UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI) INGENIERO INDUSTRIAL

PROYECTO FIN DE CARRERA

ESTUDIO DE COMPORTAMIENTO DE LOS ADHESIVOS ACRÍLICOS EN LA UNIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMÉRICA

AUTOR:

MARÍA TERESA ORTIZ DEL PIÑAL MADRID, junio de 2008

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

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Autorizada la entrega del proyecto del alumno/a:

María Teresa Ortiz del Piñal

EL DIRECTOR DEL PROYECTO: Juan Carlos del Real Romero

Fdo: .........................

Fecha: ......./......./.......

Vº Bº del Coordinador de Proyectos Jose Ignacio Linares Hurtado

Fdo: .........................

Fecha: ......./......./.......

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

ESTUDIO

DE

COMPORTAMIENTO

DE

LOS

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ADHESIVOS

ACRÍLICOS EN LA UNIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ POLIMÉRICA Autor: Ortiz del Piñal, María Teresa. Director: Real Romero, Juan Carlos del. Entidad colaboradora: ICAI – Universidad Pontificia Comillas. RESUMEN DEL PROYECTO El uso de adhesivos estructurales en la construcción y reparación de estructuras de ingeniería puede ofrecer beneficios sustanciales en comparación con las técnicas de unión tradicionales de sujeción (soldadura, remachado, atornillado, etc.) Los beneficios operacionales que pueden resultar del uso de las uniones adhesivas incluyen la mejora de la eficacia de la unión estructural (no producen puntos de acumulación de tensiones debido a taladros). Debido principalmente a una importante reducción del peso, el uso de adhesivos puede proporcionar una reducción también, del coste de mantenimiento durante el ciclo de vida de la estructura y permite una mayor flexibilidad en el diseño. A pesar de estas ventajas potenciales, una falta general de confianza en la capacidad de este tipo de uniones para soportar toda gama de condiciones ambientales y de carga, ha impedido la generalización de su uso. Los adhesivos acrílicos modificados estructurales constituyen una de las más recientes y, tal vez, versátiles familias de adhesivos empleadas en el ensamblaje de piezas en la industria. A finales de los años 60 y comienzos de los 70, los tecnólogos de la adhesión comenzaron a explotar esta familia. Los mejores adhesivos empleados hasta entonces, los epoxi, presentaban limitaciones en cuanto a la limpieza de las superficies, la necesidad de calor para las formulaciones de alto rendimiento y los moderados resultados obtenidos sobre los más recientes materiales de ingeniería, que en la actualidad están reemplazando a los metales en muchas áreas. Los acrílicos presentaban soluciones a las limitaciones mencionadas, hasta el punto de que se pueden considerar alternativa para el ensamblado de piezas.

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En cuanto a los substratos, cabe destacar que el uso de materiales compuestos, tanto en la industria aeroespacial como en el sector de las energías renovables (palas de aerogeneradores), así como en otros sectores, tales como la automoción, se extiende cada vez más debido a la mejora de los resultados que puede lograrse mediante una reducción del peso. En estos materiales, la unión adhesiva se considera conveniente debido a que la unión mecánica requiere la realización de agujeros en el substrato, lo que provoca cortes en las fibras y, como consecuencia, genera una importante acumulación de tensiones en la cercanía de agujero. Este proyecto pretende evaluar la eficacia de los adhesivos acrílicos tenaces en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica. El adhesivo seleccionado es un adhesivo acrílico tenaz bicomponente Loctite Speebonder H4800. Los adherentes empleados son materiales compuestos de matriz polimérica, más concretamente resina epoxy cargada con fibra de vidrio y con fibra de carbono bidireccional. También se han seleccionado distinto tipos de tratamientos superficiales a fin de evaluar este sistema adhesivo. Los tratamientos superficiales empleados en esta investigación han sido los siguientes: desengrase con un disolvente orgánico (Etilmetilcetona – MEK), que además será previo a cualquier otro tratamiento superficial aplicado, ya que elimina los contaminantes poco incrustados; chorreado con alúmina, que aumenta la superficie de contacto; imprimación con silano, previo chorreado con alúmina; y tratamiento con plasma atmosférico. El tratamiento de silanización requiere especial mención, ya que consiste en un proceso químico en que una molécula (γ-Metacriloxipropiltrimetoxisilano) que, por un lado reacciona con el adherente creando puentes de hidrógeno e, incluso enlaces covalentes y, por otro, es afín al adhesivo, con lo que actúa de unión entre ambos componentes de la adhesión, fortaleciendo la unión. Para evaluar el comportamiento una vez realizadas las uniones se han llevado a cabo los siguientes ensayos: ensayo de doble viga en voladizo (DCB) para obtener la energía de fractura adhesiva y el modo de fallo; ensayo de cizalla por tracción (SLS) previo envejecimiento de 30 días en las condiciones en condiciones de envejecimiento de 50ºC y 100% de humedad relativa, para determinar la resistencia; y, por último, se han

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realizado ensayos de rotura en cuña (WT) en la condiciones anteriores durante dos meses. Una vez analizados los resultados se observa que los tratamientos que han ofrecido mejores resultados han sido el chorreado con alúmina y la silanización, sin que existan diferencias significativas entre ellos. Cabe destacar que en todas las probetas de ensayos DCB y en ambos tratamientos superficiales, se ha producido la delaminación del adherente, lo que demuestra que la energía de fractura adhesiva ha sido mayor que la presentada por el substrato. No está claro, sin embargo, que el tratamiento de silanización mejore significativamente el comportamiento, ya que previo a este tratamiento los substratos fueron chorreados. Sería, por tanto, necesario, realizar ensayos donde se silanizaran los substratos sin haberlos chorreado previamente para determinar sus efectos. Los tratamientos de desengrasado y plasma han proporcionado unos resultados bastantes pobres. Aunque el tratamiento mediante plasma es el que más incrementaba la energía superficial, esto no ha supuesto que proporcione un mejor comportamiento. Además, es importante resaltar que en las probetas con este tratamiento, la propagación del defecto se produjo por la interfase del adhesivo con el adherente, lo cual no es un fenómeno nada recomendable ya que se trata de un modo de fallo altamente inestable y no previsible. Para finalizar, se ha llegado a la conclusión de que los adhesivos acrílicos, con un tratamiento adecuado, proporcionan resistencias y energías de fractura adecuadas, pudiendo ser una alternativa viable en la unión de este tipo de materiales.

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RESEARCH OF ACRYLIC ADHESIVES BEHAVIOUR IN POLIMERIC MATRIX COMPOSITE JOINTS Author: Ortiz del Piñal, María Teresa. Director: Real Romero, Juan Carlos del. Collaborator Company: ICAI – Universidad Pontificia Comillas PROJECT SUMMARY The use of structural adhesives in construction and repair of engineering structures can provide substantial benefits compared with traditional joint techniques (welding, riveting, screwing, etc.) Operational benefits that can result from the use of adhesive joints include improving the efficiency of the structural union (not produce points of accumulation of tensions due to drills). Due mainly to a significant weight reduction, the use of adhesives can also provide a reduction of the maintenance costs over the life cycle of the structure and allows greater flexibility in the design. Despite these potential benefits, a general lack of confidence in the ability of such unions to bear the entire range of environmental conditions and load has prevented widespread use. Modified acrylic structural adhesives are one of the most recent and, perhaps, versatile families of adhesives used in the assembly of parts in the industry. In the late 60’s and early 70’s, the adhesion technologists began to exploit this family. The best adhesives employees until then, epoxy, had limitations on the surface cleaning, heat the need for high-performance formulations and moderate results on the latest engineering materials, which are now replacing to metals in many areas. The acrylic presented solutions to the limitations mentioned, to the extent that can be considered an alternative for assembly of parts. With regard to substrates, it is noteworthy that the use of composite materials, both in the aerospace industry as the sector of renewable energies (wind turbine blades), as well as in other sectors such as automotive, extends increasingly due to the improved performance that can be achieved by reducing the weight. In these materials, the bonding is considered desirable because the mechanics union requires bringing holes in

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the substrate, causing cuts in the fibres and consequently generates a significant accumulation of tensions in the nearness of the hole. This project aims to assess the effectiveness of tenacious acrylic adhesives in polymer matrix composites joints. The selected adhesive is a tenacious acrylic adhesive Loctite Speebonder H4800. The adherets used are polymer matrix composites, more specifically epoxy resin charged with fibreglass and carbon fibre bidirectional. There have also been selected different types of surface treatments in order to evaluate this system adhesive. The surface treatments used in this study were as follows: degreasing with an organic solvent (methyl ethyl ketone - MEK), which is also used before any other surface treatment applied, since it eliminates bit incrusted contaminants; grit blasting, which increases the contact surface; applying a silane after grit blasting and treatment with atmospheric plasma. The silane requires a special mention, since it involves a chemical process in which a molecule (γ-Metacriloxipropiltrimetoxisilano), on the one hand reacts with the adherent creating bridges of hydrogen and even covalent bonds and, secondly, is akin to the adhesive, acting as a union between the two components of the bonding, strengthen the union. In order to evaluate the behavior once made the unions, the following test have been conuducted: double cantilever beam test(DCB) for energy adhesive fracture and failure mode; simple lap shear test (SLS) prior ageing 30 days under conditions of aging 50 ° C and 100% relative humidity, to calculate resistance; and, finally wedge test (WT) under the conditions above. Once analysed the results, it is shown that treatments that have offered better results have been grit blasting and silaning, with no significant differences between them. It is noteworthy that in all samples of DCB test in both surface treatments, there has been a delamination of the adherent, which shows that adhesive fracture energy has been greater than that presented by the substrate. It is unclear, however, that silanes improve significantly the behaviour of the joint because, prior to this treatment, substrates were grit blasted. It is therefore necessary, testing where silaning substrates without having a previous grit blasting to determine its effects.

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Treatments for degreasing and plasma have provided some quite poor results. Although treatment with plasma is that the greatest increase in energy surface, this has not meant to provide a better performance. In addition, it is important to stress that the test pieces with this treatment, the spread of the defect occurred in the interface with the sticky adhesive, which is not a phenomenon advisable because it is a way of ruling highly unstable and not predictable. Finally, it has come to the conclusion that the acrylic adhesives, with an appropriate treatment, provide an adequate resistance and fracture energy and may be a possible alternative in the union of these materials.

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ÍNDICE

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Página

A. MEMORIA DESCRIPTIVA................................................

6

1. INTRODUCCIÓN A LOS ADHESIVOS........................................

7

1.1 Introducción............................................................................................

7

1.2 Ventajas e inconvenientes de las uniones adhesivas.....................

8

1.3 Adhesión...................................................................................................

10

1.3.1

Modos de fallo......................................................................................................

10

1.3.2

Formación de la unión adhesiva...........................................................................

11

1.4 Solicitaciones de la unión adhesiva..............................................................

13

2. ADHESIVOS ACRÍLICOS..................................................................................

17

2.1 Generalidades.............................................................................................................

17

2.2 Mecanismo de curado de los adhesivos acrílicos..................................

17

2.3 Composición de los acrílicos.............................................................................

20

2.4 Ventajas e inconvenientes...................................................................................

24

2.5 Aplicaciones................................................................................................................

27

3. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES EN UNIONES ADHESIVAS....................................................................................................................

28

3.1 Introducción y objetivos.......................................................................................

29

3.2 Descripción de tratamientos...............................................................................

30

3.2.1

Limpieza superficial...............................................................................................

31

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3.2.2

Tratamientos abrasivos...........................................................................................

33

3.2.3

Primers o imprimaciones........................................................................................

34

3.2.4

Tratamientos mediante plasma................................................................................

36

4. MATERIALES COMPUESTOS........................................................................

39

4.1 Introducción...................................................................................................................

39

4.2 Tratamientos superficiales en materiales compuestos..........................

39

4.2.1

Introducción..............................................................................................................

39

4.2.2

Descarga por corona..................................................................................................

40

4.2.3

Tratamientos de llama................................................................................................

41

4.2.4

Tratamientos de plasma..............................................................................................

41

4.2.5

Radiación UV.............................................................................................................

42

4.3 Mecanizado y herramientas especiales............................................................ 42 4.3.1

Introducción...............................................................................................................

42

4.3.2

Mecanizado mediante herramientas especiales..........................................................

43

5. MECÁNICA DE FRACTURA EN UIONES ADHESIVAS.............. 45

B. MEMORIA EXPERIMENTAL.......................................................

48

1. MATERIALES Y EQUIPOS................................................................................... 49 1.1 Materiales.......................................................................................................................... 49 1.1.1

Adhesivos..................................................................................................................

49

1.1.2

Adherentes................................................................................................................

49

1.2 Equipos.............................................................................................................................. 50

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1.2.1

Máquina de ensayos universal..................................................................................

50

1.2.2

Chorreadora..............................................................................................................

51

1.2.3

Goniómetro óptico....................................................................................................

51

1.2.4

Microscopio electónico de barrido............................................................................

52

1.2.5

Rugosímetro .............................................................................................................

53

1.2.6

Útiles necesarios para el ensayo DCB.....................................................................

53

1.2.7

Útiles necesarios para el ensayo WT ......................................................................

54

1.2.8

Útiles necesarios para el ensayo SLS.......................................................................

55

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL....................................................... 56 2.1 Introducción.................................................................................................................... 56 2.2 Descripción de los tratamientos superficiales............................................ 56 2.2.1

Limpieza superficial..................................................................................................

56

2.2.2

Chorreado con alúmina.............................................................................................

57

2.2.3

Silanización...............................................................................................................

58

2.2.4

Tratamiento con plasma atmosférico........................................................................

60

2.3 Pegado de las probetas.............................................................................................

61

2.4 Ensayo de doble viga en voladizo (DCB)..................................................

61

2.4.1

Introducción.............................................................................................................

61

2.4.2

Metodología seguida para la realización de los ensayos DCB................................

66

2.4.3

Planos de las probetas de ensayos DCB...................................................................

68

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2.5 Estudios de rotura en cuña (WT).......................................................................

68

2.5.1

Introducción.............................................................................................................

68

2.5.2

Condiciones de envejecimiento...............................................................................

69

2.5.3

Metodología seguida para la realización de los ensayos WT..................................

69

2.5.4

Planos de las probetas de ensayos WT.....................................................................

71

2.6 Ensayo de cizalla por tracción (SLS).............................................................

72

2.6.1

Introducción y metodología.....................................................................................

72

2.6.2

Planos de las probetas de ensayos SLS....................................................................

75

2.7 Medida del ángulo de contacto...........................................................................

75

2.7.1

Introducción.............................................................................................................

75

2.7.2

Metodología a seguir para la medida del ángulo de contacto..................................

78

2.8 Estudio del acabado superficial.........................................................................

78

2.8.1

Rugosidad.................................................................................................................

78

2.8.2

Microscopía electrónica..........................................................................................

79

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN.........................................................................

80

3.1 Medidas de rugosidad...........................................................................................

80

3.2 Estudio de la influencia del tratamiento superficial en la energía superficial del substrato.............................................................................

86

3.3 Estudio de la influencia del tratamiento superficial en el comportamiento frente a la fractura....................................................................... 90 3.3.1

Introducción............................................................................................................

90

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- 13 -

3.3.2

Ensayo DCB............................................................................................................

90

3.3.3

Ensayo SLS..............................................................................................................

94

3.3.4

Ensayo WT...............................................................................................................

96

4. CONCLUSIONES........................................................................................................ 101 5. LÍNEAS DE TRABAJOS FUTUROS..........................................................

102

6. BIBLIOGRAFÍA..........................................................................................................

103

ANEXO 1: HOJA TÉCNICA DEL ADHESIVO.........................................

107

ANEXO 2: DATOS TÉCNICOS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS EMPLEADOS EN ESTE ESTUDIO..........................

110

ANEXO 3: DATOS OBTENIDOS DEL ENSAYO DE DOBLE VIGA EN VOLADIZO CON GRP......................................................................... 112 ANEXO 4: DATOS OBTENIDOS DEL ENSAYO DE DOBLE VIGA EN VOLADIZO CON CFRP.....................................................................

126

ANEXO 5: DATOS OBTENIDOS DEL ENSAYO DE ROTURA EN CUÑA CON GRP.......................................................................................................

139

ANEXO 6: DATOS OBTENIDOS DEL ENSAYO DE ROTURA EN CUÑA CON CFRP....................................................................................................

148

ANEXO 7: DATOS OBTENIDOS DEL ENSAYO DE CIZALLA POR TRACCIÓN...............................................................................................................

157

ANEXO 8: DATOS OBTENIDOS DEL ENSAYO DE MEDIDA DEL ÁNGULO DE CONTACTO...........................................................................

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A. MEMORIA DESCRIPTIVA:


INTRODUCCIÓN A LOS ADHESIVOS
ADHESIVOS ACRÍLICOS
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES EN UNIONES ADHESIVAS MATERIALES COMPUESTOS
MECÁNICA E FRACTURA EN UNIONES ADHESIVAS

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1 INTRODUCCIÓN A LOS ADHESIVOS 1.1 Introducción Un adhesivo se puede definir como una sustancia capaz de sujetar dos cuerpos mediante la unión de sus superficies. La junta de unión formada, parecida a un film o película, puede ser resistente a la tracción mecánica y a la agresión química y ser estable frente a la acción atmosférica, temperatura y tiempos de uso [1]. Se llaman substratos o adherentes a los materiales que se pretende unir por mediación del adhesivo. Se denomina adhesión al conjunto de interacciones físicas o químicas que tienen lugar en la interfase adhesivo/adherente que dan lugar a la unión. En la fuerza de unión en la interfase de contacto, tienen una especial relevancia las fuerzas físicas de atracción y adsorción (fuerzas de van der Waals). Dichas fuerzas son tanto mayores cuanto más íntimo sea el contacto del adhesivo con las zonas a unir, es decir, cuanto mayor sea la mojabilidad. Por lo tanto, la resistencia de la unión adhesiva depende en gran parte del ángulo de contacto y de la capacidad adhesiva de la superficie.

Figura 1: Adhesión en función de la rugosidad [MADR00]

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El grado de mojado, por tanto, es un factor determinante a la hora de seleccionar el adhesivo idóneo para una aplicación, ya que determina la inclinación de un sustrato a ser unido a otro. Un adhesivo mojará a un sólido cuando la tensión superficial de éste sea mayor que la de aquél, es decir, cuando el ángulo de contacto (θ que forma una gota de adhesivo sobre el sólido es menor de 90º.

VAPOR SATURADO SÓLIDO

LÍQUIDO

Figura 2: Ángulo de contacto de una gota de líquido sobre una superficie sólida

1.2 Ventajas e inconvenientes de las uniones adhesivas Uno de los beneficios esenciales de las uniones adhesivas es que no se distorsionan los componentes, como sucede al soldar. Otras ventajas de la adhesión estructural son: 

La unión adhesiva ofrece uniones de mayor rigidez en comparación con

fijaciones mecánicas o soldadura por puntos, porque produce una unión continua en vez de hacerlo en un punto localizado, provocando una distribución tensional más uniforme sobre una superficie mayor. 

Una unión bien diseñada tendrá una gran capacidad de absorción de

energía de choque, así como buenas propiedades de amortiguamiento de

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vibraciones y de ruido. La unión adhesiva ha sido considerada como un proceso de bajo coste en términos de equipamiento. 

