ariculo cientifico phb reforzado con nanoarcillas

7/21/2019 Ariculo Cientifico PHB Reforzado Con Nanoarcillas

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MATERIALES COMPUESTOS PHB REFORZADO CON NANOARCILLAS _________________________________________________________________________________________________________________________

Guarquila L.; Rivadeneira D.; Simancas D.; Calva R.

Escuela Politcnica Nacional Faculta! !e In"enie#$a Mec%nica&uito Ecua!o#

an!'()*+,-ot.ail'co.!ie"o/en0si.,".ail'co.!a1isn2!34,".ail'co.

Resumen: Los 5ol$.e#os /io!e"#a!a/les !ese.5e6an un 5a5el i.5o#tante en la actuali!a! !e/i!o a susa5licaciones 7ue conlle1an un escena#io co.5ati/le conla ecolo"$a 2 la 5#otecci8n !el a./iente 5o# ot#a 5a#telas nanoa#cillas son uno !e los .ate#iales 7ue .%s se -an!esa##olla!o en la 9lti.a !ca!a 5ues tienen !i1e#sasa5licaciones tales co.o 5u#i:ica# a"uas #esi!ualesconta.ina!as ent#e ot#as' El a"#e"a!o !e a#cillas !e

ta.a6o nano.t#ico en 5ol$.e#os 5ue!en .e0o#a# 5#o5ie!a!es .ec%nicas 2 !e /a##e#a a "ases con #es5ectoa los .ate#iales ;.ic#o< co.5uestos con1encionales 2 al

5ol$.e#o sin #e:o#=a#'

Palabras clave: Pol$.e#os /io!e"#a!a/les nanoa#cillas.ate#ial co.5uesto'

Abstract: Biodegradable polymers play an important roletoday because applications that involve a supported scenario with ecology and environmental protection,moreover nanoclays are one of the materials most have

been developed in the last decade, as have variousapplications such as purifying wastewater contaminated,among others. The addition of nano-si ed clays polymer

can improve mechanical and barrier to gases withrespect to materials !micro" compounds and conventional unreinforced polymer properties.

#eywords: Biodegradable polymers, nanoclays.1 1. INTRODUCCION

El polihidroxibutirato (PHB) ha suscitado considerableatenci n en los ltimos a os como alternativa biodegradablea las aplicaciones de termopl sticos sint ticos. Debido al altocosto del PHB para su uso como termopl stico se intentaincorporarle materiales como almid n, madera en polvo uotros componentes de bajo costo y buena degradabilidad.

La limitaci n de estos compuestos radica, por ejemplo, en labaja adhesi n entre los gr nulos de algunos agregados y lamatriz polim rica. Para reducir este efecto, el compuesto sesomete a diferentes ciclos de presi n y temperatura, en elproceso de extrusi n o de inyecci n empleado para fabricarlas muestra

1Articulo recibido el 27,2014; revisado 12 febrero de 2015Esta presentacin fuerealizada para la materia de ciencias de materiales 1Ba o la supervisin del laboratorio de nuevos materiales de la Escuela !olit"cnica

#acional

MATERIALES COM UESTOS !" RE#OR$ADO CONNANOARCILLAS


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$A%E&'A(E) *+$! E)%+) !-B &E.+&/A + *+# #A#+A&*'((A)

Los pol meros biodegradables reciben importanteatenci n debido a su potencial en aplicaciones queinvolucren un escenario de fin de vida til compatiblecon la ecolog a y la protecci n del ambiente elpolihidroxibutirato (PHB) es ejemplos de poli ster quetienen la propiedad de ser biodegradables.

Los resultados de diversas investigaciones muestran queel agregado de arcillas de tama o manom trico enpol meros pueden mejorar propiedades mec nicas y debarrera a gases las nanoarcillas, las cuales se producencuando una montmorillonita s dica con alta capacidad de

expansi n tiene ocupados sus espacios intercapas porlargas cadenas de mol culas org nicas, torn ndolarepelente al agua.

(os pol meros nanocompuestos con capas de silicatos3an atra do un ran inter"s debido a la me ora de

propiedades comparadas al pol mero puro a losmateriales convencionales

#i%ura 1 #anorcillas compuestos reforzados connanoarcillas

(os materiales utilizados en este traba o son compuestos de!-B con refuerzo de nanoarcillas6 (as muestras paratraccin, fle in e impacto fabricadas se 8n normasinternacionales posteriormente se realizara su respectivo

ensa o la comprobacin de 9ue con el refuerzo denanoarcillas este 3a a ad9uirido me ores propiedadesmec:nicas

&. LAS NANOARCILLAS ' EL !"

