CARGAS Y SUS EFECTOS SOBRE LOS ADHESIVOS
CARGASMateriales sólidos capaces de cambiar las propiedades físicas y químicas de otros, por medio, de interacciones superficiales o por sus propias características físicasObjetivos
• Reducción de costos
• Densidad del material
• Propiedades ópticas
• Color
• Propiedades térmicas
• Propiedades eléctricas
• Permeabilidad
• Funcionamiento de otros aditivos
• Permeabilidad
• Propiedades mecánicas
• Reactividad química
• Reología
• Reactividad química
• Morfología
• Durabilidad del material
• Impacto ambiental
Propiedades típicas de las cargas Estado Físico: mayoritariamente se encuentran en estado
sólido Composición química: Orgánicos o inorgánicos, producto
natural, de un solo componente o mezcla de varios. Forma de la partícula Tamaño de partícula Relación de aspecto: 1(eféricas y cubicas) 1,6 (fibras) Estructura interna de la partícula Densidad
Índice de refracción Color Humedad Propiedades térmicas pH Propiedades magnéticas
Clasificación de Cargas Origen mineral y composición química Por tamaños de partícula
Propiedades de las cargas que deben estar dentro de una clasificación
• Tamaño de partículas y distribución
• Composición química
• Propiedades mecánicas de las partículas
• Conductividad térmica y eléctrica
• Descripción cuantitativa de la interacciones
• Composición de la mezcla
• Propiedades óptica
Efectos de las Cargas en las Propiedades Mecánicas de los Adhesivos Tensión y Elongación
20
40
60
80
100
0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3
fracción Volumétrica de la carga
• Tamaño de partícula: relación inversamente proporcional entre el tamaño de partícula y la resistencia a la tensión
Carga/polímetroTamaño de partícula
(µm) % incremento
CaCO3/PVAc
3.6 +70-+75
5.2 +50-+58
16.8 +40-0
•Forma de partícula:En un rango determinado un aumento de la relación de aspecto mejora la resistencia a la tensión
Efectos de las Cargas en las Propiedades Mecánicas de los Adhesivos Tensión y Elongación
• Interacción con la matriz: a mayor interacción la resistencia a la tensión puede mejorar• Concentración: la resistencia no guarda una relación lineal con la concentración de la carga. Se tiene una concentración crítica• Par carga-matriz: debería existir buena interacción entre la carga y la matriz
La elongación es inversamente proporcional a la tensión, lo que significa que un incremento en la resistencia a la tensión con lleva a un decrecimiento en la elongación
Efectos de las Cargas en las Propiedades Mecánicas de los Adhesivos Módulo de Elasticidad
)4.15.21(EE 2o
El modulo de Young E aumenta como aumenta la concentración de la carga
1,6
1,8
2
2,2
2,4
5 7 9 11 13 15
Concentración de la carga (p/p)
Mó
du
lo d
e Y
ou
ng Los materiales rígidos permiten
predecir este comportamiento a diferencia que cuando se añaden cargas no rígidas
012345678
0 0,1 0,2 0,3 0,4
Fracción Volumétrica de la carga
Módulo
de Y
ooug
Talco
CaCO3
EPR
Efectos de las Cargas en las Propiedades Mecánicas de los Adhesivos Módulo de Flexibilidad
Las cargas contribuyen al incremento de la rigidez
La flexión depende del tamaño y forma de partículas.• A mayor tamaño mayor módulo de Flexión• A mayor relación de aspecto mayor es el módulo de Flexión
0
4
8
12
16
0 0,1 0,2 0,3 0,4
% volumétrico de carga
Mód
ulo
de fl
exib
ilidad
(G
Pa)
mica a=12
w ollastonita a=5
CaCO3 a=2,5
vidrio a=17
20
40
60
80
100
0 0,1 0,2 0,3
fracción Volumétrica de la carga
Re
sist
en
cia
a la
Fle
xió
n
(MP
a)
Perlas de vidrio
Fibras de vidrio
Efectos de las Cargas en las Propiedades Mecánicas de los Adhesivos Resistencia al impacto
•Tamaño de partículas: dentro de un cierto rango un aumento del tamaño de partícula aumenta la resistencia al impacto.
