Desarrollo y optimización de 'green composites' basados en matrices derivadas de aceites vegetales modificados y refuerzos de fibras minerales

Abstract

[EN] In recent years, the sensitiveness of society about the conservation of environment has increased; this has promoted the development of polymeric materials derived from renewable resources. These new polymeric materials have good properties and can be used for the development of 'green composites'. The main objective of thisdoctoral thesis is the development and optimization of 'green composites', using matrices derived from epoxidized vegetable oils and mineral fibers, which have similar properties to glass fibers. The matrices used are based on epoxidized linseed oil (ELO) and epoxidized soybean oil (ESBO), and two types of crosslinking agent. One is a eutectic system of phthalic anhydride (PA), 23.8 wt%, and maleic anhydride (MA), 76.2 wt%, with a melting temperature of 48.3 °C. The other crosslinking agent was methyl nadic anhydride (MNA) which is liquid at room temperature. Thermoset materials obtained show that MNA crosslinker provides materials with improved mechanical and thermomechanical properties when compared to thermoset materials obtained with the PA/MA system. Interface phenomena of composites based on ELO-MNA and ESBO-MNA with mineral fibers from basalt and slate was evaluated by the single fiber fragmentation test (SFFT) to assess fiber-matrix interactions on the selected composites Basalt fibers were modified with two amino-silanes ((3-aminopropyl) trimethoxysilane and [3-(2-aminoethylamino)propyl]trimethoxysilane) and two glycidyl-silanestrimethoxy[2-(7-oxabicyclo[4.1.0]hept-3-yl)ethyl]silane and (3-glycidyloxypropyl) trimethoxysilane). SFFT determined that the interfacial shear stress (¿) of basalt fibers and ELO-MNA and ESBO-MNA matrices, is higher with basalt fibers treated with amino-silane [3-(2-aminoethylamino)propyl]trimethoxysilane and glycidyl silane trimethoxy[2-(7-oxabicyclo[4.1.0]hept-3-yl)ethyl]silane with both matrices.

By considering the results obtained with the SFFT technique, composite laminates containing basalt fabrics modified with silanes [3-(2-aminoethylamino)propyl] trimethoxysilane and trimethoxy[2-(7-oxabicyclo[4.1.0]hept-3-yl)ethyl]silane were manufactured. These composite laminates offer good mechanical properties as expected on the base of SFFT results, with optimum results for composites with basalt fabric previously modified with([trimethoxy [2-(7-oxabicyclo [4.1.0] hept- 3-yl) ethyl] silane. Slate fibers were treated with an amino-silane[3-(2-aminoethylamino)propyl]trimethoxysilane, a glycidyl-silane trimethoxy[2-(7-oxabicyclo [4.1.0] hept-3-yl)]-silane, a zirconate (zirconium(IV)bis(dietilcitrato)dipropóxido) and a titanate (titanium (IV)(triethanolaminato)isopropoxide and ELO-MNAwas selected as matrix because it offers has good mechanical properties. The mechanical characterization of composites made from slate fabrics revealed that the best results are obtained using glycidyl silane and titanate coupling agents. Green composite made withslate fiber modified with trimethoxy[2-(7-oxabicyclo[4.1.0]hept-3-yl)ethyl]silane and ELO-MNA resin offers the best mechanical properties. This material has a flexural strength of 402.1 MPa, flexural modulus of 19.7 GPa, a tensile strength of 359.1 MPa and a Young's modulus of 25.6 GPa. These good properties allow it to compete with conventional composites manufactured with glass fiber.

