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EuroWire – Julio de 2008
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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.
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 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)
Figura 4
▲
▲
:
Cavidades en la capa de revestimiento
primario causadas por ciclos de temperatura en una
fibra de 500 µm (izquierda) 40x (derecha) 200x
Figura 5
▲
▲
:
Esquema de los esfuerzos de tracción
localizados en el revestimiento primario causados
por una fuerza mecánica lateral
Figura 6
▲
▲
:
Esfuerzo normal medio en la capa de
revestimiento primario inducido por una fuerza
mecánica lateral calculado con el análisis de
elementos finitos
Esfuerzo de
tracción
Esfuerzo de
tracción
Esfuerzo de tracción en el revestimiento primario
Temperatura (ºC)
245 μm Fibra
500 μm Fibre