RELACIÓN ENTRE RESISTENCIA A CAVITACIÓN Y PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS Y MECÁNICAS DE RECUBRIMIENTOS POLIMÉRICOS

PARA APLICACIONES EN TURBINAS HIDRÁULICAS

Trabajo de grado presentado para optar por el título Magíster en Ingeniería- Materiales y Procesos

Por Carlos Eduardo Correa Hernández Director: Alejandro Toro Betancur

UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA FACULTAD DE MINAS

MAESTRIA EN INGENIERIA- MATERIALES Y PROCESOS MEDELLIN

2009

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RESUMEN:

En este estudio fue evaluada la resistencia a la cavitación de recubrimientos poliméricos basados en 3 diferentes resinas. Las resinas estudiadas fueron la epóxica, poliuretano y poliúrea, en algunos casos reforzadas con partículas sólidas como oxido de titanio y otros compuestos minerales que contienen silicio, calcio, magnesio, potasio y oxigeno.

Los recubrimientos muestran un amplio rango de porosidades observándose los valores más grandes en las resinas poliuretano y poliúrea (hasta el 17%), aunque fue posible reducir estos niveles de porosidad en muchos casos por el control apropiado de los procesos de aplicación.

Se realizaron pruebas de cavitación siguiendo la norma técnica ASTM G32-03, y la mejor resistencia fue observada en los recubrimientos epóxicos sin refuerzos cuyos tiempos de incubación promedio estuvieron de alrededor de 30 minutos. Las muestras con el peor comportamiento fueron los recubrimientos basados en poliuretano, los cuales no presentaron tiempo de incubación y altas tasas de desgaste (hasta de 50 mg-min). Las resinas de poliúrea presentaron altos niveles de desgaste, similares a las del poliuretano, pero al menos su periodo de incubación no fue nulo

Los mecanismos de desgaste principales en las resinas epóxicas fueron la fatiga superficial y el “crazing” así como el desprendimiento de refuerzos y pigmentos. En los poliuretanos y poliúreas la fractura frágil debida a crecimiento de grietas acelerado prevalecieron debido a su reducida resistencia adhesivo-cohesiva, aunque el desprendimiento de partículas también fue observado

PALABRAS CLAVE: Resistencia a cavitación, resina epóxica, poliuretano, poliúrea, fatiga, crazing, fractura frágil

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ABSTRACT:

In this study, the cavitation resistance of polymeric coatings based in 3 different resins was evaluated. The studied resins were epoxy, polyurethane and polyurea, in some cases reinforced with solid particles such as titanium oxide and other mineral compounds containing silicon, calcium, sodium, magnesium, potassium and oxygen.

The coatings showed a wide range of porosities, being found the largest values in polyurethane and polyurea resins (up to 17%), although it was possible to reduce these porosity levels in many cases by proper control of the application processes.

Cavitation tests following the standard ASTM G32-03 were performed, and the best resistance was observed in non-reinforced epoxy coatings, whose average incubation time was around 30 minutes. The samples with the worst behavior were the polyurethane based coatings, which had no incubation period and high wear rates (up to 50mg/min). The polyurea resins presented high wear levels, similar to those of polyurethanes, but at least the incubation period was not null.

The main wear mechanisms in epoxy resins were surface fatigue and crazing, as well as detachment of reinforcements and pigments. In polyurethanes and polyureas, brittle fracture due to accelerated crack growing prevailed due to their reduced adhesive-cohesive strength, although the detachment of particles was also observed.

KEY WORDS: Cavitation resistance, epoxy resin, polyurethane resin, polyurea resin, fatigue, crazing, brittle fracture

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TABLA DE CONTENIDO

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TABLA DE CONTENIDO�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

LISTA DE FIGURAS������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

1� INTRODUCCIÓN����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

2� REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA������������������������������������������������������������������������������������������������������

2.1� Teoría general de cavitación��������������������������������������������������������������������������������������������������

2.1.1� Origen y colapso de las burbujas – desgaste por cavitación�������������������������������������

2.1.2� Propiedades de materiales resistentes a la cavitación���������������������������������������������

2.2� Recubrimientos poliméricos��������������������������������������������������������������������������������������������������

2.2.1� Generalidades������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

2.2.2� Propiedades del poliuretano y la poliurea���������������������������������������������������������������������

2.2.3� Propiedades de la resina epóxica����������������������������������������������������������������������������������

2.2.4� Refuerzos��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

2.2.5� Algunas consideraciones sobre la adherencia�������������������������������������������������������������

2.3� Recubrimientos para protección contra desgaste�������������������������������������������������������������

2.4� Parámetros de rugosidad�������������������������������������������������������������������������������������������������������

3� OBJETIVOS������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

3.1� Objetivo general����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

3.2� Objetivos específicos�������������������������������������������������������������������������������������������������������������

4� PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL������������������������������������������������������������������������������������������

4.1� Recubrimientos estudiados����������������������������������������������������������������������������������������������������

4.2� Preparación superficial del sustrato de acero inoxidable������������������������������������������������

4.3� Corte de las probetas�������������������������������������������������������������������������������������������������������������

4.4� Caracterización microestructural y evaluación de superficies���������������������������������������

4.5� Ensayos de cavitación�������������������������������������������������������������������������������������������������������������

4.6� Medición de energía libre de superficie������������������������������������������������������������������������������

4.7� Otros ensayos��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

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5� DISCUSIÓN DE RESULTADOS��������������������������������������������������������������������������������������������������

5.1� Caracterización del sustrato�������������������������������������������������������������������������������������������������

5.2� Microestructura y caracterización química de los recubrimientos aplicados���������������

5.2.1� Resina Epóxica (RE)���������������������������������������������������������������������������������������������������������

5.2.2� Resina Poliuretana De Alta Densidad (PUAD)�������������������������������������������������������������

5.2.3� Resina poliurea (RPU)������������������������������������������������������������������������������������������������������

5.3� Resistencia a cavitación�������������������������������������������������������������������������������������������������������

5.4� Análisis de las superficies desgastadas y determinación de mecanismos de desgaste�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

5.4.1� Resina Epóxica������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

5.4.2� Resina Poliuretana De Alta Densidad����������������������������������������������������������������������������

5.4.3� Resina poliúrea���������������������������������������������������������������������������������������������������������������

5.5� Correlaciones entre resistencia a cavitación y características estructurales de los recubrimientos����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

6� CONCLUSIONES��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

7� RECOMENDACIONES����������������������������������������������������������������������������������������������������������������

8� BIBLIOGRAFÍA����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

9� ANEXOS������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

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LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1.1. Curva de Resistencia a la tracción teórica calculada para el agua pura. [Marchegiani. 2006] .............................................................................................................................. 15�Figura 2.1.2. Representación del colapso de las burbujas cerca y en contacto con la superficie del material afectado. Tomado de [Hansson-Hansson 1992] ................................... 16�Figura 2.1.3. Representación del daño ocasionado por el colapso de las burbujas en contacto con la superficie del material afectado ............................................................................................ 17�Figura 2.1.4. Curvas típicas de a) pérdida de masa contra tiempo y b) de tasa de erosión contra tiempo [ASTM G32-03] ........................................................................................................... 18�Figura 2.1.5. Comparativo del poder protector de las diferentes fases de aceros. Tomado de Heathcock et.al. [Heathcock, et.al., 1982] ................................................................................. 19�Figura 2.1.6. Comparativo de la perdida de material y tiempo de incubación contra el parámetro σf’*η’ para varios metales [Richman- McNaughton, 1990] ....................................... 20�FIGURA 2.2.1: Estructura de los polímeros cristalinos [Bejarano. 1997]. ............................... 21�FIGURA 2.2.2: Representación de polímero amorfo. [Bejarano. 1997]. .................................... 21�FIGURA 2.2.3: Representación de la reacción del diisocianato con el alcohol o la amina cuyos productos son a) uretano, b) urea. [Hare, 1994]. ................................................................ 23�FIGURA 2.2.4: Representación de la reacción del diisocianato con el agua [Hare, 1994]. ... 24�FIGURA 2.2.5: Representación de la reacción de resinas epóxica a base de bisfenol A [Hare, 1994]. ........................................................................................................................................... 25�FIGURA 2.2.6: Representación de la agentes de curado a base de aminas para las resinas epóxicas [Hare, 1994]. .......................................................................................................................... 25�FIGURA 2.2.7: Representación de la ecuación de Young que explica la relación de las energías superficiales para establecer si hay humectación o no del líquido al sólido [Bejarano. 1997]. .................................................................................................................................... 28�FIGURA 2.2.8: Representación de una gota de líquido humectando el sólido [Bejarano. 1997]. ........................................................................................................................................................ 28�FIGURA 2.2.9: Representación de los enlaces químicos entre el polímero base del recubrimiento y el sustrato [Ameron International] ..................................................................... 29�FIGURA 2.2.10: representación de enlaces de valencia secundaria [Ameron International] .................................................................................................................................................................... 29�FIGURA 2.2.11: Adhesión en una superficie rugosa. [Ameron International] .......................... 30�FIGURA 2.4.1. Representación de las superficies real y geométrica ........................................ 32�FIGURA 2.4.2. Representación de parámetro de rugosidad Ra .................................................. 32�FIGURA 2.4.3. Representación de parámetro de rugosidad Rz .................................................. 33�

