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Investigation on interlaminar fracture toughness and failure mechanisms of MWCNTs reinforced thermoplastic composites

Este estudio demuestra que la incorporación de nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT) en compuestos termoplásticos de Elium/UHMWPE, particularmente cuando se dispersan con un surfactante aromático no iónico (TNWDIS) para prevenir la aglomeración, mejora significamente la tenacidad a la fractura interlaminar mediante mecanismos sinérgicos como el puenteo de grietas y una adhesión interfacial mejorada, logrando hasta un 152.61% de mejora en la tenacidad de Modo II en las cargas optimizadas.

Autores originales: Zhenhao LIAO, Yining LIN, Peixin TANG, Julong YAN, Yiyun HU, Jianlong XU, Lei YANG

Publicado 2026-07-27

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CC BY 4.0

Autores originales: Zhenhao LIAO, Yining LIN, Peixin TANG, Julong YAN, Yiyun HU, Jianlong XU, Lei YANG

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que estás construyendo un sándwich, pero en lugar de pan y jamón, estás apilando capas de fibras increíblemente fuertes y ligeras para crear un material para aviones, coches de carreras o incluso chalecos antibalas. Este es el mundo de los materiales compuestos. El secreto de su resistencia reside en que las capas se mantengan unidas. Sin embargo, hay un inconveniente: estas capas son como láminas de hielo resbaladizas. Si las golpeas con fuerza o las retuerces, las capas pueden deslizarse o desprenderse desde el interior. Esto se llama "delaminación", y es un asesino silencioso para las estructuras de alta tecnología porque ocurre en lo profundo, donde no puedes verlo. Para solucionar esto, los científicos intentan que el "pegamento" entre las capas sea más fuerte. Un truco popular es espolvorear diminutos y superfuertes tubos llamados nanotubos de carbono en el pegamento. Piensa en estos tubos como una armadura de microescala que mantiene las capas unidas. Pero este es el problema: estos tubos diminutos son pegajosos y les encanta amontonarse como espaguetis mojados, formando grumos inútiles en lugar de distribuirse uniformemente. Si se amontonan, de hecho, hacen que el material sea más débil. Entonces, la gran pregunta es: ¿cómo mantenemos estos filamentos de espagueti microscópicos perfectamente separados para que puedan hacer su trabajo?

Este artículo investiga una solución ingeniosa a ese mismo problema. Los investigadores, trabajando en la Universidad de Shenzhen, decidieron probar una nueva receta para un sándwich de alta tecnología. Utilizaron una resina plástica líquida especial (llamada Elium) y fibras ultra fuertes (UHMWPE) para construir sus capas. Para fortalecer el pegamento, añadieron nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNT). Pero en lugar de simplemente echarlos, introdujeron una molécula "ayudante" llamada surfactante (específicamente TNWDIS). Puedes pensar en este surfactante como una mariposa social o un mediador de la paz. Su trabajo es abrazar a los nanotubos pegajosos y evitar que se amontonen, obligándolos a distribuirse uniformemente por todo el pegamento. El equipo quería ver si este "mediador de la paz" podía ayudar a los nanotubos a hacer su trabajo mejor, haciendo que las capas fueran mucho más difíciles de separar o de deslizar entre sí. Probaron esto tirando de las capas en dos formas diferentes: una en la que intentaban despegar las capas como un libro (Modo I) y otra en la que intentaban deslizarlas unas sobre otras como un mazo de cartas (Modo II).

Los resultados fueron bastante emocionantes, pero también trajeron una advertencia muy importante. Los investigadores descubrieron que añadir simplemente más nanotubos no siempre hacía que el material fuera más fuerte. De hecho, si añadían demasiados nanotubos sin el surfactante "mediador de la paz", los tubos se amontonaban y el material se volvía en realidad peor resistiendo las grietas. Era como intentar reforzar una pared con una pila de alambre enredado en lugar de varillas individuales. Sin embargo, cuando utilizaron el surfactante para mantener los nanotubos distribuidos, los resultados fueron un gran éxito. Con la cantidad perfecta de nanotubos (0,1% en peso) combinada con el surfactante, el material se volvió increíblemente resistente. Cuando intentaron despegar las capas, el material fue un 78,53% más difícil de romper. Cuando intentaron deslizar las capas entre sí, fue un masivo 152,61% más difícil de romper.