•Forma de partícula: el uso de fibras es el método mas exitoso para mejorar esta propiedad
•Rigidez de la partícula: partículas huecas y cargas con baja dureza restan resistencia al impacto
•Concentración: en cargas que mejoran esta propiedad a mayor concentración mayor resistencia
• Nucleación: La presencia de cargas con agentes de nucleación contribuyen a cambios en la cristalinidad, lo que puede conducir a mejorar la resistencia al impacto
Efectos de las Cargas en las Propiedades Mecánicas de los Adhesivos Dureza
Se tiene poca data del efecto de las cargas sobre la dureza pero la que esta disponible indica que la adición de cargas incrementa esta propiedad
•Cargas con un tamaño de partícula relativamente grande no interactúan y por lo tanto el efecto sobre la dureza del material se debe a la dureza como tal de la carga.
•Cuando se usan cargas con grados semi-reforzados se observan mejores resultados en cuanto a dureza. Esto se debe a a la formación de una intercapa con propiedades mecánicas similares a la carga. En este caso, el tamaño real de partícula se ve aumentado por una capa fijada por adsorción. Esto lleva a la formación de reticulaciones físicas, las cuales reforzarán
Efectos de las Cargas en las Propiedades Mecánicas de los Adhesivos Fuerza al rasgado
1. Formando obstáculos en la trayectoria del rasgado lo cual interrumpe la superficie lisa y cambia la dirección de la grieta
2. Interactuando con la matriz y adhiriéndose a ella de tal modo que la tensión es transferida a la matriz sobre una alta área superficial
• Una carga con alta area superficial incrementa la interacción con la matriz
• Las fibras por su alta relación de aspecto son las mas eficientes para mejorar la fuerza de rasgado
• En cuanto a la cantidad de carga se tiene un valor optimo para alcanzar el mejor funcionamiento. Este valor debe llevar a la formación de una monocapa sobre la matriz.
Efectos de las Cargas en las Propiedades Mecánicas de los Adhesivos Resistencia a la Fractura
Esta cualidad de los materiales depende de todas las propiedades mencionadas anteriormente. Por lo tanto, las cargas son factores determinantes en la resistencia a la fractura.
Dependiendo del:
• Tamaño de partícula
• Grado de adhesión a la matriz
• Concentración de la carga
Es imposible predecir un comportamiento o una tendencia, ya que es un conjunto de factores los que llevan o no a la fractura
Efectos de las Cargas en las Propiedades Mecánicas de los Adhesivos Fatiga
La falla ocurre en dos pasos:
1. Iniciación de la grieta
2. Propagación de la grieta
Las cargas pueden interferir de manera positiva en el paso de propagación y por restarle homogeneidad a la matriz contribuye en la iniciación de la grieta.
Si la matriz tiene un carácter quebradizo, la resistencia a la fatiga depende de la iniciación de la grieta.
En matrices flexibles la resistencia a la propagación de la grieta es grande, Por lo tanto la introducción de un sitio de iniciación de la grieta, no es tan grave en la resistencia a la fatiga.
Efectos de las Cargas en las Propiedades Mecánicas de los Adhesivos Adhesión
En general, las cargas pueden incrementar la capacidad de adhesión de los plásticos hacia otros materiales si:
• Participan en el mecanismo de adhesión.• Cambian las propiedades u orientación del polímero
Sin embargo, en muchos casos las cargas pueden:
• Disminuir la adhesión si no están concentradas en la interfase.• Incrementar el módulo de los materiales (mayormente en la
interfase).• Incrementar la viscosidad (retardar la adherencia).
Efectos de las Cargas en las Propiedades Mecánicas de los Adhesivos Deformación Térmica
• La temperatura de distorsión de los plásticos puede ser mejorada con el uso de cargas
• La ganancia de los materiales reforzados se puede obtener en polímetros cristalinos.
• Las cargas fibrosas son mas efectivas que tienen forma de partículas
Contracción • El modulo de contracción puede ser disminuido a la mitad de el valor
para resinas no cargadas mediante la incorporación de cargas. Una adicional reducción puede ser alcanzada si la interacción carga-matriz es aumentada.
• La reducción será mas o menos eficiente dependiendo de la carga y su forma.