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FIGURA 2.4.4. Representación de parámetro de rugosidad Rq .................................................. 33�FIGURA 2.4.5. Representación de parámetro de rugosidad Rs .................................................. 34�FIGURA 4.3.1. Cortadora de disco diamantado de baja velocidad ISOMET ........................... 38�FIGURA 4.5.1 Sistema de lavado ultrasónico .................................................................................. 39�Figura 4.5.2 secado de muestras ........................................................................................................ 39�Figura 4.5.3 desmagnetizador ............................................................................................................. 40�Figura 4.5.4. Balanza analítica con precisión de 0.00001 mg ....................................................... 40�Figura 4.5.5 Aparato vibratorio para pruebas de cavitación TELSONIC ULTRASONICS DG-2000-2 ............................................................................................................................................... 41�Figura 4.5.6 Muestra montada en el portamuestras y su ubicación frente al sonotrodo del cavitómetro ............................................................................................................................................. 41�Figura 4.6.1 Esquema del método de Wilhelmy para medición de la energía libre de superficie ................................................................................................................................................. 42�Figura 4.7.1. Microdurómetro SHIMADZU equipado con punta para dureza Knoop. ............. 43�Figura 5.1.1. Problemas causados por el tratamiento superficial. a) Preparación con alúmina, se observa incrustación de alúmina y levantamiento de material base incrustado en la resina, b) Preparación con alúmina, se ve levantamiento de material base incrustado en la resina, c) Pulido con pulidora, se ve levantamiento de material base incrustado en la resina, d) Preparación con sílice, se ve incrustación de partículas y levantamiento de material base incrustado en la resina, e) Preparación con sílice, se observan partículas incrustadas en la resina, f) Preparación con sílice, se ve incrustación de sílice y levantamiento de material base incrustado en la resina. ............................................................................................................... 45�Figura 5.1.2. a) Parámetros de altura en la medición de rugosidad. b) Parámetros de espaciamiento en la medición de rugosidad. ..................................................................................... 45�Figura 5.2.1. Porosidad de los recubrimientos basados en resina Epóxica................................ 46�Figura 5.2.2. Imagen de la sección transversal del recubrimiento epóxico. ............................. 47�Figura 5.2.3. Presencia de poros en el seno de la película epóxica. a) imagen SEM en detector SEI de un poro y algunos refuerzos. b) imagen SEM de la sección transversal mediante detector BEC. ........................................................................................................................ 48�Figura 5.2.4. Grieta debido a falla cohesiva en la resina, imagen SEM tomada mediante detector BEC ........................................................................................................................................... 49�Figura 5.2.5. Sección transversal del recubrimiento epóxico evolucionado para reducción de porosidad. ................................................................................................................................................. 49�Figura 5.2.6. Imágenes de microscopía óptica de sección transversal de resina epóxica sobre láminas de acero al carbono. .................................................................................................... 50�Figura 5.2.7. Micrografías de las resinas epóxicas de la tercera fase en microscopía óptica. .................................................................................................................................................................... 51�

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Figura 5.2.8. Micrografías de resinas epóxicas de la tercera fase sin refuerzos, donde pueden ser apreciados los poros. ........................................................................................................ 52�Figura 5.2.9. Defectos típicos de la microestructura de las pinturas base resina epóxica: falta de continuidad entre el material de refuerzo y la resina, fallas adhesivas en la intercara refuerzos-resina, fallas cohesivas al interior de los refuerzos y agujeros dejados por la pérdida de los refuerzos. ......................................................................................................... 53�Figura 5.2.10. Se muestran las fallas cohesivas en la resina epóxica ........................................ 54�Figura 5.2.11. Fallas cohesivas de la resina epóxica ....................................................................... 54�Figura 5.2.12. a) Se muestran las fallas adhesivas de la resina con el oxido de titanio (pequeñas esferas blancas), b) se muestran las aglomeraciones circulares de oxido de titanio ........................................................................................................................................................ 55�Figura 5.2.13. Espectro FTIR del recubrimiento de resina epóxica. .......................................... 56�Figura 5.2.14. Mapas de espectroscopia EDS donde se aprecia la composición de los refuerzos que se ven en la micrografía de SEM correspondiente una muestra ED109-1. .... 57�Figura 5.2.15. Mapas de espectroscopia EDS donde se aprecia la composición de los refuerzos que se ven en la micrografía de SEM correspondiente una muestra ED109 CR-2. .................................................................................................................................................................... 58�Figura 5.2.16. Mapas de espectroscopia EDS donde se aprecia la composición de los refuerzos que se ven en la micrografía de SEM correspondiente una muestra ED109 CR. . 59�Figura 5.2.17. Gráfico de análisis térmico del recubrimiento de resina epóxica..................... 60�Figura 5.2.18. Dureza Knoop medida en las muestras de recubrimiento de resina epóxica. . 60�Figura 5.2.19. Porosidad de los recubrimientos Poliuretanos ....................................................... 61�Figura 5.2.20. Medición del espesor de película del recubrimiento de poliuretano de primera fase ............................................................................................................................................................ 62�Figura 5.2.21. Problemas de mojabilidad de la primera fase de la resina con el sustrato .... 63�Figura 5.2.22. Muestra los poros generados por el proceso de curado ..................................... 63�Figura 5.2.23. Poros generados por el curado del recubrimiento en la superficie y los inicios de fallas en ellos. .................................................................................................................................... 64�Figura 5.2.24. Refuerzos en el recubrimiento y poros generados por el desprendimiento de los mismos. ............................................................................................................................................... 64�Figura 5.2.25. Espesor de película del recubrimiento poliuretano de fase 2. .......................... 65�Figura 5.2.26. Imagen de sección transversal donde se evidencia la reducción de poros de gran tamaño en el recubrimiento. ....................................................................................................... 66�Figura 5.2.27. Imagen de sección transversal donde se evidencian los poros debidos a pérdida de refuerzos. ........................................................................................................................... 66�Figura 5.2.28. Imagen de sección transversal donde se evidencian grietas en los refuerzos. .................................................................................................................................................................... 67�

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Figura 5.2.29. Imagen de sección transversal donde se evidencian grietas en la resina cerca de la intercara con el metal ................................................................................................................. 67�Figura 5.2.30. Imagen de sección transversal donde se evidencian espacios grandes entre la resina y el metal y residuos de metal entre ambas superficies .................................................. 68�Figura 5.2.31. Tamaño de película resina poliuretana 3ª fase ..................................................... 69�Figura 5.2.32. Poros en la resina poliuretana 3ª fase .................................................................... 70�Figura 5.2.33. Fallas cohesivas de la resina ..................................................................................... 71�Figura 5.2.34. Mala mojabilidad de los refuerzos por parte de la resina ................................. 71�Figura 5.2.35. Fallas cohesivas de los refuerzos ............................................................................ 71�Figura 5.2.36. Espectro FTIR del recubrimiento de resina poliuretana ................................... 72�Figura 5.2.37. Mapas EDS de la muestra PUAD127-1.................................................................... 73�Figura 5.2.38. Mapas EDS de la muestra PUAD127-2 ................................................................... 74�Figura 5.2.39. Mapas EDS de la muestra PUAD127 CR ................................................................. 75�Figura 5.2.40. Grafico de análisis térmico de resina poliuretana ............................................... 76�Figura 5.2.41. Dureza Knoop del recubrimiento de resina poliuretana ...................................... 76�Figura 5.2.42. Porosidad de los recubrimientos a base de poliurea ........................................... 77�Figura 5.2.43. Imágenes de la porosidad de los recubrimientos a base de poliúrea .............. 78�Figura 5.2.44. Imágenes de la porosidad de los recubrimientos a base de poliúrea que se generan en la superficie por colapso de los poros bajo la misma vista de sección transversal .................................................................................................................................................................... 79�Figura 5.2.45. Imágenes de la porosidad de los recubrimientos de poliúrea. Vista de la superficie ................................................................................................................................................. 79�Figura 5.2.46. Espesor de película de los recubrimientos de poliúrea con base epoxifenólica. .................................................................................................................................................................... 80�Figura 5.2.47. Intercara de los recubrimientos de poliúrea con la base epoxifenólica. ........ 81�Figura 5.2.48. Intercara de la base epoxifenólica del recubrimiento con el acero. ............... 81�Figura 5.2.49. Grietas de la base epoxifenólica cerca de la intercara con el acero............... 81�Figura 5.2.50. Poros por desprendimiento de refuerzos y evidencias de mala mojabilidad de los mismos. ............................................................................................................................................... 82�Figura 5.2.51. Grietas de los refuerzos por fallas cohesivas en su interior. ........................... 82�Figura 5.2.52. Nanoporos por desprendimiento de los pigmentos y aglomeraciones de los mismos....................................................................................................................................................... 83�Figura 5.2.53. Espectro FTIR del recubrimiento de resina poliúrea. ........................................ 84�Figura 5.2.54. Mapa EDS de la resina PUR CR capa epoxifenolica. ............................................ 85�Figura 5.2.55. Mapa EDS de la resina PUR CR capa poliúrea. ...................................................... 86�Figura 5.2.56. Temperatura de transición vitrea del recubrimiento de resina poliúrea. ...... 87�Figura 5.2.57. Dureza Knoop de resina poliúrea. ............................................................................. 87�

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Figura 5.3.1. Pérdida acumulada de masa comparativa de todas las resinas. ............................ 88�Figura 5.3.2. Pérdida acumulada de masa comparativa de las resinas con menores pérdidas. .................................................................................................................................................................... 89�Figura 5.3.3. Pérdida acumulada de masa de la resina Epóxica sin refuerzos. ........................ 89�Figura 5.3.4. Tasa de pérdida de masa comparativa de todas las resinas. ............................... 90�Figura 5.3.5. Tasa de pérdida de masa comparativa de las resinas con menores tasas de desgaste. .................................................................................................................................................. 90�Figura 5.3.6. Tasa de pérdida de masa de la resina Epóxica sin refuerzos. ............................. 91�Figura 5.3.7. Tasa de máxima de pérdida de masa comparativa de todas las muestras. ....... 92�Figura 5.3.8. Pérdida acumulada de masa comparativa de todas las resinas. ........................... 92�Figura 5.4.1. Aspecto de la superficie desgastada de muestra ED109-1. ................................. 94�Figura 5.4.2. Evidencia de pérdida de refuerzos debido a la cavitación. a) muestra ED109-1, b) muestra ED109-2, c) muestra ED109-1, d) muestra ED109-2. ............................................... 95�Figura 5.4.3. Desgaste en forma de panal en la resina ED109-2 ................................................. 95�Figura 5.4.4. Variación de concentración de titanio a lo largo de una línea que cubre el interior y el borde de una celda en la superficie desgastada de la muestra ED109-2, obtenida por EDS. .................................................................................................................................. 96�Figura 5.4.5. Mapas EDS de una región de la superficie desgastada de la muestra ED109-2 que presenta estructura celular con distribución heterogénea de óxido de titanio. ............. 97�Figura 5.4.6. Aspecto de la superficie desgastada del recubrimiento ED109 SR luego de 22 minutos de exposición a la cavitación. ............................................................................................... 98�Figura 5.4.7. Aspecto de la superficie desgastada de la muestra ED109 SR en 160 minutos de exposición a la cavitación. Se observan claras evidencias de fatiga y extrema deformación plástica. ............................................................................................................................ 98�Figura 5.4.8. Aspecto de la superficie desgastada de la muestra PUAD127-1. Se observa crazing (a) y fallas cohesivo-adhesivas (b). ...................................................................................... 99�Figura 5.4.9. Secuencia de desgaste en la muestra PUAD127-3 entre los 2 y 6 minutos de prueba. .................................................................................................................................................... 100�Figura 5.4.10. Evidencias de fenómenos de delaminación en muestras de resina poliuretana. a, b) muestra PUAD127-SR, c, d) muestra PUAD127-CR. .......................................................... 100�Figura 5.4.11. Secuencia de desgaste en la muestra PUR-1 a los 1, 3, 4, 6, 8, 10, 13 y 19 minutos de prueba. ................................................................................................................................ 101�Figura 5.4.12. Estado final de la superficie desgastada de la muestra PUR-CR. ................... 102�Figura 5.4.13. Estado final de la superficie desgasta de la muestra PUR-SR. ....................... 102�Figura 5.4.14. Estado final de la superficie desgasta de la muestra PUR-CR. ....................... 103�Figura 5.4.15. Estado final de la superficie desgasta de la muestra PUR-SR. ....................... 103�Figura 5.5.1. Grafico comparativo de porosidad ............................................................................ 104�

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1 INTRODUCCIÓN

Desde que Benjamín Franklin en el siglo XIX descubrió la electricidad y ésta se pudo controlar se ha convertido en una de las más importantes fuentes de energía para las comodidades del mundo moderno, que han generado una mayor calidad de vida para la gente.

Existen varias formas de generar la electricidad, como lo son la termoeléctrica, generación por energía solar, por reacciones de fisión nuclear de átomos grandes, energía eólica, entre otras, sin embargo, la forma de generación que más se emplea en el país gracias a su topografía y a sus recursos hídricos, es la hidroeléctrica, con centrales hidroeléctricas que funcionan con turbinas tipo Pelton, Francis o Kaplan.

En Antioquia los sistemas que usan turbinas Pelton son los más comunes, en los cuales el golpe de un chorro de agua a alta velocidad en cada cangilón de la turbina le da el impulso a la rueda para generar la energía eléctrica, pero este chorro genera en el material diversos tipos de desgaste, entre los cuales se encuentran la erosión por cavitación, la erosión por impacto de partículas sólidas, la erosión por impacto de chorro líquido, entre otras. El desgaste genera una reducción en la eficiencia del proceso de generación y por consiguiente pérdidas significativas de energía y dinero.

Debido a este desgaste y los altos costos que son para la empresa ya sea repararlos o comprarlos nuevos se vio necesario desarrollar sistemas para protección de estos equipos con el fin que la recuperación de su perfil hidrodinámico fuera mucho más fácil y económico y de esta manera extender su vida útil con una buena eficiencia de generación, incluso otro objetivo de esta búsqueda era que se pudiera llevar a cabo durante las sesiones periódicas de mantenimiento que poseen las maquinas.

A partir de estas preocupaciones, en el medio local Santa [Santa, 2008] y Espitia [Espitia, 2008] propusieron recubrimientos cerámicos aplicados mediante la técnica de proyección térmica para proteger los cangilones de las turbinas contra erosión por impacto de lodos y erosión por cavitación. De acuerdo a lo estudiado por Das y Puntambekar [Das-Puntambekar, 2001] en India y Nepal, en donde las turbinas de las centrales de generación sufren severos daños, se propuso el empleo de recubrimientos poliméricos para brindar esta protección al material del que están hechas las turbinas.

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En el presente estudio se estudia la microestructura, composición y resistencia a la cavitación de diversos recubrimientos de tipo polimérico para aplicación manual sobre acero, los cuales fueron desarrollados a partir de productos estándar de la empresa PINTUCO S.A., con variaciones en la formulación y en el proceso de aplicación de acuerdo a las exigencias de las pruebas y de las propiedades esperadas.

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2 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

2.1 Teoría general de cavitación

En todos los sistemas por los cuales existe flujo de líquidos se puede presentar el fenómeno de la cavitación, el cual se define como la creación y colapso continuo de burbujas de vapor del líquido que fluye en el sistema debido a cambios en la presión del sistema por debajo y por encima de la presión de vapor que posee el líquido.

De acuerdo con Potter [Potter-Wiggert.2002] existen 4 tipos de cavitación, aunque autores como Marchegiani [Marchegiani. 2006] reúnen estos 4 tipos en 2. Los 4 tipos de cavitación expuestos por Potter son:

a-. Cavitación Viajera: es la que se da cuando las burbujas se crean, viajan con el flujo y colapsan aguas abajo de donde se forman, la cual es la que sucede en la mayoría de los sistemas de flujo como bombas, turbinas y tuberías y se da gracias a las variaciones en la velocidad de flujo debido a pequeños cambios que pueden existir en la geometría de estos elementos.

b-. Cavitación Fija: la cavidad de vapor se forma en un punto y crece como región separada del flujo, esta región puede volver a entrar al flujo y adherirse al material encerrándolo, y al haber un cambio en la presión de ese sistema puede generarse el colapso de la súper cavidad formada generando un daño enorme y un fenómeno también llamado supercavitación.

c-. Cavitación Vorticial: es la que se encuentra en un vórtice de alta velocidad generados principalmente, aunque no exclusivamente, al paso del fluido a través de objetos que se encuentren inmersos en medio del sitio por el cual fluye el líquido, lo que genera cambios de presión en estos vórtices produciendo el fenómeno.

d-. Cavitación Vibratoria: es la que se da cuando una onda de presión viaja a través del fluido comprendiendo zonas de alta y baja presión donde puede dar lugar a la continua formación y destrucción de cavidades de vapor. Esta forma de cavitación se da en sistemas cerrados y es la que se emplea principalmente en el ensayo de materiales para verificar su resistencia al fenómeno. Este es el método empleado en este estudio para evaluar los recubrimientos desarrollados.