(as #anoarcillas son arcillas modificadas mediante lamanipulacin controlada a nivel nanom"trico, con undise o especifico de su estructura para cada aplicacin6El nombre de nanoarcillas es un nombre dado

principalmente por empresas comercializadoras esreconocido cient ficamente es or anoarcillas6

En el caso de las nanoarcillas, llamadas tambi"nor anoarcillas, podemos decir 9ue su desarrollo esanti uo, sin embar o, en la actualidad se 3an optimizadolos procedimientos para la preparacin obtencin de lasmismas aumentando la eficiencia del proceso6 (asor anoarcillas tradicionalmente 3an sido utilizadas comoabsorbedores de aceites, sensores o modificadoresreol icos de pinturas, pl:sticos rasas .

(a )ociedad &eal de 'n enier a de 'n laterra define a la #anotecnolo a como el dise o, caracterizacin, produccin, aplicacin de estructuras, dispositivos sistemas controlando la forma el tama o en la escalanano 6

E( !-B ?poli3idro ibutirato@ es un pol mero biode radable se obtiene como producto de lametabolizacin de ciertos microor anismos como

producto de la asimilacin de carbono a partir de lalucosa o almidn6 Estas bacterias desarrollan r:nulos

del pol mero dentro de la c"lula misma6 (a bacteria sedesarrolla reproduce en un cultivo el material pl:sticolue o se separa purifica6

El pol mero e tra do es el !-A ?poli3idro ialcanoatos@son poli"steres lineales producidos por fermentacin

bacteriana a partir de fuentes naturales renovables decarbono como az8cares o l pidos6 (a fuente de carbonodisponible para los microor anismos determina el tipo de!-A 9ue se produce6

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$A%E&'A(E) *+$! E)%+) !-B &E.+&/A + *+# #A#+A&*'((A) _______________________________________________________________________________________________________________________

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El !-B es el tipo m:s com8n de !-A, es obtenido a

partir de la ca a6 )iendo un 3omopol mero de cortalon itud de cadena presenta propiedades f sicas pobres

para uso comercial debido a las dificultades en su proceso por tener poca dureza alta fra ilidad6 e a9ula necesidad de reforzarlo6

=6 RO IEDADES O"TENIDAS DEL !"RE#OR$ADOS CON NANOARCILLAS.

(a caracterizacion de materiales nanocompuestos esnecesaria para entender analizar varios aspectos de losnanocompuestos el rendimiento de los materiales enin enieria es determinado por sus propiedades a latraccin, compresin, corte otras condiciones de car asestaticas dinamicas estas propiedades se obtienen endistintos ensa os realizados en diferentes ambientes6

(os biopolimeros reforzados con capas de nanoarcillas,se 3an observado me oras en las propiedades fisicas delos materiales al emplear ba as car as de refuerzo entrelas cuales por e emplo las propiedades de barrera,retardado a la flama estabilidad termica son de interes

para al unos campos industriales

#i%ura &&esistencia a la traccin modulo respecto al porcenta e en peso de arcillas en matriz polim"rica6

4' $Resistencia a la tracion

(a resistencia a la traccin consiste en la oposicin 9ue

ofrece el material a fallar frente a car as lon itudinales

opuestas, aplicadas a trav"s de una determinada seccin perpendicular6

(as propiedades de resistencia a la traccin var an enran os menores al 15 de peso en nanoarcilla, sinembar o el material presenta una me ora casi lineal entrevalores desde el 5 al 7 en peso de nanoarcillas6

A partir del 5 en peso de nanoarcillas se aprecia uname ora 9ue se estabiliza sobre todo al lle ar al 7 en

peso de nanoarcillas alrededor de un =0 es la me ora

9ue ocurre en la resistencia a la traccin

%.& Resistencia a la fle'ion

arios estudios reportan un incremento de las propiedades a fle in con la adicin de arcillas en lamatriz de !-B

