“FORMULACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN MATERIAL NANOCOMPUESTO BASADO EN UN ELASTOMERO REFORZADO CON NANOPARTICULAS” PRESENTA:
RENÉ SERGIO ARTURO LÓPEZ BARREIRO PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO EN MATERIALES
TEMARIO • OBJETIVO Y OBJETIVOS PARTICULARES • ANTECEDENTES • DESARROLLO EXPERIMENTAL • METODOLOGIA •TECNICAS DE CARACTERIZACION •EQUIPO UTILIZADO • RESULTADOS PRELIMINARES • RESULTADOS (Mecánicos, Eléctricos y Térmicos) • CONCLUSIONES • BIBLIOGRAFIA
OBJETIVO Formular y caracterizar un material nanocompuesto polimérico basado en el elastómero de EPDM con rellenos inorgánicos de tipo nanosílices que pueda presentar propiedades mecánicas, dieléctricas y térmicas superiores a las que presenta el material base y establecer una relación entre ellas.
OBJETIVOS PARTICULARES • Obtener nanocompuestos a base de EPDM con nanopartículas de silica variando su concentración y la adición de un agente acoplante. • Caracterizar las propiedades mecánicas, eléctricas y dieléctricas de los nanocompuestos. • Estudiar el comportamiento de las propiedades mecánicas, dieléctricas y térmicas en los nanocompuestos obtenidos en función de la concentración de nanopartículas y de la adición de un agente acoplante.
ANTECEDENTES Un material compuesto básicamente esta formado de al menos dos componentes que en combinación producen un material con propiedades distintas a las de los elementos que lo conforman. La mayoría de los compuestos consisten de un material base (la matriz), y de refuerzo de algún otro tipo de material, donde estos se adicionan principalmente para incrementar la resistencia y la rigidez de la matriz o bien sus propiedades en general.
Cuando el refuerzo tiene una dimensión de escala nanométrica, la interfase por unidad de volumen de los dos componentes (orgánico e inorgánico) se incrementa considerablemente y las propiedades se distinguen con las de los compuestos tradicionales. A este tipo de materiales se les conoce como nanocompuestos poliméricos.
Ejemplo:
Figura 1. Efecto de la carga de nanopartículas en la dureza, fuerza de tensión y modulo de tensión, (a) nanocompuesto de EPDM/MMT y (b) compuesto EPDM/arcilla. (p17)
Ejemplo:
Figura 2. . Resistencia al Voltaje con 10% (en peso) compuesto de TiO2– epoxi en ambos (a) micro (1.5µm) y (b) nano (23 nm). (p20)
DESARROLLO EXPERIMENTAL MATERIAL
NOMENCLATURA
DISTRIBUIDOR
EPDM
Etileno-propileno-DienoMonómero (EPDM) en forma de pellets.
Dow Elastomers
Peroxido
Peroxido de Dicumilo
PYCOMSA SA de CV
Silica Fumed 14nm
Silica Nanométrica
SIGMA CHEMICAL COMPANY
Silano
Vinil trietoxi silano
Dow Corning Company
Agente Acoplante
METODOLOGIA
Para la preparación de las mezclas de los nanocompuestos se utilizó un mezclador tipo Banbury Rheomix 3000p de marca HAAKE y rotores tipo banbury. Las placas se obtuvieron en una prensa hidráulica elaborada en el laboratorio cuyas dimensiones del molde es de 10 cm. de diámetro con sensores de temperatura y de tiempo.
Las mezclas de los nanocompuestos se obtuvieron a diferentes concentraciones de silica fumed variando desde 0 a 5 % en peso con respecto a la resina (pcr), el porcentaje del agente entrecruzante utilizado fue de 1pcr determinado previamente mediante pruebas reológicas y mecánicas.
PREPARACIÓN DE NANOCOMPUESTOS
EPDM-SiO2 A Granel
EPDM-SiO2 Mas Agente Acoplante
EPDM-SiO2 Funcionalizada
Proceso de entrecruzado
P = 1500 psi T = 180°C
Placas de nanocompuestos de EPDM
t = 5 min
Mezclador 115°-125°C 50 RPM
Figura 3. Esquema
10 min.
Figura 3.1. Agente acoplante adherido a la nanopartícula de silica. Figura 3.2. Nanopartícula de silica dentro de la estructura del polímero.