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Sin embargo pese a las diferencias que existen entre estos tipos de cavitación (los primeros 3 que pueden ser agrupados como cavitación en flujo) un estudio realizado por Okada y colaboradores [Okada et. al. 1995] mostró que la forma como colapsan las burbujas, y el daño producido en la superficie es el mismo.

2.1.1 Origen y colapso de las burbujas – desgaste por cavitación

Los líquidos, así como los materiales sólidos tienen unas fuerzas cohesivas en sus moléculas, aunque considerablemente más pequeñas que los primeros, lo que hace que estos también se fracturen [Sevostianov, et. Al. 2000] y permite calcular teóricamente curvas de tracción, es decir, presiones negativas que le es posible al liquido resistir antes de vaporizarse (fracturarse) como ejemplo se toma el caso del agua pura que se muestra la figura 2.1.1, que es presentada por Marchegiani [Marchegiani. 2006], sin embargo los esfuerzos de tensión necesarios para vaporizar el agua son considerablemente menores que los mostrados en la grafica, por lo cual el agua ya se considera que trae unas “fallas” en su estructura, asemejándose también a la estructura molecular de los sólidos en especial los cristalinos lo que permite que las burbujas aparezcan con una menor presión que la esperada.

�Figura 2.1.1. Curva de Resistencia a la tracción teórica calculada para el agua pura. [Marchegiani. 2006]

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En el caso de los líquidos, estas fallas son burbujas nanométricas de gases, generalmente aire, o partículas solidas que se encuentran suspendidas en el fluido y las cuales sirven como núcleos para que la estructura del líquido falle y en ellas crezcan las burbujas que se crean cuando la presión global del fluido cae por debajo de su presión de vapor, en los cambios súbitos de presión en el flujo los cuales suceden debido generalmente a cambios en la geometría del solido a través del cual fluye el liquido o por la formación de vórtices debido a objetos fijos sumergidos en el flujo como en el caso de medidores u objetos similares.

En la literatura [Marchegiani. 2006, Hansson-Hansson 1992] se explican 2 mecanismos que causan el daño en la superficie del material afectado una vez la burbuja colapsa. En la figura 2.1.2 puede apreciarse la secuencia que siguen las burbujas en el momento de colapsar, destacándose 2 posiciones, el primero es cuando la burbuja colapsa estando en contacto con la superficie del material y el segundo cuando la burbuja colapsa en el seno del fluido pero en las vecindades del material por el que circula el fluido.

Figura 2.1.2. Representación del colapso de las burbujas cerca y en contacto con la superficie del material afectado. Tomado de [Hansson-Hansson 1992]

El colapso de la burbuja en contacto con la superficie del material sucede de una manera asimétrica lo que hace que mientras se sucede el colapso el material se vea afectado por un microchorro de líquido a alta velocidad, el cual según Hansson [Hansson-Hansson 1992] puede estar en un rango de 100 a 150 m/s y golpea la superficie de manera perpendicular provocando la remoción de material y generando en ese punto una picadura y dejando

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lugares en los cuales puede daño sobre la superficie com

Figura 2.1.3. Representación desuperficie del material afectad

En el caso del colapso de la mas simétrico que en el cagenerando una onda acústicaque impacta el material y cuesta onda acústica se atenrelativamente muy cerca dsuficientemente alta como pa

Sin embargo la energía que cpor el colapso de una burbaprecia en los materiales queproduce debido a que el fenóuna sola burbuja la que se crtodo el fluido en las zonas dla burbuja responsable es cusola superburbuja se reúneenergía mucho más altas al m

El comportamiento típico dela figura 2.1.4 [ASTM G32-0cual la estructura del mater

nuclearse una nueva burbuja que continumo se representa en la figura 2.1.3

el daño ocasionado por el colapso de las burbuo

burbuja en las vecindades de la superficieaso en el cual la burbuja está en contaa que se propaga rápidamente a través deluya energía es la responsable de generar núa muy rápido en el fluido por lo que de la superficie para que logre tener ara afectar el material.

contiene tanto el microchorro como la onduja no es lo suficientemente alta para he se ven expuestos a este fenómeno. Sin eómeno de la cavitación no es de carácter area e implota, sino que son cúmulos de ellas onde los cambios de presión ocurren. En ca

uando se presenta el caso de la supercavitaen varias burbujas pequeñas haciéndola momento de implotar.

e los materiales expuestos a cavitación es 03], en donde puede apreciarse un periodorial se reorganiza sin tener perdida aprec

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uaría acrecentando el

ujas en contacto con la

e, pero sin tocarla, es acto con el material, fluido y la cual es la el daño, sin embargo el colapso debe ser aun una energía lo

da acústica generadas hacer el daño que se embargo este daño se aislado, es decir no es

las que se forman en aso que sea una única ación en la cual en esa crecer y generando

el que se muestra en o de incubación en el ciable de material, el

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cual posteriormente sufre una aceleración hasta llegar a una tasa máxima y en algunos casos desacelerarse después hasta llegar a una tasa de desgaste constante, en algunos casos no presentan el periodo de desaceleración que es mostrado en la figura 2.1.4 b).

a) b) Figura 2.1.4. Curvas típicas de a) pérdida de masa contra tiempo y b) de tasa de erosión contra tiempo [ASTM G32-03]

Las superficies afectadas por el fenómeno inicialmente presentan picaduras pequeñas a lo largo del área cavitada que son consistentes con los mecanismos a través de los cuales el fenómeno ataca la superficie, las cuales a medida que el tiempo va transcurriendo crecen llegando a presentar daños severos en la pieza que afectan considerablemente el perfil hidrodinámico de las mismas y reducen apreciablemente la eficiencia de operación.

2.1.2 Propiedades de materiales resistentes a la cavitación

Los materiales empleados en las piezas de maquinaria que van a estar sujetas a cavitación durante su operación son principalmente hechas de acero, especialmente martensítico el cual ofrece un mejor comportamiento de resistencia a la cavitación al tener una mayor dureza que las demás fases que pueden tener los aceros, y dado el mecanismo de microchorros visto anteriormente esta mayor resistencia a la indentación puede permitirle al acero resistir mejor al fenómeno, sin embargo en estudios realizado por Wang y Zhu [Wang- Zhu. 2003, 2004] concluyeron que la resistencia a la cavitación de los metales no depende de la dureza de los mismos, pese a que puede haber una similitud en los mecanismos de penetración en el material.

Sin embargo no solo los metales martensíticos ofrecen buena resistencia a la cavitación debido a que, como mostraron en su estudio Wang y Zhu [Wang- Zhu. 2003, 2004], también la propiedad de los aceros austeníticos de endurecerse por trabajo transformando la fase

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austenítica que es la principal en su estructura a martensita le provee también aceptables propiedades de resistencia al material contra el desgaste por cavitación como lo mostraron Heathcock y colaboradores [Heathcock, et.al., 1982] en su estudio en el que probaron la resistencia a la cavitación de varios tipos de acero contemplando las 3 posibles fases que pueden ellos tener y mostrando que los martensíticos son los mejores pero que los austeníticos no están muy lejos del comportamiento de los primeros, sin embargo los aceros ferríticos son varios órdenes de magnitud peores en cuanto a su poder protector a cavitación comparado con los aceros que tienen las otras 2 fases, como puede verse en la figura 2.1.5.

Figura 2.1.5. Comparativo del poder protector de las diferentes fases de aceros. Tomado de Heathcock et.al. [Heathcock, et.al., 1982]

Como el proceso por el cual las superficies sufren daño cuando se ven sometidas a erosión por cavitación es de fatiga principalmente entonces las propiedades cíclicas de los materiales cobran una relevancia importante y según lo estudiado por Richman Y McNaughton [Richman-McNaughton, 1990] las propiedades que mejor explican el comportamiento de los materiales al desgaste son el coeficiente de resistencia a la fatiga (σf’), el cual también lo llaman resistencia al esfuerzo cíclico y el exponente de endurecimiento por esfuerzo cíclico (η’), que también los autores lo llaman índice de resistencia a deformación cíclica como se ve en la figura 2.1.6

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Figura 2.1.6. Comparativo de la perdida de material y tiempo de incubación contra el parámetro σf’*η’ para varios metales [Richman- McNaughton, 1990]

2.2 Recubrimientos poliméricos

2.2.1 Generalidades

Las pinturas para protección al desgaste, al contrario de las decorativas, tienen una serie de exigencias en términos de propiedades mecánicas y tribológicas, las cuales deben garantizarse para ofrecer la resistencia deseada.

