EoW July 2008

artículo técnico

valores elevados, puede exceder la resis- tencia a la cavitación del revestimiento y causar la rotura cohesiva de la estructura del revestimiento. Se pueden tener dos tipos de esfuerzos triaxiales en el revestimiento, de orígenes diferentes: el esfuerzo puede ser inducido térmicamente por la variación de temperatura, o inducido por fuerzas mecánicas externas. 2.1 Cavidades inducidas por tensión térmica 2.1.1 Tensiones térmicas en sistemas de revestimiento de doble capa Se ha comprobado que en un sistema de fibra revestida [2-5] hay tensiones térmicas. El esfuerzo triaxial en el revestimiento primario, como se ilustra en la Figura 1 , es causado por la diferencia de coeficientes de dilatación térmica del vidrio, del revestimiento primario y del revestimiento secundario. En base a la teoría de la mecánica de materiales, es posible calcular el esfuerzo triaxial, que consiste en las componentes de esfuerzo radial σ r , esfuerzo tangencial σ θ y esfuerzo axial σ z . La Figura 2 muestra la distribución del esfuerzo calculada en un típico sistema de doble capa, donde el espesor de cada capa de revestimiento es 30 μm, el módulo de Young E 1 =1MPa, E 2 =1GPa, los coeficientes de dilatación térmica lineal α 1 =3x10 -4 /K, α 2 =1x10 -4 /K y las relaciones de Poisson ν 1 =0,5, ν 2 =0,4. El sistema es sometido a un cambio de temperatura de -30ºC, para simular la tensión en el sistema de revestimiento, cuando la fibra revestida se enfría desde la temperatura del proceso de estirado hasta la temperatura ambiente. Aunque la temperatura en el revestimiento durante el curado con UV pueda alcanzar valores de hasta 100ºC, la tensión térmica inicia a aumentar solamente cuando la temperatura cae por debajo de la temperatura de transición del vítrea (T g ) del revestimiento secundario (~50ºC).

Las tres componentes de la tensión en el revestimiento primario son de tracción, y están todas al mismo nivel, como se ilustra en la Figura 2 . Esto significa que la tensión en el revestimiento primario a temperatura ambiente es un esfuerzo hidrostático: aumenta al disminuir más la temperatura, hasta alcanzar la T g del revestimiento primario (normalmente ~-20ºC), cuando el revestimiento primario pasa también a estado vítreo. El esfuerzo de tracción calculado en el revestimiento primario es ~0,8MPa a temperatura ambiente, como se ilustra en la Figura 2 . Debido a la propiedad viscoelástica del revestimiento secundario, el nivel de esfuerzo efectivo debería ser más bajo que el esfuerzo calculado, y disminuir con el tiempo mientras que el revestimiento secundario experimenta relajación de esfuerzos a temperaturas “sub-T g ”. [5] Aunque el riesgo de cavitación del revestimiento debida a tensión térmica es bajo en las fibras de doble revestimiento convencionales, se deben evaluar con atención ciertos tipos de sistemas de revestimiento como los examinados a continuación. La nueva tendencia en el desarrollo de los revestimientos primarios es reducir más su módulo y su T g para ofrecer mejor protección de amortiguación contra las microcurvaturas en una amplia gama de temperaturas. En este tipo de sistema de revestimiento, el esfuerzo de tracción continúa aumentando cuando la temperatura inicia a disminuir, pero el revestimiento primario permanece en estado gomoso. Como se ilustra en la Figura 3 , el esfuerzo de tracción calculado aumenta linealmente al disminuir la temperatura. La relajación de esfuerzos en el revestimiento secundario es también más lenta a temperaturas bajas. Además del riesgo de altas tensiones térmicas, un revestimiento primario con módulo bajo puede ser también más propenso a cavitación, debido a su más baja densidad de reticulación.

Figura 4 ▲ ▲ : Cavidades en la capa de revestimiento primario causadas por ciclos de temperatura en una fibra de 500 µm (izquierda) 40x (derecha) 200x

Esfuerzo de tracción

Esfuerzo de tracción

Figura 5 ▲ ▲ : Esquema de los esfuerzos de tracción localizados en el revestimiento primario causados por una fuerza mecánica lateral

Por lo tanto, es muy importante que los revestimientos primarios con bajo módulo y baja T g sean diseñados con atención para tener una alta resistencia a la cavitación optimizando la estructura de reticulación. El conocimiento detallado a nivel mole- cular de la resistencia a la cavitación de los materiales de revestimiento curado con UV permite desarrollar sistemas de revestimiento con prestaciones de microcurvatura mejoradas además de una alta resistencia a la cavitación, para asegurar fibras robustas en una amplia gama de temperaturas. Otro ejemplo de situación de alto riesgo por lo que se refiere a la formación de cavidades, es el caso de una fibra con capas de revestimiento más espesas que las convencionales. El esfuerzo de tracción en la capa primaria de una fibra que presenta una estructura vidrio/revestimiento de 125/350/500 μm de diámetro externo, está calculado y también ilustrado gráficamente en la Figura 3 . El valor del esfuerzo de tracción en el revestimiento primario de esta fibra es 2,8 veces mayor que el esfuerzo en el revestimiento primario de una fibra revestida estándar de 245 μm de diámetro externo. Por lo tanto, las fibras que tienen capas de revestimiento más Figura 6 ▲ ▲ : Esfuerzo normal medio en la capa de revestimiento primario inducido por una fuerza mecánica lateral calculado con el análisis de elementos finitos

Figura 3 ▼ ▼ : Tensión térmica calculada frente a temperatura para una fibra normal de 250 µm (suponiendo que el esfuerzo inicia a generarse a una temperatura del revestimiento secundario inferior a Tg ~50°C)

245 μm Fibra 500 μm Fibre

Esfuerzo de tracción en el revestimiento primario

Temperatura (ºC)

95

EuroWire – Julio de 2008