TECNICAS DE CARACTERIZACION • Pruebas Mecánicas – Tensión • Norma ASTM D 412-98a, “Standard Test Methods for Vulcanized Rubber and Thermoplastic Elastomers- Tension”.
• Prueba de Rigidez Dieléctricas • ASTM D149-97a(2004): “Standard Test Method for Dielectric Breakdown Voltage and Dielectric Strength of Solid Electrical Insulating Materials at Commercial Power Frequencies”.
• Prueba de Plano Inclinado “Tracking” • ASTM D2303-97. “Standard Test Method for Liquid-Contaminant InclinedPlane Tracking and Erosion of Insulating Materials”
• Permitividad • Manual de Operación “DEA Standard Análisis Program” Marca DuPont Termal Analyst y Agilent “4284A con el 1645B”.
• Evaluación Térmica (TGA) • Norma D-3850-94 y manual de operación del equipo de TA Instruments
EQUIPO UTILIZADO
Figura 4. Maquina INSTRON 5500 para pruebas mecánicas
Figura 5. Equipo HIPOTRONICS para medir la rigidez dieléctrica
Figura 7. Equipo Agilent 4284A con el 1645B. Figura 6. Equipo Plano inclinado para la prueba de Tracking
Figura 8. Analizador Termogravimetrico (TGA)
RESULTADOS PRELIMINARES 5.0
6 EPDM/Peroxido
EPDM/PD
Esfuerzo a la Ruptura (MPa)
4.5
T90 (min)
4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1
2
3
4
5
6
7
Concentración de peróxido de dicumilo (pcr)
Figura 9. T90 del EPDM a diferentes concentraciones de Peróxido de Dicumilo. (p37)
5
4
3
2 0
1
2
3
4
5
6
7
8
Concentración de peróxido de dicumilo (pcr)
Figura 10. Esfuerzo a la ruptura del EPDM entrecruzado con Peroxido de Dicumilo a diferentes concentraciones . (p37)
RESULTADOS-Mecánicos 10
TENSION
Esfuerzo a la Ruptura (MPa)
9 8 7 6 5 4
EPDM/nano EPDM/nano + agente acoplante EPDM/nano funcionalizada EPDM
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 Concentración de Nanosilices (pcr)
Figura 11. Curvas del Esfuerzo a la ruptura del EPDM a diferentes concentraciones de nanopartículas de silica con diferentes formulaciones. (p41)
TENSION
1.8 1.5
EPDM/nano funcionalizada
1.3 1.0
Ty (MPa)
0.8 1.8
EPDM/nano+agente acoplante
1.5 1.3 1.0 0.8 1.8
EPDM/nano
1.5 1.3 1.0 0.8 0
1
2
3
4
5
(pcr)
Figura 12. Curvas del Esfuerzo a la Cedencia del EPDM a diferentes concentraciones de nanopartículas de silica, a) nanosilica, b) nanosilica mas agente acoplante y c) nanosilica funcionalizadas. (p43)
RESULTADOS-Eléctricos RIGIDEZ DIELECTRICA 200
160 140
160
120 100 80 60 40 20 0 0.0
EPDM/1pcr EPDM/2pcr EPDM/3pcr EPDM/5pcr EPDM
180 Rigidez Dieléctrica (kV/mm)
180 Rigidez Dieléctrica (kV/mm)
200
EPDM/1pcr EPDM/2pcr EPDM/3pcr EPDM/5pcr EPDM
140 120 100 80 60 40 20
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
Espesor (mm)
Figura 13. Rigidez Dieléctrica del EPDM con nanopartículas de silica sin tratamiento. (p46)
0 0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
Espesor (mm)
Figura 14. Rigidez Dieléctrica del EPDM con nanopartículas de silica más agente acoplante. (p47)
RIGIDEZ DIELECTRICA 200
200 EPDM/0.5pcr EPDM/1pcr EPDM/2pcr EPDM/3pcr EPDM/5pcr EPDM
Rigidez Dieléctrica (kV/mm)
160 140
190 180 Rigidez Dieléctrica (kV/mm)
180
120 100 80 60 40
160 150 140 130 120 110
20 0 0.0
170
100 0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
1.1
Espesor (mm)
