Mejora de la estabilidad térmica y la resistencia al fuego en compuestos de EVA ceramizables mediante estructuras de reticulación tridimensionales
Introducción
Los compuestos de acetato de etileno-vinilo (EVA) ceramizables representan un avance significativo en la ciencia de los materiales, particularmente en el campo de los polímeros termorresistentes. Los compuestos a base de EVA se utilizan ampliamente debido a su flexibilidad, resistencia al impacto y estabilidad térmica, lo que los hace ideales para diversas aplicaciones industriales. Sin embargo, la necesidad de una mayor estabilidad térmica, especialmente a altas temperaturas, ha impulsado el desarrollo de compuestos ceramizables. Estos materiales, al exponerse a temperaturas elevadas, se transforman en estructuras similares a la cerámica, manteniendo su integridad mecánica y ofreciendo características de resistencia al fuego.
Este ensayo explora la preparación de compuestos de EVA ceramizables utilizando bis(terc-butilperoxi)diisopropilbenceno (BIPB) como agente reticulante, combinado con fritas de vidrio de silicato (SGF) y polifosfato de amonio (APP) como aditivos. Las estructuras de reticulación desempeñan un papel fundamental en la determinación de la estabilidad térmica, las propiedades reológicas y la capacidad de autosoporte del compuesto. Mediante espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), calorimetría diferencial de barrido (DSC) y mediciones del contenido de gel, se analiza el proceso de reticulación. Las propiedades térmicas y reológicas se caracterizan mediante un reómetro y análisis termogravimétrico (TGA), y la porosidad, la composición de fases y la morfología del residuo cerámico se examinan mediante difracción de rayos X (XRD) y microscopía electrónica de barrido (SEM). El estudio destaca la influencia de las estructuras de reticulación en las propiedades ceramificables del compuesto, ofreciendo información sobre los mecanismos que sustentan la transformación de polímero a cerámica.
Estructuras de reticulación en compuestos de EVA
La incorporación de BIPB en la matriz de EVA induce la formación de estructuras de reticulación, que son cruciales para mejorar las propiedades del compuesto. La reticulación es un proceso químico donde las cadenas poliméricas se interconectan mediante enlaces covalentes, formando una red tridimensional. Esta estructura de red influye significativamente en las propiedades mecánicas y térmicas del material. En este contexto, el BIPB actúa como iniciador de radicales, desencadenando la formación de enlaces cruzados dentro de las cadenas del polímero EVA.
La formación de las estructuras reticuladas se analizó mediante FTIR, DSC y mediciones del contenido de gel. La espectroscopia FTIR proporcionó información sobre los cambios químicos que ocurren durante el proceso de reticulación, con especial atención a la desaparición o aparición de grupos funcionales relacionados con la matriz de EVA. Se empleó DSC para estudiar las transiciones térmicas del compuesto, particularmente los comportamientos de fusión y cristalización, que se ven influenciados por el grado de reticulación. Las mediciones del contenido de gel, que cuantifican la fracción insoluble del compuesto, sirvieron como indicador directo del grado de reticulación, de manera que un mayor contenido de gel se correlaciona con una estructura más reticulada.
También se evaluó el papel del SGF y el APP en la reacción de reticulación. Se incorporaron SGF, un relleno inorgánico de uso común, y APP, un retardante de llama, como aditivos para mejorar la estabilidad térmica y las propiedades ceramificables del compuesto. Sin embargo, los análisis de FTIR, DSC y contenido de gel revelaron que ni SGF ni APP interfirieron con la reacción de reticulación iniciada por BIPB. Esto sugiere que los aditivos influyen principalmente en las propiedades térmicas y ceramificables del compuesto sin alterar el proceso fundamental de reticulación.
EVA composite material
Propiedades reológicas y estabilidad térmica
La formación de una red de entrecruzamiento tridimensional en el compuesto de EVA tiene un profundo efecto en sus propiedades reológicas y su estabilidad térmica. Las propiedades reológicas, que describen cómo se deforma el material bajo tensión, son cruciales para determinar la procesabilidad y el rendimiento de los compuestos poliméricos. La matriz de EVA entrecruzada exhibió un comportamiento reológico mejorado, con mayor viscosidad y elasticidad, según se observó mediante pruebas de reómetro. Estas mejoras se atribuyen a la red interconectada de cadenas poliméricas, que resisten el flujo y la deformación con mayor eficacia que una estructura polimérica lineal o débilmente ramificada.
