PRESENTA:

RENÉ SERGIO ARTURO LÓPEZ BARREIRO

PARA OBTENER EL TITULO DE:INGENIERO EN MATERIALES

“FORMULACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE UN MATERIAL NANOCOMPUESTO BASADO

EN UN ELASTOMERO REFORZADO CON NANOPARTICULAS”

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 elastó mero de EPDM con rellenos inorgánicos de tipo nanos ílices que pueda presentar propiedades mecánicas, diel éctricas y térmicas superiores a las que presenta el mate rial 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 térm icas en los nanocompuestos obtenidos en función de la concentración de nanopartículas y de la adición de un agente acoplante.

ANTECEDENTES

Un material compuesto bási camente 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 refuer zo 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 tien e 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.

Figura 1. Efecto de la carga de nanop artículas en la dureza, fuerza de tensión y modulo de te nsión, (a) nanocompuest o de EPDM/MMT y (b) compuesto EPDM/arcilla. (p17)

Ejemplo:

Ejemplo:

Figura 2. . Resistencia al Voltaje con 10% (en peso) compuesto de TiO 2–epoxi en ambos (a) micro (1.5 µm) y (b) nano (23 nm). (p20)

DESARROLLO EXPERIMENTAL

Dow Corning Company

Vinil trietoxisilano

SilanoAgente Acoplante

SIGMA CHEMICAL COMPANY

Silica NanométricaSilica Fumed 14nm

PYCOMSA SA de CV Peroxido de DicumiloPeroxido

Dow ElastomersEtileno-propileno-Dieno-Monómero (EPDM) en forma

de pellets.

EPDM

DISTRIBUIDORNOMENCLATURAMATERIAL

METODOLOGIA

Para la preparación de las mezclas de los nanocompuestos se utilizó un mezclador tipo Banbury Rheomix 3000p de marca HA AKE 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 co n sensores de temperatura y de tiempo.

Las mezclas de los nanoc ompuestos 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

Mezclador

115°-125°C

50 RPM

10 min.

Proceso de entrecruzado

P = 1500 psi

T = 180°C

t = 5 minPlacas de

nanocompuestos de EPDM

Figura 3. Esquema

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 Inclined-Plane Tracking and Erosion of Insulating Materials”

• Permitividad• Manual de Operación “DEA Standard Análisis Program” Marca DuPontTermal 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 6. Equipo Plano inclinado para la prueba de Tracking

Figura 7. Equipo Agilent4284A con el 1645B.

Figura 8. Analizador Termogravimetrico (TGA)

1 2 3 4 5 6 72.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0 EPDM/Peroxido

T90

(min

)

Concentración de peróxido de dicumilo (pcr)

0 1 2 3 4 5 6 7 82

3

4

5

6

Esf

uerz

o a

la R

uptu

ra (M

Pa)

Concentración de peróxido de dicumilo (pcr)

EPDM/PD

RESULTADOS PRELIMINARES

Figura 9. T90 del EPDM a diferentes concentraciones de Peróxido de Dicumilo. (p37)

Figura 10. Esfuerzo a la ruptura del EPDM entrecruzado con Peroxido de Dicumilo a diferentes concentraciones . (p37)

RESULTADOS-Mecánicos

Figura 11. Curvas del Esfuerzo a la ruptura del EPDM a di ferentes concentraciones de nanopartículas de silica con di ferentes formulaciones. (p41)

TENSION

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.54

5

6

7

8

9

10

EPDM/nano EPDM/nano + agente acoplante EPDM/nano funcionalizada EPDM

Concentración de Nanosilices (pcr)

Esf

uerz

o a

la R

uptu

ra (

MP

a)

Figura 12. Curvas del Esfuerzo a la Cedencia del EPDM a diferentes concentraciones de nanopartículas de silica, a) nanosilica, b) nanosilica mas agente acop lante y c) nanosilica funcionalizadas. (p43)

TENSION

0 1 2 3 4 50.8

1.0

1.3

1.5

1.8 EPDM/nano

(pcr)

0.8

1.0

1.3

1.5

1.8 EPDM/nano+agente acoplante

Ty (M

Pa)

0.8

1.0

1.3

1.5

1.8 EPDM/nano funcionalizada

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.10

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Espesor (mm)

Rig

idez

Die

léct

rica

(kV

/mm

)

EPDM/1pcr EPDM/2pcr EPDM/3pcr EPDM/5pcr EPDM

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.10

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Rig

idez

Die

léct

rica

(kV

/mm

)

Espesor (mm)

EPDM/1pcr EPDM/2pcr EPDM/3pcr EPDM/5pcr EPDM

Figura 13. Rigidez Di eléctrica del EPDM con nanopartículas de sili ca sin tratamiento. (p46)

Figura 14. Rigidez Di eléctrica del EPDM con nanopartículas de silica más agente acoplante. (p47)