!or otro lado a ma ores de car as de refuerzo denanoarcillas se producen efectos adversos esto es debidoa 9ue e iste a lomeracin de las nanoarcillas a 9ue

pierde la ran superficie de contacto reactividad con lamatriz

Al i ual 9ue en la resistencia a la traccin lasconcentraciones de nanoarcilla fueron del = , 5 7 ,la resistencia a la fle in se incrementa cuando laconcentracin en peso es del = decrece en el 5 estose debe a la formacin de a lomeraciones, de formaan:lo a el comportamiento en el 7 es mu parecidoaun9ue su comportamiento con la fle in es m:s

parecido a su l nea de tendencia como se ver: detalladoen el ensa o de fle in

%.% Resistencia al impacto

(as potenciales aplicaciones dentro del campo de lain enier a para los nanocompuestos biopol meroCsilicatose ven limitadas por su reducida resistencia al impacto '

=


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$A%E&'A(E) *+$! E)%+) !-B &E.+&/A + *+# #A#+A&*'((A)

e acuerdo a este estudio de resistencia al impacto e iste

un incremento para las composiciones de = , 5 7respectivamente6 Este incremento en sus propiedades deresistencia al impacto se debe a una buena dispersin delrelleno nanom"trico dentro de la matriz

(a ma or resistencia a la fractura ocurre en laconcentracin del = esto ser: evidenciado con m:sdetalle en su respectivo ensa o de acuerdo la normaestablecida

#i%ura (. !ropiedades de impacto respecto a la car a dearcilla

). ANALISIS DEL !" RES ECTO ALRE#UER$O CON NANOARCILLAS

El !-B es un material 9uebradizo por lo 9ue es necesarioreforzar con nanoarcillas para obtener las si uientes

propiedades6

na de esas propiedades es la resistencia mec:nica al!-B sus propiedades de barrera me oradas conrespecto a la 3umedad diversos tipos de ases6

+tra de las propiedades 9ue cabe mencionar es 9ue el!B- absorbe 3umedad del ambiente, reforzando conestas nano arcillas, se tiene un material 9ue no permite lainfiltracin de 3umedad, as se descartan posiblesinfiltraciones de or anismos reforzando la pared de estematerial6

El !-B es utilizado en productos 3i i"nicos como soncom8nmente los cepillos de dientes, art culos9uir8r icos6

)e dice tambi"n 9ue el !-B al ser reforzado con estasnanoarcillas, tiene me ores propiedades 9ue un pol merocom8n como son los pl:sticos com8nmente usadosderivados petroleros6

El uso industrial de este material compuesto es limitadodebido a la poca difusin de este material en el mercadoaun9ue sin embar o por motivos de adaptabilidad laindustria automotriz lo aco e de buena manera

*. ELA"ORACI+N DE RO"ETAS1. )e tom diferentes composiciones en peso denanoarcillas del = , 5 7 en peso del materialcompuesto con !-B

&. )e seca las diferentes composiciones de nanoarcillas de !-B a una temperatura de 75D* durante 5 3oras6

(. na vez secados los materiales se los mezcla e tru e para elaborar el compuesto, formando un es5a"ueti' Este pasa a trav"s de una tina de enfriamiento 3asta la

peletizadora, obteni"ndose as los pellets6

). )e secan los pelets en el 3orno a 75 o * por en un periodo de 5 3oras posteriormente se comprueba su

3umedad en la termobalanza 9ue no debe e ceder el061 en peso

*. *on los pelets secados se procede al proceso dein eccin en los moldes a una presin es de 120 !a, auna temperatura de 175D*6

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,. )e pule las probetas despu"s del proceso de in eccin se las prepara tomando sus dimensiones de acuerdo a la

norma utilizada de su ensa o

#i%ura ). r- e/as - /enidas en el 0r-ces- dein ecci2n

+bteniendo as las diferentes probetas de los diferentesensa os estas probetas fueron dise adas por lossi uientes e9uipos

#i%ura *. Term- alan3a ADAM

#i%ura ,. E4/rus-ra C-0eri-n $S5 16 ML

#i%ura 7. Tina de en8riamien/-

#i%ura 6. ele/i3ad-ra 59 Tr-nc-l-rma4

#i%ura :. In ec/-ra Milacr-n MT **

,. ENSA'OS MECANICOS DEL !"RE#OR$ADO CON NANOARCILLAS

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$A%E&'A(E) *+$! E)%+) !-B &E.+&/A + *+# #A#+A&*'((A)

