Revista Lztfnoamericana de Metalurgia y Materiales. Vol. 6. Nos. 1 & 2 (1986)

Estudio del Curado de Resinas Epoxi en Presencia de Rellenos Metálicos y su Influencia enlas Propiedades Mecánicas

Ger_m~nSánchez, J. E. Velásquez, G. Arribas y Milton Bujosa"

Escuela de Química. Facultad de Ciencias. Universidad Central de Venezuela. Apartado 47102. Caracas"Escuela de Ingeniería Metalúrgica Y'Ciencia de los Materiales. Facultad de Ingeniería, Universidad Centralde Venezuela, Apartado 50361. Caracas

En el nresente trabajo se estudia el efecto que causa en las propiedades mecánicas. la adieión ne rellenos metálicos (aluminio. cobre yzinc) al sistema diglicidil éter bisf'enol A. ([)GEBA) curado con una mezcla de tolueno-etilcndiamina a diferentes proporciones. Seencontró que para la relación molar 1: 1.5 resina/arnina hay un incremento en las propiedades mecánicas púa los tres rellenos en com-paración al sistema sin carga. Para las relaciones molares 1: 1 y 2: 1 se observó el efecto contrario.

Influence of the Metallic Fillers on Mechanical Properties of Cured Epoxy Resin

The present work reports on the studies done to investigate the effect ofthe metallic fillers (aluminurn. copper and zinc) on the mechuni-cal properties of an epoxy resin (diglicidyl ether of bisfenol A) cured with toluene ethylenediarninc mixtures. It \\'as foune! that hothimpact resistance and tensile strength increase for the system with 1: 1.5 epoxy/amine molar ratio with rcsnect to the systern with nofiller. The opposite effect was found for 1:1 and 2:1 epoxy/amine molar ratios.

INTRODUCCION

Las resinas epoxi son productos polimerizados quecontienen grupos epoxi terminales [11 y son compuestosque presentan en promedio más de un grupo epoxi pormolécula. capaces de ser convertidos en productos ter-moestables a través de estos grupos epoxi [1]. Las reac-ciones de curado de resinas epoxi han sido ampliamenteestudiadas [2-61. La reacción con una diamina puedeesquematizarse de la siguiente manera:

~ NHz-R-NH1CH2

ICH-OH

IA medida que la amina primaria reacciona con el

grupo epoxi se forman grupos hidróxidos, los cuales pue-den catalizar la reacción de las aminas secundarias conlos grupos epoxi, dando lugar a la reticulación del mate-rial. Se ha demostrado [5-61 que a medida que aumenta larelación epoxi-amina. aumenta la densidad de reticu-

.lación.

A pesar de que en la bibliografía se encuentrandatos sobre la influencia de diversos rellenos en estos sis-temas curados. no hemos encontrado información sobrela influencia de cargas en sistemas epoxídicos con dife-rentes grados de reticulación.

PARTE EXPERIMENTAL

Reccticos: Resina epoxi. proveniente de la Em-presa Resimón (Valencia. Edo. Carabobo. Venezuela).especificación 5928. Mn = 473 gr/rnol. viscosidad Brook-field a 27 -o = 9150 cp. Etilendiamina Merck. Toluenop.a. Merck.

Rellenos: Los rellenos utilizados son: Aluminio enpolvo de la BDH. cobre y zinc en polvo de la casaMerck.

Equipos 11 materiales: Ensayos de tensión-Defor-mación (máquina Instron), ensayos de Impacto (Equipotipo péndulo) molde para probeta de-acuerdo especifica-ción DIN 5B457 y tamiz de 2~0 mesh. Equipo PerkinElmer modelo 115 para determinación de pesos molecu-lares y viscosímetro Bróokfield RVT. Reactor de vidriode ~oo cm". 1 motor eléctrico de 3.000 r.p.m., 1 controldigital de temperatura con termopar y 1Bureta (aprecia-ción 0.1 ml.).

