Measuring the Allocation of Aid Resource

La interfase de un material compuesto reforzado es la región de contacto entre la matriz polimérica y el refuerzo. Dicha interfase no presenta un límite bien definido, por lo que es fundamental estudiar la transferencia de esfuerzos que se producen entre las fases.

La estructura y las propiedades de la interfase refuerzo-matriz juegan un papel principal en las propiedades físicas y mecánicas de los materiales compuestos. Las grandes diferencias existentes entre las propiedades elásticas de la matriz y de las fibras deben estar comunicadas a través de la interfase, transmitiendo ésta los esfuerzos que actúan sobre la matriz hacia las fibras. De este modo, si se quiere aprovechar la gran resistencia y rigidez de las fibras, éstas deberán estar fuertemente unidas a la matriz.

La interfase es un factor dominante en las propiedades de tenacidad de rotura de los materiales compuestos y en su respuesta a los ambientes húmedos y corrosivos. Los materiales que presentan una interfase débil tienen una resistencia y rigidez relativamente bajas, pero una alta resistencia a la rotura. Sin embargo, los materiales que tienen una interfase más fuerte presentan una resistencia y rigidez altas pero son frágiles. Este efecto está relacionado con la capacidad de separar y extraer las fibras de la matriz durante la propagación de la fractura (Hull y Clyne, 1981).

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La adhesión entre las fibras empleadas como refuerzo y la matriz polimérica puede ser atribuida a una serie de mecanismos que se dan en la interfase, bien como fenómenos aislados, bien por interacción entre ellos (Wake, 1978). Estos mecanismos son los que se resumen a continuación:

• Adhesión mecánica

Debido a las formas irregulares de la superficie de las fibras y de la matriz polimérica en estado viscoelástico se puede lograr la difusión de las fibras en el polímero si su grado de fluidez y de mojabilidad es elevado, de tal forma que pueda alcanzar a la mayor parte de la superficie de la fibra y se llegue a establecer un buen grado de unión de carácter mecánico entre ambas fases (Figura 2.11). La limpieza exterior de las fibras, la eliminación de residuos vegetales, de tierra y polvo, junto con la temperatura del polímero y su estado viscoelástico, contribuyen notablemente a incrementar el grado de la adhesión mecánica.

Figura 2.11. Unión formada por adhesión mecánica.

• Adsorción y humectación (mojabilidad)

Si dos superficies eléctricamente neutras se ponen lo suficientemente juntas, se da una cierta atracción física entre ellas. Esta atracción se puede comprender mejor considerando el caso de la humectación de las superficies sólidas por líquidos.

En el caso de dos sólidos que se coloquen juntos, aunque se haya eliminado previamente la contaminación y suciedad, la rugosidad de la superficie de ambos a una escala microscópica impide que las superficies entren en contacto excepto en puntos aislados (Figura 2.12). Es por ello que la adhesión lograda al unir ambas superficies es de carácter débil.

Fibra Matriz

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Figura 2.12. Puntos de contacto aislados entre dos sólidos.

En el contacto entre un líquido y un sólido, como es el caso de una matriz en estado líquido y fibras (sólidas), la matriz debe cubrir cada resalte de la superficie de las fibras para desplazar todo el aire y que la humectación sea efectiva.

• Atracción electrostática

Estas fuerzas de atracción aparecen entre dos superficies cuando una tiene una carga positiva neta y la otra una carga negativa neta (Figura 2.13). La fuerza de la interfase dependerá de la densidad de carga. Aunque la atracción electrostática probablemente no sea una contribución principal a la resistencia final de la unión fibra-matriz de los materiales compuestos, sí que puede afectar al proceso inicial facilitando la operación de dispersión de las fibras en la matriz.

Figura 2.13. Unión formada por atracción electrostática.

• Enlace químico

Se forma un enlace químico entre un grupo funcional de la superficie de la fibra y otro compatible de la matriz (Figura 2.14). La fuerza de la unión depende del número y tipo de enlaces. Sin embargo, un defecto en la superficie implica la rotura de los enlaces.

37 Figura 2.14. Unión formada por enlace químico.

• Interdifusión

Es posible formar una unión entre dos superficies de polímeros por la difusión de las moléculas de polímero desde una de las superficies en la red molecular a la otra. De este modo, la fuerza de la unión entre las fibras y la matriz polimérica de un material compuesto dependerá del grado de entrecruzamiento molecular y del número de moléculas implicadas, como se esquematiza en la Figura 2.15. La interdifusión puede ser promovida por la presencia de agentes plastificantes y disolventes, dependiendo el grado de difusión de la concentración molecular, de los constituyentes que intervengan y de la facilidad de movimiento molecular. La interdifusión puede explicar la unión que se consigue cuando las fibras están recubiertas por un polímero antes de incorporarse a la matriz.

Figura 2.15. Unión formada por interdifusión.

La naturaleza de la unión entre la matriz y la fibra depende tanto de la ordenación atómica y de las propiedades químicas de la fibra, como de la conformación molecular y constitución química de la matriz de los polímeros. Por este motivo, la interfase es específica para cada sistema de fibra y matriz.

Un concepto fundamental cuando se plantea el empleo de las fibras naturales como refuerzo de un material polimérico es la compatibilidad existente entre estos dos materiales. El marcado carácter hidrófilo de las fibras celulósicas difiere en gran medida del carácter hidrófobo de la mayor parte de los polímeros empleados en la fabricación de materiales compuestos, dando lugar a interfases débiles entre ambas sustancias. Esta situación hace que una parte importante de las investigaciones acerca de materiales

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compuestos se centre en tratar de mejorar esta compatibilidad por la vía de modificar el carácter hidrófilo de las fibras para lograr la mejor unión fibras-matriz. Sólo de este modo podrán aprovecharse la gran resistencia y rigidez de las fibras.

Entre las técnicas disponibles en la actualidad, las más útiles para caracterizar las interfases de materiales compuestos son: infrarrojos (IR) y espectroscopía infrarroja por Transformada de Fourier (FTIR), espectroscopía Raman, espectroscopía fotoelectrónica de rayos-X (XPS), espectroscopía electrónica Auger (AES), espectroscopía de masas de iones secundarios (SIMS), espectroscopía de dispersión de iones (ISS), resonancia magnética nuclear (RMN), dispersión de rayos-X en ángulo grande y pequeño (WAXS y SAXS) y la medida del ángulo de contacto.

Además de estas técnicas analíticas, la microscopía electrónica de barrido (SEM), la microscopía electrónica de transmisión (TEM), la microscopía de efecto túnel (STM) y la microscopía de fuerza atómica (AFM) también proporcionan información muy valiosa sobre la morfología, la interacción físico-química en la región de la interfase y su composición (Kim y Mai, 1998).