Polímeros autorreparables para materiales compuestos aeronáuticos
Los materiales autorreparables precisan un mantenimiento mínimo, ya que subsanan sus microgrietas y roturas. No resulta extraño, pues, que se hayan convertido en el «Santo Grial» para la industria aeroespacial. HIPOCRATES tenía el cometido de diseñar materiales compuestos autorreparables de base epoxídica y, así, ha logrado dar un paso más hacia el uso de estos materiales en aplicaciones concretas. Para crearlos, sus investigadores se basaron en resinas cuyo uso ya está muy extendido, por lo que no hay más que incorporarlos a los métodos establecidos de fabricación aeroespacial. Hoy en día ya se utilizan materiales compuestos con polímeros laminados en piezas aeronáuticas como hélices de motores, el fuselaje y componentes internos, así como para reparar microgrietas. Estas últimas plantean un problema grave, puesto que reducen la resistencia de los materiales. Hasta ahora las reparaciones requerían una intervención manual, pero en la última década se han producido adelantos en dichos materiales poliméricos autorreparables que podrían cambiar las tornas. En concreto, ya se han estudiado tales mecanismos de autorreparación en hormigón, asfalto, hidrogeles y polímeros de uso biomédico. «La estrategia seguida brinda un itinerario prometedor para prolongar la vida útil de los componentes poliméricos», declaró la coordinadora de HIPOCRATES, la Dra. Sonia Flórez de TECNALIA, sita en San Sebastián, España. No ha sido sencillo diseñar materiales compuestos estructurales de polímeros autorreparables para la industria aeroespacial, reconoce Flórez: «Hubo que solventar varios escollos de carácter práctico», entre ellos, la velocidad de reparación, la estabilidad del proceso y los costes de los materiales y la producción. «Un factor fundamental es la compatibilidad de estas tecnologías con los métodos vigentes de transformación y fabricación». Con ello en mente, el equipo de HIPOCRATES ha aplicado reacciones químicas autorregenerativas ya conocidas a sistemas de resinas epoxi de uso extendido en compuestos aeroespaciales y ha desarrollado métodos que permiten conjugar las tecnologías de autorreparación con las técnicas actuales de transformación. En concreto, el proyecto HIPOCRATES ha investigado dos estrategias de autorreparación. Una consiste en encapsular las microgrietas. En palabras de la propia Flórez: «Se añaden microcápsulas que contienen agentes autorreparables a la mezcla de compuestos con polímeros, en la que se ha dispersado previamente un catalizador que inicia la reacción. Al producirse una microgrieta, las cápsulas se rompen y liberan un agente reparador, el cual entra en contacto con el catalizador. Así tiene lugar una reacción de polimerización que cierra la grieta e impide que ésta se extienda». HIPOCRATES ha sido capaz de innovar en esta estrategia al crear un sistema autorreparable con una «microcápsula todo en uno», sistema que es totalmente autónomo. El catalizador no está dispersado en la matriz de resina, sino que está integrado en la vaina de las cápsulas a mayor concentración. De este modo, la reacción reparadora es más eficaz. La segunda estrategia ha sido utilizar polímeros reversibles. «Son materiales que contienen enlaces internos, los cuales invierten los posibles daños y cierran la grieta al aplicar un estímulo externo, por ejemplo calor, radiación o inducción eléctrica», explica Flórez. Estas propiedades se pueden conseguir con varios polímeros reversibles. El equipo de HIPOCRATES sintetizó y ensayó dos que son compatibles con sistemas epoxídicos y se pueden obtener a partir de materias primas que están a la venta a un coste rentable. Los materiales diseñados por HIPOCRATES se probaron en demostradores a pequeña escala, donde se imitaron los tipos de impacto a gran velocidad que sufren las aeronaves, por ejemplo colisiones con aves, fragmentos diversos y granizo. Se probó el efecto de compresión sobre los materiales reparados para ver si se descomponían en láminas. El análisis por ecografía de los nuevos materiales ensayados indicó que los daños por impacto y compresión se pueden mitigar empleando los materiales autorreparables. Según Flórez: «La incorporación de cápsulas brindó cierta protección contra el impacto mecánico inicial, pero tras la reparación con ambas estrategias se apreció una mayor resistencia a la compresión que anteriormente». En concreto, los nuevos materiales presentaron entre un 5 y un 10 % más de resistencia a las fuerzas de compresión, siendo, pues, resistentes a tipos de impactos que, antes de la reparación, causarían daños. Los materiales compuestos creados en HIPOCRATES tendrán que someterse a más ensayos antes de que se puedan usar en aplicaciones reales, pero el equipo del proyecto confía en que en un plazo de cinco años estos materiales autorreparables ayuden a reducir los costes aeronáuticos al ofrecer una alternativa a los costosos procesos de comprobación y reparación manuales.
Palabras clave
HIPOCRATES, polímeros autorreparables, materiales compuestos, resinas epoxi, microcápsulas, materiales compuestos aeronáuticos