RESULTADOS-EléctricosRIGIDEZ DIELECTRICA

0 1 2 3 4 5100

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

Rig

idez

Die

léct

rica

(kV

/mm

)

(pcr)

Figura 15. Rigidez Di eléctrica del EPDM con nanopartículas de sili ca sin tratamiento. (p47)

Figura 16. Rigidez Di eléctrica del EPDM con nanopartículas de sili ca funcionalizadas a un espesor de 0.1mm. (p50)

RIGIDEZ DIELECTRICA

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.10

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Rig

idez

Die

léct

rica

(kV

/mm

)

Espesor (mm)

EPDM/0.5pcr EPDM/1pcr EPDM/2pcr EPDM/3pcr EPDM/5pcr EPDM

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 funcionaliza das, b) 0.5pcr, c) 1pcr y d) 2pcr. (p51)

TRACKING

0 2000 4000 6000 8000 10000 120005

10

15

20

d) EPDM/2pcr

Tiempo (seg)

0 2000 4000 6000 8000 10000 120005

10

15

20

c) EPDM/1pcr

a) EPDM

0 2000 4000 6000 8000 10000 120005

10

15

20

b) EPDM/0.5pcr

Cor

rient

e (m

A)

0 2000 4000 6000 8000 10000 120005

10

15

20

305.044.08EPDM/2pcr

284.274.019EPDM/1pcr

172.694.26EPDM/0.5pcr

Funcionalizadas

179.174.97EPDM virgen

Temperatura Máxima en

muestra ( °C)

Voltaje al tracking

(kV)

Muestra

Tabla 1. Resultados de la prueba de Tracking de la formulación de EPDM nanopartículas de silicafuncionalizadas. (p52)

TRACKING

Figura 17. Ilustración de la prueba del Tracking del EPDM base a diferentes tiempos . (p53)

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

102 103 104 105 1062.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

Per

miti

vida

d (

� ´)

Frecuencia (Hz)

EPDM/1pcr EPDM/2pcr EPDM/3pcr EPDM/5pcr EPDM

Figura 18. Permitivid ad del EPDM con nanopartículas de sili ca sin tratamiento. (p54)

Figura 19. Permitivid ad del EPDM con nanopartículas de silica más agente acoplante. (p47)

102 103 104 105 1062.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

Per

miti

vida

d (

� ´)

Frecuencia (Hz)

EPDM/1pcr EPDM/2pcr EPDM/3pcr EPDM/5pcr EPDM

PERMITIVIDAD

102 103 104 105 1062.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

6.5

Per

miti

vida

d (

� ´)

Frecuencia (Hz)

EPDM/0.5pcr EPDM/1pcr EPDM/2pcr EPDM/3pcr EPDM/5pcr EPDM

Figura 20. Permitivid ad del EPDM con nanopartículas de silica funcionalizadas. (p56)

PERMITIVIDAD

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Pes

o (%

)

Temperatura (°C)

EPDM/1pcr EPDM/2pcr EPDM/3pcr EPDM/5pcr EPDM

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100 EPDM/1pcr EPDM/2pcr EPDM/3pcr EPDM/5pcr EPDM

Pes

o (%

)

Temperatura (°C)

RESULTADOS-Termicos

Figura 21. Análisis Termogravimetrico del EPDM con nanopartículas de silica sin tratamiento. (p58)

Figura 22. Análisis Termogravimetrico del EPDM con nanopartículas de silica mas agente acoplante. (p59)

TERMOGRAVIMETRIA

0 100 200 300 400 500 600 700 8000

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Pes

o (%

)

Temperatura (°C)

EPDM/0.5pcr EPDM/1pcr EPDM/2pcr EPDM/3pcr EPDM/5pcr EPDM

Figura 23. Análisis Termogravimetrico del EPDM con nanopartículas de silicafuncionalizadas. (p59)

TERMOGRAVIMETRIA

• Para las pruebas mecánicas , el nanocompuesto reforzado con nanopartículas de silica funcionalizadas con mejor resistencia a la ruptura fue con una concen tración 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 prue bas de rigidez dieléctrica , los nanocompuestos de EPDM con nanopartículas de silicafuncionalizadas son las que dan mejores resultados a espesores pequeños, entre 2pcr y a 5pcr incrementando un 50% mas la rigidez en ambos casos con respect o al EPDM puro, llegando a la conclusión de que la concentrac ión 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 re tardantes 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 formul ación 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 nanopart ículas 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 r esultado que los refuerzos a escala nanométrica no ocasiona fallas o desestabilizan térmicamente al polímero EPDM.

CONCLUSIONES

[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. 300-306, (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 DuPontTermal 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)”.

BIBLIOGRAFIA

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 BarreiroIngeniero en Materiales

Instituto Tecnológico de ZacatecasMail: renesergart@yahoo.com.mx