Las pinturas están compuestas principalmente por una resina polimérica en la cual se suspenden partículas sólidas que son el pigmento de la pintura, o en casos como el de las pinturas para protección contra la erosión por partículas sólidas o por cavitación [Bejarano. 1997, Ameron International, Goldberg-Lauman 1989, Roman et. al. 1995, Bagheri-Pearson 1996, 2000], pueden ser utilizadas partículas cerámicas, metálicas o de caucho que sirven para soportar la acción de las partículas, ondas de presión o chorros líquidos. La matriz polimérica tiene normalmente una función amortiguadora, mientras que las partículas sirven de refuerzo y aumentan la resistencia mecánica. Algunas pinturas para protección, en especial los anticorrosivos, y las pinturas de decoración poseen solventes, sin embargo, la mayoría de las pinturas resistentes a la erosión, sea ésta por cavitación o por partículas sólidas, son generalmente compuestas por sistemas de polímeros que son fluidos pero que secan después de un tiempo de estar mezclados ya que la presencia de solventes puede generar poros en la superficie del material, los cuales generarían núcleos de crecimiento para las grietas y llevar así a una mayor tasa de pérdida de material.

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Además de la resina, los refposee comúnmente una serireológicos, de color, del procdifíciles de reconocer y/o sdebido a cuestiones de sigilo

Desde el punto de vista del opolímeros:

Los cristalinos: Son polímeroen “mazos”, como lo represutilizados para bolas plásticalos tubos.

FIGURA 2.2.1: Estructura de lo

Los amorfos: son aquellos cumuy poco, como se esquemaempleados en las resinas par

FIGURA 2.2.2: Representación

Cuando se considera la formtipos [Bejarano. 1997]: polímpor adición se subdividen en:

fuerzos y el solvente, una pintura para ape de aditivos que cumplen funciones esp

ceso de curado, entre otros. Estos aditivossu presencia no es reportada explícitameno comercial.

ordenamiento tridimensional de las cadena

os que tienen las cadenas paralelas y se encsenta en la figura 2.2.1, y son los materas como el polietileno o poliestireno o tam

os polímeros cristalinos [Bejarano. 1997].

uyas cadenas no tienen ningún orden espeatiza en la figura 2.2.2. Típicamente estra los recubrimientos.

de polímero amorfo. [Bejarano. 1997].

ma de obtención, los polímeros pueden clameros por adición y polímeros por condens:

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plicaciones especiales ecíficas en términos

s en muchos casos son nte por el fabricante

as, existen 2 tipos de

cuentran organizados riales principalmente

mbién como el PVC de

cifico, o cuentan con os son los polímeros

asificarse en otros 2 sación. Los polímeros

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Polímeros termoplásticos por adición: son polímeros de grandes pesos moleculares que se obtienen mediante la adición sucesiva de monómeros individuales los cuales son radicales libres que tienen enlaces dobles reactivos, y se van agregando hasta que se encuentran con un monómero que los cierre.

Son cadenas lineales que se mantienen unidas por fuerzas de Van Der Waals o de valencia secundarias que se encuentren entre grupos adyacentes de las cadenas, y no por enlaces químicos entre ellas.

Este tipo de polímeros se llaman termoplásticos debido a que tienden a fundirse en elevadas temperaturas y además permanecen solubles en los solventes en los que se formaron, quienes rompen los enlaces débiles que mantienen las cadenas unidas

Polímeros termoestables por adición: Estos polímeros pueden ser hechos de forma similar a la de los polímeros termoplásticos, sin embargo son diferentes los monómeros que ya no son simples grupos vinílicos, enlaces dobles, como los anteriores sino que son acrílicos multifuncionales como hexanodiol-diacrilato, trimetil propano diacrilato entre otros. También pueden polimerizar catalizados por radiación UV o rayos de electrones lo que forma entre las cadenas enlaces de valencia primarios, es decir, enlaces químicos entre las cadenas, de aquí que no se fundan con el calor o sean solubles en el solvente en el que se formaron una vez curados.

Por otra parte, los polímeros por condensación se obtienen cuando los monómeros reaccionan entre sí, generalmente son 2 monómeros distintos, por ejemplo un glicol con grupos OH- con otros monómeros ácidos formando un polímero que contiene grupos Ester, este proceso también produce agua, la cual es eliminada durante el proceso de polimerización.

En ciertos casos para la fabricación de los recubrimientos se emplean oligómeros (los oligómeros son polímeros por adición de bajo peso molecular) como prepolímeros que tiene la función de ser un entrecruzador y es empleado como un sistema de pinturas de 2 componentes que es mezclada directamente en el campo.

2.2.2 Propiedades del poliuretano y la poliurea

El poliuretano y la poliurea son 2 materiales que podría decirse que son hermanos medios ya que ambos provienen de una misma molécula. El poliuretano se obtiene cuando dos productos químicos -un diisosianato y un poliol- se mezclan en presencia de catalizadores y

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activadores adecuados, en el caso de la poliurea la reacción no es con poliol sino con amina, estas reacciones se muestran en la figura 2.2.3 donde la primera muestra la reacción de la molécula de isocianato con el poliol el cual es el que genera el uretano. Mientras que la segunda reacciona con una amina para formar el compuesto de la urea, las cuales después, y con los catalizadores adecuados, entre los que se encuentran DABCO y DBTDL, se unen entre sí por medio de los radicales para formar la cadena polimérica más larga.

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FIGURA 2.2.3: Representación de la reacción del diisocianato con el alcohol o la amina cuyos productos son a) uretano, b) urea. [Hare, 1994].

Sin embargo como se puede observar en la figura 2.2.4 la reacción de este material con el agua da origen al CO2 el cual es completamente deseable en el caso de las espumas, y de estas las que más lo emplean son las que utilizan como aislantes termicos, ya que estas burbujas la estabilizan y le dan mejores propiedades, sin embargo en recubrimientos de protección, y en especial a cavitación, este subproducto es absolutamente indeseable porque el mismo puede traer porosidad y por lo tanto superficies a través de las cuales el material podría fallar.

El poliuretano es un material con amplias aplicaciones de mantenimiento y protección, no solo en proteger a los materiales contra el desgaste, sino también como aislante térmico, ya que una de las principales propiedades de este tipo de materiales es la baja conductividad térmica que poseen teniendo mejor comportamiento que muchos otros materiales empleados en aislamiento.

Otra propiedad importante de los materiales a base de diisocianatos es que una vez han curado completamente su estructura le permite resistir a una amplia gama de líquidos corrosivos convirtiéndolo en un material apropiado para la protección de materiales en contra de la corrosión por estos líquidos o materiales que deban ser protegidos contra la humedad impidiendo que este tipo de sustancias alcancen el material para afectarlo y degradarlo severamente

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FIGURA 2.2.4: Representación de la reacción del diisocianato con el agua [Hare, 1994].

Mecánicamente los poliuretanos y las poliureas son materiales generalmente plásticos que tienen un alto módulo de tensión y de esfuerzo, junto con alta elongación. Esta combinación imparte dureza y durabilidad a los revestimientos de poliuretano. [Fasmel, 2003] proporcionándole también a esta resina, de acuerdo con estudios realizados por Fasmel Ltda [Fasmel, 2003] excelente resistencia contra la abrasión comparada con otros materiales poliméricos de acuerdo a lo expuesto por esta misma empresa.

Los poliuretanos son materiales blandos y con resiliencias variables de acuerdo a las necesidades y que son logradas de acuerdo a la formulación que se presenta con ellos y que está determinada por la longitud que se logre en las cadenas poliméricas las cuales pueden ser bloqueadas en su crecimiento lo que le permite amplias variaciones en la dureza, resiliencia y comportamiento elástico del material, además estas resinas mantienen su comportamiento a pesar de amplios cambios en la temperatura ambiente.

2.2.3 Propiedades de la resina epóxica

Las resinas epóxicas son polímeros termoestables que están elaboradas principalmente bisfenol-a. {2,2-bis(4'-hidroxifenil) propano} cuya reacción puede verse en la figura 2.2.5 y que emplea para ser curada compuestos de curado a base de aminas como los que se muestran en la figura 2.2.6

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FIGURA 2.2.5: Representación de la reacción de resinas epóxica a base de bisfenol A [Hare, 1994].

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FIGURA 2.2.6: Representación de la agentes de curado a base de aminas para las resinas epóxicas [Hare, 1994].

Las resinas epóxicas presentan buena resistencia a altas temperaturas, hasta de 500°C, lo que los reconoce como polímeros termoestables, también es un material que tiene una aceptable adherencia a superficies metálicas en general, y posee una excelente resistencia a los productos químicos agresivos por lo que son considerados materiales químicamente inertes una vez curan, y tienen buenas propiedades de aislamiento eléctrico.

De acuerdo a lo expresado por Chacón [Chacón 2009] las resinas epóxicas son empleadas en una amplia gama de aspectos industriales como lo son recubrimientos para proteger latas empleadas para empaque de alimentos, recubrimientos de tanques para almacenamiento, protección de pisos, aislantes eléctricos de aplicación en circuitos para protegerlos y

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darles mayor durabilidad, también es empleado como un fuerte y resistente adhesivo para múltiples tipos de materiales.

En general las resinas epóxica tienen una mayor dureza que las resinas poliuretanas a consecuencia del entrecruzamiento de las cadenas poliméricas, las cuales también le dan sus características de rigidez y resistencia [Abejonar et.al. 2009].