PROCESO DE CURADO

F,I proceso de endurecimiento de la resina mediantela etilendiamina acompañada con el relleno se realiza dela siguiente forma: en el envase de vidrio que sirve dereactor se pesan unos 80 grs. de la resina. luego se pesaen el mismo envase la cantidad de relleno correspon-diente al 5 por 100 en un caso. y 10 por 100 en peso.tomando como base la resina. La mezcla resina-rellenose homogeiniza por espacio de diez minutos. utilizando

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un agitador de aspas movido por un motor eléctrico con-trolando la agitación mediante un reóstato. Previamentese preparó una solución formada por tolueno-etilendia-mina de tal manera que haya un 10 por 100 en peso detolueno en relación al peso de resina, con el objeto de dis-minuir la presencia de burbujas en las probetas for-madas.

TRA TAMIENTO DE RELLENOSLos sólidos que se utilizan como rellenos son tamiza-

dos, utilizando para nuestros ensayos la fracción corres-pondiente a los 230 mesh., se encuentra que las frac-ciones de mayor tamaño producen sedimentación, dandolugar a una distribución no homogénea en las pro-betas.

DISCUSION DE LOS RESULTADOS

En un trabajo anterior [10] hemos reportado losresultados obtenidos al comparar el aluminio y el vidrio

(en forma de microesferas), cuando son utilizaddos comorellenos en una resina epoxi curada con etilendiamina,utilizando diferentes relaciones molares resina/amina.En este trabajo vamos a comparar la influencia en laspropiedades mecánicas de estos sistemas polirnéricoscuando son cargados con aluminio. cobre y zinc respecti-vamente. En general podemos decir como era de espe-rarse que los tres metales tienen la misma tendencia. esdecir un incremento en las propiedades mecánicas alaumentar el contenido de amina, debido a que esteaumento trae como consecuencia una disminución en ladensidad de reticulación [6]y al ser el material más lineales explicable el aumento en las propiedades mecánicas,ya que una mayor flexibilidad de las moléculas permitiráuna mejor interacción polímero relleno (Tablas 1, 2 y 3,gráficos 1, 2, 3 y 4).

Sin embargo. es notable el hecho que el cobre y elzinc presentan mayores incrementos que el aluminio, enlos sistemas con mayor contenido de amina (Tablas 4 y 5,gráficos 1. 2 y 3). Esto indica que en estas condiciones

TABLA 1

RESULTADOS OBTENIDOS DE LOS ENSAYOS DE TRACCIONY DE IMPACTO PARA EL SISTEMA EPOXI-AMINA CON ALUMINIO

COMO RELLENO

Relación Molarepoxi/amina

1 : 1,5

R T. Kgf./mrtr % Elong. Elong. rel. R 1. joule/rnnf % de carga0,08± 0,01 58 ±4 1,00 2,3± 0,5 °0,21 ± 0,03 48 ±6 0,83 2,7 ± 0,5 50.36 ± 0,06 19 ±3 0,34 3,5 ± 0,4 10

6,7 ± 0,2 4,7 ± 0,3 1,00 34 ±3 °6,7 ± 0.2 4,2± 0,2 0,89 24. ±3 54,8 ± 0,3 3.2 ± O,~ 0,68 16, ±3 10

4.5 ± 0,2 2.8 ± 0.4 1,00 8.0± 1 °4,4 ± 0,3 2,6 ± 0,2 0,93 8,3 ± 0,5 53.7 ± 0,3 2,5 ± 0,3 0,83 8,4 ± 0,5 10

1 : 1

2:1

TABLA 2

RESULTADOS OBTENIDOS DE LOS ENSAYOS DE TRACCION y DE IMPACTOPARA EL SISTEMA EPOXI-AMINA CON COBRE COMO RELLENO

Relación Molarepoxi/amina

1 : 1.5

1 : 1

2:1

,R.T. Kgf.Zrnrrf % Elong. Elong. rel. R I. joule/mrrf % de carga

0.08 ± 0.01 58 ±4 1,00 2,3 ± 0.5 °0.5 ± 0.1 12 ±5 0.48 4,2 ± 0,2 50,9 ± 0,3 20 ±5 0,34 7 ±1 10

6,7 ±0,2 4,7 ± 0,3 1,00 34 ±3 °5,1 ± 0.4 1,5 ± 0,2 0,32 12 ±1 54,4 ± 0,5 2,1 ± 0,1 0,45 13 ±1 10

