Hitachi | Análisis térmico de preimpregnado epoxi reforzado con fibra de carbono

Introducción:

Los preimpregnados son materiales compuestos, como los plásticos reforzados con fibra de vidrio o fibra de carbono, que han sido preimpregnados con una resina, como las resinas epoxi o las de poliéster. Estos materiales proporcionan a los fabricantes una manera fácil de fabricar componentes complejos a partir de materiales ligeros como la fibra de carbono.
Los preimpregnados de resina epoxi reforzada con fibra de carbono se fabrican mezclando fibra de carbono con un sistema de resina epoxi, que consta de la resina y de un agente de curado. El material viene en forma de tejido laminado semicurado y no requiere resina adicional ni agente de curado adicional durante el proceso de fabricación. Para terminar de curar el material, se aplica calor y presión dentro de un autoclave. Los preimpregnados se usan en aplicaciones que en las que se necesiten materiales avanzados, fuertes y livianos, desde equipos deportivos como palos de golf, hasta paneles de carrocería de fórmula 1 o partes de aviones.
Los preimpregnados se entregan parcialmente curados, por lo que deben almacenarse a baja temperatura para evitar que continúe el proceso de curado. Sin embargo, incluso a temperaturas relativamente bajas, el proceso de curado puede seguir progresando, y debido a esto los preimpregnados suelen tener una vida útil corta. Antes de usar la tela preimpregnada que se tiene almacenada, es necesario verificar el nivel de curado para asegurarse de que el compuesto aún se puede usar. Además, las propiedades mecánicas del compuesto de fibra de carbono dependerán del nivel de curado, y para muchas aplicaciones no es deseable un curado completo. Los fabricantes deben determinar el tiempo y la temperatura de curado adecuados para garantizar que los componentes terminados tengan las propiedades deseadas.
La combinación de las técnicas de análisis dinamomecánico (DMA) y calorimetría diferencial de barrido (DSC) permite establecer tanto el estado de curado del preimpregnado antes de su uso, como ajustar el proceso de curado para lograr el nivel de curado deseado en el proceso de fabricación final.
Los instrumentos Hitachi DMA7100 y NEXTA DSC200 son ideales para estas mediciones debido a su gran estabilidad de la línea base, alta sensibilidad y su capacidad para ser empleados en aplicaciones avanzadas.

Instrumentos Hitachi para análisis térmico de prepreg

DMA7100

El analizador dinamomecánico DMA7100 de Hitachi es un instrumento versátil y de alto rendimiento que resulta ideal para el análisis viscoelástico dinámico de muchos tipos de materiales diferentes, incluidos los preimpregnados parcialmente curados. El instrumento incluye el software NEXTA TA de Hitachi, fácil de usar y que facilita la comprensión e interpretación de los resultados de DMA para una evaluación rápida de los materiales. Con el asistente integrado, incluso los analistas no capacitados obtendrán los mejores resultados en todo momento. Adecuado tanto para muestras blandas como rígidas, el DMA7100 puede ser configurado para diferentes tipos de aplicaciones, incluyendo análisis termomecánico (TMA).

NEXTA DSC

El NEXTA DSC200 es un calorímetro diferencial de barrido avanzado que está diseñado para cumplir con las aplicaciones de DSC más avanzadas, tanto en producción como en investigación aplicada. A pesar de ello, y al igual que el resto de instrumentos de Hitachi, el NEXTA DSC200 es fácil de usar y es lo suficientemente robusto para ser empleado en aplicaciones que requieran un gran volumen de análisis. Debido a su alta sensibilidad y a la gran estabilidad de la línea base, este equipo es capaz de detectar cambios de estado muy pequeños a la hora de evaluar materiales compuestos parcialmente curados.

En esta aplicación, hemos aprovechado la alta sensibilidad del DMA7100 para detectar los niveles de curado en preimpregnados epoxi reforzados con fibra de carbono. Luego, usamos el NEXTA DSC200 para verificar los resultados obtenidos con el DMA7100. Ambos instrumentos tienen niveles de ruido muy bajos, lo que permite llevar a cabo un análisis preciso, que es esencial para determinar el nivel de curado.

