Las gomas de silicona son materiales muy utilizados en los productos de altas prestaciones para la industria automovilística, como compuestos de estanqueidad o como materiales resistentes a condiciones extremas. Sin embargo, las características que se les exigen son cada vez más diversas y sofisticadas, por lo que las siliconas deben ofrecer nuevas prestaciones que se puedan adecuar a las nuevas exigencias. Esto es lo que podría suceder con un nuevo composite de caucho de silicona (CS) y nanoplatelets de grafeno (NPGs) que, según un estudio publicado en la revista Composites Science and Technology, puede repararse a sí mismo mediante un proceso reversible de adhesión activado con calor.
Curvas tensión-deformación y valores de Resistencia a la fractura (TS), Alargamiento a al rotura (EB) y Tenacidad (Toughness) de la silicona con grafeno. Artículo
Las principales características de los cauchos de silicona son su excelente elasticidad y su buena estabilidad térmica, algo que los convierte en el material más usado para materiales que trabajen en condiciones de temperaturas extremas (tanto bajas como altas, hasta 200ºC). Estos materiales elastómeros, no obstante, son susceptibles de sufrir algún daño químico o mecánico (grietas, cortes, etc.), un problema de crucial importancia cuando se utilizan en juntas, tubos o recubrimientos. Por tanto, el desarrollo de siliconas con la capacidad de autorrepararse es un importante reto industrial y ha sido objeto de estudio durante mucho tiempo.
En el presente estudio, científicos italianos de la Universidad de Perugia, la de Trento y la Queen Mary University of London, han desarrollado un composite de caucho de silicona con grafeno capaz de repararse mediante un mecanismo descrito hace más de 60 años. Este proceso se basa simplemente en un calentamiento del caucho de forma que puede recomponer su estructura y recuperar sus propiedades mecánicas después de una fractura. La adición de los NPGs es la que facilita este proceso al aumentar la conductividad térmica del elastómero. Este es un efecto muy importante ya que disminuye el calor necesario para inducir la recomposición del polímero, evitando así su posible degradación térmica por altas temperaturas.
Los estudios de materiales autorreparables se habían afrontado históricamente con la adición de microcápsulas conteniendo el agente capaz de restaurar el material. Esta solución, sin embargo, tenía el inconveniente de que sólo podía ser útil una única vez y, además, podía reducir las propiedades mecánicas del polímero al introducir las microcápsulas. Más recientemente se había visto que, en muchos polímeros de silicona, la presencia de grupos libres silanol (SiOH) o silano-hidrógeno (SiH) podía catalizar la reparación del material por medio de la temperatura. Siguiendo esta línea es como se ha llegado al nuevo composite de CS-NPG.
En este estudio, los investigadores prepararon dispersiones del 1% de grafeno en la goma de silicona, la cual se vulcanizó posteriormente y con la que se prepararon distintas probetas. Se prepararon también otras muestras sin nanoplatelets de grafeno y ambas se sometieron a una fractura que se recompuso introduciendo las probetas a continuación en un horno a 150ºC o 250ºC, según si era de CS o CS-NPG.
La comparación de las propiedades de los materiales originales antes de la fractura, con o sin los nanoplatelets de grafeno, mostró una mejora en la conductividad eléctrica del material compuestoasí como un aumento de la resistencia a la tracción, aunque la deformación a la rotura al añadir el grafeno se redujo.
Al comparar el comportamiento del material después de la fractura y el consiguiente proceso de reparación con calor (algo que se analizó también con simulaciones basadas en la teoría de Quantized Fracture Mechanics) los resultados fueron parecidos. En este caso se observó que la fractura producida artificialmente prácticamente desaparecía en la muestra de CS-NPG, mientras que tan solo se recuperaba ligeramente en la silicona sin grafeno. Los autores consideran que esto se debe a que el grafeno ayuda a la conducción del calor por el polímero y favorece la readhesión del material. Es decir, los grupos SiOH libres capaces de activarse térmicamente que pueda contener el composite dan lugar de nuevo a la cadena de siloxanos (-Si-O-Si-) gracias al calor.
Según los investigadores, la facilidad de fabricación de este caucho de silicona compuesto le hace potencialmente útil para ser fabricado a gran escala, y podría ser utilizado para las mismas aplicaciones que una silicona normal, como el moldeo por inyección o la extrusión de partes de un automóvil, ya que se comprobó que la nanocarga de grafeno no alteraba la red polimérica de la siliconani afectaba a su temperatura de fusión.
- Fuente: nota en Materials Today y artículo original.