4,5 ,± 0,2 2;8 ±0,2 1,00 8 ±1 °2,5 ±0,3 1,9 ± 0,3 0,68 5,2 ± 0,7 51,6 ± 0,1 0,70 ± 0.1 0.25 5,5± 0,4 10

RT. Resistencia a la TracciónR 1. Resistencia al ImpactoElong. real.: Elongación relativa

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TARLA 3

RESULTADOS OBTENIDOS DE LOS ENSAYOS DE TRACCION Y DE IMPACTOPARA EL SISTEMA EPOXI-AMINA CON ZINC COMO RELLENO

R T. Kgf./mm2 % Elong. Elong. real. R 1. joule/rnrrf % dé carga0.08 ± 0,01 58 ±4 1,00 2,3 ± 0,5 O3.1 ± 0.3 36 ± 0,9 0,62 3,5 ± 0.1 50.48 ± 0.07 25 ±9 0.43 3,9 ± 0,6 10

6,7 ± 0,2 4.7 ± 0,3 1,00 34 ±3 °6,3 ± 0,1 4,6 ± 0,3 0,97 13 ±1 54.9 ± 0.1 2.9 ± 0.1 0,61 13 ±3 10

4.5 ± 0,2 2,8 ± 0,2 1,00 8±1 '01.6 ± 0.4 1.2 ± 0.2 0.43 4.6 ± 0.9 52.2 ± 0,6 1.5 ±0,5 0,54 4,3 ± 0,7 10

Relación Mola,.epoxi/amina

1 : 1.5

1: 1

2 : 1

RT.: Resistencia a la TracciónRI.: Resistencia al ImpactoElong. rel.: Elongnciór: relativa

80

60

Al

:) 5 0;'Cu40Zn

20

..J<t:::>>-z 1:1. 1:1 2:1UJuu:oa.

-20zo¡:;<cc<t -40>

-60

GRAFICO N' 1- VARIACION PORCENTUAL DE LA RESISTENCIA AL IMPACTOEN FUNCION DE LA RELACION MOLAR EPOXI/AMINA.( Rel. Tabla 4)

existe una mejor adhesión del cobre ~. el zinc con lamatriz polimérica en relación al aluminio. lo cual puededeberse además a una menor formación de agregados [81de partículas en (,1caso del cobre y del zinc. lo cual parececorrohorarse en los erisavos de' microscopía electrónicarealizados en este trabajo.

También ps importante destacar f]UP para la rela-ción epoxi/n minn 2:1 y para los porcontnjos de rellenoestudiados, ('1cobre y el zinc producen ('aírl:ls mayores enla resistencia a la tracción ~.al impacto en comparación alaluminio: hasándonos nuevamente en las r-onsiderncio-

80

60 Al :),,%Cu

Zn40

20

..J<t:::>t-zwoQ:oQ.

:zos»<t

'" ~20<t>

-40

-60

GRAFICO N~ 2 - VARIACION PORCENTUAL DE LA RESISTENCIA AL IMPACTOEN FUNCION DE LA RELACION 'MOLAR EPOXI/AMINA.(Rel. Toblo 4)

. nes de Lipatov y Seryeva para interpretar estos resulta-dos, debemos decir que el aluminio debe incrementar enun mayor grado las reacciones de terminación en rela-ción al cobre y al zinc. ya que de ser así. como se ha plan- .teado anteriormente. el sistema con aluminio en estascondiciones debe ser menos reticulado que los sistemascon cobre ,,.zinc, que por ser más rígidos supuestamente,deben presentar unainteracción más pobre metal-ma-triz y presentar por lo tanto, propiedades mecánicasmenores que las del :'lluminio-polímero corno se apreciaclaramente en los valores encontrados de resistencia a latracción ~. al impacto,

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300

150--'<1:=>•...z'"ua:o<>.