La estabilidad térmica, un parámetro clave para los compuestos ceramizables, se evaluó mediante TGA. El compuesto de EVA entrecruzado demostró una estabilidad térmica superior en comparación con su contraparte no entrecruzada, como lo indica una temperatura de descomposición más alta y una menor pérdida de peso a temperaturas elevadas. Las estructuras de entrecruzamiento contribuyen a esta mejora al restringir la movilidad de las cadenas poliméricas, reduciendo así la velocidad de degradación térmica. Además, la presencia de SGF y APP mejoró aún más la resistencia térmica del compuesto. El SGF, en su fase vítrea, proporciona una barrera contra el calor, mientras que el APP, como retardante de llama, libera ácido fosfórico al descomponerse, lo que favorece la formación de una capa carbonizada protectora que aísla el material del calor.
Propiedades ceramificables y autoportancia
Una de las propiedades más destacables del compuesto EVA es su capacidad para transformarse en una estructura similar a la cerámica al exponerse a altas temperaturas, un fenómeno conocido como ceramificación. Esta transformación es fundamental para aplicaciones que requieren resistencia al fuego e integridad estructural. La autoportancia del compuesto, es decir, su capacidad para mantener su forma y soportar su propio peso durante la exposición térmica, está directamente influenciada por la formación de estructuras reticuladas.
El compuesto EVA reticulado mostró una excelente autoportancia, ya que fue capaz de conservar su integridad estructural hasta los 1000 °C. Esto se atribuye a la función de soporte de la red reticulada, que actúa como un andamio, sosteniendo el compuesto antes de la formación de fases cristalinas inorgánicas. A medida que aumenta la temperatura, el SGF se funde y el APP se descompone, contribuyendo a la formación de un residuo cerámico que reemplaza la matriz polimérica. La combinación de estructuras reticuladas y aditivos ceramificables garantiza que el compuesto pueda soportar la tensión térmica sin colapsar ni perder sus propiedades mecánicas.
También se investigaron la porosidad aparente y la compactación del residuo cerámico. Las estructuras reticuladas desempeñaron un papel significativo en la reducción de la porosidad aparente del residuo cerámico, lo que resultó en una estructura cerámica más densa y compacta. El análisis XRD reveló la composición de fases del residuo cerámico, identificando fases cristalinas como silicatos y fosfatos, que contribuyen a las propiedades ignífugas del material. El análisis SEM proporcionó imágenes detalladas de la morfología del residuo cerámico, destacando la estructura densa e interconectada formada tras la ceramización. La reducción de la porosidad y el aumento de la compactación son factores clave para mejorar la resistencia al fuego y la resistencia mecánica del material a altas temperaturas.
Conclusión
El desarrollo de compuestos de EVA ceramizables con estructuras reticuladas tridimensionales representa un avance significativo en el campo de los materiales ignífugos. El uso de BIPB como agente reticulante, combinado con SGF y APP como aditivos, da como resultado un compuesto con estabilidad térmica, propiedades reológicas y características ceramizables superiores. Las estructuras reticuladas, que forman una red robusta dentro de la matriz de EVA, desempeñan un papel fundamental en la mejora de la autoportancia del compuesto y en la reducción de la porosidad del residuo cerámico.
Los resultados de este estudio demuestran que la reacción de reticulación se produce independientemente de los aditivos SGF y APP, lo que permite la mejora simultánea de la estabilidad térmica y las propiedades ceramizables. El residuo cerámico formado tras la exposición a altas temperaturas presenta una porosidad reducida y una mayor compactación, lo que contribuye a las propiedades ignífugas del material. Estos resultados ponen de manifiesto el potencial de los compuestos de EVA reticulados en aplicaciones donde la estabilidad térmica y la resistencia al fuego son primordiales.
