Obtención y Caracterización de Compuestos de Polipropileno Reforzado con Nanoarcillas Mediante Extrusión e Inyección

Autores/as

  • Salomé Gabriela Galeas Hurtado Laboratorio de Nuevos Materiales - Escuela Politécnica Nacional
  • Jonathan Castro Revelo Escuela Politécnica Nacional
  • Cristian Fajardo Pruna Escuela Politécnica Nacional
  • Víctor Hugo Guerrero Barragán Laboratorio de Nuevos Materiales - EPN

Resumen

Resumen: En este trabajo se estudia el efecto de la inclusión de nanoarcillas montmorilloníticas en una matriz de polipropileno (PP) sobre sus propiedades mecánicas y termomecánicas. Para la obtención de este compuesto se empleó como refuerzo arcilla en polvo y en masterbatch, en porcentajes de 3, 5, 7 wt%, y como compatibilizante polipropileno maleizado (PP g MA) en proporciones compatibilizante: nanoarcillas de 1:2, 1:1 y 2:1. La inclusión de arcillas y compatibilizante en la matriz de PP se realizó con una extrusora de doble tornillo y se empleó una inyectora para la obtención de probetas para ensayos de tracción, flexión e impacto según las normas ASTM D638-10, D7264-07 y D256-10, respectivamente. La estabilidad térmica del material fue determinada por análisis termogravimétrico (TGA). Los compuestos con el 5 wt% de nanoarcillas en polvo exhibieron mejor comportamiento mecánico respecto a la matriz pura; con incrementos del 4, 40, 59, 57% en la resistencia a la tracción y flexión, módulo elástico y de flexión respectivamente, con una reducción del 50% en la resistencia al impacto. La estabilidad térmica y la resistencia a la flama de los nanocompuestos obtenidos aumentaron proporcionalmente al porcentaje de refuerzo. Además, se estudió el uso del compuesto con mejor combinación de propiedades en un prototipo de bandeja porta batería para autos disponible en el mercado. El prototipo fue caracterizado y optimizado mediante simulaciones basadas en análisis de elemento finito. Se plantearon diseños similares con reducciones en peso del 14 y 33% en relación al modelo original, para una reducción de espesores y una optimización geométrica, respectivamente.

 

Abstract: In this work, the effect of adding montmorillonite nanoclays as reinforcement to a polypropylene (PP) matrix is studied. The reinforcing clay was used as powder and masterbatch, with loads of 3, 5, 7 wt%. Maleic anhydride grafted polypropylene (PP g MA) was also added as compatibilizer, in 1:2; 1:1 and 2:1 ratios of PP-g-MA: clay. The clays and the compatibilizer were added to the PP matrix using a twin screw extruder. The obtained nanocomposite pellets were injected to obtain tensile, bending and impact test specimens according to standards ASTM D638-10, D7264-07 and D256-10, respectively. Thermal stability of the materials was analyzed using thermogravimetric analysis (TGA). The 5 wt% nanocomposites showed the best mechanical properties compared to the original matrix; with improvements of 4% in tensile strength and 59% in elastic modulus. Enhancements of 40% in the bending strength and 57% in bending modulus were also observed. Nonetheless, a reduction in the impact strength of nearly 50% was observed. Thermal stability and flame resistance of the nanocomposites increased proportionally to the clay fraction. The characterization of a commercially available automotive battery tray was also performed. A prototype was manufactured with the composite with the best mechanical properties was optimized by simulation using finite element analysis. Similar designs with 14 and 33% weight reductions compared to the original model were proposed, based on thickness reduction and geometrical optimization.

Descargas

Los datos de descargas todavía no están disponibles.

Biografía del autor/a

Salomé Gabriela Galeas Hurtado, Laboratorio de Nuevos Materiales - Escuela Politécnica Nacional

Especialista de Caracterización de Materiales, Laboratorio de Nuevos Materiales, Escuela Politécnica Nacional.

Víctor Hugo Guerrero Barragán, Laboratorio de Nuevos Materiales - EPN

Jefe del Laboratorio de Nuevos Materiales - Escuela Politécnica Nacional.

Citas

S. Advani. “Processing and Propierties of Nanocomposites” World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd, Ann Arbor, 2007.

M. Ataeefard y S. Moradian, (2011, Mayo) “Polypropylenene/organoclay nanocomposites: Effects of clay content propierties”, Polymer-Plastics Technology and Engineering, Volume 50, Issue 7, pp.732-739.

ANSYS, “ANSYS Mechanical User ’ s Guide,” 2013.

A. Chafidz y A. Mohammad, (2011, Septienbre) “Morphological, thermal, rheological, and mechanical properties of polypropylene-nanoclay composites prepared from masterbatch in a twin screw extruder”, Journal of Materials Science, Volume 46, Issue 18, pp 6075-6086.

C. Cury et al., (2009, Marzo) "Nanocomposites: Synthesis, Structure, Properties and New Application Opportunities", Materials Research, vol.12, No.1.

T.. Da Cunha, “Produção e caracterização de nanocompósitos de polipropileno, poli (estireno-butadieno-estireno) e Montmorilonita”, Quím. Ind. Thesis, Porto Alegre, Brasil: Universidade Federal do Rio Grande do Sul, 2010.

L. De Paiva y A. Morales.“Estudo das propriedades de nanocompósitos de polipropileno/polipropileno grafitizado com anidrido maleico e montmorilonita organofílica”, M.Sc. Thesis, Campinas, Brasil: Universidade Estadual de Campinas, 2006.

A. Hsieh et al., (2004, Mayo) “Mechanical response and rheological properties of polycarbonate layered-silicate nanocomposites”, Polymer Engineering and Science, 2004. vol.44, No.5, pp. 825-837.

S. Nayak, S. Mohanty y S. Samal, (2009, Agosto) “Effect of clay types on the mechanical, dynamic mechanical and morphological properties of polypropylene nanocomposites”, Polymer-Plastics Technology and Engineering, vol. 48, issue 9, pp. 976-988.

C. Riba, “Diseño concurrente”. 1ra Ed., Barcelona, Edicions de la Universitat de Catalunya, 2002, pp. 45-46.

A. Tavares et al., “Filmes de polipropileno/argila organofílica- influência do tipo de argila na morfologia e propriedades mecânicas”, Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 2012.

Universidad de Oviedo. Seleccción de termoplásticos. Universidad de Oviedo. Available: http://www6.uniovi.es/usr/fblanco/Leccion4.SeleccionTERMOPLASTICOS.pdf. 1998

L.A. Utracki, “Clay-Containing Polymeric Nanocomposites”, Shawbury: Rapra Technology, 2004, pp. 27-30.

S. Zhang, y A.R. Horrocks, (2003, Octubre) “A review of flame retardant polypropylene fibres”, Progress in Polymer Science, vol. 28, No. 11, pp. 1517-1538.

H. Ziaei y M. Danesh, “Evaluation of mechanical and morphological mehavior of polypropylene/wood fiber nanocomposite prepared by melts compounding”, International Conference on Nanotechnology and Biosensors, 2010.

Descargas

Publicado

2015-02-28

Cómo citar

Galeas Hurtado, S. G., Castro Revelo, J., Fajardo Pruna, C., & Guerrero Barragán, V. H. (2015). Obtención y Caracterización de Compuestos de Polipropileno Reforzado con Nanoarcillas Mediante Extrusión e Inyección. Revista Politécnica, 35(3), 43. Recuperado a partir de https://revistapolitecnica.epn.edu.ec/ojs2/index.php/revista_politecnica2/article/view/397