Detección de fisuras y microgrietas en materiales poliméricos

La detección de fisuras o microgrietas suelen ser operaciones de inspección complejas y críticas de cara a verificar la salud estructural de componentes en diversos sectores como la aeronáutica, en embarcaciones o también en piezas de automoción; donde la evolución de estas grietas puede acabar en sucesos catastróficos. La detección temprana de estas fisuras y microgrietas, con técnicas de evaluación no destructiva, puede ahorrar costes, reducir el daño y la contaminación asociada a estos materiales.

¿Por qué se producen las grietas o fisuras en los materiales?

En la actualidad, los materiales para uso estructural están predominantemente diseñados, fabricados y seleccionados por su rendimiento mecánico. Los polímeros y los composites poliméricos son usados en muchos casos debido a su capacidad para reducir peso en componentes cuando se compara con soluciones basadas en materiales metálicos, preservando no obstante su función mecánica/estructural. A medida que estas estructuras compuestas se hacen más grandes y más complejas, se necesitan técnicas de evaluación no destructiva (NDT) capaces de cuantificar y caracterizar completamente los procesos de daño que puede producirse en las mismas.

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¿Por qué es importante detectar las grietas y fisuras a tiempo?

Los polímeros y los composites poliméricos son susceptibles de sufrir fallos prematuros causados por la formación de microgrietas durante su tiempo de servicio, cuya evolución podría conducir a sucesos catastróficos, que generarían a su vez daños mayores en la zona afectada. Este tipo de fisuras se forman por causas físicas, químicas y/o mecánicas, y habitualmente son muy difíciles de detectar y observar a simple vista. Dado que los procesos de reparación son complejos, esto repercute en altos costes de reemplazo de piezas, además de la contaminación asociada por la dificultad en el reciclaje de este tipo de materiales.

Por lo tanto, la detección de estas microgrietas en una fase temprana, es crucial para asegurar la fiabilidad del material, además de facilitar su reparación de forma prematura, antes de que se produzca un daño irreparable que haga necesario el reemplazo de las piezas.

Por otro lado la sociedad en su conjunto, debido a una concienciación ecológica global que va en aumento, está demandando cada vez más desarrollos tecnológicos dirigidos a la prolongación del ciclo de vida de los materiales, a través de la disminución de la producción de residuos. La detección de estas fisuras y microgrietas alarga la vida de productos, que normalmente, son difíciles de reciclar.

¿Qué solución hemos aplicado para la detección de microgrietas en los materiales poliméricos?

El objetivo de este trabajo es desarrollar un material inteligente para poder identificar el inicio de microgrietas y su propagación de forma sencilla y visual en una etapa temprana de deterioro de la estructura.

Los materiales inteligentes se consideran como los capaces de responder a cambios que se producen en su entorno o en su estructura interna.

Para conseguir este objetivo, es necesario un proceso previo de diseño del material, que en este caso de basa en un composite de matriz tipo epoxi a la que se incorporan microcápsulas poliméricas robustas y compatibles con dicha matriz polimérica. En el proceso de daño o formación de microgrietas, las microcápsulas se rompen y liberan el contenido de su interior que es un compuesto fluorescente. Con la aplicación de una lámpara ultravioleta (UV) de uso convencional a poca distancia del material, es posible inspeccionar la integridad de la superficie y detectar visualmente microgrietas que de otro modo serían invisibles a la vista.

Microencapsulación de sustancias activas para la detección y reparación de materiales

Los usos de la microencapsulación de sustancias activas son variados, incluyendo aplicaciones como la liberación controlada de sustancias como fertilizantes o pesticidas en el ámbito de agricultura, y en los embalajes para la liberación de compuestos activos en contacto con alimentos, entre otros. Esta tecnología está siendo usada extensamente en la actualidad en la industria farmacéutica, cosmética y textil.

La estructura de las microcápsulas poliméricas ofrece gran versatilidad, con posibilidades de modificar la composición química de sus paredes para mejorar su compatibilidad con la matriz en la que están dispersas o embebidas y su morfología para modificar su permeabilidad o robustez, además de la posibilidad de almacenamiento de compuestos de tipo variado en su interior. Esto hace que sean un aditivo de interés para introducir nuevas propiedades o características en los materiales.

Si en el interior de la microcápsula se introduce además un compuesto capaz de polimerizarse en contacto con el ambiente o con la superficie del material, se incorporaría un mecanismo adicional de self-healing o autorreparación. De esta manera, la tecnología desarrollada posee campos de aplicación adicionales con funcionalidades ampliadas

La demanda de la industria en el ámbito de nuevos materiales, que permitan funcionalidades variadas además de una vida extendida, está aumentando y haciéndose más patente en las necesidades y tendencias tecnológicas. El tipo de materiales, diseñados en el proyecto Smartfan por ITAINNOVA, tiene un amplio campo de aplicación y puede ofrecer soluciones para prolongar la vida útil de componentes estructurales, reduciendo así la huella de carbono. Además, introducen alternativas en inspección no destructiva (NDT) innovadoras y de valor añadido para la detección de fisuras en fases tempranas.

Ejemplos de entornos industriales donde se puede aplicar microencapsulaciones de sustancias activas:

• Coatings (recubrimientos) y barnices.
• Automoción.
• Industria aeroespacial.
• Energías renovables.
• Componentes en sector marítimo.
• Industria agroalimentaria (fertilizantes y pesticidas).

El proyecto SMARTFAN

Dentro del proyecto europeo SMARTFAN, en el que ITAINNOVA participa como miembro del consorcio, se está trabajando en materiales multifuncionales con propiedades inteligentes, como self-sensing (auto-detección) y self- healing (auto-reparación).

La tecnología desarrollada se está validando y demostrando con prototipos que están verificando las empresas del consorcio durante el desarrollo del proyecto.

Las nuevas tecnologías van a permitir el desarrollo de materiales inteligentes y multifuncionales que permitirán evitar costes altos en reparaciones, fallos, accidentes y alargar la vida de los productos, siempre teniendo en cuenta su sostenibilidad ambiental desde el mismo momento de su diseño.

Referencias: SmartFan project

Fuentes:

• Justin Cunningham (08 Marzo 2016). Polymer embedded damage detection. Material for Engineering. UK.. Recuperado de https://www.materialsforengineering.co.uk.
• Firas Awaja, Shengnan Zhang, Manoj Tripathi, Anton Nikiforov, Nicola Pugno (Octubre de 2016). Cracks, microcracks and fracture in polymer structures: Formation, detection, autonomic repair. Sciencie Direct . Recuperado de https://www.sciencedirect.com.
• Nor Ishida Zainal Abidin, Mohd Faizul Mohd Sabri, Katayoon Kalantari, Amalina M. Afifi, Roslina Ahmad (2019). Corrosion detection for natural/synthetic/textiles fiber polymer composites. Structural Health Monitoring of Biocomposites, Fibre-Reinforced Composites and Hybrid Composites.
• Pierre Duchene, Salim Chaki, Abderrahmane Ayadi y Patricia Krawczak (24 de enero de 2018). A review of non-destructive techniques used for mechanical damage assessment in polymer composites. Springer link. Recuperado de https://link.springer.com.