Efectos de las Cargas en la reología de los Adhesivos Viscosidad
•Incrementando la cantidad de carga mejora la fuerza al corte y la viscosidad
•El incremento de la viscosidad con la adición de cargas depende de el factor máximo de empaquetamiento,
-0,5
0
0,5
1
1,5
2
2,5
0 0,02 0,04 0,06 0,08 0,1 0,12 0,14
Fracción volumétrica
Visc
osis
dad
25.0m
58.0m
16.0mLa velocidad de incremento depende de la relación
m/
Efectos de las Cargas en la reología de los Adhesivos Viscosidad
• La viscosidad aumenta al principio de la mezcla pero cae continuamente corto tiempo después, este rápido decrecimiento ocurre solo a comienzos del proceso.
60
100
140
180
220
0 10 20 30
Tiempo de mezclado (min)
Vis
cosi
da
d
Efectos de las Cargas en la reología de los Adhesivos Flujo
El flujo o fluidez de los materiales puede ajustarse a conveniencia, en la industria, por medio del uso de cargas, a fin de satisfacer los requerimientos.
La fluidez puede también verse afectada de manera inversa por fenómenos relacionados con la presencia de las cargas en forma de suspensiones. Tales suspensiones son fluidos no Newtonianos con tensiones debidas a la fuerte interacción de las partículas.
Es de esperarse, que al aumentar la viscosidad, disminuya la fluidez; sin embargo esto depende de:• La concentración de la carga • Factor de empaquetamiento
Efectos de las Cargas en la reología de los Adhesivos Torque
El Torque incrementa a medida que la viscosidad aumenta, lo cual es un resultado típico en un aumento de la cantidad de carga.
La viscosidad de una mezcla cargada depende de:
• La naturaleza de la carga
• Forma y tamaño
• Interacción con la matriz
0
1
2
3
4
5
6
7
8
0 20 40 60 80
Contenido de carga (%)
To
rqu
e N
m
Fibra de vidrio
Wollastonita
Carbonato deMagnesio
• Para la fibra de vidrio el comportamiento extremo se debe a su alta relación de aspecto
• Con el carbonato de magnesio se tiene baja interacción matriz-carga
Aplicación de cargas en Productos Acrílicos
Cargas TípicasRango de
concentración (%)Observaciones
CaCO3, TiO2, sílice fumante, ZnO, carbón, alumino-silicatos, grafito, micro esferas de cerámicas
20-70
TiO2. acelera la degradación UVCompuestos con Cu son catalizadores térmicos y aceleran la degradación UVSe recomiendan cargas básicas o neutras, ya que la ácidas y pigmentos retardan el curado
En los selladores las cargas son usadas como reforzadores (sílice y ZnO) y para mejorar la propiedades reológicas (sílice). Estas deben ser añadidas en cantidades limitadas.
En recubrimientos grandes cantidades de cargas pueden ser usadas, ya que en la mayoría de los casos no se requiera alto % de elongación. En algunos recubrimientos se requieren cargas inusuales con el fin de obtener efecto decorativos diferentes.
La Harina de sílice es utilizada en grandes cantidades para abaratar costos.
Aplicación de cargas en Productos Resinas Epóxicas
Cargas TípicasRango de
concentración (%)Observaciones
CaCO3, TiO2, BaSO4, talco, mica, cuarzo, arena, aluminio, cobre, plata, hierro, silicato de zirconio, fibra de carbón y de vidrio, alumino-silicato de litio, grafito, disulfuro de molibdeno, entre otros..
Arena 90%, silica 2-43%, alumina 5-20%
Las cargas absorben parte del calor generado durante el curadoLa adición de sílice sobre epóxicos de curado UV no tiene un significante efecto sobre la velocidad de curado El Fe2O3 cataliza el curado
Aplicación de cargas en Productos Resinas Epóxicas
• Las resinas con fines reparadores son las que tienen mayor cantidad de cargas, con la adecuada mezcla de arena-sílice, se puede llegar a 95% de concentración de carga
• La carga de polvos metálicos pueden alcanzar un 70% p/p en resinas destinadas a fines de recubrimientos.
• Granos de vidrios con partículas de cauchos mejoran la resistencia a la fatiga reduciendo la concentración de stress en los extremos de la grieta.
• La resistencia a la compresión puede ser mejorada por granos de vidrio, cuarzo y carbonato de calcio.
