comparación con la matriz : donde E y E0 son los módulos del material compuesto y el matriz pura , respectivamente , y f y c son la relación de aspecto y la concentración de volumen de cargas .

MODELO COMÚN UTILIZADO PARA POLÍMEROS RELLENOS ES LA TEORÍA HALPIN –TSAI

En principio tiene en cuenta el módulo de las dos fases , así como de embalaje de efectos de relleno , pero para cargas bajas de materiales de carga en forma de varilla que son mucho más rígida que la matriz ( como en nuestras muestras ) se reduce a:

para el módulo de Young medido en paralelo ( E para ) o perpendiculares ( E perp ) a las fibras orientadas perfectamente o en cualquier dirección ( E rand ) para las fibras orientadas al azar en tres dimensiones .

Esta figura muestra la deformación a la rotura como una función de la fracción en peso de relleno para los materiales compuestos. Las barras de error representan la dispersión de diez experimentos para cada composición.

En esta grafica el módulo de los materiales compuestos, medido a 80% de deformación a la tracción, como una función del contenido de relleno.

• El espectro Raman de un peso RTV/0.3.% Compuesto de SWNT en las, proximidades de la banda *D para SWNT (curva sólida). Las cruces representan la función de Gauss mixta / Lorentzian utilizado para ajustar los tres picos de cerca de 2.420, 2.500 y 2.600 (D *). Recuadro: instalación para la espectroscopia Raman polarizada de la película de la muestra en la geometría de retro dispersión. E es el vector eléctrico de la luz láser.

• El número de onda Raman del * Banda D para los nanotubos incrustados en caucho RTV se representa frente a la deformación por tracción aplicada al compuesto. La pendiente inicial es -0.08 /% de tension (línea continua). Recuadro: El cambio de tension inducida del número de onda Raman de la * Banda D para los nanotubos incrustados en una matriz epoxi se traza aplicada al compuesto. Después de que los rendimientos de polímero en 1% de deformación, no hay ningún cambio significativo en el número de onda.

El factor de módulo de mejora para el peso RTV/0.3.% de SWNT compuesto como una función de la tensión aplicada. El factor de un aumento es el módulo del compuesto dividido por el módulo de puro RTV en cada tensión .

• Intensidad Raman polarizada para SWNT incrustados en RTV como una función del ángulo entre el eje de la muestra (el eje de deformación por tracción) y el eje polarizador. Se espera una constante (normalizada) intensidad de 1 para los tubos totalmente no orientadas, mientras que se espera que la curva de trazos inferior para tubos perfectamente orientadas. Los puntos de datos son para un peso RTV/0.3.% Compuesto de SWNT en varias tensiones, que muestra que los nanotubos queden orientados, como la deformación por tracción se incrementa. La curva de trazo continuo es un ajuste teórico de los datos a 200% de deformación utilizando el método de Hwang et al. [14], como se explica en t l texto. Todos los datos se normalizan a la intensidad a = 0

DISCUSION Para la tracción de pruebas a temperaturas más bajas, la tasa de número de onda cambia con el esfuerzo de tracción que aplicada es mayor y esto se considera debido a una interfaz más eficaz como resultado de una mayor sujeción lateral de los nanotubos. Los compuestos RTV / SWNT, se secaron a temperatura ambiente durante un largo tiempo y por lo que la compresión térmica radial o ' de sujeción de estrés " la compresión se disminuyó. El estrés térmico axial puede jugar un papel muy importante, con el carbono tradicional si las fibras incrustadas en la matriz se someten a la contracción térmica en el post- secado de enfriamiento son vistos al entrar en la compresión a través de la transferencia de esfuerzo de corte a través de la interfaz.

• Si el curado se realiza en temperatura ambiente durante un largo tiempo, el estrés residual axial en la fibra es mucho más bajo, o cero.

• El esfuerzo de compresión almacena energía en el nanotubo, como un resorte en espiral y cuando el polímero se estira posteriormente, el nanotubo vuelve a su longitud original tan pronto como el polímero que lo rodea lo permite, por lo tanto la resistencia a la tracción es grande

3.3 . ORIENTACIÓN DE LOS NANOTUBOS En materiales compuestos las deformaciones de las fibras, se alinearán con fuerza en la dirección de desorientación por tracción aplicada , que es una simple consecuencia del cambio en la forma de la goma. El efecto es importante porque las fibras orientadas proporcionan un mejor refuerzo ( a lo largo de la dirección de orientación ) que no orientada Nanotubos de reorientación se pueden controlar por espectroscopia Raman polarizada debido a que la intensidad del espectro Raman polariza un nanotubo de carbono el cual depende en gran medida del ángulo , y el eje del nanotubo ,la dirección de polarización óptica, para Los nanotubos de carbono.

conclusiones Swnt proporcionan un nivel sin precedentes de refuerzo ( en peso ) a una matriz de caucho rtv . la evidencia experimental de swnt y otros rellenos de carbono sugiere que esto es debido a la alta relación de aspecto y baja densidad de los paquetes de nanotubos y que bien dispersados los nanotubos individuales deben proporcionar aún mejor refuerzo El ' pseudo- rendimiento ' se produce en los materiales compuestos bajo tensión y esto ha sido observado tanto en ensayos de tracción macroscópicas y mediciones en situaciones de esfuerzos con nanotubos a sí mismos .

Las mediciones Raman proporcionan comprensión adicional de la naturaleza y la eficacia de la interfaz de todo los materiales compuestos, así como la cuantificación de la reorientación de los nanotubos hacia el eje tensión de tracción.