:2ou~ 50a:<t>

-50

LatinAmerican Journai of Metal/.nrgy and Materials, Vol. 6, Nos, 1 & 2 (1986)

~~: 1 5 %Zn o

GRAFICO N2 3- VARIACION PORCENTUAL DE LA RESISTENCIA A LA

TRACCION EN FUNCION DE LA RELACION EPOXI/AMINA

(Rel. Tabla 5)

TABLA 4

VARIACION PORCENTUAL DE LA RESISTENCIAAL IMPACTO CON RESPECTO AL SISTEMA

SIN RELLENO

Relleno

5"" <le carga ](1",; <le carga

Relación Molarepoxi/urninu

2 : 11: 11 : i.s

Aluminio

Variaciónporcentual

+ 4- 29+ rs

Vnrinciónporcentual+ !)

'):~+ ,,2

2: 11 11: 1,!)

Cobrr- -~f)-fi!)+8::\

:':1fi2

+ 2n~

2: 11 11: 1,!)

Zinc - 4::l- 62+ !)2

lfifi2

+ 'in

<lonne

Variación porcentual = (x - Xo/Xo)' ino,

Xo = Resistencia al Impacto, del sistema sin relleno.x = Resistoncin al Impacto del sistema con relleno.

300

150

--'<l::>f-zwu

'"oo..

zo

:i 50

'"«>

-50

GRAFICO N! 4 - VARIACION PORCENTUAL DE LA RESISTENCIA A LATRACCION EN FUNCION DE LA RELACION APOXI/AMINA

(Rel. Tabla 5)

TABLA 5

VARIACION PORCENTUAL DE LA RESISTENCIAA LA TRACCION CON RESPECTO AL SISTEMA

SIN RELLENO

f¡"" do carga 10"" de carga

Relación Molaropoxi/urnina

2: 11: 11 1)\

Relleno Variaciónporcentual

1928

+ ~50

'\Iuminio

Variaciónporcentual

2+ O+ Hi~

2:1 11: 1,!)

Colur- fi4~4

+ 1.02fi

2: 11 11 1.S

Zinc 5127

+ sno

- 6·j

fi+ ?77S

Vnrincion porcentual = (x - Xo/x;;)'100,

Xo= Resistenr-ia a la Tracción [\('1 sistema sin relleno.x = Rosistoncin :1 la Tracción d01 sistema con relleno.

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TABLA 6

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. MEDIDAS DE HINCHAMIENTO PARA SISTEMASEPOXII AMTN A

Relación molar 2:1Solvente: Metanol% de carga: 10%

% de metanol absorbido

Cu 10,3

Zn 11,5

Al 14,1

Estas consideraciones parecen concordar con algu-nas medidas de hinchamiento que hemos realizado y quemuestran un mayor grado de hinchamiento en metanolpara las muestras conteniendo aluminio, luego en ordendecreciente zinc y cobre.

Estos. resultados están reportados en la Tabla 6.Debemos también resaltar una observación visual

hecha en esta experimentación y es la formación de unacoloración azul intensa al aumentar el contenido deamina y de cobre, lógicamente esta coloración debe serproducida por la formación del complejo cuproamó-nico, Cu (NHs)t+. El zinc, también tiene la posibilidad deformar este tipo de complejos amoniacales, al analizarlos valores de log Kacum, para la formación de estos doscomplejos encontramos para el cobre un valor de 12, 03 Ypara el zinc de 8,70 [9]. Estos valores podrían explicar lavariación encontrada en las propiedades mecánicas deestos sistemas (Tablas 4 y 5) cuando el contenido deamina es máximo, ya que la formación de estos complejosdebe producir una mejor dispersión del relleno en el sis-

tema impidiendo la formación de aglomerados. lo cual hasido establecido, conduce a caída en las propiedadesmecánicas [7]. Así encontramos al analizar los valoresreportados que el increrneno en las propiedades mecáni-cas en general obedece.al siguiente orden Cu > Zn > Al.El aluminio no forma complejos amoniacales.

Log Kacum: Representa el logaritmo de la cons-tante acumulada de formación del complejo.

Agradecimiento: Al Consejo de Desarrollo Cientí-fico y Humanístico, de la Universidad Central de Vene-zuela por el apoyo económico a través del ProyectoC03-7/82.

Al Dr. Giusepe Di Filippo (Laboratorio "E" U.S.B.)por su colaboración en los ensayos de impacto.

BILIOGRAFIA

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