Los adhesivos actúan muchas veces como selladores, por lo que son

utilizados para hacer estancas otras uniones mecánicas 

Permite la unión de metales de diferentes propiedades electroquímicas,

evitando fenómenos como la corrosión galvánica bimetálica. Por efecto ocupacional, también evitan la entrada de agentes corrosivos como la humedad y el aire. Sin embargo, estas uniones tampoco están exentas de problemas, existiendo algunas limitaciones del proceso tales como: 

Los actuales adhesivos de altas prestaciones son epoxys o sistemas

basados

en

disolventes.

Estos

últimos

pueden

provocar

problemas

medioambientales. 

Los adhesivos estructurales requieren en muchos casos una preparación

superficial para obtener buenos resultados y también tiempos de curado por calor prolongados con el fin de lograr la resistencia a la manipulación y funcional. 

Por tratarse de polímeros, los adhesivos presentan unas resistencias

mecánica y térmica limitadas 

Las uniones adhesivas son difíciles de desmontar



No existen ensayos no destructivos que garanticen la resistencia de la

unión adhesiva.

1.3 Adhesión

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1.3.1 Modos de fallo Los adhesivos son puentes entre las superficies de los sustratos, tanto si son del mismo, como si son de distinto material. El mecanismo de unión depende de: •

La adhesión, que ya ha sido definida con anterioridad como la fuerza de unión en las interfases de contacto entre dos materiales

•

La cohesión, que es la fuerza que prevalece entre las moléculas dentro del adhesivo, manteniendo el material unido y que incluye fuerzas de van der Waals y enlaces entre las propias moléculas del polímero.

Figura 3: Fuerzas de cohesión y adhesión La adhesión de dos sustratos puede evaluarse simplemente realizando un ensayo de rotura de la unión adhesiva. Así, el fallo de una unión adhesiva pude ocurrir según tres posibles modos:

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•

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Separación por adhesión: ocurre cuando la separación se produce en la interfase sustrato - adhesivo.

•

Separación por cohesión: la ruptura se produce en el adhesivo.

•

Ruptura de sustrato: tiene lugar cuando el propio sustrato rompe antes que la unión adhesiva o que la interfase sustrato – adhesivo.

Figura 4: modos de fallo de una unión adhesiva [MADR00] Cuando se diseña una unión adhesiva se pretende que la rotura no sea en ningún caso adhesiva, es decir, que la separación nunca se produzca en la interfase sustrato – adhesivo. Los modos de rotura adhesiva no son nunca predecibles, puesto que la magnitud de la fuerza de adhesión depende de un gran número de factores que rara vez son controlables en su totalidad. Por el contrario, sí se pueden conocer las características mecánicas del adhesivo y, por tanto, se pueden predecir las cargas a la rotura en modo cohesivo bajo diferentes tipos de esfuerzos.

1.3.2 Formación de la unión adhesiva Es importante conocer en detalle el proceso de formación de la unión adhesiva. Básicamente, los adhesivos y selladores químicos deben ser sustancias con propiedades muy específicas antes y después de realizar el ensamblaje.

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Antes del ensamblaje el adhesivo/sellador debe ser capaz de copiar la superficie de los materiales a unir o sellar entrando en íntimo contacto con ellas, es decir, debe cubrir incluso las microcavidades para mojar toda la superficie sobre la que se aplique. Tras el ensamblaje el adhesivo/sellador debe mantener los sustratos unidos y/o funcionar como barrera químico-física para prevenir el ingreso o la fuga de líquidos, gases o contaminantes. Antes del ensamblaje, es decir, antes de que el adhesivo cure, existen determinados fenómenos que tienen un efecto directo sobre las interfases adhesivas de la unión. La adhesión es un fenómeno superficial que precisa un contacto íntimo entre las fases involucradas. Los factores que entran en juego en esta fase preliminar son dos: •

La relación entre la tensión superficial del adhesivo y la energía superficial del sustrato.

•

Las propiedades reológicas del adhesivo antes de curar.

El proceso de curado tiene lugar según diferentes mecanismos: 1) Mecanismos físicos: sucede en los denominados adhesivos prepolimerizados, que son aquellos cuyo polímero ya existía antes de ser aplicado el adhesivo sobre la unión. a) Evaporación de un vehículo o solvente que emulsiona o disuelve la base del adhesivo. b) Paso desde un estado fluido a temperaturas elevadas a un estado sólido a temperatura ambiente.

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2) Mecanismos químicos: ocurre en los adhesivos de polimerización durante la unión adhesiva. En éstos, el adhesivo en estado líquido, viscoso, gel, etc. se halla constituido por monómeros o cadenas oligómeras que polimerizan y/o se entrecruzan durante el proceso de polimerización que ocurre cuando el adhesivo se ubica entre los sustratos a unir. Este mecanismo afecta fundamentalmente a las características cohesivas del material adhesivo.

1.4 Solicitaciones de las uniones adhesivas Los fracasos más frecuentes cuando se emplean adhesivos son debidos al desconocimiento de los esfuerzos a los que va a estar sometido el ensamblaje. De hecho, dentro de ciertos límites, es viable proceder mediante determinadas reglas empíricas para diseñar y obtener adhesiones correctas. Aún así, cuando los esfuerzos son complejos es indispensable tener en cuenta todos los factores que puedan influir. En la práctica, esto quiere decir que la naturaleza y la magnitud de las tensiones que se esperan durante el servicio del ensamblaje deben conocerse antes de decidir el tipo de adhesivo que se debe emplear. Los esfuerzos mecánicos actúan sobre los conjuntos ensamblados como esfuerzos de tracción, de compresión, de flexión, de torsión y de cortadura, provocando así las tensiones. Incluso así, las tensiones no aparecen únicamente como consecuencia directa de transmitir fuerzas o energías, sino que también se pueden dar por la aparición de fenómenos

secundarios

que

acompañan

a

los

cambios

de

temperatura.

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Esquemáticamente, podemos hablar de los siguientes tipos de solicitaciones sobre las uniones adhesivas: •

Esfuerzos normales: de tracción y de compresión: las fuerzas son perpendiculares al plano de la junta adhesiva y están distribuidas uniformemente sobre toda el área (no existe ninguna zona de la unión que esté más cargada que otra)

•

Esfuerzos de cortadura o cizalla: las tensiones son paralelas al plano de unión y también están uniformemente distribuidas sobre la unión adhesiva.

•

Esfuerzos de desgarro: la fuerza no está distribuida uniformemente a lo largo de la unión y además no todo el adhesivo está trabajando al mismo tiempo.

•

Esfuerzos de pelado: la tensión está localizada en una línea muy fina en el borde de la junta adhesiva. Este tipo de esfuerzos generalmente aparece cuando uno o los dos substratos son flexibles.

Figura 5: Principales solicitaciones de las uniones adhesivas [MADR00] Para conseguir ensamblajes adheridos correctos hay que plantear durante la etapa de diseño un trazado que evite en lo posible esfuerzos que no sean de tracción o de cortadura en las uniones adhesivas. Los esfuerzos mecánicos se clasifican según su valor y duración en:

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•

Esfuerzos transitorios.

•

Esfuerzos estáticos o permanentes.

•

Esfuerzos dinámicos.

•

Esfuerzos combinados.

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Los esfuerzos transitorios son consecuencia de un incremento único del esfuerzo hasta una carga máxima. Se emplean por los diseñadores para calcular la resistencia nominal de los adhesivos aparecen rara vez en la práctica. Los esfuerzos estáticos o permanentes son esfuerzos constantes que se prolongan a lo largo del tiempo, que si actúa en una dirección durante un periodo suficientemente largo, pueden provocar fenómenos de fluencia. En lo referente a los esfuerzos dinámicos, debemos distinguir entre los ciclos de esfuerzos: regulares (vibratorios), en el que el adhesivo tiene que ser capaz de absorber la energía de deformación, lo que puede provocar la fatiga del material o irregulares (por golpes), en los que las consecuencias sobre una determinada unión adhesiva dependen de forma directa de la naturaleza de los substratos. La mayor parte de los esfuerzos son esfuerzos combinados. Por ejemplo, el esfuerzo mecánico está generalmente unido a una o varias influencias climatológicas, normalmente sin consecuencias, salvo en casos extremos. A largo plazo, tales influencias contribuyen al envejecimiento del ensamblaje, el cual engloba todos los procesos físicos, químicos y mecánicos al margen de las cargas propiamente dichas. El conjunto de estos fenómenos conduce a modificaciones e incluso a la destrucción de la capa de adhesivo.

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Para concluir, podemos decir que los esfuerzos transitorios, los esfuerzos estáticos y los esfuerzos cíclicos permiten cálculos de resistencia simples que pueden solucionarse mediante un buen diseño.

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2 ADHESIVOS ACRÍLICOS 2.1 Generalidades Los adhesivos acrílicos modificados estructurales constituyen la más reciente y, tal vez, versátil de las familias de adhesivos empleadas en el ensamblaje de piezas en la industria. A finales de los 60’ y comienzos de los 70’ los tecnólogos de la adhesión comenzaron a explorar esta familia dentro de los adhesivos de polimerización durante la unión. Los mejores adhesivos desarrollados hasta entonces, los epoxi, presentaban limitaciones en cuanto a la limpieza de las superficies, la necesidad de calor para las formulaciones de alto rendimiento y los moderados resultados obtenidos sobre los más recientes materiales de ingeniería que en la actualidad están reemplazando a los metales en muchos áreas. Los acrílicos presentaban soluciones a las limitaciones mencionadas, hasta el punto de que se pueden considerar alternativas para el ensamblaje de piezas en competencia incluso con los métodos mecánicos o la soldadura. En la actualidad, el desarrollo de adhesivos acrílicos se dirige no sólo a sustituir antiguos sistemas adhesivos, sino también a nuevas aplicaciones donde no se utilizaban adhesivos.

2.2 Mecanismo de curado de los adhesivos acrílicos Una característica diferenciadora de los adhesivos acrílicos es que no necesitan que la mezcla entre resina y activador sea completamente homogénea, ya que una vez

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generados los “centros activos”, la propagación del polímero se produce en el seno del adhesivo. La mayoría de los adhesivos acrílicos estructurales proporcionan tiempos de curado que van de dos minutos a una hora a temperatura ambiente. En contraste con los epoxis o los uretanos, no se recomienda el uso de calor para acelerar el curado. La velocidad de curado puede incrementarse bajo ciertas condiciones de calor y sólo a temperaturas suaves en el rango de 55°C – 66°C. En ningún caso la temperatura puede exceder los 72°C durante las primeras etapas del curado. A diferencia de los epoxis, no es necesaria una segunda fase de curado. Una vez que el curado vía radicales libres ha comenzado es capaz de llevar la polimerización total mediante mecanismos de propagación. Los acrílicos se presentan comercialmente según tres sistemas diferentes de mezcla que se explican a continuación: 1) Sistemas adhesivo más activador: esta técnica de aplicación aprovecha la principal ventaja de proceso que ofrece la familia de adhesivos acrílicos estructurales. El activador se aplica al sustrato o a la superficie que va a ser adherida mediante un rodillo, una brocha, un spray o cualquier método convencional de recubrimiento. Una vez que la superficie ha sido activada puede ser adherida inmediatamente o almacenada durante periodos de tiempo prolongados antes del ensamblaje. Posteriormente, se puede aplicar la resina como si se tratara de un adhesivo monocomponente en la estación de ensamblaje y proceder inmediatamente al montaje a temperatura ambiente.

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La dosificación de la resina mediante bombas y conducciones, y puede ser controlado por personal no cualificado con un equipo relativamente simple. Un beneficio adicional de esta técnica es que el adhesivo no curará sobre superficies que no hayan sido previamente activadas, siendo muy sencilla la posterior limpieza del adhesivo sin curar. Así las áreas que no deban ser adheridas pueden ser controladas por medio de la aplicación del activador, sin necesidad de un control estricto de la dosificación del adhesivo. Las holguras de adhesión de hasta 0.5 mm curarán aplicando el activador sobre una de las caras a ensamblar. Si se desean holguras superiores, se deben activar ambas superficies. Mediante este método se pueden rellenar y curar holguras de 1 mm. 2) Sistemas biocomponentes: cuando el sistema activador/resina no es apropiado, el acrílico puede ser aplicado mediante un método más convencional basado en la mezcla de dos componentes. La relación de mezcla más común para estos productos es de diez partes de resina por cada parte de catalizador. En ciertas circunstancias son posibles los sistemas 1:1. 3) Sistemas biocomponentes sin necesidad de mezcla: son los menos conocidos y menos utilizados. La mayoría de estos adhesivos se envasan en dos recipientes diferentes. La parte A se aplica sobre una superficie; la parte B se premezcla con un catalizador hasta doce horas antes de su uso y se aplica sobre el segundo sustrato. Cuando se unen ambas superficies comienza el curado. Este procedimiento permite tiempos de apertura muy elevados y, en consecuencia, la adhesión de superficies enormes. Es absolutamente necesario para determinadas aplicaciones específicas y si se asumen como aceptables vidas de mezcla para la parte B de doce horas, es

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posible la mezcla del sistema en una relación 1:1 obteniendo así el máximo rendimiento. 4) Acrílicos de curado UV: Son, tal vez, la familia de adhesivos de curado UV más importante. Son productos monocomponentes que curan bajo exposición a radiación UV. Pueden ser de curado bajo UV cercano (longitudes de onda de alrededor de 365 nm.) o de curado bajo luz visible (longitudes de onda de alrededor de 420 nm.). Los diversos ensayos realizados sobre adhesivos acrílicos muestran su excelente durabilidad (resistencia a la fatiga, a agente medioambientales, propagación de la rotura, efecto de la holgura de adhesión, diseño de la junta, etc.) comparado con los adhesivos estructurales más conocidos. Presentan además tiempos de manipulación muy cortos.

2.3 Composición de los acrílicos Los adhesivos acrílicos son compuestos líquidos sinterizados a partir de numerosos productos, incluidos monómeros, que polimerizan in situ cuando se unen a diferentes materiales. Las propiedades físicas del material curado determinan la dureza y durabilidad de la unión adhesiva, aunque las características industriales más valoradas son la velocidad de aplicación y la sencillez de realización de la unión adhesiva, las cuales dependen en mayor medida de la química del proceso de polimerización. Los adhesivos acrílicos se formulan como sigue: •

Monómeros monofuncionales, como metacrilato de metilo.

•

Reforzadores en base a elastómeros.

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•

•

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Reactivos para el curado: -

La parte A contiene el iniciador (peróxidos).

-

La parte B contiene el reductor (aminas y/o metal)

Colorantes, para diferenciar parte A y parte B.

Los adhesivos acrílicos de curado por luz contienen fotoiniciadores, susceptibles de generar radicales libres cuando se exponen a la luz UV. Los monómeros básicos más comunes presentan la estructura que se muestra en la siguiente figura:

Figura 6: Monómeros principales de los adhesivos acrílicos La principal diferencia entre ellos es la diferencia en el peso molecular de los distintos monómeros, de tal forma que a medida que aumenta el peso molecular de estos, disminuye el olor, pero en contrapartida tendremos una peor adhesión y un coste superior respecto al empleo de monómeros de menor peso molecular por ejemplo el metil metacrilato.

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Las propiedades de la unión adhesiva dependen de las propiedades físicas del producto curado, que a su vez dependen de la naturaleza de los monómeros. La polimerización se inicia a través de un donador de radicales libres, generalmente un peróxido orgánico. Los monómeros polimerizan rápidamente para formar el polímero. Esta polimerización transcurre mediante reacciones de adición. Consiste en un proceso en el cual reaccionan monómeros bifuncionales que se van uniendo uno a uno, a modo de cadena, para formar una macromolécula lineal. La composición de la molécula resultante es un múltiplo exacto del monómero reactivo original. En la polimerización por adición se distinguen tres etapas: iniciación, propagación y terminación. Durante la etapa de iniciación se forma, por reacción de un catalizador con una unidad monomérica, un centro activo capaz de propagarse. En la siguiente figura se muestra este proceso ejemplificado para el caso del polietileno:

Figura 7: Reacción de iniciación en el proceso de polimerización La propagación representa el crecimiento lineal de la molécula al unirse entre sí las unidades monoméricas para producir la cadena molecular:

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Figura 8: Reacción de propagación en el proceso de polimerización El crecimiento de la cadena es relativamente rápido. El tiempo necesario para el crecimiento de una molécula de, por ejemplo, 1000 unidades monoméricas es del orden de 10-2 a 10-3 segundos. La terminación puede producirse por varios caminos. En primer lugar, los extremos activos de dos cadenas que se propagan pueden reaccionar formando una molécula no reactiva terminando así, el crecimiento de las dos cadenas:

Figura 9: Molécula no reactiva tras el proceso de propagación En segundo lugar, el extremo activo de una cadena puede reaccionar con un iniciador u otra especie química que tenga un enlace activo simple y como resultado se obtendrá el cese del crecimiento de la cadena:

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Figura 10: Etapa de terminación del proceso de polimerización

2.4 Ventajas e inconvenientes Algunas de las ventajas y beneficios de los adhesivos acrílicos se muestran a continuación: •

Gran estructuralidad.

•

Versatilidad. Normalmente, el mismo adhesivo presenta los mismos rendimientos satisfactorios sobre metales (acero o aluminio) que sobre plásticos de ingeniería.

•

Insuperable resistencia hidrolítica y permanencia en diversos medios agresivos. Los adhesivos acrílicos son muy conocidos por su resistencia a entornos agresivos. No plastifican fácilmente a causa de la humedad y se pueden reticular en un elevado grado durante la misma reacción de curado.

•

Dosificación versátil. Los acrílicos curan a temperatura ambiente, sin mezclas previas, aunque también existe la posibilidad del empleo de sistemas de mezcla. Puesto que estos adhesivos son de muy bajo peso molecular antes de curar y por tanto fluidos, pueden emplearse bombas de bajo rendimiento y sistemas de medición, incluso cuando se precise de reologías de alta viscosidad en estático.

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•

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Excelente relación precio-rendimiento. A pesar de que los acrílicos modificados proporcionan mejoras en el proceso y en el rendimiento respecto a la mayoría de los cianocrilatos, anaeróbicos, epoxis especiales y uretanos especiales, tienen un precio normalmente más bajo.

•

Preparación superficial mínima o innecesaria para metales

y plásticos.

Normalmente, los aceros y los aluminios mecanizados pueden ser adheridos directamente sin o con ligeros efectos negativos tanto en la resistencia inicial como en la durabilidad a largo plazo. En algunos casos se observan resultados mejores sobre superficies metálicas sin preparar que sobre las mismas superficies preparadas. •

Propiedades físicas estructurales o de resistencia frente a cargas. Los adhesivos acrílicos modificados estructurales proporcionan una resistencia inicial y una durabilidad a largo plazo en ensamblajes sometidos a cargas extremadamente elevadas. Rendimientos análogos para otros adhesivos estructurales requieren normalmente elevadas temperaturas de curado y sustratos rigurosamente preparados.

•

Toleran la falta de planitud en la junta adhesiva y presentan buen relleno de holgura. Aunque los mejores resultados se logran con holguras de junta de hasta 0.3 mm, se consiguen rendimientos adecuados y aceptables con holguras de hasta 3 mm o incluso superiores si fuese necesario.

•

Elevada tenacidad con elongaciones a la rotura importantes.

•

Excelente resistencia a la fatiga.

•

Moderada resistencia a pelado

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•

Presentan tiempos de manipulación cortos.

