Optimización de Compuestos de Fibra de Vidrio y de Carbono:

Mejorando Propiedades con Nanopartículas de Grafeno

Las fibras de vidrio y de carbono gracias a sus excelentes propiedades son ampliamente utilizados en industrias como la aeroespacial, marítima, automotriz, deportiva, construcción e incluso para la fabricación de componentes fundamentales de energías renovables como la eólica. Sin embargo, pese a su excelente desempeño, son compuestos que suelen presentar un fenómeno conocido como “delaminación interlaminar” derivada de una débil interacción interfacial fibra/resina que puede comprometer la vida útil y seguridad del producto debido a su importante participación en la transferencia de tensión entre ambos elementos. Al ser esta interacción clave para el éxito a largo plazo de las estructuras compuestas, se han explorado diversas alternativas de mejora como la fijación en Z, cosido y trenzado; aumento del área superficial y la reactividad de las fibras por medio de modificaciones superficiales como el tratamiento con plasma, modificación térmica o funcionalización química que, evidentemente son procesos complejos, costosos y no siempre eficientes que, además, tienden a reducir el rendimiento del laminado en el plano.

“Como estrategia adicional y de relativamente reciente aparición, se propuso la incorporación de nanopartículas al material compuesto por fibras buscando favorecer la interacción con la matriz en la que se embeben”.

El Grafeno, el nanomaterial conocido como la piedra angular de la familia del carbono y que desde su aislamiento ha resaltado calificativos como “el material del futuro” o “el material milagro”, es un atractivo candidato como nano refuerzo de incontables compuestos poliméricos gracias a su estructura plana grafitizada única, que da lugar a mejores propiedades mecánicas, térmicas, entre otras que, a diferencia de otras nanopartículas como los nanotubos de carbono (CNT, por sus siglas en inglés), no suele aumentar de manera relevante la viscosidad de las resinas y por lo tanto, permite incorporar concentraciones más altas favoreciendo la tan mencionada interacción fibra/matriz.

Las investigaciones sobre los efectos del grafeno para el diseño de materiales híbridos a base de fibras (vidrio/carbono) embebidas en una matriz polimérica comúnmente de naturaleza epóxica, han destacado mayor rigidez de los compuestos, mejoras en resistencia a la fractura, mejor lubricación e incluso mejor conductividad eléctrica. Esto se debe a que su gran superficie de área permite una transmisión de carga efectiva desde la matriz blanda del polímero a las láminas de grafeno que son relativamente más rígidas, lo cual es un requisito esencial para mejorar el rendimiento mecánico, ratificado por una mayor resistencia al corte interlaminar del material, mayor resistencia a la tracción y al impacto. Además, durante la manipulación y corte de las estructuras híbridas de fibra, la presencia del grafeno contribuye a generar menos calor durante el fresado, conduce a temperaturas de corte más bajas y menor rugosidad en la superficie; asimismo, otro de los beneficios es que el grafeno produce mayor efecto endurecedor y mejor resistencia a la flexión del material expuesto a distintas temperaturas con registros desde los 40 °C hasta los 200 °C.

En Energeia- Grapenemex la empresa líder en América latina en la producción de materiales grafénicos y en el desarrollo de aplicaciones, estamos convencidos de que las extraordinarias capacidades del grafeno como nanorefuerzo de incontables matrices tridimensionales continuarán alentando a investigadores y colegas industriales a explorar sus beneficios para la fabricación de componentes estructurales más resistentes y ligeros de aeronaves como fuselaje y alas; autopartes y carrocerías aerodinámicas de automóviles; aerogeneradores, equipos deportivos, materiales de construcción, entre otros. 

La imagen inferior evidencia la buena interacción fibra/matriz promovida por la presencia del grafeno ⁵.

Redacción: EF/DH

Referencias:

1. Effect of dispersion of alumina nanoparticles and graphene nanoplatelets on microstructural and mechanical characteristics of hybrid carbon/glass fibers reinforced polymer composite. Journal of material research and technology. 2021, 14, 2624;
2. Experimental investigation on the properties of glass fiber-reinforced polymer composites containing Graphene. AIP Conf. Proc. 2022, 2405, 050009;
3. Reinforcement effect of graphene oxide in glass fibre/epoxy composites at in-situ elevated temperature environments: An emphasis on graphene oxide content. Composites part A: Applied science and manufacturing. 2017, 95, 40;
4. Preparation and Mechanical Properties of Graphene/Carbon Fiber-Reinforced Hierarchical Polymer Composites. J. compos sci. 2019, 3, 30;
5. Improving fiber/matrix interfacial strength through graphene and graphene-oxide nano platelets. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2016, 139, 012004;
6. Effect of Graphene on Machinability of Glass Fiber Reinforced Polymer (GFRP). J. Manuf. Mater. Process. 2019, 3, 78;
7. Size effect of graphene nanoplatelets on the morphology and mechanical behavior of glass fiber/epoxy composites. J Mater Sci. 2016, 51, 3337.