Otra ventaja de la resina epóxica es que puede combinar con otros plásticos para obtener compuestos con nuevas características como lo estudiaron Bagheri y Pearson donde incluyeron partículas de caucho para mejorar la resistencia de materiales epoxicos [Bagheri-Pearson 1996, 2000]. También son buenos receptores de materiales duros como carburo de silicio como lo estudiaron Abejonar y colaboradores [Abejonar et.al. 2009] o sílica de acuerdo al estudio de Chen y colaboradores [Chen, Et. al. 2008] los cuales al igual que los cauchos y plásticos evaluados por Bagheri y Pearson también permiten mejoras sustanciales en las propiedades mecánicas del mismo, pero con tendencia a ser por las intercaras con estas partículas por donde se produzcan las fallas.

2.2.4 Refuerzos

Según la literatura [Goldberg-Lauman 1989, Roman et. al. 1995, Bagheri-Pearson 1996, 2000] los refuerzos que pueden ser empleados varían en tanto en el tipo de material empleado como en el tamaño del mismo

Los materiales que se emplean para los refuerzos pueden ser metálicos, cerámicos [Goldberg-Lauman 1989, Roman et. al. 1995] o de caucho agujerado [Bagheri-Pearson 1996, 2000] los cuales se emplean con el fin de brindarle a los polímeros lo mejor de sus propiedades y tomar de estos lo mejor de las de ellos con el fin de brindar la mejor protección posible

Materiales en forma de ojuelas bien sea cerámicos como la sílice empleada por Goldberg y Lauman [Goldberg-Lauman 1989] que son duros o materiales metálicos como el cavitec o el cobalto que presentan buena resistencia a la cavitación pero que su costo para hacer toda la turbina con ellos es desproporcionadamente alto respecto al costo de la misma con acero, pueden servir como escudos al fenómeno.

No solo las ojuelas de estos materiales serian apropiados, según Roman y colaboradores [Roman et. al. 1995] las partículas de tamaños submicrometrico (de 0.1 a 10 µm) son también adecuadas ya que en ese caso no sería solo 1 partícula la que resistiría la energía

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incidente, sino que se dividen la energía del impacto entre varias de ellas lo que le permitiría al sistema mejor resistencia y protección.

No solo las partículas micrométricas ayudan a mejorar el desempeño, también partículas nanométricas, siempre y cuando no sea muy cargado el polímero, Chen y colaboradores [Chen, Et. al. 2008] mostraron que agregar partículas nanométricas a resinas epóxica mejoran considerablemente sus propiedades mecánicas, aparte de eso la dispersión de estas partículas es considerablemente buena teniendo pocas acumulaciones en la matriz del material.

2.2.5 Algunas consideraciones sobre la adherencia

Un factor clave para que se pueda dar una adecuada adherencia en los sistemas de las pinturas es que éstas humecten adecuadamente la superficie sobre la cual son aplicadas, para permitir que las moléculas puedan establecer los enlaces necesarios para la adherencia, preferiblemente de tipo primario.

La humectación de un líquido a un sólido está dada por la energía libre superficial de cada uno de los elementos, o tensión superficial, y para que se dé la humectación correcta la energía superficial del sustrato debe ser más grande que la misma del recubrimiento de modo que este entonces pueda esparcirse y “mojar” adecuadamente.

Sin embargo algunos polímeros tienen una energía libre superficial mayor que la del sustrato por lo que hay que preparar este último, lo que implica una adecuada limpieza del material para eliminarle la mayor cantidad posible de impurezas que puedan reducirle la energía superficial al sustrato, o modificar químicamente la superficie del sustrato y de esta manera lograr aumentarle su energía y así facilitar la humectación para poder que el recubrimiento adhiera adecuadamente

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FIGURA 2.2.7: Representación de la ecuación de Young que explica la relación de las energías superficiales para establecer si hay humectación o no del líquido al sólido [Bejarano. 1997].

FIGURA 2.2.8: Representación de una gota de líquido humectando el sólido [Bejarano. 1997].

Una vez lograda la adecuada humectación de las superficies existen 3 formas en las que el recubrimiento puede adherirse a la superficie del sustrato:

YPV

Y sv

TENSIÓN SUPERFICIAL DE LA PINTURA ACTÚA PARA MINIMIZAR EL AREA SUPERFICIAL DE LA MISMA

YSV TENSIÓN SUPERFICIAL DEL SUSTRATO ACTUA PARA MINIMIZAR EL AREASUPERFICIAL DEL MISMO.

YSP TENSION INTERFACIAL QUE MINIMIZA EL AREA DE CONTACTO PINTURA-

SUSTRATO. Ø ANGULO DE CONTACTO

BAJO EQUILIBRIO POR LO TANTO : Y SV = YSP

+ COS Ø

HACIA UNA MEJOR HUMECTACIÓN , MINIMIZACIÓN DE YPVpv

aire

Y pv

Ysp

ANGULO DE CONTACTO

HUMECTACIÓN OCURRIRÁ CUANDO Y SV SEA MAYOR O IGUAL QUE

YPV

YSP + Y

PV

A. BUENA HUMECTACIÓN

SI Ypv ES MUY PEQUEÑA Ø TIENDE A 0°, Y COS Ø TIENDE A 1, LA PELICULA HUMECTARÁ Y

POR LO TANTO HABRÁ BUENA ADHERENCIA

YSV

YPV

YSP

AIRE

Ø ANGULO DE CONTACTO

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a-. Enlaces Químicos: son trelacionados con la naturaledel polímero que compone lreactivos complementarios qllegar a tener hasta 12000 P

FIGURA 2.2.9: Representación sustrato [Ameron Internationa

b-. Enlaces de Van Der Vaincluidos los enlaces de puenlas resinas poliméricas son d

Los enlaces de valencia secumoléculas de ambos materiaeléctrica de los iones, por loson los grupos hidroxilo o esteres, éteres o amidas, mestablecer este tipo de enlac

FIGURA 2.2.10: representación

c-. Adhesión Mecánica: estáconcreto donde el recubrimadhesión del recubrimiento a

En los metales se creía quepermitía este tipo de adherees que así se aumenta el ácantidad de puntos reactivossecundaria.

también conocidos como enlaces de valeneza del sustrato y también con las caractea resina base del recubrimiento, teniendque al entrar en contacto forman enlaces SI de adherencia [Bejarano. 1997].

de los enlaces químicos entre el polímero basel]

aals: o enlaces de valencia secundaria, dntes de hidrógeno. La mayoría de los enlacee este tipo.

undaria son aquellos enlaces que aprovechaales y generan uniones entre los dos baso que estas moléculas tienen grupos altamlos carboxílicos de los ácidos que se ve

mientras que los sustratos tienen gruposces con los mencionados de las resinas.

n de enlaces de valencia secundaria [Ameron Int

á principalmente dada en materiales poroiento ingresa a través de los poros y estoal sustrato.

e el hacer más rugosa la superficie por mencia entre el material y el sustrato, sin emárea superficial del material y por lo tas para lograr una adherencia por enlaces d

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cia primaria y están erísticas moleculares o entre ellos grupos químicos que pueden

e del recubrimiento y el

donde también están es entre el sustrato y

an la polaridad de las sados en la atracción mente polares como lo en principalmente en s polares que pueden

ternational]

osos como madera o o es importante en la

medios como el lijado mbargo lo que sucede anto abre una mayor de valencia primaria o

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FIGURA 2.2.11: Adhesión en una

Con el fin de lograr la adheinteracción entre el sustratdeben cumplir algunas exigenque lo principal para lograr las superficies involucradamateriales grupos reactivoanteriormente.

REQUERIMIENTOS DE LOSSUSTRATO

Alta fuerza cohesiva Alta energía superficial Incremento del área superfi

Superficie pura (no contamin

Presencia de sitios reactimetálicos, OH- ETC.), en gepolares

Porosidad

Solubilidad o solubilidad pasolventes del recubrimiento

TABLA 2.1: requerimientos de adherencia entre ellos. [Bejaran

a superficie rugosa. [Ameron International]

erencia química, que es la que idealmente to y el recubrimiento tanto el sustrato concias las cuales son listadas en la tabla 2.1este objetivo es una gran diferencia en las y los recubrimientos, que si ademáss se tendrá la mejor adherencia posib

S SISTEMAS PARA MÁXIMA ADHERENCRECUBRIMIENTO

Grupos polares Baja energía superficial

cial Grupos reactivos: ácidos hidroxilos

nación) Baja energía de la resina bajos sólidos, bajo pesopromedio , polimerización deaplicación

ivos (óxidos eneral grupos

Bajo esfuerzo interno

Sistemas de solventes evaporaciónReducida contracción polimerización

arcial en los Buena flexibilidad

Baja permeabilidad Pigmentos barrera Uniforme densidad de entreEliminación de elementos hidAgentes de acople silanos et

los materiales del sustrato y recubrimiento pno. 1997].