•

Adhesión sobre una amplia variedad de substratos, metales, plásticos, materiales cerámicos, etc.

•

Resistencia a temperaturas de 120º-150ºC según la formulación.

•

Los sistemas bicomponentes toleran variaciones en las proporciones de mezcla.

Entre las desventajas podemos incluir las siguientes: •

Pobre adhesión sobre la mayoría de los elastómeros curados y los plásticos de baja energía superficial sin pretratar.

•

Olor característico. Normalmente, en áreas de trabajo mal ventiladas se puede percibir el olor del acrílico.

•

Sistemas de mezclado en proporciones diferentes a 1:1. Relaciones de mezcla de 20:1 a 4:1 son las comúnmente empleadas en los sistemas de mezclado. Existen sistemas 1:1 disponibles para determinadas aplicaciones pero tienen vidas de almacenamiento limitadas y menor versatilidad. Sin embargo, las mezclas admiten variaciones pequeñas sin resultados negativos sobre el adhesivo curado que resulta.

•

Puntos de inflamación bajos. El adhesivo fluido sin curar puede presentar temperaturas de ignición ligeramente inferiores a la ambiental. Ciertos desarrollos presentan temperaturas de inflamación por encima de los 38°C.

•

Limitada credibilidad en cuanto a su uso a largo plazo. Debido a que se trata de una tecnología relativamente reciente, los casos históricos más antiguos no sobrepasan los 20 años.

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2.5 Aplicaciones Las aplicaciones de los acrílicos son muy diversas gracias a su amplio rendimiento frente a cargas dinámicas y a temperaturas moderadamente altas: •

Adhesión de ferritas a carcasas de motores eléctricos.

•

Adhesión de zapatas de frenos a coronas.

•

Paneles de calefacción solar.

•

Equipamiento deportivo sometido a tensiones como las raquetas de tenis.

•

Adhesión estructural en aviones y embarcaciones.

•

Adhesión entre madera y vidrio (carpintería).

•

Uniones metal-metal, metal-vidrio, y metal-plástico.

•

Fabricación de aparatos de médicos desechables.

3 TRATAMIENTOS SUPERFICIALES EN UNIONES ADHESIVAS 3.1 Introducción y objetivos

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La adhesión es un fenómeno de superficie. El espesor dentro del cual tienen lugar las interacciones entre adhesivo y sustrato (interfase adhesiva) tiene una magnitud del orden de las distancias intermoleculares. Es claro suponer que cualquier sustancia intermedia va a interferir en este fenómeno. Es más, cualquier capa exterior de composición o estructura diferente de la del seno del sustrato va a afectar en la calidad de cualquier adhesión. Cuando se buscan uniones reproducibles con durabilidad se necesitan procesos que aseguren la aptitud de la superficie para adherir o lo que es lo mismo, que se halle exenta de cualquier agente extraño que provenga del entorno o del mismo sustrato. Estos procesos se denominan tratamientos superficiales. Las superficies de los adherentes suelen ser tratadas superficialmente con la finalidad de aumentar su capacidad adhesiva, optimizando el contacto intermolecular entre adhesivo y sustrato mediante la eliminación de sustancias que creen capas interfaciales de débil cohesión, la creación de grupos específicos en la superficie que favorezcan la adhesión intrínseca y la creación de una topografía superficial adecuada. Estos tratamientos pueden ser mecánicos o químicos. En esta investigación se realizarán tratamientos de limpieza superficial, abrasión mecánica (chorreado con arena), imprimación con silanos y plasma. Los tratamientos superficiales no son siempre imprescindibles. Sin embargo su aplicación permite optimizar la adhesión y reproducir las características de la adhesión en grandes cadenas productivas preservando los niveles de calidad diseñados. Con un tratamiento superficial realizado de forma óptima, el fallo de la unión no debería producirse por la interfase.

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Los objetivos de un tratamiento superficial son: 1. Desarrollar la fuerza y durabilidad de las adhesiones, optimizando el contacto intermolecular entre adhesivo (y/o imprimación) y sustrato. Podemos distinguir: a) Sustratos de baja energía superficial: elevación de la energía superficial mediante tratamientos mecánicos o modificaciones químicas. b) Sustratos de alta energía superficial: uso, por ejemplo, de imprimaciones organometálicas para evitar la degradación, por ejemplo, causada por la humedad. 2. En cualquier caso se debe lograr que la adhesión sea debida a fuerzas de adhesión intrínsecas y no sólo al anclaje mecánico, para asegurar una buena adhesión inmediata y una larga durabilidad de las uniones. No obstante, es muy conveniente generar sobre el sustrato una topografía superficial que multiplique la superficie real de la interfase. 3. Facilitar la reproducibilidad de los resultados. 4. Evitar la formación de capas de débil cohesión, producidas, por ejemplo, por la migración de plastificantes a la superficie del sustrato. Estos objetivos se logran mediante diferentes técnicas basadas en la eliminación de los contaminantes superficiales, por métodos mecánicos o químicos o en la modificación física o química de la superficie, para lograr rugosidades adecuadas para la adhesión o para modificar la estructura de enlaces en la superficie.

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En ocasiones el tratamiento superficial tiene como función la de facilitar la reticulación del adhesivo, actuando como un activador. En otras ocasiones se pretende proteger la superficie del sustrato, especialmente en el caso de metales. Existe una enorme variedad de tratamientos superficiales que pueden ser empleados para adecuar cada superficie a un determinado proceso de adhesión. Los factores que deben considerarse para decidir la preparación superficial idónea podrían resumirse entre los siguientes: •

Tamaño y forma geométrica de las superficies.

•

Tipo de instrumentación disponible.

•

Estabilidad de los materiales.

•

Posibilidad de migraciones superficiales.

3.2 Descripción de los tratamientos superficiales 3.2.1 Limpieza superficial con disolvente La limpieza superficial es el proceso de eliminar la suciedad y otros contaminantes orgánicos de la superficie de los substratos mediante el uso de un disolvente orgánico. Cuando los únicos contaminantes presentes sean suciedad poco incrustada, grasa o aceite, el hecho de frotar la superficie con el disolvente ya tendrá la capacidad de dotar a la superficie del substrato de una fuerza superficial media.

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Se trata de un tratamiento muy utilizado, ya que precede necesariamente a cualquier otro tratamiento químico o de abrasión que vaya a resultar necesario. Aún así, se trata del tratamiento superficial menos efectivo, ya que sólo limpia los contaminantes muy superficiales, que no estén adheridos fuertemente. Son aceptables disolventes como el tolueno, la acetona o la metil-etil-cetona (MEK, empleada en esta investigación). Sin embargo,

nuevos disolventes recientemente

desarrollados están cobrando fuerza, por ser menos contaminantes y tener un comportamiento aceptable para la mayoría de las aplicaciones industriales. Existen tres procedimientos de limpieza con disolventes: •

Desengrasado en fase vapor.

•

Tratamiento en baño de ultrasonidos.

•

Frotado, inmersión o spray.

Mediante el desengrasado en fase vapor, la superficie del sustrato se pone en contacto con vapor caliente de un disolvente capaz de solubilizar aceites, grasas, parafinas sólidas, etc. Se produce una acumulación de vapor caliente en la superficie fría de la pieza, hasta que el peso de la gota provoca su retorno al baño de disolvente.

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Figura 11: Secuencia de desengrasado en fase vapor Mediante el tratamiento en baño de ultrasonidos se obtienen limpiezas superficiales de alta calidad mediante irradiación de ondas ultrasónicas a través de un disolvente o mezcla de disolventes adecuada. Esto provoca una rápida agitación y cavitación que eliminan las partículas más inaccesibles. Las frecuencias de los ultrasonidos se hallan en el rango de los 20000 a 50000 Hz.

Figura 12: Secuencia de desengrasado en baño de ultrasonidos El frotado, la inmersión y el spray son los métodos más simples y versátiles, pero a su vez, son más difíciles de controlar. El frotado consiste en el paso con intensidad de un paño, brocha, o papel de celulosa empapado en el disolvente. La operación se debe repetir varias veces, hasta que no exista evidencia de contaminación de la superficie a limpiar. La inmersión en baños de disolvente es útil para la limpieza de piezas pequeñas. En ocasiones precisa de la ayuda de brochas, frotado, etc.

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El método por spray asegura que todo el disolvente que llegue a la superficie de la pieza sea limpio. Sin embargo, es un método más costoso que los anteriores.

Figura 13: Secuencia de desengrasado mediante spray

3.2.2 Tratamientos abrasivos Se trata fundamentalmente de lijados, cardados, chorro de arena, chorro de granalla, etc. El método de abrasión elegido y las variables experimentales dependerán del sustrato y del proceso de unión. Normalmente se requiere una limpieza superficial, tanto previo como posterior al tratamiento superficial de abrasión, con el fin de retirar restos de polvo, contaminantes, etc. y llevar a cabo la adhesión antes de que aparezca la corrosión. Los efectos que producen sobre los sustratos son: •

Eliminación de los contaminantes superficiales.

•

Creación de una superficie activa.

•

Aumento del área de contacto con el adhesivo.

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•

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Se retarda la fractura mecánica de la unión adhesiva.

El chorreado con arena (grit blasting) es uno de los métodos más empleados por ser particularmente apropiado para eliminar los óxidos y otro contaminantes. Sin embargo, no se trata de u método apropiado para piezas muy delgadas ya que puede provocar que se comben o producir daños. El proceso consiste en el chorreado de la superficie a tratar con arena limpia de grano fino y no metálica, como la alúmina. El tamaño de las partículas elegidas depende de la superficie que se pretende limpiar y del material del que esté compuesta. El grado de abrasión para superficies poliméricas debe ser suficiente para eliminar la capa de contaminante de la pieza a tratar.

3.2.3 Primers o imprimaciones Son sustancias que se emplean como intermedio entre el adhesivo y el sustrato. Tienen muy diversas funciones. Así, en superficies de alta energía superficial se emplean para incrementar la resistencia de las uniones adhesivas a la fatiga, la temperatura y la humedad. En algunas ocasiones protegen la superficie del sustrato frente a agentes físicos o químicos, aunque con ello también se dota a tales sustratos de propiedades antiadherentes. Pueden producir los siguientes efectos: 1. Protección de la superficie del sustrato. 2. Mejora de la interacción entre el adhesivo y el sustrato: a) Incrementando la mojabilidad de los adhesivos muy viscosos.

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b) Permitiendo la adhesión de sustratos difíciles de unir. c) Creando una capa de mayor energía superficial. d) Aumentando la vida de servicio de la unión adhesiva. e) Mejorando la adhesión de los adhesivos 3. Mejora las propiedades cohesivas de sustratos porosos. 4. Flexibilización del tratamiento superficial. 5. Generación de características particulares: a) Reduciendo la penetración de la humedad. b) Eliminando rugosidad superficial. 6. Absorción e inclusión de la suciedad superficial inherente a ciertos sustratos. 7. Protección de la interfase adhesiva frente a la radiación UV. Existen ciertas imprimaciones que se pueden emplear para activar la superficie de polímeros difíciles de adherir. Todos los polímeros tienen en común una marcada apolaridad que dificulta el mojado del adhesivo y, como consecuencia, sólo son capaces de generar enlaces intermoleculares de baja energía. Estas imprimaciones se recomiendan para adherir poliolefinas, politetrafluoroetileno y siliconas, entre otros. Se diseñan para su uso con cianocrilatos debido al mecanismo de curado y a la elevada polaridad de estos adhesivos.

3.2.4 Tratamientos mediante plasma

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El tratamiento mediante plasma a baja presión se comenzó a utilizar con profusión desde 1960. El plasma pude ser generado en el aire (descarga corona) o a presión reducida (“glow discharge”). En lugar de un gas (aire, amoníaco, argón, nitrógeno, oxígeno, tetrafluorometano, etc.) se puede emplear un polímero, produciendo un efecto que se conoce con el nombre de “grafting”. Mediante este método se pueden lograr grosores controlados y reproducibles que actúan como primers. Fundamentalmente los efectos que produce el tratamiento con plasma sobre los sustratos son los siguientes: •

Limpieza superficial.

•

Degradación de las zonas superficiales.

•

Reticulación de los polímeros en la superficie.

•

Polimerización y “grafting” en la superficie del sustrato.

•

Implantación iónica.

Figura 14: Tratamiento de plasma a baja presión

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La técnica de descarga en corona consiste en hacer pasar la película de polímero sobre un electrodo metálico recubierto de un material dieléctrico al que se le hace llegar un alto voltaje procedente de un generador de alta frecuencia (10 – 20 kHz). Normalmente el voltaje se incrementa en ciclos hasta que se ioniza el gas, generándose un plasma a presión atmosférica que se conoce como “descarga corona”.

Figura 15: Tratamiento de descarga en corona Es, por tanto, un tratamiento muy utilizado para materiales poliméricos. Mediante él, pueden obtenerse mejoras en la calidad superficial de entre diez y unos cuantos cientos de veces, dependiendo del substrato y del gas empleado. Todo esto ha hecho que el tratamiento mediante plasma se haya consolidado como un método muy empleado en piezas pequeñas, que quepan en las cámaras de vacío. El tratamiento de plasma dota a las piezas de una estabilidad química mayor que otros tratamientos para polímeros. Las piezas tratadas con plasma pueden ser almacenadas durante una semana o más en desecadores.

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4 MATERIALES COMPUESTOS 4.1 Introducción Debido a su bajo peso y sus altas propiedades mecánicas, los materiales compuestos tienden a sustituir a los metálicos en muchas aplicaciones aeronáuticas. No obstante, el uso de estos materiales provoca dudas acerca de su comportamiento con respecto a la tribología, envejecimiento y adhesión. Idealmente una estructura de materiales compuestos debería estar hecha de una sola pieza, sin uniones ni fisuras. Esto no es siempre posible, las uniones son muy frecuentes, aunque son fuente de debilidades, fatiga o exceso de peso. Además las técnicas tradicionales de unión no son válidas para los materiales compuestos, con lo que la adhesión se perfila como la solución a los problemas de unión.

4.2 Tratamientos superficiales en materiales compuestos 4.2.1 Introducción Los materiales compuestos presentan energías superficiales semejantes a las tensiones superficiales típicas de los adhesivos, por lo que es necesario aplicar algunos pretratamientos a las superficies. En algunos casos, como son las resinas termoendurecibles, la aplicación de un disolvente con un trapo puede ser suficiente, pero en el caso de aplicaciones aeroespaciales estructurales se puede necesitar un desengrasado acompañado de una abrasión mecánica.

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Los composites de matriz termoplástico necesitan tratamientos especiales para aumentar su energía superficial, ya que la limpieza con disolventes y la abrasión no son suficientes. Los tratamientos químicos de superficies poliméricas son más complicados que en superficies metálicas y requieren consideraciones especiales. Los polímeros normalmente contienen pigmentos, antioxidantes, agentes deslizantes, etc. que pueden migrar de la superficie e interferir o alterar el tratamiento superficial. Pequeñas variaciones en la formulación o el proceso de fabricación pueden tener importantes cambios en la superficie o en la forma de operación del tratamiento. Más importante es, sin embargo el hecho de que los tratamientos superficiales en este tipo de materiales están sujetos en gran medida al grado de manipulación al que se sometan las piezas después. Ciertos tratamientos pueden ser eliminados mediante frotado o rayado o exponiendo la pieza a altas temperaturas. Por ello, lo mejor es pegar las superficies tratadas cuanto antes sea posible después de ser tratadas. Debido a los múltiples inconvenientes que presentan los tratamientos químicos en materiales compuestos, se han desarrollado otros tratamientos físicos alternativos, tales como llama, descargas eléctricas, plasma, radiaciones UV o láser.

4.2.2 Descarga por corona Este proceso surgió para conseguir que las superficies de los materiales compuestos fuera más permeable a tintas o baños, sin embargo también ha sido empleado como un pretratamiento efectivo para adhesivos. El principio en que se basa en producir la oxidación de la superficie del polímero con el fin de hacerlo más receptivo a tintas o adhesivos, ya que estos podrán penetrar en la rugosidad superficial de la capa oxidada.

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Requiere un equipo que es barato, limpio y fácilmente adaptable a procesos en línea. Los parámetros que afectan a la eficiencia de este tratamiento son la temperatura y la potencia eléctrica, la humedad y la velocidad de la línea.

4.2.3 Tratamientos de llama Consiste en la exposición de la superficie a una llama por un tiempo inferior a unos pocos segundos. Este tratamiento abrasa los contaminantes y oxida la superficie de forma similar al tratamiento de descarga por corona. El tratamiento por llama produce una superficie polar que es propicia la adhesión. Se trata de un proceso automatizable, aunque también existen equipos portátiles, tales como antorchas o mecheros Bunsen, con peores resultados. De todos modos no se trata de un proceso tan eficiente como la descarga por corona.

4.2.4 Tratamientos de plasma Se trata de un proceso empleado cuando se requiere una adhesión excepcional. Los materiales con baja energía superficial son tratados con plasma, lo cual incrementa su fuerza entre diez y varios cientos de veces. Operacionalmente el plasma se diferencia de la corona y de la llama en que el proceso se completa a presión menor que la atmosférica y con gases diferentes del aire. La principal diferencia entre este proceso y la descarga con corona es, además de la naturaleza del gas, la presión del plasma. Con la técnica de tratamiento mediante plasma, un gas a baja presión es activado con radio-frecuencia o microondas. Es un tratamiento que afecta tan sólo a una profundidad de unas cuantas moléculas y que requiere un tiempo muy corto de aplicación (entre segundos y minutos)

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4.2.6 Radiación UV Este tratamiento comienza aplicando un sensibilizante lumínico a la superficie de la pieza que se pretende tratar, que más tarde será brevemente expuesta a una fuente de luz ultravioleta. Esto provoca cambios químicos en la superficie, incluyendo un incremento de la humectabilidad, lo que incrementa las propiedades físicas necesarias para la adhesión. En realidad lo que produce es una degradación controlada de la superficie del material, dejando una superficie más favorable al pegado.

4.3 Mecanizado de materiales compuestos y herramientas especiales 4.3.1 Introducción Mecanizar un material compuesto de matriz polimérica puede ser llevado a cabo mediante herramientas tradicionales, o bien mediante nuevas tecnologías, tales como corte mediante chorro de agua a presión con partículas abrasivas. Incluso cuando se utilizan las técnicas tradicionales hacen falta herramientas y parámetros de corte espaciales, debido a la naturaleza abrasiva de las fibras de carbono o el peligro de sobrecalentar y delaminar la pieza. Es por esto que el material de las herramientas y su geometría, la alimentación, la velocidad y la rigidez del proceso son normalmente más estrictos que los normalmente utilizados para estructuras metálicas. Algunas pautas generales para mecanizar los materiales compuestos son: •

Son materiales abrasivos por naturaleza. Por ello, hay que tomar precauciones para evitar que las partículas no entren en contacto con las partes de precisión, tanto de la

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propia máquina como del entorno. El polvo de estos materiales puede causar el envejecimiento prematuro, no solo de las herramientas, sino también de la máquina. •

El polvo puede causar disfunciones o cortocircuitos en las componentes eléctricas. Por ello, todos los componentes electrónicos deben ser convenientemente sellados y tener instalados filtros para prevenir problemas.

Pueden utilizarse herramientas de carburo, sin embargo su vida es muy limitada debido al carácter abrasivo de las partículas de estos materiales. Los recubrimientos especiales, tales como nitruro de titanio (TiN) han probado ser eficaces para estos usos, y también aquellas herramientas recubiertas de diamante.