El estudio también analizó de cerca por qué esto funcionó. Utilizando potentes microscopios, vieron que el surfactante ayudaba a los nanotubos a actuar como pequeños puentes y anclajes. Cuando comenzaba a formarse una grieta, los nanotubos se estiraban a través del hueco, desviaban la grieta para que tomara un camino más largo y difícil, e incluso hacían que el propio pegamento se estirara y se deformara, absorbiendo energía. El surfactante fue la clave que permitió a los nanotubos realizar este trabajo de manera efectiva al asegurar que estuvieran en todas partes, no solo en grumos. Curiosamente, el artículo señala que este "mediador de la paz" funcionaba mejor en cantidades específicas; si añadían demasiados nanotubos, incluso con el surfactante, los tubos eventualmente empezaban a amontonarse de nuevo y los beneficios comenzaban a desvanecerse. Esto sugiere que, si bien el método es poderoso, existe un "punto óptimo" para la cantidad que se debe añadir.

En resumen, este artículo sugiere que, al utilizar un surfactante no iónico especial para mantener los nanotubos de carbono perfectamente dispersos en una resina termoplástica líquida, podemos crear materiales compuestos que sean significativamente más resistentes y robustos. Demuestra que el secreto no es solo añadir más "superingredientes", sino asegurarse de que esos ingredientes estén distribuidos uniformemente para que puedan trabajar juntos como un equipo. Este descubrimiento ofrece un camino prometedor para diseñar materiales más ligeros, fuertes y seguros para el futuro, siempre que logremos dar con la receta exacta.

Resumen Técnico: Investigación sobre la Tenacidad de Fractura Interlaminar y Mecanismos de Falla de Compuestos Termoplásticos Reforzados con MWCNTs

Planteamiento del Problema
Los compuestos de polímero reforzado con fibra (FRP), particularmente aquellos que utilizan fibras de polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE), son críticos para estructuras ligeras en los sectores aeroespacial y automotriz debido a su alta resistencia específica. Sin embargo, estos laminados sufren una vulnerabilidad inherente a la delaminación interlaminar, un modo de falla que es difícil de detectar pero que compromete severamente la integridad estructural. Las estrategias existentes para mejorar la resistencia interlaminar, como el tratamiento de la superficie de la fibra o la optimización de la matriz, a menudo enfrentan limitaciones. Específicamente, la incorporación de nanotubos de carbono (CNTs) como nano-rellenos ha mostrado ser prometedora para mejorar la tenacidad de fractura; sin embargo, la tendencia intrínseca de los CNTs a agregarse debido a las fuerzas de van der Waals y al apilamiento $\pi$ - $\pi$ a menudo conduce a respuestas de endurecimiento no lineales y a una reducción de la eficiencia de refuerzo a cargas más altas. Además, la compatibilidad de los agentes de dispersión con las resinas termoplásticas líquidas, como Elium®, es un área aún poco explorada, particularmente en lo que respecta al uso de surfactantes aromáticos no iónicos como TNWDIS en sistemas no acuosos.

Metodología
Este estudio empleó un enfoque experimental sistemático para fabricar y caracterizar laminados compuestos de UHMWPE/Elium®.

Materiales: El refuerzo consistió en tejidos de UHMWPE (QuantaFlex™ PEP). La matriz fue Elium®188, una resina acrílica termoplástica líquida, iniciada con peróxido de benzoilo (BPO). Se utilizaron nanotubos de carbono de pared múltiple (MWCNTs) con funcionalización carboxílica como nano-relleno. Se introdujo un surfactante aromático no iónico, TNWDIS, para mejorar la dispersión de los MWCNTs.
Fabricación: Los compuestos se fabricaron utilizando infusión de resina asistida por vacío (VARI). Se utilizó un protocolo de dispersión de dos etapas (agitación magnética seguida de sonicación por baño y sonda) para dispersar los MWCNTs y el TNWDIS dentro de la resina. La carga de surfactante se fijó en un 20 % en peso relativo a la masa de los MWCNT. Los laminados con una secuencia de apilamiento de [0/90] $_8$ se curaron a 80 °C.
Caracterización:
- Análisis Químico/Físico: Se utilizaron la Espectroscopía de Transformada de Fourier (FTIR), el Análisis Termogravimétrico (TGA) y la Espectroscopía de Fotoelectrones de Rayos X (XPS) para analizar las estructuras químicas, la estabilidad térmica y la composición elemental superficial.
- Ensayos Mecánicos: Se evaluaron la tenacidad de fractura interlaminar en Modo I (apertura) y Modo II (cizallamiento) ( $G_{IC}$ y $G_{IIC}$ ), utilizando ensayos de Viga de Cantiléver Doble (DCB) y Extremo Dentado Flexionado (3ENF), respectivamente, adhiriéndose a las normas ASTM. Las propiedades de tracción se midieron para determinar el módulo longitudinal requerido para los cálculos de fractura.
- Microscopía: Se utilizó Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) para examinar las superficies de fractura y elucidar los mecanismos de falla micromecánicos.

Contribuciones Clave y Resultados
El estudio investigó sistemáticamente la influencia del contenido de MWCNT (0.01–0.15 % en peso) y la presencia de TNWDIS en el comportamiento de fractura de los compuestos.

