El grafeno como carga en nanocomposites

El grafeno puede ser un buen candidato para mejorar la tenacidad de fractura de la resina como consecuencia de la elevada relación superficie/volumen, favoreciendo así la transferencia de tensión entre el refuerzo y la matriz, como ya se ha comentado anteriormente. La incorporación de grafeno en la resina epoxi puede aumentar la tenacidad de fractura más de un 131%.

Es importante tener en cuenta el tamaño de los planos de grafeno, la fracción másica y volumétrica, la química superficial, así como el grado de dispersión de la carga en la matriz para conseguir un aumento significativo de la tenacidad de fractura del nanocomposite resultante.

Cuando se propaga una grieta en una resina epoxi sin ninguna carga, se observan superficies de fractura frágil, con marcas en la dirección de propagación de la grieta, en cambio cuando se usa alguna carga como refuerzo las superficies de fractura suelen ser mucho más rugosas, apareciendo deformación plástica, como consecuencia de la interacción entre la matriz y las láminas de grafeno.

La dispersión apropiada de las cargas añadidas a la matriz es un requisito indispensable para generar aumentos en las propiedades mecánicas. Por tanto si se emplea óxido de grafeno como carga para mejorar las propiedades mecánicas hay que asegurarse que este se encuentre bien disperso. El grafeno tiende a aglomerarse como consecuencia de las interacciones por fuerzas de van der Waals. Por lo que, dispersar grafeno en la matriz epoxi es siempre un reto.

En la imagen podemos ver una muestra de la relación entre el estado de la dispersión y el avance de la grieta en la misma. Como se puede observar el avance de la grieta se ve bloqueado por las láminas de grafeno cuando este se encuentra uniformemente distribuido en la matriz, facilitando la transferencia efectiva de tensión de la matriz al refuerzo. En cambio cuando la dispersión no es buena, el avance de la grieta es más rápido ya que se dificulta la transferencia efectiva de tensiones entre la matriz y el refuerzo, como consecuencia de la falta de adhesión en la interfase matriz/refuerzo. Tang y col., realizaron un estudio para ver la influencia de la dispersión de la carga en la matriz sobre las propiedades finales del material. Obteniendo que cuando se realizaba una buena dispersión de la carga aparecía una mejora del 52% en el valor de KIc, en cambio cuando la carga presentaba una peor dispersión sólo se consigue aumentar en un 24% el valor de KIc.

grafeno nanocomposites

Así, queda demostrada la necesidad de tener una buena dispersión de la carga en la matriz para conseguir una mejora significativa en la tenacidad de fractura de la matriz que forma el nanocomposite y que se verá reflejada en las propiedades finales del material compuesto reforzado con fibra.

Otro aspecto importante a tener en cuenta, es el área superficial del refuerzo usado, de manera que el valor de KIc depende en gran medida de esto, ya que si el refuerzo presenta un área elevada aumenta la interacción interfacial matriz/refuerzo, lo cual se consigue con una buena dispersión e individualización. Por el contrario, cuando se producen aglomeraciones, los aglomerados disminuyen el área superficial del refuerzo, lo que hace que disminuya la tenacidad de fractura así como otras propiedades mecánicas del nanocomposite. Siendo esta una razón más por la que usar grafeno como refuerzo, ya que presenta una área superficial mayor incluso a la de los nanotubos de carbono.

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