4.3.2 Mecanizado mediante agua a presión El corte por agua a presión con partículas abrasivas normalmente produce menos fuerza de corte que cualquier otro método mecánico y normalmente solo requiere de unas abrazaderas para sujetar la pieza. Además, este método no genera una zona afectada térmicamente y puede detenerse en una zona sin por ello aumentar el ancho de corte. Como inconvenientes, es necesario el uso de protección auditiva, debido a que se trata de un proceso sumamente ruidoso, y también un buen equipo de filtrado para el agua.

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Figura 16: Cabezal típico de inyección de agua con partículas abrasivas

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5 MECÁNICA DE FRACTURA ADHESIVA El fallo de un adhesivo puede estudiarse como el proceso de fractura que se deriva de la propagación de una grieta a lo largo de la intercara entre las fases adherentes. La mecánica de la fractura generalizada ofrece la capacidad de analizar los fallos adhesivos separando la contribución de la intercara de la proveniente de los adherentes involucrados en la resistencia de la unión. El análisis nos permite entender el proceso de fallo separando el efecto de las modificaciones en las distintas fases de la unión adhesiva.

Figura 17: Esquema de los tres modos de fractura: Modo I (desgarro), Modo II (cortadura), Modo III (arranque) [MADR00] Según esta teoría, se considera la propagación de una grieta que ya existe. Para su estudio se consideran dos etapas: •

Se define un parámetro de fractura que controla si la grieta crece o no crece. El crecimiento de la grieta se identifica con un valor crítico del parámetro, por debajo del cual la grieta es estable.

•

Este parámetro se expresa como una magnitud de unidades medibles, tales como tensiones o deformaciones aplicadas al sistema y las dimensiones de la probeta de

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ensayo. El parámetro de fractura se puede derivar de forma empírica a partir de los valores de las variables que producen la propagación de la fractura. El parámetro crítico de fractura corresponde, sin embargo, a una propiedad intrínseca del sistema independiente de la configuración y de la forma de cargar la probeta. Para modo de fallo cohesivo es una propiedad del sólido y para modo de fallo adhesivo es una propiedad de las fases adherentes. Normalmente el parámetro crítico depende de la velocidad de solicitación y de la temperatura. El valor mínimo de los parámetros críticos de fractura yace en el hecho de que, para un sistema dado, los valores son independientes de la configuración o del modo de solicitación y solo dependen del modo de propagación de la grieta. Esto permite su empleo en el diseño y la caracterización de cualquier tipo de unión adhesiva. La mecánica de fractura elástica lineal define un parámetro de cálculo de tensiones K que refleja la intensidad media del campo alrededor de la grieta. El fallo se produce cuando K alcanza el valor crítico Kc. La teoría elástica lineal proporciona también un segundo parámetro de fractura. Es la energía requerida para crear una unidad de área de la superficie de fractura G. Nuevamente hay un valor crítico Gc al cual la grieta empieza a propagarse. Mediante una ecuación dependiente de la configuración se obtiene G como una magnitud medible. Tanto K como G se definen únicamente para sólidos elásticos lineales. Por desgracia muchos materiales no lo son. Incluso los materiales que se comportan de forma lineal a

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bajas deformaciones, presentan una elevada plasticidad alrededor del fondo de la fisura como consecuencia de las altas tensiones allí desarrolladas.

Figura 18: Modelo elástico-plástico simple para la zona de deformación plástica en el fondo de una grieta en un adhesivo entre dos sustratos de elevado límite elástico. [MADR00]

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B. MEMORIA EXPERIMENTAL:


MATERIALES Y EQUIPOS
PROCEDIMIENTO
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
CONCLUSIONES
LÍNEAS DE TRABAJOS FUTUROS

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1. MATERIALES Y EQUIPOS 1.1 Materiales 1.1.1

Adhesivos

El adhesivo empleado en todas las uniones realizadas en este proyecto es el Loctite H4800 Speedbonder. Este adhesivo acrílico de la compañía Loctite Corporation es un adhesivo acrílico tenaz bicomponente con una relación 10:1 cuyo curado tiene lugar a temperatura ambiente. Las características técnicas de este adhesivo se encuentran en las hojas técnicas. Así mismo la composición química y los riesgos de su manipulación están descritos en las hojas de seguridad. Ambos documentos se adjuntan en los anexos.

Figura 20: Adhesivo LOCTITE H4800 con boquilla y pistola para su aplicación

1.1.2

Adherentes

Este estudio se ha centrad o en los materiales compuestos como materiales adherente para realizar los ensayos debido a que en los últimos tiempos, en numerosos ámbitos,

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este tipo de materiales están relegando a los metálicos para muchas aplicaciones estructurales. Los materiales seleccionados han sido: ● GRP ● CFRP Suministrados por Carbon Composite. En los anexos se adjuntan las propiedades de los mismos.

1.2 Equipos 1.2.1

Máquina de ensayos universal

La totalidad de los ensayos DCB (ensayo de la doble viga en voladizo) y SLS (cizalla por tracción) han tenido lugar en una máquina universal de ensayos Ibertest, dotada de unas células de carga de 20KN, 2KN y 0,5KN y un transductor de desplazamiento. Más adelante se describirá con detalle los procedimientos de los ensayos, la deformación que tiene lugar en la probeta, la colocación de la misma en la máquina universal y los útiles necesarios para ello. En la siguiente figura se muestra la máquina universal en la que se han realizado los ensayos.

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Figura 21: Máquina de ensayos universal

1.2.2

Chorreadora de alúmina

El chorreador de alúmina usado es el que se ilustra en la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.22 consta de dos pulverizadores, dos recipientes que contienen Al203 de distintos tamaños de partícula, un extractor de alúmina, un medidor de presión y la carcasa en la que se hace el ensayo de granallado. Las condiciones de ensayo en esta máquina han sido de presión P = 2,5 bar y un tamaño de grano de alúmina de 50µm.

1.2.3

Goniómetro óptico

Para la medición del ángulo de contacto se utilizaron unas probetas de 25x50mm y un equipo de medición como el que se adjunta en la fotografía.

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Figura 22 Medidor de ángulo de contacto

1.2.4

Microscopio electrónico de barrido

La topografía de las superficies obtenidas por los distintos tratamientos superficiales fueron examinadas mediante microscopia electrónica de barrido con un Microscopio Philips X-30 operando a 10kV. Las probetas fueron cubiertas de carbono antes del análisis mediante un sistema de sputtering.

Figura 23 Microscopio electrónico de barrido

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1.2.5

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Rugosímetro

La rugosidad de las caras fue evaluada por un rugosímetro de contacto Mitutoyo Surftest SJ-201P con un palpador de radio de punta de 5 µm . Se realizaron tres medidas en cada probeta con una longitud de exposición de 4 mm.

Figura 24 Rugosímetro

1.2.6

Útiles necesarios para el ensayo DCB

Como ya se ha comentado, la colocación de las probetas DCB en la máquina universal requiere de unas mordazas especiales para su sujeción de tal forma que puedan realizarse los ensayos de una manera correcta. También podría utilizarse las mordazas comunes de los ensayos de tracción colocando bisagras de piano en las probetas o haciendo un taladro transversal en las probetas tal y como se define en el protocolo de ensayos. Las probetas DCB (cuyas dimensiones y geometría quedan reflejadas en los planos adjuntos en el apartado en el que se explica detalladamente el protocolo a seguir para la

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realización del ensayo y en los anexos) tienen cuatro taladros roscados para atornillar los bloques de carga (cuyo plano también se puede ver en los anexos). Cada bloque de carga (uno atornillado a cada adherente) posee otro taladro transversal donde se aloja un pasador que atraviesa también los útiles acoplados a la máquina de ensayos.

Figura 25: Mordazas necesarias para realizar los ensayos DCB

1.2.7

Útiles necesarios para el ensayo de rotura en cuña

Las probetas WT (cuyas dimensiones y geometría quedan reflejadas en los planos adjuntos en el apartado en el que se explica detalladamente el protocolo a seguir para la realización del ensayo y en los anexos) son muy sencillas y sólo requieren de la inserción de una cuña normalizada (cuyo plano también se puede ver en los anexos).

1.2.8

Útiles necesarios para el ensayo de cizalla por tracción

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La colocación de las probetas SLS en la máquina universal requiere de unas mordazas especiales para su sujeción de tal forma que puedan realizarse los ensayos de una manera correcta. Las probetas SLS (cuyas dimensiones y geometría quedan reflejadas en los planos adjuntos en el apartado en el que se explica detalladamente el protocolo a seguir para la realización del ensayo y en los anexos) son muy sencillas y no requieren más utillaje que el ya nombrado.

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2 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 2.1 Introducción A continuación se procederá a la descripción detallada de todos los pasos seguidos para la obtención final de los resultados, empezando con la descripción de los tratamientos superficiales, pegado de las probetas, ensayo DCB y ensayo de durabilidad y ensayo de rotura en cuña. La parte experimental del proyecto que nos ocupa consta de tres partes: •

Estudio de la influencia del tratamiento superficial del adherente

•

Estudio de la durabilidad.

Los resultados de cada uno de ellos se explicarán más adelante.

2.2 Descripción de los tratamientos superficiales A continuación se va a describir cada uno de los tratamientos superficiales que se han realizado sobre las probetas.

2.2.1 Limpieza superficial Para la limpieza superficial de las probetas se ha empleado un disolvente orgánico, metil etil cetona (MEK). Con un papel tissue impregnado de MEK se ha limpiado la superficie a pegar de las probetas realizando varias pasadas hasta que éste quedase limpio. De esta forma se eliminan los restos de contaminantes orgánicos de la superficie

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de las probetas, así como todas las marcas de tinta correspondientes a la identificación de las probetas. Una vez que las probetas han sido limpiadas con el disolvente, se las somete a un proceso de secado en una estufa a 100ºC durante 30 min. Se trata de un procedimiento básico para la realización de ensayos en adhesivos, con lo cual precede a todo el resto de tratamientos superficiales aplicados con posterioridad.

2.2.2 Chorreado con alúmina El chorreado con alúmina o granallado se realiza tras la limpieza superficial de las probetas. Consistió en pulverizar la superficie a adherir de las probetas con Al2O3 de tamaño de partícula: 50 µm Para realizar el granallado se hizo uso de un equipo especial provisto de tres pulverizadores. Cada uno de ellos se corresponde con los recipientes que contienen Al2O3 de distintos tamaños de partícula. Para que la superficie a tratar quede de manera uniforme, es conveniente pulverizarla manteniendo siempre el punto de salida del chorro a la misma altura. Otro factor que hay que vigilar es la presión. La presión empleada a la hora de preparar superficialmente las probetas mediante el tratamiento de chorreado con alúmina ha sido en todos los casos de P =2.5bar, aproximadamente. Después de realizar todo este proceso, se vuelve a realizar un desengrasado con MEK y el correspondiente posterior secado a 100ºC durante 30min.

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2.2.3 Silanzación El tratamiento mediante agentes de enlace silanos se ha realizado combinándolo con otros tratamientos superficiales. Se ha llevado a cabo, por tanto, tras la limpieza superficial y después del chorreado. El procedimiento de silanización empleado con el silano concreto γ – MPS (metacriloxi propil trimetoxi) es el siguiente: •

En un vaso de precipitados perfectamente limpio de 1l de capacidad se agrega agua desionizada, sobrepasando ligeramente la capacidad máxima del vaso escogido.

•

Ajustamos el pH del agua utilizando ácido acético (AcH) hasta conseguir un pH de 4 aproximadamente. Para echar la cantidad necesaria de AcH y conseguir el pH deseado, empleamos un gotero especial para ello. El pH lo medimos con la ayuda de un pHmetro.

•

Una vez ajustado el pH se pasa a un matriz aforado de 2l y se agregan 20 ml de silano y posteriormente se enrasa con el agua ajustada a pH de 4 para preparar en solución con una concentración del 1% de γ – MPS

•

La mezcla contenida en el matraz aforado se agita con un agitador magnético durante 60 min para hidrolizar el silano.

•

Una vez que ha pasado este tiempo, se colocan las probetas que van a ser tratadas en unas bandejas limpias y aptas para soportar elevadas temperaturas.

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•

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Se vierte sobre las probetas de las bandejas la solución de γ - MPS hasta cubrir por completo la superficie que se quiere tratar. Las probetas permanecen sumergidas en la solución de γ - MPS durante 10 minutos.

•

Cuando han transcurrido los 10 minutos, se sacan las probetas de la solución de γ MPS y se dejan secar durante 5 o 10 minutos, tiempo en el cual han de lavarse las bandejas con sumo cuidado.

•

Se colocan las probetas en las bandejas limpias y con papel de aluminio y se introducen en el horno durante 60 min a una temperatura de 100°C

•

Al cabo de 1hora se sacan del horno y se dejan enfriar para proceder al pegado de las mismas. R-Si(OR’)3

CH3

3H2O

O CH3 H2C

O

3R’OH

O

Si

O

O CH3

CH3

1. HIDROLISIS R-Si(OH)3 2Si(OH)x

2H2O

2. CONDENSACION

OH

R

R

|

|

Si

O

Si

R | O

Si

|

|

|

OH

OH

OH

OH

+ OH

OH

OH

ADHERENTE

Figura 26: Molécula de γ- MPS y esquema del proceso de silanización

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En resumen, las variables del proceso de silanización son las siguientes: ● Concentración de γ – MPS:

1%

● pH:

4

● tiempo de hidrólisis:

60 min

● tiempo de hidrólisis :

10 min

● temperatura de secado:

100ºC

● tiempo de secado:

60 min

2.2.4 Tratamiento con plasma atmosférico El tratamiento con plasma se realiza después de haber desengrasado la pieza con MEK. Consiste en la aplicación de un chorro de gas ionizado a presión atmosférica sobre las probetas a tratar, con diferentes parámetros según sea la naturaleza del sustrato. Las características de este tratamiento para los materiales objeto de esta investigación han sido: •

Para CFRP una velocidad de pasada de 5m/min con una distancia entre la boquilla y el sustrato de 7mm.

•

Para GRP una velocidad de pasada de 8m/mm con una distancia entre la boquilla y el sustrato de 6mm.

2.3 Pegado de las probetas

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Una vez que las probetas han sido preparadas superficialmente, se procede al pegado de las mismas con el adhesivo elegido, Loctite H4800 Speedbonder. Dependiendo del estudio que se realizara, ensayo DCB, ensayo de rotura en cuña o ensayo de cizalla por tracción, el espesor de adhesivo ha variado y ha tomado valores de 0,75, 0,5 y 1mm respectivamente. Para conseguir el espesor deseado se ha utilizado alambre de distintos diámetros y se ha utilizado a modo de separador entre los dos adherentes a unir. Después se aplica el adhesivo en forma de cordón continuo ayudados de la pistola y la boquilla correspondientes. Para mantener los dos adherentes perfectamente unidos se ha colocado una pinza en cada extremo de la probeta ya pegada. Ésta se dejará curar durante un mínimo de 2 días, aunque el adhesivo cura mucho antes. Cuando ya ha curado el adhesivo, se eliminan las rebabas de adhesivo que sobresalen de la probeta con una lijadora.

2.4 Ensayo de doble viga en voladiza (DCB) 2.4.1 Introducción Con el ensayo DCB se pretende determinar la tasa de liberación de energía o energía liberada en la fractura (GIc), para los distintos tipos de tratamientos superficiales descritos. Los ensayos se realizaron siguiendo un protocolo elaborado por Blackman y Kinloch [BLAC00], pero añadiendo alguna modificación que se explicará más adelante.

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El cálculo de la energía liberada en la fractura (GIc) se obtuvo a partir del método de la viga simple corregido, partiendo de la siguiente expresión:

Gc =

P 2 ∂C ⋅ 2 ⋅ B ∂a

(1)

Donde: P: carga medida en el ensayo. B: ancho de la probeta. A: longitud de la grieta. C: flexibilidad de la probeta Aplicando la teoría de la viga simple se obtenemos:

∆=

2 Pa 3 2a 3 por tanto, C = 3EI 3EI

(2)

La flexibilidad se define como el cociente entre el desplazamiento y la carga; δ/P, y es proporcional a la longitud de grieta elevada al cubo. C=

δ P

∝ a3

(3)

En la siguiente figura se muestra la probeta empleada en los ensayos DCB:

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Figura 27: Probeta del ensayo DCB El valor de la energía en modo I en función de la geometría, se determina según: ( Pa )2 GIc = BEI eff

(4)

Donde: EIeff : rigidez efectiva del sistema substrato/adhesivo. B: espesor de la probeta. El ensayo DCB se realiza aplicando un desplazamiento a velocidad constante de los bloques de carga, hasta que la grieta se haya propagado a lo largo de la probeta. Los valores de carga y desplazamiento son registrados en intervalos de tiempo a lo largo del ensayo, permitiendo el cálculo de la flexibilidad. Los valores de longitud de grieta son medidos y recogidos periódicamente durante la propagación de la misma a lo largo de la unión adhesiva.

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La raíz cúbica de la flexibilidad (C) y la longitud de grieta (a) siguen una relación lineal. La pendiente, m, y la ordenada en el origen, b, se calculan a partir de:

2 3EI eff

m=

x=

b m

(5)

(6)

Figura 28: Curva de flexibilidad – longitud de grieta, con corrección de esta última El valor de la flexibilidad de una probeta DCB, según la teoría de la viga simple, desestima la flexibilidad debida a las imperfecciones de construcción de la probeta. Para corregir dicho efecto, se considera la viga conteniendo una grieta ligeramente mas larga; (a +∆x∆). Este incremento ∆x∆ puede obtenerse experimentalmente realizando una gráfica de la raíz cúbica de la flexibilidad frente a la longitud de grieta. Empleando el método descrito en el apartado anterior, se puede calcular la energía liberada en la fractura para cada longitud de grieta como:

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G=

3 Pδ F ⋅ 2B a + ∆ N

(

)

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(7)

Siendo: a: longitud de la grieta

∆: longitud equivalente aparente de la grieta B: espesor de la probeta

δ: desplazamiento en el punto de aplicación de la carga F: factor de corrección del desplazamiento N: factor de corrección de carga Las expresiones de los factores de corrección, F y N, son las siguientes: 9 δ  l  9  l  δl N = 1 −  2  − [1 −  2  ] 21 −   35  a  a 8 a a 3

F = 1−

2

3  δ  3  δ l1   −   10  a  2  a 2 

2

(8)

(9)

Donde l1 es la distancia desde el centro del bloque de carga hasta la mitad del espesor del adherente, y l2 es la distancia desde el centro del bloque de carga hasta el final de éste en la dirección longitudinal de la probeta.

