Materiales compuestos híbridos

Los materiales compuestos magnetizables híbridos son definidos como una mezcla homogénea de dos o más cargas magnetizables con diferentes propiedades magnéticas y mecánicas, así como diferente tamaño, distribución de tamaños y forma de partículas, que están embebidas en una matriz polimérica 37. La matriz polimérica puede estar constituida por homopolímeros, copolímeros, polímeros entrecruzados, o mezclas de polímeros, pero no es

tomada como base en la definición anterior, debido a que se considera que el polímero forma una sola fase en el material compuesto. En la Figura 1-10 se muestran dos esquemas correspondientes a dos ejemplos de materiales compuestos híbridos. En la Figura 1-10 a) se muestra un esquema de un material compuesto con igual tamaño de partícula de dos cargas con propiedades magnéticas diferentes. Además se pueden mezclar tamaños de partícula diferentes, de cargas magnetizables diferentes, como se muestra en esquema de la Figura 1-10 b).

Partículas de la carga magnetizable A Mamz poliménca

Partículas de la carga magnetizable B. b

Figura 1-10. Esquemas correspondientes a dos ejemplos de materiales compuestos híbridos.

La finalidad de unir diferentes materiales magnéticos es obtener propiedades intermedias entre los materiales involucrados en la mezcla final. Sin embargo, si dos o más materiales magnetizables son sinterizados para obtener una pieza, puede ocurrir una reacción química entre estos y como consecuencia las propiedades magnéticas se deterioran.

Los materiales compuestos magnéticos híbridos, a diferencia de los materiales magnéticos sinterizados, tienen una matriz polimérica que impide la reacción química entre las partículas magnéticas de los diferentes componentes, debido a que permanece una capa de polímero entre estos39^.

Para la obtención de los materiales compuestos híbridos se necesitó conocer por lo menos dos tipos de materiales magnéticos para ser mezclados con una matriz polimérica, en consecuencia, se debe remontar hasta un tiempo después de 1936 cuando Max Baermann patentó el material compuesto polímero-A1NiCo. En ese tiempo los materiales magnéticos conocidos comercialmente eran la ferrita y el AINiCo. Sin embargo, no se tiene información si se obtuvo un material compuestos híbrido con estos materiales magnéticos.

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En 1980 se preparó un dispositivo constituido por ferrita y AINiCo para ser utilizada en los medidores de energía eléctrica, no obstante que este material no se considera híbrido, debido a que la ferrita se colocó solamente en las partes donde el factor de desmagnetización era mayor, la idea de unir dos materiales magnéticos había surgido39.

John Ormerod en 1992 reportó que materiales compuestos híbridos constituidos por ferrita y Nd2Fe14B se estaban utilizando en motores (sin precisar desde cuando se utilizaron ni que concentraciones de cada carga y polímero se usaron)8. John Ormerod reportó otros avances de estos materiales en 199640. Los materiales compuestos contienen las cargas de ferrita y Nd2Fe14B mezcladas con las matriz polimérica de nylon 12. Otros materiales compuestos híbridos reportados por Ormerod contienen samario y ferrita40.

Es importante indicar que hasta 1997 Fiske y colaboradores, reportaron el estudio de la permeabilidad magnética con el incremento en el contenido de dos cargas magnetizables. Esta es la primera investigación encontrada para materiales compuestos híbridos37. Se utilizó LDPE como matriz polimérica y tres cargas magnetizables comerciales. Se encontró un incremento en la permeabilidad magnética de los materiales compuestos híbridos con respecto a los dos materiales compuestos que contienen una sola carga.

Gronefeld reportó en el año 2000 materiales compuestos híbridos que contienen ferrita y Nd2Fe14B en una matriz polimérica no especificada39. En este mismo año Ormerod reportó las propiedades magnéticas de inducción y coercitividad obtenidas para materiales compuestos híbridos que contienen ferrita y Nd2Fe14B (los materiales compuestos fueron moldeados por inyección)41.

En esta investigación se reporta el análisis de la magnetización de saturación y remanente como función del porcentaje de los dos tipos de carga contenida en los materiales compuestos híbridos LLDPE-ferritalNd2Fe14B (la matriz de LLDPE tiene propiedades polares que mejora la adhesión a las cargas magnetizables). También se caracterizaron las propiedades reológicas y mecánicas de cada uno de los materiales compuestos obtenidos.