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debería darse en la omo el recubrimiento 1 en donde se expone as energías libres de s existen en ambos ble como se explicó

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carboxílicos,

en solución, o molecular espués de la

de lenta

en la

cruzamiento drofílicos tc. para obtener una mejor

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2.3 Recubrimientos para protección contra desgaste

Para proteger a los materiales contra el desgaste por erosión o cavitación en medios corrosivos [Roman et. al. 1995] se han empleado matrices poliméricas elásticas como poliuretano y epóxicas principalmente con este objetivo, que permitan absorber la energía de impacto de las partículas del medio, en las que se esparce una cantidad de partículas que permiten reforzar esa matriz y darle mejores propiedades mecánicas que le permiten un mejor comportamiento frente al desgaste

Las partículas de refuerzo son de diversos tipos, uno de los que presenta buen comportamiento para lograr el cometido del compuesto son las partículas cerámicas de tamaño micrométrico que tienen como función hacer que las partículas grandes que están suspendidas en el liquido que incide en el material protegido encuentren mayor oposición. Además, la matriz en la que se encuentran uniformemente esparcidas esas partículas permite disipar la energía [Roman et. al. 1995].

Para el caso de la cavitación se pudo encontrar que los materiales protegidos con una resina polimérica que contiene un ingrediente reológico especial como lo son hojuelas de sílice [Goldberg-Lauman 1989] que pueden reducir o eliminar los daños que sufre el sustrato al recibir la mayor parte de la onda de choque ellas, por lo que deben estar adheridas fuertemente a la matriz que las soporta para evitar que sean desprendidas con facilidad y así poder cumplir la misión que tienen.

También Bagheri y Pearson [Bagheri-Pearson 1996, 2000] han probado con otro tipo de elementos que han mostrado ser bastante eficientes para proteger los sustratos contra desgaste en pruebas de tracción y de fractura en agrietamiento de 3 puntos y 4 puntos, y se trata de un compuesto de una matriz epóxica con adiciones de partículas de caucho o de plásticos porosos, que al ser de una naturaleza similar a la de la matriz soporte ofrecen buena adherencia a ésta y también han mostrado buena capacidad de proteger, teniendo mejor eficiencia para esto en concentraciones de 10-15% en peso [Bagheri-Pearson 1996], siendo también critica la distancia existente entre las partículas debido a que la matriz tiene un estado de tensiones diferente alrededor de las partículas que se van acomodando a medida que se alejan de la partícula; si las partículas se encuentran muy juntas superponen estos esfuerzos generando regiones puntuales que, al estar sometidas a enormes tasas de deformación, pueden ser generadores de grietas.

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2.4 Parámetros de rugosidad

Las superficies lisas macroscópicamente, que también varios autores llaman superficies geométricas, no son tan lisas cuando se miran microscópicamente, es decir, cuando se mira la superficie real, en ningún caso las superficies son completamente lisas siempre tienen picos y valles cuyas alturas y espaciamiento estan de acuerdo al nivel de pulido que presente la superficie [Hutchings 1992, Williams 1994]. En la figura 2.4.1 puede observarse un ejemplo de superficie real y geométrica

FIGURA 2.4.1. Representación de las superficies real y geométrica

Pere determinar que tan lisa o rugosa es la superficie existen varios parámetros, unos de ellos que representan medidas de la altura de picos y valles del perfil de rugosidad mientras que otros representan la separación entre los picos o las intersecciones con el eje medio del mismo, los cuales de acuerdo con el manual del rugosímetro empleado [Mitutoyo] se definen así:

El primero de ellos, y el más ampliamente utilizado para referirse a la calidad de una superficie es el de Ra el cual es, como lo muestra la figura 2.4.2 un promedio aritmético de las alturas, y de los valles tomados como alturas (valor absoluto del valor de la distancia entre el valle y la línea central)

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FIGURA 2.4.2. Representación de parámetro de rugosidad Ra

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El caso de Rz, que es mostrado en la figura 2.4.3 es la media de los valores absolutos de las alturas de las cinco crestas más altas y de las profundidades de los cinco valles más bajos del perfil de rugosidad obtenido dentro de una longitud dada

FIGURA 2.4.3. Representación de parámetro de rugosidad Rz

Rq, como lo muestra la figura 2.4.4, corresponde a la raíz cuadrada de la media aritmética de los cuadrados de las todas las desviaciones de la línea media a lo largo de toda la longitud de evaluación del perfil

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FIGURA 2.4.4. Representación de parámetro de rugosidad Rq

En el caso de las medidas de rugosidad teniendo en cuenta la separación entre picos adyacentes del perfil, teniendo en cuanta que un pico es considerado como la parte más alta en la zona comprendida entre un paso del perfil de rugosidad por la línea media hacia arriba y el siguiente paso en la dirección contraria, Rs entonces es definido como la media aritmética de estas separaciones como se muestra en la figura 2.4.5 y definiendo Rsm como la separación máxima que existe entre los picos del perfil en la longitud en la que el mismo fue tomado.

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FIGURA 2.4.5. Representación de parámetro de rugosidad Rs

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3 OBJETIVOS

3.1 Objetivo general

Establecer relaciones entre algunas propiedades físico-químicas y mecánicas y la resistencia a cavitación de recubrimientos poliméricos de aplicación manual, con potencial aplicación en la protección de cangilones de turbinas de generación eléctrica tipo Pelton.

3.2 Objetivos específicos

• Determinar algunas propiedades físico-químicas y mecánicas de recubrimientos poliméricos con potencial aplicación para protección contra cavitación.

• Caracterizar la microestructura de la intercara entre el recubrimiento y el sustrato (acero inoxidable) y discutir su influencia sobre la adherencia entre los dos materiales.

• Determinar la resistencia a cavitación de los diferentes recubrimientos estudiados, en condiciones controladas de laboratorio.

• Comparar la resistencia a cavitación ofrecida de los recubrimientos con la del acero desnudo.

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4 PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

4.1 Recubrimientos estudiados

Aprovechando la experiencia de la empresa PINTUCO S.A., a partir de su conocimiento en recubrimientos para aplicación en diferentes modalidades de mantenimiento industrial, apoyado en las patentes 4847122 de Julio 1989 y 5665807 de Dic. 1995, se seleccionaron como matrices para la elaboración de los recubrimientos: poliuretano de alta densidad (PUAD), resina epóxica (RE), y resina de poliurea (RPU). La clasificación de estos recubrimientos puede apreciarse en la tabla 4.1

MUESTRA SUSTRATO PREPARACIÓN SUPERFICIAL

MATRIZ DEL RECUBRIMIENTO REFUERZOS

ED109-1 ASTM 743 SÍLICE EPÓXICA SiO2, CaCO3, MgO ED109-2 COLD ROLLED NINGUNA EPÓXICA SiO2, CaCO3, MgO ED109-3 ASTM 743 ALÚMINA EPÓXICA SIN REFUERZOS ED109-4 ASTM 743 ALÚMINA EPÓXICA SiO2, CaCO3, MgO ED109-5 ASTM 743 SÍLICE EPÓXICA SIN REFUERZOS ED109-6 ASTM 743 SÍLICE EPÓXICA SiO2, CaCO3, MgO ED109-7 ASTM 743 SÍLICE EPÓXICA SIN REFUERZOS ED109-8 ASTM 743 PULIDORA EPÓXICA SIN REFUERZOS

PUAD127-1 ASTM 743 SÍLICE POLIURETANO SiO2, CaCO3, MgO PUAD127-2 COLD ROLLED NINGUNA POLIURETANO SiO2, CaCO3, MgO PUAD127-3 ASTM 743 ALÚMINA POLIURETANO SIN REFUERZOS PUAD127-4 ASTM 743 ALÚMINA POLIURETANO SiO2, CaCO3, MgO PUAD127-5 ASTM 743 SÍLICE POLIURETANO SIN REFUERZOS PUAD127-6 ASTM 743 PULIDORA POLIURETANO SIN REFUERZOS PUAD127-7 ASTM 743 PULIDORA POLIURETANO SiO2, CaCO3, MgO

PUR-1 ASTM 743 ALÚMINA POLIUREA SIN REFUERZOS PUR-2 ASTM 743 SÍLICE POLIUREA SIN REFUERZOS PUR-3 ASTM 743 SÍLICE POLIUREA SIN REFUERZOS PUR-4 ASTM 743 PULIDORA POLIUREA SIN REFUERZOS PUR-5 ASTM 743 PULIDORA POLIUREA SiO2, CaCO3, MgO

Tabla 4.1. Muestras empleadas en el estudio

A estas matrices les fueron adicionados diferentes elementos para mejorar sus propiedades, entre los que se encuentran el CaCO3, TiO2, SiO2. Los recubrimientos fueron aplicadas sobre acero inoxidable martensítico ASTM743 grados CA6NM y CA 15 con

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diferentes condiciones de preparación superficial, así como sobre acero al carbono laminado en frio.