Figura 15. Rigidez Dieléctrica del EPDM con nanopartículas de silica sin tratamiento. (p47)
0
1
2
3
4
5
(pcr)
Figura 16. Rigidez Dieléctrica del EPDM con nanopartículas de silica funcionalizadas a un espesor de 0.1mm. (p50)
Corriente (mA)
TRACKING
20 15 10 5 20 0 15 10 5 20 0 15 10 5 20 0 15 10 5 0
a) EPDM
2000
4000
6000
8000
10000
12000
b) EPDM/0.5pcr 2000
4000
6000
8000
10000
12000
c) EPDM/1pcr 2000
4000
6000
8000
10000
12000
d) EPDM/2pcr 2000
4000
6000
8000
10000
12000
Tiempo (seg)
Figura 17. Picos de corriente en función del tiempo de prueba del tracking para: a) EPDM y la formulación del EPDM con nanopartículas de sílice funcionalizadas, b) 0.5pcr, c) 1pcr y d) 2pcr. (p51)
TRACKING
Muestra
Voltaje al tracking (kV)
Temperatura Máxima en muestra (°C)
EPDM virgen
4.97
179.17
EPDM/0.5pcr
4.26
172.69
EPDM/1pcr
4.019
284.27
EPDM/2pcr
4.08
305.04
Funcionalizadas
Tabla 1. Resultados de la prueba de Tracking de la formulación de EPDM nanopartículas de silica funcionalizadas. (p52)
TRACKING
15 minutos
30 minutos
45 minutos
1hr 15 minutos
1hr 45 minutos
2hr 30 minutos
3hr 15 minutos
3hr 30 minutos
3hr 35 minutos
Figura 17. Ilustración de la prueba del Tracking del EPDM base a diferentes tiempos . (p53)
PERMITIVIDAD 6.5
6.5 EPDM/1pcr EPDM/2pcr EPDM/3pcr EPDM/5pcr EPDM
6.0 5.5
5.5 Permitividad ( ´)
5.0 Permitividad ( ´)
EPDM/1pcr EPDM/2pcr EPDM/3pcr EPDM/5pcr EPDM
6.0
5.0
4.5 4.0 3.5
4.5 4.0 3.5
3.0
3.0
2.5
2.5
2.0 2 10
3
10
4
10
5
10
6
10
Frecuencia (Hz)
Figura 18. Permitividad del EPDM con nanopartículas de silica sin tratamiento. (p54)
2.0 2 10
3
10
4
10
5
10
6
10
Frecuencia (Hz)
Figura 19. Permitividad del EPDM con nanopartículas de silica más agente acoplante. (p47)
PERMITIVIDAD 6.5 EPDM/0.5pcr EPDM/1pcr EPDM/2pcr EPDM/3pcr EPDM/5pcr EPDM
6.0 5.5 Permitividad ( ´)
5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 2 10
3
10
4
10
5
10
6
10
Frecuencia (Hz)
Figura 20. Permitividad del EPDM con nanopartículas de silica funcionalizadas. (p56)
RESULTADOS-Termicos TERMOGRAVIMETRIA 100 90 80 70
EPDM/1pcr EPDM/2pcr EPDM/3pcr EPDM/5pcr EPDM
90 80 70
60
Peso (%)
Peso (%)
100
EPDM/1pcr EPDM/2pcr EPDM/3pcr EPDM/5pcr EPDM
50 40
60 50 40
30
30
20
20
10
10
0
0
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Temperatura (°C)
Figura 21. Análisis Termogravimetrico del EPDM con nanopartículas de silica sin tratamiento. (p58)
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Temperatura (°C)
Figura 22. Análisis Termogravimetrico del EPDM con nanopartículas de silica mas agente acoplante. (p59)
TERMOGRAVIMETRIA 100
EPDM/0.5pcr EPDM/1pcr EPDM/2pcr EPDM/3pcr EPDM/5pcr EPDM
90 80
Peso (%)
70 60 50 40 30 20 10 0 0
100
200
300
400
500
600
700
800
Temperatura (°C)
Figura 23. Análisis Termogravimetrico del EPDM con nanopartículas de silica funcionalizadas. (p59)
CONCLUSIONES • Para las pruebas mecánicas, el nanocompuesto reforzado con nanopartículas de silica funcionalizadas con mejor resistencia a la ruptura fue con una concentración de 1pcr cuyo valor obtenido fue de 9.32 Mpa, superando a las demás concentraciones de las diferentes formulaciones e incrementando un 75% mas su resistencia a la ruptura con respecto al EPDM sin carga.
