Innovador plástico inteligente: se cura solo, cambia de forma y es más fuerte que el acero
Investigadores de ingeniería aeroespacial y ciencia de los materiales de la Universidad A&M de Texas han descubierto nuevas propiedades de un plástico inteligente, reciclable y ultraduradero, lo que allana el camino para aplicaciones transformadoras en las industrias de defensa, aeroespacial y automovilística.
El Dr. Mohammad Naraghi presenta ATSP, el plástico inteligente de fibra de carbono.
Dr. Mohammad Naraghi/Texas A&M University College of Engineering
El Dr. Mohammad Naraghi, director del Laboratorio de Materiales Nanoestructurados y catedrático de Ingeniería Aeroespacial de la Universidad de Texas A&M, en estrecha colaboración con el Dr. Andreas Polycarpou de la Universidad de Tulsa, ha dirigido este avance, financiado por el Departamento de Defensa de Estados Unidos y publicado en Macromolecules y Journal of Composite Materials.
Su trabajo exploró la integridad mecánica, la recuperación de la forma y las propiedades de autocuración de un compuesto plástico avanzado de fibra de carbono denominado copoliéster termoendurecible aromático (ATSP).
Reparación de daños a la carta
El ATSP abre nuevas fronteras en sectores en los que el rendimiento y la fiabilidad son fundamentales y el fallo no es una opción.
"En las aplicaciones aeroespaciales, los materiales se enfrentan a tensiones extremas y altas temperaturas", explica Naraghi. "Si alguno de estos elementos daña alguna pieza de un avión e interrumpe una de sus aplicaciones principales, entonces se podría realizar la autorreparación a demanda".
A medida que el ATSP madura y se amplía, encierra el potencial de transformar las industrias comerciales y de consumo, en particular el sector de la automoción.
"Gracias a los intercambios de enlaces que tienen lugar en el material, se pueden restaurar las deformaciones de un coche tras una colisión y, lo que es más importante, mejorar significativamente la seguridad del vehículo protegiendo al pasajero", afirma Naraghi.
El ATSP es también una alternativa más sostenible a los plásticos tradicionales. Su capacidad de reciclaje lo convierte en un candidato ideal para las industrias que quieren reducir los residuos medioambientales sin comprometer su durabilidad o resistencia.
"Estos vitrímeros, cuando están reforzados con fibras discontinuas, pueden someterse a ciclos de nivelado: se pueden aplastar y moldear fácilmente para darles una nueva forma, y esto puede ocurrir a lo largo de muchísimos ciclos, y la química del material básicamente no se degrada", explica.
Descubrir las capacidades de los ATSP
"Los ATSP son una clase emergente de vitrímeros que combinan las mejores características de los plásticos tradicionales", explica Naraghi. "Ofrecen la flexibilidad de los termoplásticos y la estabilidad química y estructural de los termoestables. Combinados con resistentes fibras de carbono, se obtiene un material varias veces más resistente que el acero, pero más ligero que el aluminio".
Lo que diferencia al ATSP de los plásticos tradicionales es su capacidad de autorregeneración y recuperación de la forma.
"La recuperación de la forma y la autocuración son dos facetas del mismo mecanismo", explica Naraghi. "Con la recuperación de la forma, se refiere al intercambio de enlaces dentro de una pieza continua de material, una especie de 'inteligencia' incorporada. Y, en la autorreparación, hay una discontinuidad en el material, como una grieta. Estas son las propiedades que investigamos".
Para investigar sus propiedades, los investigadores utilizaron un novedoso ensayo de tensión denominado ensayo de fluencia cíclica.
"Aplicamos ciclos repetidos de cargas de tracción, o estiramiento, a nuestras muestras, controlando los cambios en la forma en que el material acumulaba, almacenaba y liberaba energía de deformación", explicó Naraghi.
Mediante cargas cíclicas, los investigadores identificaron dos temperaturas críticas en el material.
"La primera es la temperatura de transición vítrea, o la temperatura a la que las cadenas poliméricas pueden moverse con facilidad, y la segunda es la temperatura de vitrificación. Es la temperatura a la que estos enlaces se activan térmicamente lo suficiente como para que se produzcan intercambios masivos de enlaces que provoquen la curación, la remodelación y la recuperación", explica.
A continuación, el equipo realizó pruebas de fatiga por flexión en ciclos profundos, calentando periódicamente el material a unos 160 grados centígrados para activar la autorregeneración.
Los resultados demostraron que las muestras de ATSP no sólo soportaron cientos de ciclos de tensión y calentamiento sin fallar, sino que además se hicieron más duraderas durante el proceso de curación.
Al igual que la piel puede estirarse, cicatrizar y recuperar su forma original, el material se deformó, cicatrizó y "recordó" su forma original, haciéndose más duradero que cuando se fabricó", explica Naraghi.
Agrietar, curar, repetir
Naraghi y su equipo sometieron el ATSP resistente al calor a cinco agotadores ciclos de tensión, cada uno de ellos seguido de una exposición a altas temperaturas de 280 grados centígrados.
¿El objetivo? Evaluar el rendimiento del material y sus propiedades de autocuración.
Tras dos ciclos completos de reparación de daños, el material recuperó casi toda su resistencia. En el quinto ciclo, la eficacia de la curación se redujo al 80% debido a la fatiga mecánica.
"Utilizando imágenes de alta resolución, observamos que el material compuesto después del daño y la curación era similar al diseño original, aunque el daño repetido causó cierto desgaste mecánico localizado atribuido a defectos de fabricación", dijo Naraghi.
Aun así, la estabilidad química del material y su comportamiento autorregenerativo se mantuvieron fiables durante los cinco ciclos.
"También observamos que el material no se degradaba ni se rompía térmicamente, lo que demuestra su durabilidad incluso después de sufrir daños y curarse", dijo Naraghi.
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