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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.15 n.5 La Serena  2004

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642004000500007 

 

Información Tecnológica-Vol. 15 N°5-2004, págs.: 41-44

METALURGIA Y MATERIALES

Influencia del Envejecimiento Higrotérmico en el Comportamiento Mecánico de Materiales Compuestos PEI - Fibra de Vidrio Sometidos a Solicitaciones Térmicas

Influence of Hygrothermal Ageing in the Mechanical Behavior of PEI - Glass Fabric Composites Subjected to Thermal Stresses

L.E. Chacón1, I. Viña2, A. Argüelles2 y J. Viña2

(1) Univ. Central de Venezuela, Esc. de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de los Materiales,
Ciudad Universitaria, Los Chaguaramos, Caracas-Venezuela

(2) Univ. de Oviedo, Esc. Politécnica Superior de Ingeniería, Campus de Viesques, 33204 Gijón, Asturias-España


Resumen

Se estudia el comportamiento mecánico de un compuesto constituido por polieterimida (PEI), reforzada con tejido de fibra de vidrio. El material es sometido a un envejecimiento acelerado en una cámara higrotérmica (70ºC y 95% de humedad relativa), durante 10, 30, 90 y 180 días, y luego a tensión isotérmica. La tensión fue la correspondiente a un tercio de la resistencia y a tres temperaturas inferiores a la de transición vítrea, durante periodos entre 250 y 2000 minutos. Luego las muestras fueron ensayadas a tracción. Las probetas originales, sin envejecer, presentan valores de resistencia y de deformación (en los ensayos realizados a mas de 750 min.) menores que las no envejecidas sometidas a tratamiento isotérmico.


Abstract

The mechanical behavior of a composite of polyetherimide (PEI) reinforced with glass fiber fabric (8H Satin) was analyzed. Initially, the material was subjected to accelerated ageing (70ºC and 95%R.H.) in a hygrothermal chamber for 10, 30, 90 and 180 day periods, after which it was subjected to isothermal stress. The value of the stress was a third of the tensile strength and at three different temperatures below the vitreous transition, applied over periods between 250 and 2000 minutes. The samples were then tested by traction. The original non-aged test samples, showed values of strength and deformation (in tests for 750 min. or more) lower than values of the non-aged specimens which had been subjected to isothermal treatment.

Keywords: polyetherimide, glass fiber, tensile strength, hygrothermal ageing, mechanical properties



INTRODUCCIÓN

Los materiales compuestos constituidos por resinas termoplásticas reforzadas con fibras son empleados en las industrias aeronáutica, aeroespacial, de automoción y de embalaje, debido a su rigidez, resistencia a la corrosión y elevadas resistencias específicas y buen comportamiento a fatiga. Sin embargo, estos materiales no han sido empleados en ambientes con temperaturas superiores a la medioambiental, debido al habitual bajo valor de su temperatura de transición vítrea, Tg (Bullions et al., 2003).

El motivo antes descrito, ha propiciado que en la literatura actualmente existente se hayan encontrado pocos trabajos que estudien el comportamiento termomecánico de compuestos en general y aún menos con refuerzo en forma de tejido (Bathgate et al., 1997; Pang et al., 1997; Park y Balatinecz, 1998; Akay et al. 2003). Cuando se someten estos materiales a ambientes con altas concentraciones de humedad, durante periodos más o menos prolongados, se produce en ellos una progresiva absorción de agua, que depende de variables, tales como el tipo de fibra y de matriz, la intercara, la temperatura, etc. La mejor manera de acelerar de manera artificial el proceso de degradación provocado por la humedad es trabajar a temperaturas relativamente altas que permitan activar el proceso de difusión de las moléculas de agua en el interior del polímero, lo que hace que sea necesario el estudio conjunto de esos dos parámetros (Viña et al. 2002). Parece demostrado que la humedad absorbida por el material compuesto depende de la estructura química de la matriz, de la temperatura y de la humedad relativa, lo cual produce una plastificación tanto en la matriz como en el refuerzo, así como una alteración dimensional que puede inducir modificaciones en las propiedades mecánicas (Blackman y Williams, 1999; Cheng et al. 2002).