•En el esfuerzo de cedencia los nanocompuestos de EPDM con nanopartículas de silica funcionalizadas presentaron mejores resultados.
CONCLUSIONES • Para el caso de las pruebas de rigidez dieléctrica, los nanocompuestos de EPDM con nanopartículas de silica funcionalizadas son las que dan mejores resultados a espesores pequeños, entre 2pcr y a 5pcr incrementando un 50% mas la rigidez en ambos casos con respecto al EPDM puro, llegando a la conclusión de que la concentración mas optima es a 2pcr por el ahorro de nanopartículas y de material. • En cuanto a la prueba de tracking, los nanocompuestos no presentaron mejor propiedad que la del EPDM base, debido a que las nanopartículas de sílice no son retardantes a la flama como lo es la Alumina o el oxido de magnesio.
CONCLUSIONES • En las pruebas dieléctricas, la permitividad mas optima presentada fue en la formulación del EPDM con nanopartículas de sílice mas agente acoplante donde presenta una permitividad de 2.44 a 1MHz y de 2.61 a 1KHz para una concentración de 1pcr por debajo de las demás formulaciones. La formulación de EPDM mas nanopartículas de sílice funcionalizadas no arrojo resultados óptimos. Llegando a la conclusión de que la mejor permitividad se encuentra en la formulación del EPDM con nanopartículas de silica mas el agente acoplante con una concentración de 1pcr. • En la caracterización termogravimétrica (TGA) de los nanocompuestos, presentaron buena estabilidad térmica en todas las formulaciones, dando como resultado que los refuerzos a escala nanométrica no ocasiona fallas o desestabilizan térmicamente al polímero EPDM.
BIBLIOGRAFIA [1] J.K Nelson and Yu, “Nanocomposites dielectrics-properties and implications” Journal of Physics D: Applied Physics Vol. 38 pp 213-222, 2005 [2] Seyed Javad Ahmadi, Yu Dong Huang and Wei Li, “Morphology and Characterization of Clay-reinforced EPDM Nanocomposites” Journal of Composite Materials, Vol 39, No 8 pp 745-754, 2005 [3] Dongsheng Xu, Lin Sun, Hongliang Li, Lei Zhang, Guolin Guo, Xinsheng Zhao and Linlin Gui. “Hydrolysis and Silanization of the Hydrosilicon surface of freshly prepared porous silicon by an Amine catalytic reaction”, New J. Chem., 27, pp. 300306, (2003). [4] Norma ASTM D 412-98a, “Standard Test Methods for Vulcanized Rubber and Thermoplastic Elastomers- Tension”. [5] ASTM D149-97a(2004): “Standard Test Method for Dielectric Breakdown Voltage and Dielectric Strength of Solid Electrical Insulating Materials at Commercial Power Frequencies”. [6] ASTM D2303-97. “Standard Test Method for Liquid-Contaminant Inclined-Plane Tracking and Erosion of Insulating Materials” [7] Manual de Operación “DEA Standard Análisis Program” Marca DuPont Termal Analyst
BIBLIOGRAFIA [8] Manual de Operación y Calibración del Analizador Termogravimétrico (TGA). Marca TA Instrument. [9] ASTM D3850-94: “Standard Test for Rapid Thermal Degradation of Solids Electrical Insulating Materials by Thermogravimetric Method (TGA)”. [10] ASTM D 6370-99 “Standard Test Method for Rubber-Compositional Analysis by Termogravimetric (TGA)”.
AGRADECIMIENTOS • AL INSTITUTO DE INVESTIGACIONES ELECTRICAS
• AL INSTITUTO TECNOLOGICO DE ZACATEPEC Y AL INTITUTO TECNOLOGICO DE ZACATECAS
• A LOS MIEMBROS DE JURADO
GRACIAS POR SU ATENCION … By Rene Sergio Arturo López Barreiro Ingeniero en Materiales Instituto Tecnológico de Zacatecas Mail:
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