En los ensa os mec:nicos se usaron dos ma9uinas la unama9uina universal de ensa os la se unda una m:9uinade ensa os de impacto

En los ensa os de traccin se dispone de dos mordazas planas un e tensmetro, este 8ltimo permite medir ladeformacin con una precisin de 0,01 mm

#i%ura 1 . !robeta ensa ada a traccin

En los ensa os de fle in se cuenta con un dispositivo9ue permite re ular la distancia entre apo os de un

punzn

#i%ura 11. r- e/a ensa ada a 8le4i2n

En la m:9uina de ensa os de impacto permite calcular laener a absorbida por la muestra durante el ensa omediante el mecanismo de calculo 9ue posee la m:9uinade ensa os de impacto se calcula la ener a absorbida

#i%ura 1&. M


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onde . es la fuerza soportada en cada punto por el

material A es el :rea promedio

*on estos esfuerzos calculados deformacin medidacon el e tensmetro mediante el pro rama -orizon

rafica la curva esfuerzo vs deformacin

!ara calcular el esfuerzo m: imo basta con encontrar eldato de fuerza m: imo calcular con la ecuacin 561

El mdulo de elasticidad a traccin es calculado a partir de la pendiente de la parte lineal de la curva esfuerzo vs

porcenta e de deformacin el mdulo de elasticidad fuecalculado con la ecuacin 562

E = 2 1 ( MPa )

1 2 (mm /mm )(6.2 )

onde E es el mdulo de elasticidad 2 , 1 son

esfuerzos en la zona el:stica de la curva adem:s

1 y 2 son las deformaciones porcentuales del

material correspondiente

*abe notar 9ue no se calcularon otro tipo de mdulos deelasticidad debido a 9ue la norma utilizada solamenteindica la forma de calcular el mdulo de elasticidad modulo secante de los 9ue se e presa es preferible elmdulo de elasticidad

*on los valores obtenidos de la norma fue necesariocalcular el promedio de los valores encontrados paracada composicin con la frmula de desviacin est:ndar

s=( x2 n x 2 )n 1 (6.3 )e manera e perimental se obtuvo de la m:9uina de

ensa o de traccin las si uientes raficas e perimentales

#i%ura 1(. Ensa - de /racci2n al (= de nan-arcillas

#i%ura 1). Ensa - de /racci2n al *= de nan-arcillas

#i%ura 1*. Ensa - de /racci2n al 7= de nan-arcillas

e acuerdo a estos resultados obtenidos se caracteriz unrafica con unta en funcin de la deformacin

#i%ura 1,. Ensa - a la /racci2n 7= de nan-arcillas

,.& Ensa - de 8le4i2n

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(os ensa os de fle in fueron realizadas ba o la normaA)%$ 7H0C106

Esta norma nos permite caracterizar pl:sticos reforzados no reforzados, se 8n esta norma si la probeta tiene un

espesor ma or a 16Gmm debe colocarse centrada sobre un par de apo os6 (a distancia entre apo os debe ser 1Gveces el espesor de la probeta

)in embar o deben cumplir otros re9uisitos como 9ue la probeta a ensa arse no debe e ceder m:s de un cuarto dela distancia entre apo os debe sobresalir por lo menos10 de la distancia e istente entre los mismos, adem:s

se 8n esta norma se ensa aron 5 probetas para surespectiva realizacin practica

!ara este ensa o es necesario conocer la velocidad deacuerdo a la norma la velocidad se calcula de la si uienteecuacin

R= Z L2

6 d ( mmmin )(6.4 )

onde & es la velocidad del cabezal mvil, / es unaconstante relacionada con el esfuerzo, ( es la distanciaentre apo os d es el espesor del material

%odos estos par:metros de la ecuacin G64 fueronin resados en el pro rama -orizon por lo 9ue el ensa oarro o los resultados correspondientes a lascomposiciones de = , 5 7 9ue son detallados acontinuacin mediante las si uientes raficas

#i%ura 17. Ensa - de 8le4i2n al (= de nan-arcillas

#i%ura 16. Ensa - de 8le4i2n al *= de nan-arcillas

#i%ura 1:. Ensa - de 8le4i2n al *= de nan-arcillas

En este ensa o se mide la defle in de una probeta endireccin perpendicular a su e e lon itudinal, aplicandouna car a en el punto medio por lo 9ue el esfuerzo

m: imo se enera en el centro de la probeta6 (a car aaplicada se rafica en funcin de la defle in6 !or lo 9uese e presa en la si uiente rafica