[ES] En los últimos años ha aumentado la sensibilidad de la sociedad ante la conservación del medio ambiente, lo que ha llevado al desarrollo de materiales poliméricos derivados de recursos renovables. Estos nuevos materiales poliméricos presentan propiedades tales que pueden usarse para el desarrollo de 'green composites'. El principal objetivo de esta tesis doctoral es el desarrollo y optimización de 'green composites', utilizando matrices derivadas de aceites vegetales epoxidados y fibras minerales, que presentan propiedades similares a las fibras de vidrio. Las matrices utilizadas se basan en aceite de linaza epoxidado (ELO) y aceite de soja epoxidado (ESBO), y se han utilizado dos tipos de agentes entrecruzantes. Uno es una mezcla de anhídrido ftálico (PA), 23,8% en peso, y anhídrido maleico (MA), 76,2 % en peso, que presenta una transformación eutéctica al porcentaje dado y cuya temperatura de fusión ocurre a 48,3 ºC. El otro agente entrecruzante utilizado es anhídrido metil nádico (MNA) que es líquido a temperatura ambiente. Los materiales termoestables obtenidos ponen de manifiesto que el agente entrecruzante MNA proporciona materiales con mejores propiedades mecánicas y termomecánicas que los obtenidos con la mezcla de PA/MA. A partir de las resinas basadas en ELO-MNA y ESBO-MNA y fibras de basalto y pizarra, se realiza la evaluación de la entrecara de los composites mediante el test de fragmentación de una sola fibra (SFFT) y posteriormente se realiza y evalúa los materiales compuestos seleccionados. Las fibras de basalto se modifican con dos amino-silano (3-aminopropil)trimetoxisilano y [3-(2-aminoetilamino)propil]trimetoxisilano) y dos glicidil-silano trimetoxi[2-(7-oxabiciclo[4.1.0]hept-3-il)etil]silano y (3-glicidiloxipropil) trimetoxisilano. El SFFT determina que el esfuerzo cortante en la entrecara (¿), de las fibras de basalto y las matrices ELO-MNA y ESBO-MNA, es más elevado con las fibras tratadas con el amino-silano [3-(2-aminoetilamino)propil]trimetoxisilano y con el glicidil-silano trimetoxi[2-(7-oxabiciclo[4.1.0]hept-3-il)etil]silano con ambas matrices. Debido a los resultados obtenidos con la técnica SFFT se realizan materiales compuestos utilizando tejidos de basalto modificados con los silanos [3-(2-aminoetilamino)propil]trimetoxisilano y trimetoxi[2-(7-oxabiciclo[4.1.0]hept-3-il)etil]silano. De esta forma se obtienen materiales compuestos con buenas propiedades mecánicas y se valida la técnica SFFT, ya que el material compuesto con mejores propiedades es realizado con los tejidos de basalto modificado con ([trimetoxi[2-(7-oxabiciclo[4.1.0]hept-3-il)etil]silano, tal y como se predijo con la técnica SFFT. Las fibras de pizarra fueron tratadas con un amino-silano ([3-(2-aminoetilamino)propil]trimetoxisilano), un glicidil-silano trimetoxi[2-(7-oxabiciclo[4.1.0]hept-3-il)etil]silano, un zirconato (zirconio(IV)bis(dietilcitrato)dipropóxido) y un titanato (titanio(IV)(trietanolaminato)isopropóxido y se seleccionó como matriz ELO-MNA debido a sus buenas propiedades mecánicas.La caracterización mecánica de los composites realizados con tejidos de pizarra reveló que los mejores resultados se obtienen utilizando los agentes de acoplamiento glicidil-silano y titanato. El 'green composite' que presenta las mejores propiedades mecánicas es el realizado con fibra de pizarra modificada con trimetoxi[2-(7-oxabiciclo[4.1.0]hept-3-il)etil]silano y la resina ELO-MNA. Este material presenta una resistencia a flexión de 402,1 MPa, un módulo a flexión de 19,7 GPa, la resistencia a tracción es de 359,1 MPa y el Módulo de Young es de 25,6 GPa. Las buenas propiedades resistentes que presenta le permite poder sustituir a composites tradicionales realizados con fibra de vidrio.