Los recubrimientos fueron aplicados mediante esparcimiento manual por medio de brocha en varias capas para reducir la porosidad y fueron curados al aire. También hubo algunos de los recubrimientos que fueron aplicados en una sola capa gruesa.

4.2 Preparación superficial del sustrato de acero inoxidable

Con el fin de probar diferentes acabados superficiales y así evaluar su incidencia en la adherencia de las matrices empleadas, el acero inoxidable fue tratado por medio de impacto con partículas abrasivas (sand blasting) y mediante el uso de pulidora.

Para el tratamiento de sand blasting fueron empleados 2 tipos de partículas abrasivas, en primer lugar óxido de aluminio, Al2O3, y en segundo lugar con partículas de óxido de silicio, SiO2, ambos con granulometría AFS 20. En las pruebas, la boquilla se desplazó lentamente de izquierda a derecha y de arriba hacia abajo en la placa donde la máquina presentaba un caudal de aire de 15 pies cúbicos por minuto.

Un tercer tratamiento empleado en la preparación de las superficies fue mediante piedra abrasiva haciendo pequeños círculos sobre las placas y con un movimiento de la máquina de derecha a izquierda y de arriba hacia abajo. En todos los casos, posterior al tratamiento se realizaron mediciones de la rugosidad.

A algunas de las superficies, además del tratamiento superficial descrito arriba, les fue aplicada una capa de organosilano de referencia Z-6020 y Z-6040, con el fin de promover una adherencia química entre el metal y el recubrimiento.

Nota: en las pruebas realizadas con placas de acero laminado en frio no se llevó a cabo ningún tipo de preparación superficial.

4.3 Corte de las probetas

Después de aplicados los recubrimientos, todas las placas fueron cortadas en una cortadora de sierra de cinta continua para reducir sus dimensiones iniciales. Posteriormente las placas de menor tamaño fueron cortadas mediante una cortadora metalográfica de disco

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metálico diamantado de baja velocidad BUEHLER ISOMET, la cual puede verse en la figura 4.3.1, de modo que los recubrimientos no sufrieran desprendimientos debido al corte.

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FIGURA 4.3.1. Cortadora de disco diamantado de baja velocidad ISOMET

4.4 Caracterización microestructural y evaluación de superficies

De las placas se extrajeron pequeñas muestras que fueron montadas en su sección transversal en resina autopolimerizante con el fin de observar las características de los recubrimientos en porosidad y homogeneidad, además de las condiciones de la intercara entre el recubrimiento y el acero.

La visualización de estas características microestructurales en las secciones transversales, así como la evaluación de los mecanismos de desgaste de las pinturas sometidas a cavitación fueron observadas por medio de microscopio óptico NIKON ECLIPSE LV 100, estereoscopio NIKON SMZ1500 y microscopio electrónico de barrido JEOL JSM-5910LV

Las micrografías fueron evaluadas empleando el software de tratamiento digital de imágenes IMAGE PROCESING SOFTWARE NIKOS NIKOLAOU para la cuantificación de la porosidad tomando la imagen y binarizándola por medio de la aplicación del parámetro OTSU del software y tomando los valores por debajo de 60 puntos, donde cero (0) es negro y doscientos cincuenta y cinco (255) es blanco, posteriormente se analizo el histograma y de allí se tomó el valor de la porosidad como la probabilidad de que un pixel de la imagen sea negro.

Para la caracterización química de los refuerzos se empleó espectroscopio de dispersión de energía (EDS) acoplado al microscopio electrónico de barrido.

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4.5 Ensayos de cavitación

Fueron cortadas probetas cuadradas de 25 mm de lado las cuales fueron inicialmente lavadas en 4 oportunidades en agua destilada mediante sistema de lavado vibratorio ultrasónico, con el equipo que puede apreciarse en la figura 4.5.1, durante 5 minutos inicialmente y de 2 minutos posteriormente.

FIGURA 4.5.1 Sistema de lavado ultrasónico

Posteriormente a cada sesión de lavado (bien sea la de 5 o las de 2 minutos) las muestras fueron secadas por medio de secador de cabello en modo frío para no alterar la temperatura del material como puede apreciarse en la figura 4.5.2 y así evitar variaciones térmicas que pudieran afectar la medida de la masa de cada muestra.

Las muestras completamente secas se llevaron a un desmagnetizador, el cual se muestra en la figura 4.5.3, con el fin de eliminar cualquier magnetismo remanente que pueda encontrarse en el metal y que puede afectar la lectura de la balanza.

Figura 4.5.2 secado de muestras

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Figura 4.5.3 desmagnetizador

La muestra, una vez desmagnetizada, fue llevada a la balanza analítica que se muestra en la figura 4.5.4 con resolución de 0.00001 g, donde la lectura fue tomada una vez el equipo se encontraba completamente estabilizado.

Figura 4.5.4. Balanza analítica con precisión de 0.00001 mg

Una vez obtenida la masa inicial de esta manera se procedió a llevar la muestra a un cavitómetro ultrasónico TELSONIC ULTRASONICS DG-2000-2, el cual puede verse en la figura 4.5.5 para la ejecución de ensayos de tipo indirecto, en los que la muestra no se acopla al sonotrodo sino que se instala en frente de él a una distancia de 500 µm, usando un portamuestras como se indica en la figura 4.5.6.

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Figura 4.5.5 Aparato vibratorio para pruebas de cavitación TELSONIC ULTRASONICS DG-2000-2

Figura 4.5.6 Muestra montada en el portamuestras y su ubicación frente al sonotrodo del cavitómetro

El sonotrodo está calibrado para operar a una frecuencia de 20kHz, y la amplitud se ajustó en 0.5 µm. El recipiente es llenado con 2 litros de agua destilada, la cual se mantiene a 25ºC mediante un serpentín de cobre, de tal manera que la muestra y el aparato queden completamente sumergidos. Antes de someter las muestras al ensayo, el equipo se dejó estabilizar por al menos 10 minutos.

Durante los ensayos las muestras fueron removidas cada minuto durante los primeros 10 minutos, cada 3 minutos durante los siguientes 15, cada 5 minutos hasta los 100 minutos y cada 10 minutos por los restantes 60, para medir los cambios en su masa, y cada vez eran sometidas a la misma rutina de lavado ultrasónico durante 2 minutos, secado, desmagnetizado y finalmente pesaje.

Actuador

Sonotrodo

Muestra

Refrigeracion del Actuador

Refrigeracion del agua

Agua destilada

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4.6 Medición de energ

La energía libre de superficUniversidad de Antioquia meliteratura entre ellos Cástela

El método de Wilhelmy, que extremo una placa delgada,balanza de precisión con la c

Figura 4.6.1 Esquema del métod

El equipo mencionado tambitratamiento digital de imágecada uno de los líquidos padiyodometano y etilenglicol,García [G.L. García 2006], pa

4.7 Otros ensayos

A los recubrimientos se les empleando para tal fin el micM el cual puede apreciarsesección transversal de los re

Lámina de a

Líquido pa

rgía libre de superficie

cie del acero fue realizada en el laboratoediante el método de Wilhelmy descrito poran [Cástelan, 1987] empleando para ello el e

se esquematiza en la figura 4.6.1, consiste con dimensiones de 20mmx20mmx3mm, ual se mide la fuerza que ejerce el líquido s

do de Wilhelmy para medición de la energía libr

ién cuenta con cámara de alta resoluciónenes con el fin de medir los ángulos de coatrón empleados, que para este caso fu montajes que pueden apreciarse en el tara hacer el cálculo de la energía libre de s

midió dureza knoop de acuerdo con la norcrodurómetro SHIMADZU MICRO HARDN

e en la figura 4.7.1. Todas las durezas fuecubrimientos y en los sustratos con una ca

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acero

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rio de coloides de la r varios autores en la equipo Krüss K12.

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sobre la placa solida.

e de superficie

n y un software para ontacto dinámicos en eron agua destilada,

trabajo realizado por superficie.

rma ASTM D1474-98 NESS TESTER TYPE ueron tomadas en la arga de 15gf para las

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resinas poliuretanas y poliureas, 25gf para la resina epóxica y 200gf para el acero con un tiempo de carga de 15 segundos en todos los casos.

Figura 4.7.1. Microdurómetro SHIMADZU equipado con punta para dureza Knoop.

El análisis químico se realizó empleando un espectroscopio infrarojo por transformada de Fourier Fourier (FTIR), Marca Perkin Elmer, modelo Spectrum one, detector DTGS perteneciente al laboratorio de ciencia de los materiales de la UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA bajo las siguientes condiciones:

Temperatura de análisis 24°C Número de barridos: 5 Resolución 4 cm-1 Rango de número de onda (ν) 4000-400 cm-1 Además del análisis químico se hizo un análisis de calorimetría diferencial de barrido por medio del dilatómetro Q100 TA Instruments que se encuentra en el mismo laboratorio con el fin de obtener la temperatura de transición vítrea de las resinas empleadas en este estudio