Software todo incluido con capacidad para nuevas aplicaciones

Ambos analizadores vienen con el software NEXTA TA de Hitachi, intuitivo y avanzado, y que incorpora un asistente que le guía a la hora de operar el instrumento. Los nuevos usuarios pueden obtener resultados fiables y precisos, y los operadores más experimentados pueden utilizar estos instrumentos para un análisis más avanzado. Todos los módulos están incluidos con los instrumentos, por lo que si más adelante decide expandir su uso a nuevas aplicaciones, no tendrá que comprar módulos adicionales. El software incluye tres modos de funcionamiento:

  • Modo de guía: proporciona ayuda para llevar a cabo mediciones y análisis paso a paso e incluye un asistente de calibración.
  • Modo sencillo: para usuarios más experimentados que realicen análisis de rutina y que requieran una interfaz sencilla. En este modo, todas las funciones importantes están disponibles en la pantalla principal.
  • Modo estándar, en el que se incluyen todos los módulos y toda la flexibilidad necesaria para llevar a cabo una amplia variedad de análisis.

Rendimiento y resultados

El Hitachi DMA7100 se utilizó en modo de cizalladura para evaluar la muestra, mientras que el Hitachi NEXTA DSC se utilizó para proporcionar datos de referencia. El análisis se realizó dos veces, la primera para determinar el nivel de curado de la muestra, y la segunda para establecer el perfil de la muestra cuando estaba completamente curada.
En la figura 2, se observa una disminución en G’ y un pico en G’’ y tan(δ) de 0 a 50 ºC. (Debido a que el modo de deformación en este caso es el modo de cizalladura, usamos el módulo de almacenamiento de corte, G’, y el módulo de pérdida de corte, G’’, en lugar de E’ y E”, que se usan más comúnmente para los resultados de DMA.) Esto puede atribuirse a la transición vítrea de la resina epoxi. El aumento de G’ que se observa de 130 a 150 ºC indica que se está produciendo el curado de la parte no curada de la resina.

El pico correspondiente a la transición vítrea visto en las curvas de G’ y tan(δ) presenta un hombro en el lado de mayor temperatura. Este segundo pico puede atribuirse a la restricción de movimiento que presentan las moléculas de polímero en los compuestos reforzados con fibra.
En la figura 3, la disminución de G’ y los picos en G’’ y tan(δ) alrededor de 80 – 120 ºC se deben a transición vítrea de la resina epoxi curada. No se observa ningún curado adicional en la curva de G’, lo que indica que la muestra se encontraba ya completamente curada.
La figura 4 da los resultados de la energía de activación calculada a partir de los picos de tan(δ) (correspondientes a la transición vítrea) observados durante el primer y segundo calentamiento (figuras 2 y 3, respectivamente). La energía de activación del primer calentamiento es de 325,4 kJ/mol, mientras que la del segundo calentamiento es de 626,8 kJ/mol. Estos resultados confirman que los picos observados en las figuras anteriores se deben a la transición vítrea de la resina epoxi.

En la figura 5 se muestran los resultados de DSC para el primer y segundo calentamiento. En el primer calentamiento, se aprecia un descenso de la línea base entre -5 y 10 ºC debido a la transición vítrea, y un pico exotérmico entre 120 y 200 ºC correspondiente al curado de la resina epoxi. La curva del segundo calentamiento indica una temperatura de transición vítrea más alta, entre 90 y 110 ºC. Estos resultados ayudan a explicar los resultados observados mediante la técnica de DMA en los gráficos anteriores; la disminución de G’ y los picos en G’’ y tan(δ) se deben a la transición vítrea, y el aumento de G’ se debe al curado de la resina epoxi.

Conclusiones

El DMA7100 y NEXTA DSC200 se pueden usar en conjunto para determinar el nivel de curado y el perfil de curado final de materiales compuestos como los preimpregnados epoxi reforzados con fibra de carbono. El bajo nivel de ruido (gran estabilidad de la línea base) y la alta sensibilidad garantizan que la temperatura de transición vítrea y el nivel de curado se puedan determinar con exactitud.

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