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2.4.2 Metodología seguida para la realización de los ensayos DCB Una vez que las probetas están listas y siguiendo lo que dice el protocolo de ensayos, se mide el espesor de adhesivo de cada probeta con la ayuda de un micrómetro en tres puntos: a 30 mm de cada extremo y en el punto medio de la probeta. Obtenemos un valor medio de espesor de adhesivo de cada lote de probetas con el mismo valor de espesor. Antes de comenzar el ensayo es necesario provocar una grieta inicial en la probeta, para ello empleamos una cuña que introducimos ligeramente dándole unos golpes con un martillo hasta que se consigue una grieta de 35 – 50 mm. Ésta es una de las diferencias con respecto al protocolo del ensayo de Blackman y Kinloch que dice que la pregrieta de la probeta se debe realizar introduciendo en ésta última una lámina de teflón de 17 mm. Una vez que ha sido creada la grieta inicial del ensayo, se colocan los bloques de carga en la misma, y ésta se coloca en la máquina de ensayos descrita anteriormente. Las condiciones de velocidad a las que se han realizado los ensayos son: •

Vcarga = 1 mm/min

La carga aplicada comienza a aumentar hasta alcanzar un máximo y a partir de ahí, ésta disminuye y la grieta comienza a crecer. Esperamos hasta que la grieta haya alcanzado una longitud determinada que en la mayoría de los ensayos realizados este valor se corresponde con 60 mm de grieta. En este momento se empieza a tomar medidas con la ayuda de una lupa. Nos encontramos entonces ante otra variación con respecto al protocolo de ensayo, ya que éste indica que se deben realizar ciclos de carga y descarga

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inicial. Sin embargo, comparando resultados de ensayos DCB realizados exactamente como manda el protocolo, con los que se han obtenido en este proyecto, se observa que no hay variación considerable y que, por lo tanto, es lícito realizar los ensayos con un único ciclo de carga y descarga. Las medidas de carga, carrera y longitud de grieta se toman cada milímetro durante los cinco primeros y los cinco últimos milímetros y entre medias se toman datos cada 5 mm. El ensayo durará el tiempo que tarda la grieta en propagarse 65 mm. Por último, resaltar que en cada uno de los ensayos DCB se toman 21 datos, con lo que se obtienen 21 valores de energía liberada en la fractura. Los datos de todos los ensayos realizados en el proyecto, con sus gráficas correspondientes, se pueden ver claramente en los anexos.

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2.4.3 Planos de las probetas de ensayos DCB

Figura 29: Probeta DCB

2.5 Ensayo de rotura en cuña (WT) 2.5.1 Introducción Una de las partes que comprenden este proyecto es el estudio de la durabilidad de las uniones bajo distintas condiciones de temperatura y humedad, habiendo preparado superficialmente las probetas con diferentes tratamientos superficiales: •

Limpieza superficial con MEK

•

Limpieza superficial + Grit Blasting

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•

Limpieza superficial + Grit Blasting + γ - MPS

•

Limpieza superficial + Plasma

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Se ha realizado un estudio de durabilidad para un tiempos de envejecimiento distintos, 10 días y 3 meses y habiendo preparado 3 probetas por cada tratamiento superficial.

2.5.2 Condiciones de envejecimiento La primera condición de durabilidad consiste en exponer a las probetas a una humedad relativa del 95 ± 5 % (aproximadamente) y a una temperatura de 50 ± 2°C, condiciones ambientales muy poco favorables para las uniones adhesivas y como demuestran otros ensayos ya realizados con este adhesivo. Para conseguir estas condiciones se metieron las probetas en unos frascos con cierre hermético. En dichos frascos se pusieron unos separadores con agujeros. Por debajo de ellos se echó un poco de agua y por encima se colocaron las probetas. De esta forma cuando el frasco se cierra la humedad obtenida es, aproximadamente, del 100%. Por último, se metieron los frascos en el horno a una temperatura de 50°C.

2.5.3 Metodología seguida para la realización del ensayo WT Los ensayos de rotura en cuña se realizaron siguiendo las especificaciones de la norma UNE – EN 14444 Las probetas deben prepararse a partir de la unión de dos láminas, pegadas como se indica en la figura 30. Antes de pegar las láminas, tras el extremo de la zona de pegar,

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se deposita una plaquita de aluminio impregnada en cera con el fin de evitar el pegado fuera de la zona requerida.

Figura 30 Probeta WT Para cada probeta se determina el espesor medio de la capa de adhesivo tras el pegado. Para realizar esta determinación, se efectúan tres medidas sobre cada probeta, con una precisión de 0,01mm y se calcula la media. Se introduce una cuña en cada probeta. Para ello, se extrae la plaquita de aluminio impregnada en cera que había sido insertada para evitar el pegado y se coloca la cuña en su lugar. La inserción de la misma debe ser lenta y regular, de forma que el extremo y los bordes estén al mismo nivel que los bordes de la probeta. Con ayuda de una lupa binocular, se determina la posición de la grieta sobre cada lado de la probeta y se marca esta posición con una línea fina e indeleble. Se mide la grieta inicial, en milímetros, a partir del punto de contacto cuña-adherente hasta la marca, sobre cada borde de la probeta. Se anota la longitud inicial de la grieta y se deja reposar 24h con el fin de que la grieta se estabilice. Una vez pasado el día de estabilización se mide la grieta inicial y se somete la probeta a envejecimiento en las condiciones explicadas con anterioridad. Se van tomando

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medidas de la evolución de la grieta pasadas en función del tiempo. Las medidas se realizaron a 2, 4, 6, 12 y 24 h y posteriormente cada día hasta la primera semana y luego semanalmente hasta completar los 45 días.

2.5.4 Planos de las probetas de ensayos WT

Figura 31 Dimensiones normalizadas de la cuña a insertar

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Figura 32 Dimensiones normalizadas de las probetas WT

2.6 Ensayo de cizalla por tracción (SLS) 2.6.1 Introducción y metodología La evaluación de la eficacia del tratamiento superficial se realizó mediante ensayos de cizalla por tracción. Las dimensiones de las probetas se prepararon de acuerdo a la norma UNE EN 1465. Durante el pegado de las probetas de cizalla por tracción se empleó un útil para asegurar su alineamiento y un espesor uniforme del adhesivo (1 ±

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0,1 mm) en la línea de adhesión. Este proceso facilitó enormemente la labor de pegado ya que se fijaba el espesor de adhesivo y solamente se tenía control sobre el solape empleado en el ensayo. Al útil se le aplicaba una capa de cera para evitar la adherencia de las probetas. Una vez aplicado el adhesivo con la pistola utilizando una boquilla mezcladora se pone un peso de 50 N (para mantener el espesor del adhesivo en 1mm), posteriormente se elimina el exceso de adhesivo y se deja en el útil de montaje durante 24 horas. Después de las 24 horas de curado en el útil empleado a tal efecto se almacenaron en un desecador hasta el momento de ensayarlas. Para cada condición de ensayo se emplearon 3 probetas sometidas a idénticas condiciones. Después se introdujeron en el medio de envejecimiento en el que permanecen el tiempo estimado en cada uno de los grupos que se verán a continuación (45 días). De esta forma cuando transcurre este tiempo se sacan del medio en que estén y se procede con el ensayo de cizalla por tracción. Las condiciones ambientales de ensayo fueron 22 ± 2°C y un humedad relativa de 40 ± 5%. Una vez terminado el ensayo se anotó la fuerza de rotura y se asignó el modo de fallo siguiendo la nomenclatura de la norma UNE EN ISO 10365. El ensayo de cizalladura por tracción es el más empleado para caracterizar las uniones adhesivas debido a su facilidad de realización y por su simplicidad, además de ser representativo de muchas de las uniones adhesivas empleadas en la industria. Sin embargo los estudios realizados en este tipo de uniones demuestran que la distribución de tensiones sobre el adhesivo no es uniforme (figura 33), por lo cual generalmente, el valor obtenido es la carga máxima aplicada sobre la unión, y no la tensión. La

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excentricidad axial que existe en este ensayo, de acuerdo con la norma, genera un estado de tensiones de cizalladura y de tracción (pelado), las cuales se localizan en los extremos de la zona de solapamiento. Las tensiones de pelado constituyen el factor principal en la fractura de estas uniones, al facilitar la iniciación y propagación de la grieta en esta zona.

Figura 33 Esfuerzos en el ensayo de cizalla por tracción

Figura 34 Desalineamiento de las cargas al realizar la tracción y deformación producida en al probeta

Los factores geométricos que se consideran de forma general a la hora de caracterizar un adhesivo, son la anchura de la adhesión, la longitud de solapamiento y los espesores de adhesivo y substratos. La resistencia a cortadura es directamente proporcional a la

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anchura de solapamiento. Sin embargo, la relación entre longitud de solapamiento y resistencia de la unión no es lineal.

2.6.2 Planos de probetas de ensayos SLS

Figura 35 Dimensiones normalizadas de las probetas SLS

2.7 Medida del ángulo de contacto 2.7.1 Introducción La mojabilidad, que es la capacidad que tiene un líquido de extenderse sobre un sólido, tiene importantes implicaciones en la adhesión. Los líquidos mojan a los sólidos que tienen mayor energía superficial debido a que la suma de energía total se minimiza cuando el sólido está cubierto por el líquido, que tiene una energía superficial más baja. El contacto íntimo necesario entre el sustrato y el adhesivo para alcanzar una buena adhesión requiere que éste moje bien a aquél. La mojabilidad y la energía superficial son determinados mediante la medida del ángulo de contacto. Los ángulos de contacto,

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medidos con un goniómetro, son más bajos cuanto mejor se puede mojar la superficie, llegando incluso al límite de 0º para mojabilidad total. Habitualmente, reducciones en el ángulo de contacto provocan incrementos de la adhesión. Por esta razón, la mojabilidad es utilizada como un indicador de la adhesión. El ángulo de contacto (θls) de un líquido (l) sobre un sólido (s) viene dado por la ecuación de Young:

cos θ =

γ sv − γ sl γ lv

(10)

Donde γsv es la energía libre de un sólido en equilibrio con el vapor saturado del líquido,

γlv es la energía superficial del líquido en equilibrio con el solidó y γsl es la energía libre interfacial sólido-líquido.

γ sv − γ sl ≤ γ lv

(11)

A partir de la ecuación de Young, Dupre introdujo el trabajo de adhesión entre un sólido y un líquido WA, en la forma de la siguiente ecuación:

WA = γ sv + γ lv − γ sl

(12)

Fowkes sugirió que la energía superficial de un sólido o de un líquido es la suma de dos componentes, una dispersiva ( γ d ) y polar ( γ p ); e.g.,

γ lv = γ ld + γ lp γ sv = γ sd + γ sp

(13)

La componente dispersiva teóricamente tiene en cuenta las fuerzas de van der Waals y las interacciones no puntuales que una superficie de un sólido puede tener con un líquido. La componente polar tiene en cuenta los dipolos permanentes, los dipolos

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inducidos, puentes de hidrógeno y otras interacciones puntuales que una superficie de un sólido puede tener con un líquido. La teoría de Fowkes define que la energía adhesiva entre un sólido y un líquido se puede separar en las interacciones entre las componentes dispersivas de las dos fases y las componentes polares de las dos fases, de tal manera que el trabajo de adhesión es igual a:

WA = 2 ⋅ [ γ ld ⋅ γ sd + γ lp ⋅ γ sp ]

(14)

Combinando la aproximación de Fowkes con la ecuación de Young (10) y la del trabajo de adhesión de Dupre (12), se obtiene la siguiente ecuación:

(1 + cos θ 2 )γ l = 2 ⋅ γ ld γ sd + 2 ⋅ γ lpγ sp

(15)

Puesto que la ecuación anterior tiene dos incógnitas es necesario el empleo de dos líquidos para determinar el ángulo de contacto. Wu consideró que la media armónica proporciona resultados mas consistentes para interacciones entre sistemas de baja energía superficial (tales como adhesivos y líquidos sobre polímetros), mientras que la media geométrica es más apropiada para sistemas de alta energía superficial (tal como adhesivos sobre metales)

 γ dγ d γ pγ p  (1 + cos θ 2 )γ l = 4 ⋅  d l s d + pl s p   γl +γs γl +γs 

(16)

2.7.2 Metodología a seguir para la determinación del ángulo de contacto

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- 86 -

Las medidas de ángulo de contacto se realizaron con un goniómetro óptico con cámara de video. Las medidas se tomaron a temperatura ambiente, realizando la medida de los ángulos a ambos lados de la gota. El volumen de la gota fue de 4 µl. Se emplearon cinco gotas en cada medida realizada. Los líquidos empleados en estas medidas fueron agua desionizada, nitrometano y 1,5 pentanediol.

2.8 Estudio del acabado superficial 2.8.1 Rugosidad Para observar con mayor detalle las superficies de sustrato resultantes de la aplicación de los tratamientos superficiales y ver el efecto de cada uno de ellos, se han realizado medidas de rugosidad en las superficies de los adherentes de GRP y CFRP con cada uno de los tratamientos superficiales descritos anteriormente. No se ha considerado necesario medir la rugosidad de las superficies tratadas con el método de γ - MPS, ya que la aplicación de estos promotores de la adhesión no altera la morfología superficial. La capa de γ - MPS adherida al aluminio tratado superficialmente, provocará, como mucho, el suavizado de la rugosidad superficial. Para la realización de las medidas de rugosidad hemos utilizado un rugosímetro.

2.8.2 Microscopía Electrónica

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- 87 -

Se realizaron fotografías de la morfología superficial de las probetas preparadas con cada uno de los tratamientos superficiales empleando para ello un microscopio electrónico con una tensión de 10 KV y utilizando aumentos de entre 100 y 2500. Antes de introducir las probetas en la cámara de vacío del microscopio, fue necesario recubrirlas con una capa de carbono mediante un proceso denominado sputtering, con el fin de conseguir una superficie conductora.

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- 88 -

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1 Medidas de rugosidad Las medidas de rugosidad obtenidas se muestran en la siguiente tabla: Material GRP

CFRP

Tratamiento superficial Limpieza superficial (MEK) Chorreado con arena Silanizado Plasma Limpieza superficial (MEK) Chorreado con arena Silanizado Procedimiento P2

Rugosidad Ra (µm) 1,065 1,12 1,11 1,07 1,05 1,17 1,15 1,04

Tabla 1: Medidas de rugosidad A la vista de la Tabla 1 cabe destacar que los valores obtenidos de rugosidad para cada uno de los tratamientos superficiales no presentan grandes diferencias unos respecto a otros, y sin embargo, las fotografías realizadas con el microscopio electrónico muestran grandes diferencias en la morfología superficial. Esta diferencia puede ser debida a que, para rugosidades pequeñas, el palpador del que está provisto el rugosímetro empleado no es capaz de determinar las variaciones en la rugosidad, ya que su punta era de 5µm. Esto podría ser solucionado empleando otras técnicas más precisas como la microscopía de fuerza atómica (AFM). Las fotografías realizadas en el microscopio electrónico de los distintos substratos tratados superficialmente se pueden observar a continuación:

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(a)

(c)

- 89 -

(b)

(d)

Figura 36: Imágenes obtenida mediante SEM de las superficies tratadas mediante desengrasado con MEK: (a) CFRP 1200x, (b) CFRP 2500 x, (c) GRP 50x, (d) GRP 2500x En las Figuras 36 (a) y (b) se aprecia la dirección de la fibra de carbono debajo de las primeras capas de resina. En este caso, estas fotografías valen también para comparar con los otros tratamientos realizados, ya que el desengrasado no modifica la morfología superficial. En las micrografías de los substratos de GRP (Figuras 36 b y c), no se

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- 90 -

distingue rastro alguno de las fibras. Sin embargo, sí que pueden apreciarse los poros que se forman en el material debido al proceso de curado de la resina epoxi.

(a)

(c)

(b)

(d)

Figura 37 Imágenes obtenida mediante SEM de las superficies tratadas mediante chorreado con alúmina: (a) CFRP a 1200x, (b)CFRP a 2500x, (c) GRP a 500x, (d) GRP a 2500x.

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- 91 -

En las Figuras 37 (a) y (b) se puede observar claramente la degradación que el chorreado provoca en la superficie de la resina, llegando en algunos casos a provocar roturas de las propias fibras de carbono. En las Figuras 37 (c) y (d) también se observa un cambio en la superficie de la resina. Sin embargo, en este caso no se ha llegado a acceder a las fibras de vidrio. Es notable destacar que, en la Figura 37 (b) se aprecia con claridad una partícula incrustada en el sustrato. Al realizar un análisis EDX de la misma, se pudo observar que se trata de una partícula de alúmina procedente del chorreado. Dicho análisis puede ser contemplado en la Figura 38.

Figura 38: Espectro análisis mediante EDX de la partícula marcada en la figura 37b

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(a)

(c)

- 92 -

(b)

(d)

Figura 39:Imágenes obtenidas mediante SEM de las superficies tratadas mediante plasma atmosférico: (a) CFRP a 1200x, (b) CFRP a 2500x, (c) GRP a 500x, (d) GRP a 2500x. Se puede comprobar, a la vista de la Figura 39, cómo el plasma apenas modifica la morfología superficial de los sustratos, puesto que afecta tan sólo a una profundidad de unos pocos nanómetros, modificando únicamente la fisicoquímica de la superficie, tal como se verá más adelante en la medida de la energía superficial.

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- 93 -

No sólo se tomaron fotografías de las superficies de los materiales, sino también de los bordes de las probetas, con el fin de observar las disposiciones de las fibras en el corte. Los resultados de este análisis están a la vista en la Figura 40

(a)

(b)

Figura 40: Imágenes obtenidas mediante SEM de los bordes de las probetas: (a) CFRP a 1000x, (b) GRP a 350x

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- 94 -

3.2 Estudio de la influencia del tratamiento superficial sobre la energía superficial de los substratos Ya se ha comentado con anterioridad que los diferentes tratamientos superficiales provocan cambios en la energía superficial de los substratos. La determinación de la energía superficial se ha hecho mediante la medición del ángulo de contacto. Este ensayo no se ha realizado sobre las probetas tratadas con silano, debido a que, aunque se puede producir una variación en la energía superficial, el mecanismo de unión mediante el agente de enlace no depende de la energía superficial, sino del enlace que se produce entre el silano y el adhesivo. Empleando el método de Owens-Wendt se han determinado las componentes polares y dispersivas de la energía superficial, siendo la energía total la suma de ambas. Los resultados obtenidos en este ensayo se muestran en la siguiente tabla:

GRP ST1 γD

CFRP

ST2 γP

γD

ST4 γP

15,8 18,6 27,8 15,9

γD 9,0

ST1 γP

γD

55,7 26,7

ST2

ST4

γP

γD

γP

γD

γP

7,2

33,1

6,6

9,0

57,4

Γ 34,4

43,7

61,7

33,9

39,7

66,4

Tabla 2: Resultados obtenidos del estudio de la influencia del tratamiento superficial sobre la energía superficial de los substratos

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 95 -

Según puede observarse en la Tabla 2, el tratamiento que ofrece una mejor mojabilidad del adhesivo es el plasma, seguido del chorreado con alúmina, aunque este último presenta una mojabilidad mucho menor. Las siguientes imágenes muestran los diferentes ángulos de contacto obtenidos en la realización del ensayo

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

Figura 41: (a) CFRP ST1 gota de agua, (b) CFRP ST1 gota de nitrometano, (c) CFRP ST1 gota de 1.5pentanediol y (d) GRP ST1 gota de agua, (e) GRP ST1 gota de nitrometano, (f) GRP ST1 gota de 1.5pentanediol

En la Figura 41 se observa que el ángulo de contacto una vez realizada la limpieza superficial no resulta ser demasiado grande. Por ello, en los resultados, es el tratamiento que presenta una energía superficial menor

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(a)

(c)

- 96 -

(b)

(d)

Figura 42: (a) CFRP ST2 gota de agua, (b) CFRP ST2 gota de 1.5pentanediol, (c) y (d) GRP ST2 gota de agua

Es importante observar que, en el caso del chorreado con alúmina y con uso de agua, en muchas ocasiones el ángulo de contacto resultó ser mayor que 90º. Esto puede ser debido al incremento de la rugosidad de la probeta al realizar el tratamiento. Sin embargo, nótese que esto no supone una reducción de la energía superficial porque, con en resto de líquidos empleados, la mojabilidad resultó haber sido incrementada sustancialmente, hasta el punto de que las gotas de nitrometano fueron imposibles de fotografiar debido a que su ángulo de contacto era demasiado pequeño.