• Las propiedades mecánicas pueden ser drásticamente incrementada cuando se emplea arcilla en forma nano como carga
Aplicación de cargas en Productos Poliuretanos
Cargas TípicasRango de
concentración (%)Observaciones
CaCO3, TiO2, CaSO4, talco, mica, cuarzo, arena, sílice, fibras orgánicas, grafito, hidróxido de amonio, pertículas de caucho, entre otros...
CaCO3 30-60%, CaSO4, 5-10%, arena
hasta 95%, perlas de vidrio 30-40%
Las partículas de caucho son higroscópicas y pueden absorber 1.4% de humedad a la velocidad de 0.01% por minuto, un comportamiento similar presenta el carbón
• En uniones con PU, los valores de la tensión en la falla disminuyen cuando la concentración de la carga aumenta. El modo de la falla también cambia con el aumento de la concentración.
• PU con perlas de vidrio tratadas presenta mayor fuerza de tensión pero menor % de elongación que en el caso en que las perlas no fueron tratadas
• PU como para fuegos el carbonato de calcio es muy útil combinado con otros aditivos, por su alto pico endotérmico mostrado en estudios de DTA
Aplicación de cargas en Productos Siliconas
Cargas TípicasRango de
concentración (%)
Observaciones
CaCO3, silica fumante, carbón, plata, perlas de vidrio, polvos metálicos, silica precipitada, Al2O3, montmorrillinita, mica y ZnO
CaCO3 20-50%, Al2O3
30-50%, ZnO sobre 60%, perlas de
vidrio 5-20% sílice fumante 3-5%
Las propiedades de la silicona son sustancialmente pobres, por lo tanto, su refuerzo es parte impredecible del proceso de desarrollo del producto. La resistencia térmica se ve incrementada por la presencia de óxidos metálicos sintetizados in situ (óxido de zinc)
Cargas Utilizadas en el Laboratorio Carbonato de Calcio (CaCO3)
• Carga mas comúnmente usada. En el pasado su uso fue asociado con la reducción de costos.
• No todos los minerales y rocas de carbonato de calcio son iguales. El tipo y propiedades depende su historia de formación.
• El grado de partícula depende de la tecnología de producción y el lugar de origen
• Las tres tecnología mas usadas son: molido, precipitación y cubierta.
Polvo: plásticos, papel, pinturas, recubrimientos, etc....
Precipitado: pinturas de emulsión, pinturas base solvente, tintas de impresión, papel de cigarrillos, PVC rígido, caucho, PP, PE, PU, poliéster, poli acrilato, etc..
Cargas Utilizadas en el Laboratorio Dióxido de Titanio (TiO2)
• Este es el pigmento mas usado hoy en día. Y su demanda es basada en sus características físicas.
• Los pigmentos tienen dos funciones principales: colorear (reflejar la luz) y opacar (diferencia entre el índice de refracción de la matriz y el pigmento)
• Los polímetros mas frecuentemente usados tienen índices de refracción entre 1.45 y 1.6. Polvos blancos son considerados exitosos pigmentos si su índice de refracción esta sobre 1.7
• El dióxido de titanio tiene un índice de refracción entre 2.55 y 2.7. que sumado a su habilidad de reflejar lo hace el pigmento más eficiente
Cargas Utilizadas en el Laboratorio Dióxido de Titanio (TiO2)
• El tamaño de partícula también tiene una importante influencia en cualquiera de sus funciones. Como pigmento el diametro de partícula debe ser la mitad de la longitud de onda. Comercialmente se tienen tamaños de partícula desde 200 a 300 nm
• La cantidad de carga no debe ser tan pequeña para que las partículas no estén muy separadas, ni muy alta para no interferir una con la otra en el trabajo de disipación
•En mezclas de recubrimiento al TiO2 es formulado para prevenir los cambios de viscosidad cuando se tiene carbonato de calcio como otra carga
Cargas Utilizadas en el Laboratorio Sílice pirogenita (aerosil 200/ aerosil R972
• El aerosil 200, es el tipo más utilizados para espesamiento, tixotropía* y reforzamiento.