[CA] En els últims anys ha augmentat la sensibilitat de la societat davant la conservació del medi ambient, el que ha portat al desenvolupament de materials polimèrics derivats de recursos renovables. Aquests nous materials polimèrics presenten propietats tals que poden usar-se per al desenvolupament de ''green composites''. El principal objectiu d'aquesta tesi doctoral és el desenvolupament i optimització de ''green composites'', utilitzant matrius derivades d'olis vegetals epoxidats i fibres minerals, que presenten propietats similars a les fibres de vidre. Les matrius utilitzades es basen en oli de llinosa epoxidat (ELO) i oli de soia epoxidat (ESBO), i s'han utilitzat dos tipus d'agents d'entrecreuament. Un és una barreja d'anhídrid ftàlic (PA), 23,8 % en pes, i anhídrid maleic (MA), 76,2 % en pes, que presenta una transformació eutèctica al percentatge donat i la seua temperatura de fusió passa a 48,3 ºC. L'altre agent d'entrecreuament utilitzat és anhídrid metil nàdic (MNA) que és líquid a temperatura ambient. Els materials termostables obtinguts posen de manifest que l'agent d'entrecreuament MNA proporciona materials amb millors propietats mecàniques i termomecàniques que els obtinguts amb la mescla de PA/MA. A partir de les resines basades en ELO-MNA i ESBO-MNA i fibres de basalt i llicorella, es va realitzar l'avaluació interfacial dels 'composites' utilizant el test de fragmentació d'una única fibra (SFFT) i posteriorment es van fabricar i avaluar els materials compostos seleccionats. Les fibres de basalt es van modificar amb dos amino-silans ((3-aminopropil)trimetoxisilà i [3-(2-aminoetilamino)propil]trimetoxisilà) i dos glicidil-silans trimetoxi[2-(7-oxabicicle[4.1.0]hept-3-il)etil]silà i 3-glicidiloxipropil)trimetoxisilà. El SFFT va determinar que l'esforç de tall interfacial (¿), de les fibres de basalt i les matrius ELO-MNA i ESBO-MNA, és més elevat amb les fibres tractades amb l'amino-silà [3-(2-aminoetilamino)propil]trimetoxisilà i amb el glicidil-silà ([trimetoxi[2-(7-oxabicicle[4.1.0]hept-3-il)etil]silà amb ambdues matrius. Degut als resultats obtinguts amb la tècnica SFFT es van realitzar materials compostos utilitzant teixits de basalt modificats amb els silans [3-(2-aminoetilamino)propil]trimetoxisilà i trimetoxi[2-(7-oxabicicle[4.1.0]hept-3-il)etil]silà. D'aquesta forma s'obtenen materials compostos amb bones propietats mecàniques i es va validar la tècnica SFFT, ja que el material compost amb millors propietats va ser realitzat amb els teixits de basalt modificat amb trimetoxi[2-(7-oxabicicle[4.1.0]hept-3-il)etil]silà, tal com es va predir amb la tècnica SFFT. Les fibres de llicorella van ser tractades amb un amino-silà ([3-(2-aminoetilamino)propil]trimetoxisilà), un glicidil-silà trimetoxi[2-(7-oxabicicle [4.1.0]hept-3-il)etil]silà, un zirconat (zirconi(IV)bis(dietilcitrat) dipropòxid) i un titanat (titani(IV)(trietanolaminato)isopropòxid i es va seleccionar com a matriu ELO-MNA a causa de les seues bones propietats mecàniques. La caracterització mecànica dels 'composites' realitzats amb teixits de llicorella va revelar que els millors resultats s'obtenen utilitzant els agents d'acoblament glicidil-silà i titanat. El 'green composite' que presenta les millors propietats mecàniques és el realitzat amb fibra de llicorella modificada amb trimetoxi[2-(7-oxabicicle[4.1.0]hept-3-il)etil]silà i la resina ELO-MNA. Aquest material presenta una resistència a flexió de 402,1 MPa, un mòdul a flexió de 19,7 GPa, la resistència a tracció és de 359,1 MPa i el mòdul de Young és de 25,6 GPa. Les bones propietats resistents que presenta li permeten poder substituir a 'composites' tradicionals realitzats amb fibra de vidre.