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(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

- 97 -

Figura 43: (a) CFRP ST4 gota de agua, (b) CFRP ST4 gota de nitrometano, (c) CFRP ST4 gota de 1.5pentanediol y (d) GRP ST4 gota de agua, (e) GRP ST4 gota de nitrometano, (f) GRP ST1 gota de 1.5pentanediol En la Figura 43 puede observarse con claridad que el tratamiento que proporciona un ángulo de contacto menor es el tratamiento mediante plasma y, por tanto, será el que dé como resultado una mayor energía superficial, tal y como queda reflejado en la Tabla 2. Sin embargo y como se verá más adelante, esto no ha mejorado el comportamiento de la unión, debido a que con este tratamiento no se consigue un buen anclaje del adhesivo a la superficie del material compuesto.

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- 98 -

3.3 Estudio de la influencia del tratamiento superficial en el comportamiento frente a la fractura 3.3.1 Introducción Como se ha comentado con anterioridad, el objeto de este proyecto es determinar qué tratamiento superficial es más adecuado. Para ello se han realizado distintos tipos de ensayo con el fin de determinar el valor de la energía liberada en la fractura (Gc), el valor de la tensión de rotura, la velocidad de propagación de una grieta y el tipo de rotura producida en cada caso.

Los tratamientos superficiales empleados en el estudio son los siguientes: •

Limpieza superficial con MEK

ST1

•

Chorreado con alúmina

ST2

•

Silanizado

ST3

•

Plasma

ST4

3.2.2 Ensayo DCB Como ya se ha comentado, de cada ensayo se obtienen en torno a veinte valores de Gc. Con ellos, calculamos un valor medio de energía liberada en la fractura para cada ensayo y con éstos, a su vez, obtenemos un valor medio de Gc para cada lote de probetas preparadas con el mismo tratamiento superficial.

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- 99 -

En las siguientes tablas se recogen los resultados obtenidos, según el procedimiento explicado anteriormente:

Gc (J / m2)

TRATAMIENTO SUPERFICIAL

MUESTRA

ST1

ST2

ST3

ST4

1

641,6

1519,7

2228,8

809,4

2

643,6

1535,5

1597,1

920,7

Media

642,6

1527,6

1913

879

Desv. típ, Sd

248,4

261,6

546,5

206,5

Tabla 3: Resultados obtenidos del estudio de la influencia del tratamiento superficial en CFRP mediante ensayo DCB

Gc (J / m2)

TRATAMIENTO SUPERFICIAL

MUESTRA

ST1

ST2

ST3

ST4

1

520,3

1788,4

1454,1

493,4

2

757

1803,8

777,5

406,6

Media

638,65

1796,1

1115,8

450

Desv. típ, Sd

112,9

128,3

203,1

90,8

Tabla 4: Resultados obtenidos del estudio de la influencia del tratamiento superficial en GRP mediante ensayo DCB A la vista de los resultados, y como apreciación principal, se puede afirmar que la elección del tratamiento superficial anterior a la adhesión es decisiva. Se observa que los tratamientos superficiales más adecuados son el ataque chorreado con alúmina y el silanizado, puesto que tienen un valor medio de Gc considerablemente superior a los demás, lo que indica una mayor tenacidad a la fractura.

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- 100 -

En la siguiente gráfica podemos ver con total claridad las conclusiones obtenidas:

Energía de fractura (J/m2)

2500 2000 1500

CFRP GRP

1000 500 0 ST1

ST2

ST3

ST4

Tratamientos superficiales

Gráfica 1: Resultados de ensayo DCB Habría que destacar que, en ambos materiales, con los tratamientos superficiales de chorreado con alúmina y silanizado, la fractura no se ha producido a través del adhesivo, sino que se ha propagado por el substrato, produciéndose una delaminación, que consiste en la propagación de la grieta por las primeras capas del substrato, en vez de por el adhesivo o por la interfase. Esto es debido a dos causas: por un lado, el tratamiento superficial ha resultado ser sumamente efectivo, generando una fuerza de adhesión tan elevada que ha impedido la propagación de la grieta por la interfase; por otro lado, la tenacidad a la fractura del adhesivo es mayor que la del material compuesto, provocando la propagación de la grieta por esta último.

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(a)

- 101 -

(b)

Figura 44: (a) delaminación en CFRP, (b) delaminación en GRP

Además, no todas las fracturas han sido cohesivas, es decir, la rotura no siempre ah tenido lugar a través del adhesivo, sino que algunas han sido adhesivas, la grieta se ha propagado por la interfase.

(a)

(b)

Figura 45: (a) Rotura cohesiva en probeta de GRP, (b) rotura adhesiva en probeta de CFRP

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- 102 -

3.2.3 Ensayo SLS En este ensayo, de cada probeta sólo se obtiene un valor, que es el correspondiente a la fuerza de tracción aplicada para provocar la fractura de la probeta En las siguientes tablas se muestran los resultados obtenidos según los diferentes substratos y tratamientos superficiales aplicados:

F(N)

TRATAMIENTO SUPERFICIAL

MUESTRA

ST1

ST2

ST3

ST4

1

2682

6701

6022

1941

2

2491

6031

5294

323

3

2608

6385

4587

3050

Media

2593

6372

5301

1771

Desv.Típ, Sd

96

336

718

1371

Tabla 5: Resultados obtenidos del estudio de la influencia del tratamiento superficial en CFRP mediante ensayo SLS

F(N)

TRATAMIENTO SUPERFICIAL

MUESTRA

ST1

ST2

ST3

ST4

1

707

5604

5588

578

2

1914

5674

5655

579

3

1301

6290

5436

-

Media

1307

5856

5560

579

Desv. Típ, Sd

603

377

112

1

Tabla 6: Resultados obtenidos del estudio de la influencia del tratamiento superficial en GRP mediante ensayo SLS

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 103 -

A la vista de los resultados, se confirman los resultados obtenidos en los ensayos de fractura. Así, los tratamientos de chorreado con alúmina y silanización proporcionan un mejor comportamiento que los otros tratamientos, puesto que han soportado una carga de tracción considerablemente superior a los demás, lo que indica una mayor resistencia a la fractura. En la siguiente gráfica podemos ver con total claridad las conclusiones obtenidas:

Fuerza de tracción (N)

7000 6000 5000 4000

CFRP

3000

GRP

2000 1000 0 ST1

ST2

ST3

ST4

Tratamientos superficiales

Gráfica 2: Resultados de ensayo SLS En la siguiente imagen se pueden observar las probetas de ambos substratos, una vez que se ha realizado sobre ellas el ensayo de cizalla por tracción. Al igual que en los ensayos DCB, no hay una diferencia notable entre el chorreado y la silanización.

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(a)

- 104 -

(b)

Figura 46: (a) SLS en CFRP, (b) SLS en GRP

3.2.4 Ensayo WT Aunque los ensayos SLS se realizaron después de que las probetas estuvieran expuestas a una atmósfera agresiva, se decidió realizar el ensayo de rotura en cuña, mucho más adecuado para determinar la durabilidad, ya que combina la exposición a una atmósfera agresiva junto con la tensión a la que las probetas están sometidas. Como ya se ha comentado, de cada ensayo se obtienen varios valores de la propagación de una grieta en el tiempo, y con ellos, calculamos un valor medio de energía liberada en la fractura en cada medida. En este caso se han mostrado ambas representaciones. Las siguientes gráficas muestran el crecimiento de grieta que se ha producido en ambos sustratos.

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- 105 -

Crecimiento grieta (mm)

25,0 20,0 ST1

15,0

ST2 ST3

10,0

ST4 5,0

8, 5 11 ,0 13 ,0 18 ,3 22 ,4 25 ,9 29 ,0 31 ,7 34 ,3

4, 9

2, 4

1, 4

0, 0

0,0

Tiempo (h^1/2)

Gráfico 3: Crecimiento de grieta en CFRP mediante ensayo WT

Crecimiento grieta (mm)

40,0 35,0 30,0 ST1

25,0

ST2

20,0

ST3

15,0

ST4

10,0 5,0

11 ,0 13 ,0 18 ,3 22 ,4 25 ,9 29 ,0 31 ,7 34 ,3

8, 5

4, 9

2, 4

1, 4

0, 0

0,0

Tiempo (h^1/2)

Gráfico 4: Crecimiento de grieta en GRP mediante ensayo WT En el caso de CFRP se observa que los tratamientos superficiales más adecuados son, de nuevo, el ataque chorreado con alúmina y el silanizado, ya que con ellos es con los que

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 106 -

se produce un crecimiento de grieta menor, lo que indica que la resistencia a la fractura es mayor. Las siguientes gráficas muestran la energía de fractura para ambos materiales, realizando una comparación de los diferentes tratamientos superficiales.

6000,0

Gic (J/m2)

5000,0 ST1

4000,0

ST2

3000,0

ST3

2000,0

ST4

1000,0 0,0 0,0 1,4 2,4 4,9 8,5 11,0 13,0 18,3 22,4 25,9 29,0 31,7 34,3 Tiempo (h^1/2)

Gráfico 5: Energía de fractura en CFRP mediante ensayo WT

6000,0

Gic (J/m2)

5000,0 4000,0

ST1 ST2

3000,0

ST3

2000,0

ST4

1000,0 0,0 0,0 1,4 2,4 4,9 8,5 11,0 13,0 18,3 22,4 25,9 29,0 31,7 34,3 Tiempo (h^1/2)

Gráfico 6: Energía de fractura en GRP mediante ensayo WT

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- 107 -

A la vista de estas imágenes, se llega a la conclusión de que, de nuevo, los tratamientos más efectivos son el chorreado con arena y la silanización, que son los que presentan energías de fractura más elevadas. En el ensayo de rotura en cuña, los valores iniciales de energía de fractura adhesiva son muy elevados debido a que la longitud de la grieta es muy corta y, por tanto, no se dan las condiciones para aplicar la ecuación de la viga simple. Cabe destacar que estos resultados con congruentes con los obtenidos en el ensayo DCB, ya que la energía de fractura, una vez que la grieta es suficientemente larga, son muy similares en ambos casos y para ambos substratos. Nótese que en el sustrato de GRP, dio un resultado inferior al obtenida con GB + γ-MPS y similar al desengrasado y al plasma, a diferencia de lo ocurrido en los ensayos DCB y SLS. Esto ha podido ser debido a una mala preparación superficial o a algún problema durante el pegado de las probetas. En la siguiente figura se observan unas probetas empleadas para este ensayo, tanto de CFRP como de GRP.

(a)

(b)

Figura 47: (a) WT en GRP, (b) WT en CFRP

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- 108 -

El mejor comportamiento del chorreado se debe en gran medida a la creación de una topografía superficial que aumenta el área disponible para la adhesión, además de permitir un mejor anclaje del adhesivo. Así mismo, el chorreado permite una eliminación de las capas superficiales del material compuesto, evitando la presencia de sustancias que empeoren la adhesión, tales como desmoldeantes empleados durante el proceso de fabricación. Otro resultado reseñable es que el tratamiento mediante plasma, a pesar de mejorar la mojabilidad del sustrato, no supone en la práctica una mejora en la adhesión

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- 109 -

4. CONCLUSIONES Las conclusiones obtenidas después de la realización de todos los tratamientos son las siguientes: 1) Los tratamientos superficiales de chorreado con alúmina y silanización con γ-MPS son los que proporcionan mejores resultados. 2) No está claro que el tratamiento de silanización mejore significativamente el comportamiento, ya que previo a este tratamiento los substratos fueron chorreados. Sería

necesario realizar ensayos donde se silanizaran los substratos sin haberlos

chorreado previamente para determinar su efecto. 3) El tratamiento mediante plasma, a pesar de haber mejorado sustancialmente la mojabilidad del substrato, no mejora el comportamiento de estas uniones. 4) Los resultados obtenidos con los tratamientos GB y γ-MPS son similares a los obtenidos con otros tipos de substratos, como en el caso del aluminio, del que ya hay estudios previos. 5) Los adhesivos acrílicos, con un tratamiento adecuado, proporcionan resistencias y energías de fractura adecuadas, pudiendo ser una alternativa viable en la unión de este tipo de materiales.

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5. LÍNEAS DE TRABAJO FUTURAS Las conclusiones extraídas a lo largo de este proyecto muestran una pequeña visión del comportamiento de las uniones adhesivas acrílicas. Existen muchos factores ambientales que no se han tenido en cuenta y diferentes tipos de ensayo que no se han realizado. Por, tanto, para alcanzar un conocimiento más amplio del comportamiento de las uniones con adhesivos acrílicos se podrían realizar los siguientes estudios: •

Estudio de la influencia del tratamiento de silanización en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica sin la realización de chorreado previo, con el fin de demostrar la eficacia de este tratamiento.

•

Ensayos en modo II y en modo mixto. Aunque el modo de carga al que más frecuentemente están sometidas las uniones adhesivas es el modo I, sería interesante estudiar los resultados obtenidos en los otros dos modos de fallo.

•

Análisis del comportamiento de la unión adhesiva empleando otros adhesivos acrílicos.

•

Análisis del comportamiento de la unión adhesiva empleando combinaciones entre los materiales compuestos empleados en este proyecto y substratos metálicos tales como el aluminio o el acero.

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C. BIBLIOGRAFÍA

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Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 114 -

[ASHC99] I.A. Ashcroft, D.J. Hughes, S.J. Shaw. “Mode I fracture of epoxy bonded composite joints: 1. Quasi-static loading”. International Journal of Adhesion and Adhesives. Elsevier. 1999.

[TROE04] Troels Thomsen. “Reliability of large rotor blades”. Business Development. LM Glassfiber. 2004.

[JACO04] Torben K. Jacobsen. “Strength scaling mecanics of polymer composites”. LM Glassfiber. 2004.

[ARMS95] K.B. Armstrong. “Effect of absorbed water in CFRP composites on adhesive bonding”. International Journal of Adhesion and Adhesives. Elsevier. 1995.

[NUNE06] Norma UNE-EN 14444. Adhesivos estructurales. Evaluación cualitativa de la durabilidad de las uniones encoladas. Ensayo de rotura en cuña (2006).

[NUNE96] Norma UNE EN 1465. Determinación de la resistencia a la cizalladura por tracción de juntas pegadas de substratos rígidos. (1996)

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

ANEXO 1 HOJA TÉCNICA DEL ADHESIVO

- 115 -

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 116 -

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 117 -

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 118 -

ANEXO 2 DATOS TÉCNICOS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS EMPLEADOS EN ESTE ESTUDIO

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 119 -

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 120 -

ANEXO 3 DATOS OBTENIDOS DEL ENSAYO DE DOBLE VIGA EN VOLADIZO CON GRP

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 121 -

ST-1-1 (MEK)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

ƒ (m)

Load (N)

Crack (m)

0,0107 0,011 0,0112 0,0119 0,0121 0,013 0,0135 0,0146 0,0159 0,0171 0,0193 0,023 0,0234 0,0239 0,0241 0,0264 0,0272 0,0296

90,8 88,7 87,6 87,5 84,1 84,8 83,8 81,1 70,7 71,2 70,8 68,7 66,8 64,2 60,1 59,1 56,6 54,5

0,06 0,061 0,062 0,063 0,07 0,075 0,08 0,085 0,09 0,095 0,1 0,105 0,111 0,115 0,12 0,125 0,13 0,135

Uncorr ected Compliance Gc Equatio n (1) 0,049 509,87 0,0499 503,7 0,0503 499,28 0,0514 519,75 0,0524 499,62 0,0535 528,82 0,0544 533,55 0,0564 538,46 0,0608 474,51 0,0622 503,64 0,0648 541,88 0,0694 584,27 0,0704 569,35 0,0719 547,98 0,0738 505,46 0,0764 524,81 0,0783 505,01 0,0815 507,83

F

N

Gc

Ef

0,9614 0,9613 0,9620 0,9601 0,9662 0,9685 0,971 0,9715 0,9715 0,9718 0,9700 0,9653 0,9682 0,9694 0,9715 0,9701 0,9712 0,9698

0,962 0,962 0,963 0,962 0,969 0,971 0,973 0,974 0,975 0,975 0,974 0,97 0,973 0,974 0,976 0,975 0,976 0,975

510 503 499 519 498 527 532 537 473 502 539 581 566 545 503 522 502 505

1,38E+11 1,35E+11 1,35E+11 1,30E+11 1,47E+11 1,57E+11 1,68E+11 1,68E+11 1,50E+11 1,55E+11 1,51E+11 1,35E+11 1,45E+11 1,46E+11 1,48E+11 1,45E+11 1,47E+11 1,41E+11

Static DCB Compliance

0,09

0,08

0,07 y = 0,4172x + 0,0234 2

Compliance (m/N^1/3)

0,06

R = 0,9768

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08 Crack Length (m)

0,1

0,12

0,14

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 122 -

Energía de fractura

700

600

Gc (J/m^2)

500

400

300

200

100

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08

Longitud de grieta, a (m)

0,1

0,12

0,14

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 123 -

ST-1-2 (MEK)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

ƒ (m)

Load (N)

Crack (m)

Compliance

0,0073 0,0079 0,0082 0,0085 0,0091 0,01 0,0112 0,0131 0,0134 0,0143 0,0155 0,0168 0,0179 0,0191 0,0198 0,0212 0,0233 0,0236

140,2 129,6 131,5 130,4 126,6 119,7 108,3 84,9 76,2 71,4 68,5 62,3 59,1 54,2 52,5 51,3 44,7 43,3

0,06 0,061 0,062 0,063 0,064 0,07 0,075 0,08 0,085 0,09 0,095 0,1 0,105 0,111 0,115 0,12 0,125 0,13

0,037 0,039 0,04 0,04 0,042 0,044 0,047 0,054 0,056 0,058 0,061 0,065 0,067 0,071 0,072 0,074 0,08 0,082

Uncorr ected Gc Equatio n (1) 1026,1 973,41 1024,3 1038,1 1040,4 1026,8 972,17 780,76 683,47 655,43 654,99 608,26 592,14 551,49 539,72 548,64 485,87 470,34

F

N

Gc

Ef

0,9759 0,9745 0,9738 0,9735 0,9723 0,9741 0,9738 0,9719 0,9746 0,9752 0,9752 0,9752 0,9754 0,9759 0,9766 0,9763 0,9751 0,9765

0,973 0,972 0,972 0,972 0,972 0,975 0,975 0,975 0,977 0,978 0,979 0,979 0,979 0,98 0,98 0,98 0,979 0,98

1029 976 1026 1039 1041 1026 971 779 682 653 653 606 590 549 538 546 484 468

5,25E+10 4,71E+10 4,78E+10 4,79E+10 4,57E+10 5,13E+10 5,05E+10 4,08E+10 4,32E+10 4,48E+10 4,64E+10 4,54E+10 4,66E+10 4,72E+10 4,92E+10 5,08E+10 4,54E+10 4,88E+10