• El aerosil R 972, es un material hidrófobo. Es extraordinariamente apropiado para el mejoramiento y mantenimiento de la capacidad de fluidez de productos en polvo. Espesamiento de sistemas resistentes al agua. Empleo en pinturas anticorrosivas. Se utiliza para espesar y proporcionar tixotropía a líquidos orgánicos.
• El Aerosil se utiliza en sustancias en forma de polvo que tienen la tendencia a formar grumos, ya que éste incrementa su fluidez y la estabilidad de almacenamiento. En este sentido, se utiliza en polvos extintores, sal común, alimentos en forma de polvo, plásticos, pinturas anticorrosivas, tintas para impresión offset , etc.
• Se utiliza en la industrial farmacéutica y cosmética para transformas materias líquidas o pastosas, en sólidos en polvos.
* Tixotropía: pérdida de resistencia de un coloide, al amasarlo, y su posterior recuperación con el tiempo.
Cargas Utilizadas en el Laboratorio Teflón
• El material en polvo, es un lubricante sólido ideal con coeficientes de fricción estático y dinámico muy bajos. Es químicamente inerte y trabaja en un rango de temperaturas sumamente amplio (desde -190 hasta 250 ºC). Como aditivo, tiene la ventaja de proporcionar partículas sólidas lubricantes sin afectar otras funciones.
• En lubricantes, para superficies lisas y estructuras tejidas, que pueden ser lubricadas fácilmente, es más factible usar teflón en polvo ya que es mas limpio que el grafito o el bisulfuro de molibdeno y menos contaminante que las siliconas.
Cargas Utilizadas en el Laboratorio Teflón
•Este aditivo incrementa la lubricidad y reduce la fricción y el desgastes de piezas plásticas (poliacetales, poliamidas, policarbonatos, poliésteres, poli-imidas y polisulfuros) y elastoméricas (acrilatos, fluoroelastómeros, neopreno, nitrilos y siliconas).
• En ambientes altamente viscosos y diseñados para trabajar a presiones altas, como los lubricantes, el aditivo puede incrementar la lubricidad y el tiempo de vida del producto, especialmente a altas temperaturas o en ambientes corrosivos.
Cargas Utilizadas en el Laboratorio Estereato de Potasio
• En plásticos estabilizantes no tóxico y lubricante de tipo interno para PVC rígido y platificado, actúa como desmoldante reduciendo la adherencia del compuesto a las paredes de los moldes. Es un lubricante para resinas fenólicas ABS, nylon y polipropileno.
•En pinturas barnices y lacas facilita el extendido
•En suspensiones de pigmentos reduce las variaciones de viscosidad y otorga buenas características de flujo.
•Evita el pegado del caucho a las matrices y moldes espolvoreando la parte interior de los mismos como aditivo, actúa como plastificante, agente de ablandamiento y mejora del proceso.
•Aumenta la resistencia al agua del concreto, asbesto, cementos, etc...
Cargas Utilizadas en el Laboratorio Oxido de Zinc
• El óxido de zinc es de gran utilidad debido a sus propiedades fotoquímicas y reactividad química.
•Es un reticulador de plásticos y algunas resinas, al igual que es usado como un estabilizador UV y como un aditivo con actividad biocida
•Tiene un índice de refracción relativamente alto lo cual lo hace un pigmento blanco eficiente.
•Los principales polímetros en los que es utilizado son: acrílicos, PVC, PC, PE y PP.
Cargas Utilizadas en el Laboratorio Micro Esferas de vidrio
La microesferas mejoran y controlan varias propiedades de los materiales como:•Características del flujo•Disminución de la viscosidad•Comportamiento explosivo•Propiedades acústicas•Espesor•Reducción de la contracción•Fuerza de impacto•Resistencia a la flexión
La mas exitosa característica de las microesferas es su habilidad para reducir la densidad de un producto. Para obtener una reducción exitosa de la densidad las microeferas ha utilizar deben ser ligeras y muy bien incorporadas.
La densidad de esferas huecas disponibles en el mercado van desde 0.12 a 1.1 g/ml ( lo que significa que el vidrio ocupa obre el 10-50% del volumen de la esfera)
Efectos de las Cargas en las Propiedades Mecánicas de los Adhesivos Fuerza de Compresión
Esta propiedad depende de la tiesura de los materiales, así que cualquier carga que presente esta característica podrá afectar la resistencia a la compresión del material.
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