En este trabajo se busca estudiar el comportamiento de probetas de un compuesto fabricado con un termoplástico, polieterimida (PEI), reforzado con fibra de vidrio, frente a ensayos térmicos con tensión fija igual a la tercera parte de la resistencia a tracción, a tres temperaturas prefijadas, inferiores a la Tg del material, durante distintos periodos de tiempo entre 250 y 3000 minutos, evaluando el comportamiento de un grupo de probetas sometidas previamente a envejecimiento acelerado durante treinta días en una cámara higrotérmica, y luego, a los mismos ensayos a los que se someten las no envejecidas.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

El compuesto evaluado en el presente trabajo ha sido fabricado por Ten Cate Advanced Composites (Holanda) y se encuentra constituido por una matriz termoplástica (polieterimida), reforzada con tejido de fibra de vidrio con una disposición del tipo 8 Harness Satin y una fracción volumétrica de fibras del 67%.

En la figura 1 se representa un esquema de la probeta normalizada (ISO/DIS 3268) empleada para la realización de todos los ensayos. Con las probetas mecanizadas, se realizaron varios ensayos previos de tracción a distintas temperaturas, entre la ambiental y la de transición vítrea del material (Tg=200 ºC), en una máquina de tracción Instron, a la que se le ha acoplado una cámara térmica, determinandose así las temperaturas de los posteriores ensayos de mantenimiento isotérmico y sus valores de resistencia para cada temperatura.

A cada una de las tres temperaturas seleccionadas y con tensión constante igual a un tercio del valor de la resistencia a tracción, se realizaron una serie de ensayos termomecánicos con tiempos comprendidos entre 250 y 2000 minutos, ensayando cinco probetas para cada periodo. Paralelamente, un grupo de probetas fueron sometidas a envejecimiento acelerado en una cámara higrotérmica a 70 ºC y 95% de H.R., durante periodos de 10, 30, 90 y180 días. Una vez cumplido esos tiempos cada probeta envejecida se sometió a un ensayo termomecánico, siguiendo el procedimiento antes descrito. Después de cada una de las pruebas se realizó a cada probeta, tanto a las envejecidas como a las no, un ensayo de tracción con objeto de determinar la resistencia y deformación  máximas.

 

Fig. 1: Esquema de las probetas ensayadas

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la figura 2 se representan las resistencias máximas de rotura obtenidas en los ensayos previos de tracción realizados a un grupo de cinco probetas para cada una de las temperaturas. A partir de esos resultados se seleccionaron como temperaturas para la realización de los posteriores ensayos, las de 50, 100 y 150ºC, por encontrarse casi equidistantes sus valores de resistencia máxima de rotura. A esas tres temperaturas les han correspondido respectivamente, como resistencias medias de rotura: 470, 359 y 336 MPa. Un tercio de cada una de estas tensiones es la que se empleó como valor fijo para cada temperatura en los ensayos termomecánicos.

 

Fig. 2: Resultados de los ensayos previos

 

En las figuras 3 y 4 se presentan gráficos con curvas representativas de los valores máximos, mínimos y medios de las resistencias y de las deformaciones últimas a rotura, obtenidos al ensayar a tracción: a) un grupo de probetas originales, o sea sin envejecer y sin someter a los ensayos termomecánicos antes descritos; b) un grupo de probetas sin envejecer, sometidas a los ensayos termomecánicos (resultados representados en 0 días), durante los diferentes periodos de tiempo indicados en cada gráfico; y c) cuatro grupos de probetas envejecidas higrotérmicamente los días indicados en el gráfico, y que luego fueron sometidas a las pruebas con esfuerzos termomecánicos. Cada curva corresponde a una de las temperaturas constantes empleadas en los ensayos termomecánicos.