Static DCB Compliance

0,09

0,08

0,07 y = 0,4172x + 0,0234 2

Compliance (m/N^1/3)

0,06

R = 0,9768

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08 Crack Length (m)

0,1

0,12

0,14

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 124 -

Energía de fractura

700

600

Gc (J/m^2)

500

400

300

200

100

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08

Longitud de grieta, a (m)

0,1

0,12

0,14

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 125 -

ST-2-1 (Grit Blasting)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

ƒ (m)

Load (N)

Crack (m)

0,0097 0,0102 0,0108 0,0121 0,0124 0,0129 0,0142 0,0157 0,0194 0,0216 0,0241 0,0269 0,0306 0,0324 0,0365 0,0418 0,0453

202,1 204,6 201,9 208,8 208,2 207,9 176,8 165,3 161,6 150,1 145,4 133,3 129 125,1 117,5 120,9 115,8

0,06 0,061 0,062 0,063 0,064 0,065 0,07 0,075 0,08 0,085 0,09 0,095 0,1 0,105 0,11 0,15 0,12

Uncorr ected Compliance Gc Equatio n (1) 0,0363 1548,6 0,0367 1624,8 0,0377 1667,8 0,0387 1873,8 0,0391 1904,6 0,0395 1943,5 0,0431 1672,0 0,0457 1637,3 0,0493 1825,7 0,0524 1776,5 0,0549 1834,4 0,0586 1756,2 0,0619 1832,0 0,0638 1828,8 0,0677 1819,2 0,0702 2071,3 0,0731 2062,0

F

N

Gc

Ef

0,9659 0,9651 0,9633 0,9593 0,9590 0,9585 0,9594 0,9595 0,9528 0,951 0,9494 0,9469 0,9421 0,9427 0,9376 0,9585 0,9265

0,965 0,965 0,964 0,961 0,961 0,961 0,963 0,964 0,959 0,958 0,957 0,955 0,952 0,952 0,948 0,965 0,939

1550 1625 1666 1870 1900 1938 1665 1629 1813 1763 1819 1740 1813 1810 1798 2056 2034

1,27E+11 1,27E+11 1,22E+11 1,17E+11 1,17E+11 1,17E+11 1,07E+11 1,06E+11 9,79E+10 9,44E+10 9,38E+10 8,79E+10 8,45E+10 8,73E+10 8,16E+10 1,66E+11 7,99E+10

St at ic D C B C o mp l iance

0,1

0,09

0,08 y = 0,6222x - 0,0008 R2 = 0,9987 0,07

0,06

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08 C r a c k Le ngt h ( m)

0,1

0,12

0,14

0,16

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 126 -

Energía de fractura

2500

2000

Gc (J/m^2)

1500

1000

500

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08 Longitud de grieta, a (m)

0,1

0,12

0,14

0,16

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 127 -

ST-3-1 (Silano)

1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

ƒ (m)

Load (N)

Crack (m)

0,0098 0,0102 0,0105 0,0111 0,0116 0,0134 0,015 0,0174 0,0181 0,0189 0,0225 0,026 0,0272 0,0301 0,0322

214 214,5 204,5 204,3 204,4 197,7 175,2 161,9 145,3 85,5 99,7 97,5 86,3 85 83,1

0,06 0,061 0,062 0,064 0,065 0,07 0,075 0,08 0,085 0,095 0,1 0,105 0,11 0,15 0,12

Uncorr ected Compliance Gc Equatio n (1) 0,0358 1747,5 0,0362 1797,9 0,0371 1718,9 0,0379 1786,9 0,0384 1834,9 0,0408 1933,7 0,0441 1774,7 0,0476 1766,5 0,0499 1565,9 0,0604 795,64 0,0608 1096,3 0,0644 1173,9 0,068 1026,3 0,0707 1076,1 0,0729 1092,3

F

N

Gc

Ef

0,9654 0,9649 0,9648 0,9644 0,9637 0,9624 0,9620 0,9592 0,9621 0,9677 0,9629 0,9585 0,9598 0,9749 0,9567

0,965 0,965 0,965 0,965 0,965 0,965 0,966 0,964 0,967 0,972 0,968 0,965 0,966 0,979 0,964

1748 1798 1718 1785 1832 1927 1767 1757 1557 792 1090 1165 1019 1071 1084

1,09E+11 1,10E+11 1,06E+11 1,07E+11 1,07E+11 1,07E+11 1,01E+11 9,37E+10 9,48E+10 7,12E+10 7,94E+10 7,58E+10 7,27E+10 1,50E+11 7,42E+10

St at ic D C B C o mp l iance

0,1

0,09

0,08

y = 0,6533x - 0,0041 R2 = 0,9929

0,07

0,06

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08 C r a c k Le ngt h ( m)

0,1

0,12

0,14

0,16

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 128 -

ST-3-2 (Silano)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

ƒ (m)

Load (N)

Crack (m)

0,0076 0,0082 0,0088 0,0094 0,0102 0,0122 0,0136 0,0151 0,0174 0,0199 0,0203 0,0225 0,0264 0,0282

164,5 168,9 126,5 126,5 119,2 113,6 103,6 102,8 98,6 92,9 91,2 90,7 84,2 82,1

0,06 0,061 0,062 0,065 0,07 0,075 0,08 0,085 0,09 0,095 0,1 0,105 0,11 0,15

Uncorr ected Compliance Gc Equatio n (1) 0,036 882,8 0,036 962,91 0,041 686,58 0,042 715,98 0,044 701,39 0,048 740,72 0,051 704,63 0,053 747,39 0,056 777,04 0,06 784,93 0,061 775,30 0,063 825,83 0,068 830,82 0,07 839,25

F

N

Gc

Ef

0,9747 0,9732 0,9717 0,9722 0,9733 0,9709 0,9706 0,9702 0,9678 0,9653 0,9679 0,9663 0,9615 0,9772

0,972 0,971 0,971 0,972 0,974 0,973 0,974 0,974 0,972 0,971 0,973 0,972 0,968 0,981

885 965 687 716 701 739 702 745 773 781 771 821 825 836

2,25E+11 2,20E+11 1,58E+11 1,63E+11 1,63E+11 1,49E+11 1,39E+11 1,41E+11 1,32E+11 1,22E+11 1,32E+11 1,31E+11 1,15E+11 2,20E+11

St at ic D C B C o mp l iance

0,09

0,08

0,07 y = 0,4234x +0,0155 R2 = 0,873

0,06

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08 C r a c k Le ngt h ( m)

0,1

0,12

0,14

0,16

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 129 -

Ener g ía d e f r act ur a

1200

1000

800

600

400

200

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08 Longi t ud de gr i e t a , a ( m)

0,1

0,12

0,14

0,16

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 130 -

ST-4-1 (Plasma)

1 2 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

ƒ (m)

Load (N)

Crack (m)

0,0067 0,0072 0,0078 0,0079 0,0084 0,0093 0,0101 0,0121 0,0142 0,0158 0,0174 0,0201 0,0216 0,0259

97,5 98,1 91,9 88,4 86,3 86,7 85,6 89,6 86,1 78 73,5 76,5 76,6 76,5

0,06 0,061 0,063 0,064 0,065 0,07 0,075 0,08 0,085 0,09 0,095 0,1 0,105 0,11

Uncorr ected Compliance Gc Equatio n (1) 0,041 383,45 0,0418 403,6 0,0439 391,10 0,0447 375,81 0,0459 377,01 0,0475 408,18 0,049 423,10 0,0513 506,72 0,0549 536,49 0,0588 504,45 0,0619 496,94 0,064 576,63 0,0656 605,84 0,0697 682,28

F

N

Gc

Ef

0,9781 0,9771 0,9763 0,9766 0,9758 0,9761 0,9771 0,9748 0,9724 0,9717 0,9711 0,9683 0,9682 0,9626

0,974 0,974 0,974 0,975 0,974 0,976 0,977 0,976 0,975 0,975 0,975 0,973 0,973 0,968

385 405 392 376 377 408 423 506 535 503 495 574 603 678

2,25E+11 2,18E+11 1,99E+11 1,93E+11 1,83E+11 1,88E+11 1,94E+11 1,90E+11 1,73E+11 1,58E+11 1,50E+11 1,49E+11 1,53E+11 1,40E+11

St at ic D C B C o mp l iance

0,1

0,09

0,08 y = 0,5436x +0,0092 R2 = 0,9897

0,07

0,06

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08 C r a c k Le ngt h ( m)

0,1

0,12

0,14

0,16

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 131 -

Energía de fractura

700

600

Gc (J/m^2)

500

400

300

200

100

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08 Longitud de grieta, a (m)

0,1

0,12

0,14

0,16

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 132 -

ST-4-2 (Plasma)

1 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

ƒ (m)

Load (N)

Crack (m)

0,0079 0,0082 0,0089 0,0101 0,0107 0,0115 0,0128 0,0149 0,0168 0,0188 0,02 0,0227

112,1 98,3 91,2 75,8 70,7 68,1 63,6 65,7 68,3 62,9 62,5 64

0,06 0,065 0,07 0,075 0,08 0,085 0,09 0,095 0,1 0,105 0,11 0,15

Uncorr ected Compliance Gc Equatio n (1) 0,041305 503,37 0,043694 433,12 0,046108 415,16 0,051143 352,84 0,053341 333,91 0,055209 331,88 0,058526 325,3 0,060942 376,38 0,062656 429,96 0,066872 415,39 0,068422 429,35 0,070786 481,86

F

0,973 0,976 0,977 0,977 0,978 0,979 0,979 0,977 0,975 0,974 0,974 0,983

N

Gc

Ef

0,971 0,975 0,977 0,978 0,98 0,981 0,981 0,98 0,979 0,978 0,978 0,986

505 434 415 353 333 331 325 375 428 414 428 480

2,50E+11 2,41E+11 2,32E+11 1,92E+11 1,89E+11 1,91E+11 1,78E+11 1,74E+11 1,77E+11 1,60E+11 1,63E+11 2,85E+11

Static DCB Compliance

0,1 0,09 0,08 y = 0,5504x + 0,0085 2

R = 0,9934

Compliance (m/N^1/3)

0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0

0,02

0,04

0,06

0,08 Crack Length (m)

0,1

0,12

0,14

0,16

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 133 -

Ener g ía d e f r act ur a

600

500

400

300

200

100

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08 Longi t ud de gr i e t a , a ( m)

0,1

0,12

0,14

0,16

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 134 -

ANEXO 4 DATOS OBTENIDOS DEL ENSAYO DE DOBLE VIGA EN VOLADIZO CON CFRP

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 135 -

ST-1-1 (MEK)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

ƒ (m)

Load (N)

Crack (m)

0,0106 0,011 0,0115 0,013 0,0137 0,0149 0,016 0,0167 0,0169 0,0179 0,0191 0,0196 0,0209 0,0232 0,0275

147,3 147,9 123 88,1 77,8 74,4 67 58,7 58,1 55,3 52,5 51,6 50,5 51,3 54,1

0,06 0,061 0,065 0,075 0,08 0,085 0,09 0,095 0,1 0,105 0,111 0,115 0,12 0,125 0,13

Uncorr ected Compliance Gc Equatio n (1) 0,042 1202,2 0,042 1233,6 0,045 995,64 0,053 694,23 0,056 606,67 0,058 605,13 0,062 551,17 0,066 476,25 0,066 473,33 0,069 460,84 0,071 448,38 0,072 447,00 0,074 452,15 0,077 495,92 0,08 596,04

F

N

Gc

Ef

0,9618 0,9616 0,9641 0,9683 0,9704 0,9707 0,9714 0,9727 0,975 0,9755 0,9761 0,9768 0,9768 0,9752 0,9707

0,962 0,962 0,966 0,971 0,973 0,974 0,975 0,976 0,979 0,979 0,98 0,98 0,981 0,979 0,976

1202 1233 994 692 605 603 549 474 472 459 447 445 450 494 593

8,84E+10 8,93E+10 8,18E+10 7,18E+10 7,05E+10 7,15E+10 6,89E+10 6,59E+10 7,32E+10 7,41E+10 7,59E+10 7,92E+10 8,12E+10 8,21E+10 8,05E+10

Static DCB Compliance

0,09

0,08

0,07 y = 0,5328x + 0,0119 2

Compliance (m/N^1/3)

R = 0,9813 0,06

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08 Crack Length (m)

0,1

0,12

0,14

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 136 -

Energía de fractura

1400

1200

Gc (J/m^2)

1000

800

600

400

200

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08

Longitud de grieta, a (m)

0,1

0,12

0,14

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 137 -

ST-2-1 (Grit Blasting)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

ƒ (m)

Load (N)

Crack (m)

0,0091 0,0092 0,0096 0,0101 0,011 0,0117 0,0128 0,015 0,0178 0,0194 0,0218 0,0241 0,0252 0,0272 0,0316 0,032 0,0328 0,037

238 215,4 226,7 156,8 165,1 124,6 131,8 121,3 121,7 108,7 105,3 104,3 99,5 88 92,7 85,1 79 80,1

0,06 0,061 0,062 0,063 0,064 0,07 0,075 0,08 0,085 0,09 0,095 0,1 0,105 0,11 0,115 0,12 0,125 0,13

Uncorr ected Compliance Gc Equatio n (1) 0,03366 2421,7 0,03493 2135,6 0,03482 2350,6 0,04011 1492,4 0,0405 1686,9 0,04548 1211,3 0,04599 1386,0 0,0498 1376,5 0,05268 1550,5 0,05632 1413,9 0,05917 1464,3 0,06135 1544,5 0,06329 1495,8 0,06757 1333,9 0,06982 1580,3 0,07221 1424,5 0,07463 1311,4 0,0773 1446,3

F

0,969 0,969 0,969 0,967 0,965 0,968 0,969 0,967 0,963 0,963 0,961 0,959 0,96 0,96 0,954 0,957 0,959 0,954

N

Gc

Ef

0,967 0,968 0,968 0,967 0,966 0,970 0,971 0,970 0,967 0,968 0,966 0,965 0,966 0,966 0,962 0,964 0,966 0,962

2425 2138 2352 1492 1685 1209 1382 1371 1542 1406 1455 1534 1486 1324 1567 1413 1302 1434

5,79E+10 5,47E+10 5,80E+10 3,99E+10 4,06E+10 3,80E+10 4,56E+10 4,38E+10 4,45E+10 4,34E+10 4,42E+10 4,63E+10 4,91E+10 4,65E+10 4,80E+10 4,96E+10 5,10E+10 5,15E+10

Static DCB Compliance

0,08

0,07

0,06

y = 0,6288x - 0,0014 2

Compliance (m/N^1/3)

R = 0,981 0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08 Crack Length (m)

0,1

0,12

0,14

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 138 -

Energía de fractura 3000

2500

Gc (J/m^2)

2000

1500

1000

500

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08

Longitud de grieta, a (m)

0,1

0,12

0,14

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 139 -

ST-3-1 (Silano)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

ƒ (m)

Load (N)

Crack (m)

0,0112 0,0117 0,0118 0,0133 0,014 0,0153 0,019 0,02 0,0233 0,0284 0,0337

328,2 238,5 244,6 285 149,7 164,5 176,9 138,1 116,9 108,1 98,2

0,06 0,061 0,062 0,063 0,075 0,08 0,085 0,09 0,1 0,11 0,125

Uncorr ected Compliance Gc Equatio n (1) 0,0324 3992,0 0,0366 2691,5 0,0364 2801,0 0,036 3713,4 0,0454 1629,3 0,0453 1958,5 0,0475 2492,6 0,0525 1853,5 0,0584 1643,1 0,0641 1691,9 0,07 1668,3

F

0,959 0,958 0,959 0,954 0,965 0,966 0,959 0,961 0,961 0,957 0,957

N

Gc

Ef

0,96 0,96 0,961 0,957 0,969 0,97 0,965 0,967 0,967 0,964 0,965

3988 2687 2796 3701 1624 1951 2478 1842 1632 1679 1655

6,76E+10 4,93E+10 5,27E+10 5,71E+10 4,91E+10 6,03E+10 6,25E+10 5,53E+10 5,54E+10 5,58E+10 6,30E+10

Static DCB Compliance

0,08

0,07

0,06

y = 0,564x + 0,001 2

Compliance (m/N^1/3)

R = 0,9872 0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08 Crack Length (m)

0,1

0,12

0,14

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 140 -

Energy Release Rate 4500

4000

3500

Gc (J/m^2)

3000

2500

2000

1500

1000

500

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08

Crack Length, a (m)

0,1

0,12

0,14

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 141 -

ST-3-1 (Silano)

1 2 3 4 5 6 7 8

ƒ (m)

Load (N)

Crack (m)

0,0108 0,0113 0,0145 0,0158 0,019 0,0235 0,0314 0,0315

209,2 184 205,2 155,7 121,2 114,2 82,4 83

0,06 0,068 0,07 0,085 0,098 0,103 0,125 0,13

Uncorr ected Compliance Gc Equatio n (1) 0,03719 1948,1 0,03943 1694,2 0,04132 2314,2 0,04659 1693,9 0,05392 1374,6 0,05905 1463,5 0,07247 1147,7 0,07242 1163

F

N

Gc

Ef

0,9612 0,968 0,9584 0,9684 0,9694 0,9628 0,9615 0,9642

0,961 0,969 0,962 0,972 0,974 0,968 0,968 0,970

1947 1692 2305 1687 1368 1454 1140 1155

6,39E+10 7,61E+10 7,11E+10 8,60E+10 8,30E+10 7,23E+10 6,79E+10 7,63E+10

St at ic D C B C o mp l iance

0,08

0,07

y = 0,5364x +0,0032

0,06

R2 = 0,9876

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

0 0

0,02

0,04

0,06 C r a c k Le ngt h ( m)

0,08

0,1

0,12

0,14

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 142 -

Ener g y R el ease R at e

2500

2000

1500

1000

500

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08

C r a c k Le ngt h, a ( m)

0,1

0,12

0,14

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 143 -

ST-4-1 (Plasma)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

ƒ (m)

Load (N)

Crack (m)

0,0073 0,0075 0,008 0,0084 0,0085 0,009 0,0108 0,0128 0,0136 0,0148 0,0182 0,0211 0,0219 0,0242 0,0281

125,8 121 113,4 103,2 101,4 102,2 97,8 93,2 90,4 90,8 87,2 89,9 90,2 90 91,2

0,06 0,061 0,064 0,065 0,07 0,075 0,08 0,085 0,09 0,095 0,1 0,105 0,11 0,115 0,12

Uncorr ected Compliance Gc Equatio n (1) 0,03879 674,25 0,03961 650,59 0,04132 621,81 0,04325 564,26 0,0437 556,01 0,04447 585,09 0,04799 623,9 0,05162 655,53 0,05317 654,36 0,05467 697,99 0,05931 757,46 0,06167 870,65 0,06241 897,6 0,06452 954,9 0,06754 1074,6

F

0,976 0,976 0,976 0,976 0,979 0,98 0,978 0,976 0,977 0,977 0,972 0,969 0,97 0,969 0,965

N

Gc

Ef

0,973 0,973 0,975 0,975 0,978 0,98 0,979 0,978 0,979 0,98 0,976 0,974 0,975 0,974 0,971

676 652 623 565 556 585 623 654 653 696 754 866 893 950 1068

1,13E+11 1,10E+11 1,08E+11 9,72E+10 1,12E+11 1,24E+11 1,15E+11 1,06E+11 1,11E+11 1,17E+11 1,03E+11 1,03E+11 1,12E+11 1,13E+11 1,09E+11