2.4.3 Materiales compuestos anisotrópicos (FSC's)

Para mejorar las propiedades magnéticas de los materiales compuestos magnetizables, se aplica un campo magnético durante el procesado, con la finalidad de orientar las partículas en la dirección de su eje preferencial de magnetización. Las partículas que se magnetizan en esta dirección presentan un valor de magnetización mayor. La orientación ocurre cuando el material está fundido y tiene baja viscosidad42. Con este tipo de procesos (reportados a partir de 1992), se obtienen materiales magnéticos anisotrópicos también llamados campo-estructurados (FSC's). La orientación de partículas por la aplicación de un campo magnético se muestra en el esquema de la Figura 1-11.

Matriz polimérica Orientación de partículas

A 3 B

Campo magnético aplicado por los imanes permanentes A y B

Figura 1-11. Esquema de la orientación de partículas por la aplicación de un campo magnético.

Un proceso de obtención de estos materiales es moldeo por inyección (IM), en el cual se utilizan moldes costosos y de diseño complicado. Para orientar el material compuesto en el interior del molde, se emplea una bobina generadora del campo magnético que tiene el molde en su interior (similar a un electroimán). Para procesar estos materiales compuestos por moldeo por inyección, se utilizan tomillos, barriles y moldes constituidos por aleaciones más resistentes al desgaste que en los equipos convencionales (debido a que la dureza de los materiales metálicos embebidos en el material compuesto ocasionan desgaste). Sin embargo el costo del molde y la bobina que aplica el campo es elevado.

Jolly y colaboradores obtuvieron un material compuesto campo-estructurado en 1996, utilizando polidimetilsiloxano mezclado con partículas de acero al carbón. Durante el curado de estos materiales compuestos se aplicó un campo magnético para orientar las partículas. Se

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encontró que el material compuesto formó estructuras tipo columna y que el módulo de almacenamiento de corte fue mayor caracterizado en dirección perpendicular a estas43.

En 1996 Jennewein y colaboradores reportaron otra alternativa para obtener materiales compuestos campo-estructurados utilizando el proceso de moldeo por inyección reactiva de materiales reforzados (RRIM). En este proceso los costos del equipo son menores que en moldeo por inyección, debido a que se pueden utilizar bajas presiones de inyección y por consecuencia un molde de fabricación sencilla, tanto en materiales como en maquinado. En este reporte solamente se describe el proceso utilizado para orientar las partículas, mediante el campo magnético generado por una bobina o por imanes permanentes. La investigación esta relacionada con las propiedades eléctricas que tienen los materiales compuestos campo- estructurados44.

En el proceso RRIM, los reactivos, aditivos y cargas utilizadas para la obtención del polímero son mezcladas e inyectados a un molde, donde finalmente reaccionan y solidifican, obteniendo así la pieza terminada. El tiempo necesario para que la reacción se lleve a cabo es controlado por parámetros como la cantidad agregada de catalizador y la temperatura de reacción.

En el año 2000 Martin y colaboradores reportaron las propiedades magnéticas de dos materiales compuestos campo-estructurados, uno constituido por resma epóxica y SmC05 y el otro por resma epóxica y acero al carbón. Se encontró que las propiedades magnéticas se incrementaron debido a que las partículas se orientan en dirección de su eje preferencial de magnetización45.

En la presente investigación se obtuvo el material compuesto constituido por poliuretano termoplástico (TPU) y Nd2Fe14B. Este polímero se puede obtener utilizando el proceso de moldeo por inyección reactiva (RIM). Los reactivos utilizados en esta reacción deben contener grupos isocianato e hidroxilo. Esta reacción es versátil debido a que permite obtener una gran cantidad de polímeros con diferentes propiedades de una manera rápida (se

puede modificar el tipo de PU y sus propiedades, utilizando diferentes compuestos que contengan los grupos anteriores, extensores de cadena, catalizadores y aditivos).

- La carga magnetizable y los reactivos se mezclaron en una máquina RIM que se diseñó . con esta finalidad. La inyección se efectuó en un molde de material diamagnético localizado en el interior de una bobina magnetizante, ambos también diseñados para orientar las partículas dentro del material compuesto. La orientación de partículas también se realizó aplicando un campo magnético producido por imanes permanentes. El diseño de la máquina utilizada para RRIM se explica brevemente en el Anexo 6. Se caracterizaron las propiedades reológicas, magnéticas y mecánicas de los materiales compuestos obtenidos.

CAPITULO 2