En primer lugar, se observa que para las tres temperaturas y los tres tiempos de mantenimiento termomecánico, los valores medios de las resistencias de las no envejecidas son  menores al promedio de las originales, posiblemente influido por el efecto de la combinación tensión constante-temperatura.

Fig. 3: Valores de la resistencia a tracción en función de los tiempos de envejecimiento a 70 ºC y 95% H.R.

 

Esto también ocurrió con los resultados de las deformaciones máximas de rotura en los tiempos superiores a 750 minutos, mientras que en los de 250 min. ocurrió lo contrario, o sea que a tiempos cortos las probetas se deforman más en las condiciones termomecánicas aplicadas.

Para todos los casos de las probetas envejecidas el comportamiento de los promedios de las resistencias y de las deformaciones son similares, con valores medios mayores que los de las probetas originales y las no envejecidas, aumentando con 10 días de envejecimiento, disminuyendo en la mayoría de los casos de las probetas envejecidas 30 días, volviendo a incrementarse en los envejecimientos de 90 días, para luego en el doble de ese tiempo (180 días), disminuir significativa tivamente (sobre todo a 100 y 150 ºC) en los tiempos cortos de 250 min, o ligeramente y tendiendo incluso a estabilizarse para los tiempos de mantenimiento térmico superiores a 750 min. Los valores medios más elevados en las propiedades estudiadas se alcanzaron en los periodos de ensayo termomecánico cortos (250 min). En cuanto a la influencia térmica se puede decir que los mayores valores medios se alcanzaron con 150 ºC y en las probetas envejecidas más de 30 días.

Fig. 4: Valores de la deformación máxima de rotura en función de los tiempos de envejecimiento a 70 ºC y 95% H.R

 

CONCLUSIONES

En general las propiedades de resistencia y deformación máxima de rotura mejoraron con el envejecimiento acelerado a 70 ºC y 95%

H.R., alcanzando los más altos valores medios las probetas envejecidas 10 y 90 días, y las ensayadas con mantenimiento térmico  a tiempos cortos (250 min.) y con la temperatura más alta (150 ºC).

Al comparar los resultados de tracción de las originales y de las no envejecidas sometidas sólo a mantenimiento termomecánico, se encontró una disminución en los valores de resistencia (en todos los casos) y de la deformación (en los realizados a más de 750 min.)

 

REFERENCIAS

Akay, M., G.R. Spratt, B. Meenan, The effects of long-term exposure to high temperatures on the ILSS and impact performance of carbon fibre reinforced bismaleimide, Comp. Sci. & Tech., 63, 1053-1059 (2003).        [ Links ]

Bathgate R.O., C.H. Wang, F. Pang, Effects of temperature on the creep behavior of woven and stitched composites, Comp. Stru., 38 [14] 435-445 (1997).         [ Links ]

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Bullions, T.A., J.E. McGrath, A.C. Loos, Termal-oxidative aging effects on the properties of a carbon fiber-reinforced phenylethynylterminated poly(etherimide). Comp. Sci. & Tech., 63, 1737-1748 (2003).        [ Links ]

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Pang F., C.H. Wang , R.G. Bathgate, Creep response of woven-fiber composites and the effect of stitching”. Comp. Sci. & Tech., 57, 91-98 (1997).        [ Links ]

Park B.D., J.J. Balatinecz, Short term flexural creep behavior of Word-fiber/polypropylene composites, Pol. Comp., 19 (4), 377-382 (1998).        [ Links ]

Viña J., M. Castrillo, A. Argüelles, I. Viña, “A comparison between the static and fatigue properties of glass-fiber and carbon-fiber reinforced polyetherimide composites after prolonged aging”, Pol. Comp., 23 (4) 619-623 (2002).        [ Links ]