Static DCB Compliance 0,08

0,07

0,06

Compliance (m/N^1/3)

y = 0,4723x + 0,0108 2

R = 0,991

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08 Crack Length (m)

0,1

0,12

0,14

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 144 -

Energy Release Rate 1200

1000

800

600

400

200

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08

C r a c k L e ngt h, a ( m )

0,1

0,12

0,14

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 145 -

ST-4-2 (Plasma)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

ƒ (m)

Load (N)

Crack (m)

0,0099 0,01 0,0104 0,0107 0,0113 0,0117 0,013 0,0143 0,0153 0,0157 0,0164 0,0184 0,0196 0,0212 0,0236 0,0261 0,0276 0,029

142,4 137,6 131,3 126,7 116,2 113,2 100,5 82,8 73,9 72,2 71 65,5 57 55,6 56,4 53,7 52 51,9

0,06 0,062 0,063 0,064 0,065 0,07 0,075 0,08 0,085 0,09 0,095 0,1 0,105 0,11 0,115 0,12 0,125 0,13

Uncorr ected Compliance Gc Equatio n (1) 0,041077 1259,0 0,041731 1213,3 0,04296 1170,7 0,043914 1139,1 0,045945 1048,8 0,046903 1037,3 0,050561 950,11 0,055689 782,37 0,059133 702,67 0,06016 694,22 0,061332 697,75 0,065516 677,63 0,070106 587,59 0,072491 597,76 0,074764 654,27 0,078624 655,95 0,080946 651,95 0,082384 672,72

F

0,965 0,967 0,966 0,966 0,965 0,968 0,968 0,969 0,97 0,972 0,973 0,972 0,972 0,972 0,97 0,968 0,968 0,968

N

Gc

Ef

0,965 0,967 0,967 0,967 0,966 0,97 0,971 0,972 0,973 0,976 0,977 0,976 0,976 0,976 0,975 0,974 0,974 0,974

1259 1213 1170 1138 1047 1035 947 780 700 692 695 675 585 595 651 652 648 669

5,15E+10 5,37E+10 5,14E+10 5,02E+10 4,56E+10 5,26E+10 5,06E+10 4,52E+10 4,46E+10 4,97E+10 5,46E+10 5,16E+10 4,83E+10 4,97E+10 5,13E+10 4,96E+10 5,10E+10 5,41E+10

St at ic D C B C o mp l iance

0,08

0,07 y = 0,616x +0,0046 R2 = 0,9912

0,06

0,05

0,04

0,03

0,02

0,01

0 0

0,02

0,04

0,06 C r a c k Le ngt h ( m)

0,08

0,1

0,12

0,14

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 146 -

Energy Release Rate

1400

1200

Gc (J/m^2)

1000

800

600

400

200

0 0

0,02

0,04

0,06

0,08

Crack Length, a (m)

0,1

0,12

0,14

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 147 -

ANEXO 5 DATOS OBTENIDOS DEL ENSAYO DE ROTURA EN CUÑA CON GRP

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

ST1 (MEK)

ST1-1 Time (h) 0 2 6 24 72 96 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 4 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 37,775 41,85 46,65 48,2 48,375 48,375 48,375 49,45 49,45 49,45 49,45 49,45 49,45

∆a (m) 0,0 4,1 8,9 10,4 10,6 10,6 10,6 11,7 11,7 11,7 11,7 11,7 11,7

ST1-2 Time (h) 0 2 6 24 48 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 2 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 33,275 56,2 59,525 63,35 64,125 64,2 64,2 64,3 64,3 64,3 64,3 64,3 64,3 64,3

∆a (m) 0,0 22,9 26,3 30,1 30,9 30,9 30,9 31,0 31,0 31,0 31,0 31,0 31,0 31,0

- 148 -

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 149 -

ST1-3 Time (days)

Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 38,1 45,45 48,95 56,675 58,45 58,5 58,5 58,7 58,7 58,7 58,7 58,7 58,7

∆a (m) 0,0 7,4 10,9 18,6 20,4 20,4 20,4 20,6 20,6 20,6 20,6 20,6 20,6

Media Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 36,4 47,8 51,7 56,1 57,0 57,0 57,0 57,5 57,5 57,5 57,5 57,5 57,5

∆a (m) 0,0 11,5 15,3 19,7 20,6 20,6 20,6 21,1 21,1 21,1 21,1 21,1 21,1

Energy average 2,00E+03 7,89E+02 5,68E+02 4,27E+02 4,07E+02 4,06E+02 4,06E+02 3,87E+02 3,87E+02 3,87E+02 3,87E+02 3,87E+02 3,87E+02

Sd Crack length 2,2 6,1 5,6 6,2 6,5 6,5 6,5 6,1 6,1 6,1 6,1 6,1 6,1

Sd Energy 484,8 384,5 230,0 217,9 218,8 219,3 219,3 193,5 193,5 193,5 193,5 193,5 193,5

Sd Crack growth 0,0 8,2 7,8 8,1 8,3 8,3 8,3 7,9 7,9 7,9 7,9 7,9 7,9

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

ST2 (Grit Blasting)

ST2-1 Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 53,325 73,6 74,25 87,275 89,075 89,075 89,075 89,075 89,075 89,075 89,075 89,075 89,075

∆a (m) 0,0 20,3 20,9 34,0 35,8 35,8 35,8 35,8 35,8 35,8 35,8 35,8 35,8

ST2-2 Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 33,925 37,7 39,8 46,575 47,775 47,775 47,775 47,85 47,85 47,85 47,85 47,85 47,85

∆a (m) 0,0 3,8 5,9 12,7 13,9 13,9 13,9 13,9 13,9 13,9 13,9 13,9 13,9

- 150 -

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 151 -

ST2-3 Time (days)

Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 31,5 72,15 74,875 79,875 82,125 82,15 82,15 82,15 82,15 82,15 82,15 82,15 82,15

∆a (m) 0,0 40,7 43,4 48,4 50,6 50,7 50,7 50,7 50,7 50,7 50,7 50,7 50,7

Media Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 39,6 61,2 63,0 71,2 73,0 73,0 73,0 73,0 73,0 73,0 73,0 73,0 73,0

∆a (m) 0,0 21,6 23,4 31,7 33,4 33,4 33,4 33,4 33,4 33,4 33,4 33,4 33,4

Energy average 2,08E+03 6,57E+02 5,46E+02 3,12E+02 2,84E+02 2,84E+02 2,84E+02 2,82E+02 2,82E+02 2,82E+02 2,82E+02 2,82E+02 2,82E+02

Sd Crack length 9,8 16,6 16,4 17,7 18,1 18,1 18,1 18,0 18,0 18,0 18,0 18,0 18,0

Sd Energy 1186,6 778,2 626,3 349,2 316,8 316,8 316,8 314,8 314,8 314,8 314,8 314,8 314,8

Sd Crack growth 0,0 15,1 15,4 14,7 15,1 15,1 15,1 15,1 15,1 15,1 15,1 15,1 15,1

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

ST3 (Silano)

ST3-1 Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 18,2 25,9 26,2 30,8 32,1 32,1 32,1 32,3 32,3 32,3 32,3 32,3 32,3

∆a (m) 0,0 7,7 8,0 12,6 13,8 13,8 13,8 14,0 14,0 14,0 14,0 14,0 14,0

ST3-2 Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 23,2 24,2 26,7 32,3 34,4 34,4 34,4 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1 35,1

∆a (m) 0,0 1,0 3,6 9,1 11,2 11,2 11,2 11,9 11,9 11,9 11,9 11,9 11,9

- 152 -

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 153 -

ST3-3 Time (days)

Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 23,5 28,4 31,3 32,9 33,3 33,3 33,3 34,3 34,3 34,3 34,3 34,3 34,3

∆a (m) 0,0 4,9 7,9 9,4 9,8 9,8 9,8 10,8 10,8 10,8 10,8 10,8 10,8

Media Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 21,6 26,1 28,1 32,0 33,2 33,2 33,2 33,9 33,9 33,9 33,9 33,9 33,9

∆a (m) 0,0 4,5 6,5 10,4 11,6 11,6 11,6 12,2 12,2 12,2 12,2 12,2 12,2

Energy average 1,41E+04 6,66E+03 5,22E+03 3,12E+03 2,71E+03 2,71E+03 2,71E+03 2,54E+03 2,54E+03 2,61E+03 2,61E+03 2,61E+03 2,61E+03

Sd Crack length 2,4 1,7 2,3 0,9 0,9 0,9 0,9 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2 1,2

Sd Energy 6225,1 932,6 208,7 288,7 345,1 345,1 345,1 338,4 338,4 338,4 338,4 338,4 338,4

Sd Crack growth 0,0 2,7 2,1 1,5 1,7 1,7 1,7 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3 1,3

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

ST4 (Plasma)

ST4-1 Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 42,0 47,8 49,5 53,6 53,6 53,6 60,5 60,5 60,5 60,5 60,5 60,5 60,5

∆a (m) 0,0 5,7 7,5 11,5 11,5 11,5 18,4 18,4 18,4 18,4 18,4 18,4 18,4

ST4-2 Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 42,0 45,1 51,7 53,5 53,5 53,5 62,0 62,0 62,0 62,0 62,0 62,0 62,0

∆a (m) 0,0 3,1 9,7 11,5 11,5 11,5 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0 20,0

- 154 -

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 155 -

ST4-3 Time (days)

Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 46,7 56,0 59,8 61,8 61,8 61,8 67,8 67,8 67,8 67,8 67,8 67,8 67,8

∆a (m) 0,0 9,3 13,2 15,2 15,2 15,2 21,1 21,1 21,1 21,1 21,1 21,1 21,1

Media Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 43,5 49,6 53,7 56,3 56,3 56,3 63,4 63,4 63,4 63,4 63,4 63,4 63,4

∆a (m) 0,0 6,0 10,1 12,7 12,7 12,7 19,8 19,8 19,8 19,8 19,8 19,8 19,8

Energy average 1,01E+03 6,51E+02 4,76E+02 3,91E+02 3,91E+02 3,91E+02 2,44E+02 2,44E+02 2,44E+02 2,74E+02 2,74E+02 2,74E+02 2,74E+02

Sd Crack length 2,2 4,6 4,4 3,9 3,9 3,9 3,1 3,1 3,1 3,1 3,1 3,1 3,1

Sd Energy 173,7 85,5 45,3 1,6 1,6 1,6 12,8 42,9 42,9 42,9 42,9 42,9 42,9

Sd Crack growth 0,0 2,5 2,3 1,7 1,7 1,7 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 156 -

ANEXO 6 DATOS OBTENIDOS DEL ENSAYO DE ROTURA EN CUÑA CON CFRP

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

ST1 (MEK)

ST1-1 Time (h) 0 2 6 24 72 96 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 4 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 41,8 50,55 54,85 54,75 56,3 56,5 56,5 56,5 56,5 56,5 56,5 56,5 56,5

∆a (m) 0,0 8,8 13,1 13,0 14,5 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7 14,7

ST1-2 Time (h) 0 2 6 24 48 72 120 168 336 504 672 840 1008

Time (days)

1 2 3 5 7 14 21 28 35 42

Crack length 41,5 47,05 50,8 55,4 57 57 60 60 60 60 60 60 60

∆a (m) 0,0 5,6 9,3 13,9 15,5 15,5 18,5 18,5 18,5 18,5 18,5 18,5 18,5

- 157 -

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 158 -

ST1-3 Time (days)

Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 41,2 48,75 49,05 49,75 50,6 51 54,7 67 67 67 67 67 67

∆a (m) 0,0 7,6 7,8 8,6 9,4 9,8 13,5 25,8 25,8 25,8 25,8 25,8 25,8

Media Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 41,5 48,8 51,6 53,3 54,6 54,8 57,1 61,2 61,2 61,2 61,2 61,2 61,2

∆a (m) 0,0 7,3 10,1 11,8 13,1 13,3 15,6 19,7 19,7 19,7 19,7 19,7 19,7

Energy average 1,18E+03 6,50E+02 5,34E+02 4,72E+02 4,32E+02 4,25E+02 3,61E+02 2,86E+02 2,86E+02 2,86E+02 2,86E+02 2,86E+02 2,86E+02

Sd Crack length 0,2 1,4 2,4 2,5 2,9 2,7 2,2 4,4 4,4 4,4 4,4 4,4 4,4

Sd Energy 26,1 87,6 69,8 9,1 8,6 6,1 37,8 37,8 37,8 37,8 37,8 37,8 37,8

Sd Crack growth 0,0 1,3 2,2 2,3 2,7 2,5 2,1 4,6 4,6 4,6 4,6 4,6 4,6

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

ST2 (Grit Blasting)

ST2-1 Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 30,225 32,825 34,725 35,625 36,725 37 37 37 37 37 37 37 37

∆a (m) 0,0 2,6 4,5 5,4 6,5 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8 6,8

ST2-2 Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 31,575 37,275 40,65 43,95 45,9 47,3 47,3 47,3 47,3 47,3 47,3 47,3 47,3

∆a (m) 0,0 5,7 9,1 12,4 14,3 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7 15,7

- 159 -

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 160 -

ST2-3 Time (days)

Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 26,75 30,85 31,75 32,6 32,975 34,4 34,4 34,4 34,4 34,4 34,4 34,4 34,4

∆a (m) 0,0 4,1 5,0 5,9 6,2 7,7 7,7 7,7 7,7 7,7 7,7 7,7 7,7

Media Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 29,5 33,7 35,7 37,4 38,5 39,6 39,6 39,6 39,6 39,6 39,6 39,6 39,6

∆a (m) 0,0 4,1 6,2 7,9 9,0 10,1 10,1 10,1 10,1 10,1 10,1 10,1 10,1

Energy average 4,33E+03 2,71E+03 2,25E+03 1,98E+03 1,82E+03 1,64E+03 1,64E+03 1,64E+03 1,64E+03 1,64E+03 1,64E+03 1,64E+03 1,64E+03

Sd Crack length 2,0 2,7 3,7 4,8 5,4 5,6 5,6 5,6 5,6 5,6 5,6 5,6 5,6

Sd Energy 1152,7 526,8 506,4 565,0 525,9 543,9 543,9 543,9 543,9 543,9 543,9 543,9 543,9

Sd Crack growth 0,0 1,3 2,0 3,2 3,8 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0 4,0

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

ST3 (Silano)

ST3-1 Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 24,8 26,9 31,7 32,9 33,1 33,3 33,3 33,3 33,3 33,3 33,3 33,3 33,3

∆a (m) 0,0 2,2 6,9 8,2 8,3 8,5 8,5 8,5 8,5 8,5 8,5 8,5 8,5

ST3-2 Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 28,7 35,8 39,3 41,5 41,9 41,9 42,6 42,7 42,7 42,7 42,7 42,7 42,7

∆a (m) 0,0 7,2 10,7 12,8 13,2 13,3 14,0 14,0 14,0 14,0 14,0 14,0 14,0

- 161 -

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 162 -

ST3-3 Time (days)

Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 30,3 36,1 37,9 38,9 39,7 39,8 39,8 39,8 39,8 39,8 39,8 39,8 39,8

∆a (m) 0,0 5,8 7,5 8,6 9,4 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5 9,5

Media Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 27,9 32,9 36,3 37,8 38,2 38,3 38,6 38,6 38,6 38,6 38,6 38,6 38,6

∆a (m) 0,0 5,0 8,4 9,9 10,3 10,4 10,6 10,7 10,7 10,7 10,7 10,7 10,7

Energy average 5,40E+03 3,28E+03 2,11E+03 1,83E+03 1,76E+03 1,74E+03 1,71E+03 1,71E+03 1,71E+03 1,88E+03 1,88E+03 1,88E+03 1,88E+03

Sd Crack length 2,3 4,3 3,3 3,6 3,7 3,7 3,9 3,9 3,9 3,9 3,9 3,9 3,9

Sd Energy 1748,0 1869,6 882,0 798,7 797,8 772,8 807,1 700,9 700,9 700,9 700,9 700,9 700,9

Sd Crack growth 0,0 2,1 1,6 2,1 2,1 2,0 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

ST4 (Plasma)

ST4-1 Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 31,6 37,3 41,7 45,0 45,0 45,0 52,9 52,9 52,9 52,9 52,9 52,9 52,9

∆a (m) 0,0 5,7 10,1 13,4 13,4 13,4 21,3 21,3 21,3 21,3 21,3 21,3 21,3

ST4-2 Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 40,4 50,6 54,0 56,1 56,1 56,1 69,7 69,7 69,7 69,7 69,7 69,7 69,7

∆a (m) 0,0 10,3 13,7 15,8 15,8 15,8 29,3 29,3 29,3 29,3 29,3 29,3 29,3

- 163 -

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 164 -

ST4-3 Time (days)

Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 26,7 31,3 35,2 38,8 38,8 38,8 45,6 45,6 45,6 45,6 45,6 45,6 45,6

∆a (m) 0,0 4,6 8,5 12,1 12,1 12,1 18,9 18,9 18,9 18,9 18,9 18,9 18,9

Media Time (h) 0 2 6 24 72 120 168 336 504 672 840 1008 1176

Time (days)

1 3 5 7 14 21 28 35 42 49

Crack length 32,9 39,7 43,6 46,6 46,6 46,6 56,0 56,0 56,0 56,0 56,0 56,0 56,0

∆a (m) 0,0 6,8 10,7 13,8 13,8 13,8 23,1 23,1 23,1 23,1 23,1 23,1 23,1

Energy average 3,51E+03 1,90E+03 1,26E+03 9,25E+02 9,25E+02 9,25E+02 4,93E+02 4,93E+02 4,93E+02 3,22E+02 3,22E+02 3,22E+02 3,22E+02

Sd Crack length 5,6 8,1 7,8 7,2 7,2 7,2 10,1 10,1 10,1 10,1 10,1 10,1 10,1

Sd Energy 1907,8 602,9 364,0 246,9 246,9 246,9 155,2 273,2 273,2 273,2 273,2 273,2 273,2

Sd Crack growth 0,0 2,5 2,2 1,5 1,5 1,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 165 -

ANEXO 7 DATOS OBTENIDOS DEL ENSAYO DE CIZALLA POR TRACCIÓN

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

GRP

Medias Desv. Típica

ST1 ST2 ST3 ST4 707,5 5603,8 5588,3 578 1913,6 5674,4 5655,4 579,4 1301,5 6289,7 5436,5 1307,53333 5855,96667 5560,06667 578,7 603,072635 377,279132 112,147864 0,98994949

CFRP

Medias Desv. Típica

ST1 ST2 ST3 ST4 2681,9 6701,4 6022,2 1941,3 2490,6 6030,6 5293,6 323,5 2607,7 6384,8 4586,6 3049,8 2593,4 6372,26667 5300,8 1771,53333 96,44838 335,575585 717,827082 1371,0556

- 166 -

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

- 167 -

ANEXO 8 DATOS OBTENIDOS DEL ENSAYO DE MEDIDA DEL ÁNGULO DE CONTACTO

Estudio de comportamiento de los adhesivos acrílicos en la unión de materiales compuestos de matriz polimérica

GRP ST1 (MEK)

Media

1.5 Pentanediol

Agua

Nitrometano

74,3 62,7 67,3 55,9 70,9 66,22

34,6 37,7 30,3

49 48,9 46,8 42,9

34,2

46,9

Agua

Nitrometano

1.5 Pentanediol

72,4 96,3 96,8 95,5 90,25