Modificación de la rugosidad de las fibras de carbono mediante métodos químicos para su aplicación en compuestos poliméricos

Carbon Fibers Roughness Modification by Chemical Methods for Application in Polymeric Composites

El presente trabajo se refiere al tratamiento superficial de fibras de carbono mediante el tratamiento con ácidos clorhídrico y nítrico, con el fin de controlar el aumento de la rugosidad superficial para mejorar la interfaz fibra/matriz de los compuestos poliméricos reforzados con fibras largas. Se utilizaron fibras de carbono de Toray. Las muestras se trataron con ácidos clorhídrico y nítrico calientes (103°C) en concentraciones del 35,5% y 97%, en peso respectivamente, a tiempos de exposición de 5, 10, 20, 30, 40 y 60 minutos. Las fibras tratadas químicamente se caracterizaron mediante microscopía electrónica de barrido y ensayos de resistencia a la tracción, asistidos por la estadística de Weibull. Se comprobó que los tratamientos empleados modifican la superficie de las fibras y que los periodos de exposición superiores a 20 minutos provocan una degradación considerable de sus propiedades mecánicas.

INTRODUCCIÓN

Las fibras de carbono suelen ser el tipo de refuerzo más utilizado en la elaboración de compuestos estructurales de matriz polimérica[1]. Destacan entre otras fibras por su elevada resistencia mecánica, alto módulo de elasticidad y menor masa específica, así como por propiedades como la inercia química, la resistencia térmica y la conductividad eléctrica. Sin embargo, se sabe que la fibra de carbono tiene una baja afinidad con determinadas matrices poliméricas (interfaz débil), lo que dificulta la adhesión fibra/matriz, un factor determinante para el éxito de la aplicación de estos materiales[1].

La adhesión fibra/matriz puede atribuirse a cinco mecanismos principales que pueden darse en la interfaz: adsorción y humectación; interdifusión; atracción electrostática; unión química y adhesión mecánica[1,3]. Muy a menudo, las interacciones físicas y químicas entre la fibra y la matriz dan lugar a un gradiente de estructuras. Esta región interfacial, responsable del proceso de adhesión, se conoce como interfase[4]. La figura 1 muestra un diagrama esquemático del concepto de interfaz e interfase en el material compuesto[4]. La adhesión en un material compuesto polimérico puede producirse mediante la unión mecánica de las cadenas de la matriz polimérica a las rugosidades existentes en la superficie de la fibra, la atracción electrostática, las fuerzas de Van der Waals o la formación de enlaces químicos más fuertes[5].

Una interfaz fibra/matriz fuerte aumenta la integridad de los materiales compuestos y transfiere eficazmente la carga a las fibras a través de la matriz, lo que da lugar a materiales compuestos más resistentes. Para aumentar la actividad superficial y, en consecuencia, mejorar la transferencia de tensiones en los composites, el refuerzo puede someterse a diferentes procesos de tratamiento superficial[2].