Dispersión e Interacciones Químicas:
- Los análisis de FTIR y XPS confirmaron que el TNWDIS interactúa con los MWCNTs y la matriz Elium® principalmente a través de mecanismos no covalentes, específicamente el apilamiento $\pi$ - $\pi$ entre las fracciones aromáticas del surfactante y las paredes laterales de los nanotubos, y la estabilización estérica mediante las cadenas de poli(óxido de etileno).
- Los resultados de XPS indicaron que el TNWDIS altera el entorno químico superficial, aumentando la proporción de estructuras polares con oxígeno a bajas cargas y desplazándose hacia un estado rico en carbono a altas cargas debido a la acumulación de nanotubos.
- El TGA reveló que la incorporación de MWCNT introduce un proceso de descomposición térmica de múltiples etapas, mientras que el TNWDIS no alteró significativamente la vía de pirólisis primaria de la matriz.
Desempeño de la Tenacidad de Fractura:
- Endurecimiento No Lineal: En sistemas que contenían solo MWCNTs (sin surfactante), la tenacidad de fractura aumentó inicialmente pero se deterioró cuando el contenido superó el 0.05 % en peso debido a una aglomeración severa, que actuó como concentradores de esfuerzo.
- Efecto Sinérgico del TNWDIS: La adición de TNWDIS suprimió significativamente la aglomeración, permitiendo cargas efectivas más altas.
- Mejoras Cuantitativas: Se identificó la formulación óptima en 0.10 % en peso de MWCNTs con TNWDIS. Esta combinación produjo un aumento del 78.53 % en la tenacidad de fractura de Modo I ( $G_{IC}$ ) y un aumento del 152.61 % en la tenacidad de fractura de Modo II ( $G_{IIC}$ ) en comparación con la línea base no modificada.
- Superioridad del Modo II: La mejora en la tenacidad de Modo II fue notablemente mayor que en el Modo I. Los autores atribuyen esto a la naturaleza dominada por el cizallamiento de la falla de Modo II, donde la mejora de la rugosidad interfacial y la fricción (facilitadas por la dispersión uniforme de los MWCNT) juegan un papel más crítico que los mecanismos de puenteo de grietas dominantes en el Modo I.
Mecanismos de Falla:
- El análisis SEM de las fracturas de Modo I reveló que la resina no modificada exhibió una falla frágil y suave a lo largo de la interfaz fibra-matriz. En contraste, el sistema optimizado TC10 (0.10 % en peso de MWCNT + TNWDIS) mostró una superficie de fractura altamente rugosa con estructuras fibrilares densas y continuas, lo que indica un puenteo de grietas, deflexión y deformación plástica de la matriz activos.
- Para el Modo II, las muestras no modificadas mostraron un deslizamiento interfacial suave. El sistema TC10 exhibió una rugosidad interfacial uniforme y redes fibrilares continuas, lo que mejoró la fricción interfacial y la transferencia de esfuerzo cortante, evitando la delaminación prematura.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo afirma establecer una base experimental y teórica fundamental para el diseño racional del endurecimiento de la interfaz en compuestos termoplásticos reforzados con UHMWPE de alto rendimiento. La significancia principal radica en demostrar que:

El TNWDIS es efectivo en Elium®: A pesar de haber sido diseñado originalmente para sistemas acuosos, el TNWDIS funciona como un dispersante altamente efectivo en el sistema de resina termoplástica Elium® debido a la compatibilidad de los parámetros de solubilidad y los mecanismos de estabilización estérica.
La Dispersión es Crítica: El estudio destaca que la eficiencia de endurecimiento de los MWCNT depende estrictamente de la calidad de la dispersión. Sin un surfactante, los beneficios de los CNTs se limitan a cargas bajas antes de que la aglomeración niegue las ganancias.
Alta Eficiencia a Bajas Cargas: La investigación logra mejoras sustanciales en la tenacidad de fractura (hasta ~150 % en Modo II) con contenidos de nano-relleno relativamente bajos (0.10 % en peso), lo que sugiere una ruta rentable y escalable para diseñar laminados compuestos ligeros, de alta resistencia y con mejor tolerancia al daño.
Visión Mecanicista: El trabajo elucida que el mecanismo de endurecimiento es una combinación sinérgica de puenteo de grietas, deflexión y deformación plástica de la matriz, que son activados y mantenidos por la dispersión uniforme de los MWCNT facilitada por el surfactante.

Los autores concluyen que este enfoque proporciona una ruta robusta para mejorar las propiedades interlaminares de los compuestos termoplásticos, abordando un cuello de botella crítico en la aplicación de las fibras de UHMWPE en entornos estructurales exigentes.

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