#i%ura & . Curvas de 8le4i2n de !" c-m0ues/-

F


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,.( Ensa - de im0ac/-

!ara el ensa o de impacto es realizado con la normaA)%$ 25GC10

Este ensa o es un m"todo para realizar an:lisiscuantitativos de las propiedades resistencias mec:nicasdel !-B, dic3o material muestra ba a resistencia alimpacto se 8n los resultados obtenidos en el ensa o

)in embar o al aumentar la concentracin de lananoarcilla su resistencia aumenta relativamente respecto

a concentraciones ba as, este incremento en el material puede ser acreditado a la distribucin de las nanoarcillasen la matriz, donde este incremento se torna notorio es a

partir del 5 de concentracin como se puede visualizar en las r:ficas, en el intervalo de concentracin del =3asta 5 no es apreciable el aumento de resistencia, esto

puede deberse a 9ue las arcillas forman a lomeracioneslas cuales act8an como concentradores de esfuerzos6

!ara el ensa o de impacto no e isten raficasrepresentativa pero se las represento mediante lasi uiente tabla de acuerdo a esta tabla se realiz unascurvas de impacto del material

%nanoar

cEnergi

a (J)

str.1(KJ/m^

2)

str.2(KJ/m^

2)

3% 0,3183,655

8746,42

6

3%0,27

33,155

13 , 1

31

5%0,374

44,536

2557,61

04

5%0,400

84,710

45 ,83

2

7%1,008

712,03

850151,6

85

7%1,073

611,55

114 ,1

12

Ta la 1. Carac/er>s/icas del ensa - de im0ac/- en

re8erencia a la c-m0-sici2n de nan-arcillas

#i%ura &1. Dia%rama Ener%>a vs. =nan-arcilla

#i%ura &&.Dia%rama S/r.1 vs =nan-arcilla

#i%ura &(. Dia%rama S/r.& vs =nan-arcilla

7. NANOCOM UESTOS DE MATRI$ !"RE#OR$ADO CON NANOARCILLAS

H


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(os pol meros biode radables nanocompuestos concapas de nanoarcillas tienen me ores propiedadescomparadas al pol mero biode radable a los materialesconvencionales al unas de las propiedades me oradascomo mdulos altos, incrementos de la resistenciamec:nica, reduccin de la flamabilidad medida por medio de la velocidad de liberacin de calor ma or

biode radabilidad propiedades barrera me oradas conrespecto a la 3umedad diversos tipos de ases6

6. A LICACIONES DE LOS COM UESTOS DEMATRI$ !" CON RE#UER$OS DE

NANOARCILLAS

&efuerzos me orados, resistencia a la corrosin,atenuacin de ruido, estabilidad dimensional, resistenciaa la ra adura al des aste, propiedades de barrerasuperiores 3acen de los biopol meros nanocompuestoslos principales candidatos para aplicaciones automotrices

de empa9ue6 (a industria automotriz utiliza partes de pol meros biode radables compuestos con nanoarcillasson m:s livianas con una reduccin d peso de cerca del25

#i%ura &). A0licaci-nes del !" en indus/riaau/-m-/ri3

Ot#as #eco.en!aciones

Al obtener el material compuesto desde la e trusora no pasar el espa ueti por la tina de enfriamiento pues elmaterial se vuelve altamente fr: il6

)e debe elaborar una cantidad m nima de un Iilo ramode material compuesto para no tener dificultades almomento de in ectar debido a la falta de material6

Antes de mezclar los materiales, revisar 9ue la e trusorase encuentre totalmente libre de otros compuestosdistintos a los 9ue se van a utilizar 9ue no ten ataponamientos6

espu"s del secado previo del material compuestoase urarse con la a uda de la termobalanza 9ue la3umedad presente en el material no e ceda el 061 6

)i durante la in eccin se usa un material diferente alcompuesto con la finalidad de empu arlo 3acia el molde,ase urarse 9ue estos materiales no lle uen a mezclarse

a en el momento de la in ectar en el molde6

)e recomienda al realizar el procesamiento de los pol meros de !-B reforzado con nanoarcillas se debeconsiderar la temperatura de procesamiento a 9ue esdiferente a la temperatura de los pol merosconvencionales6

En la in eccin, ase urarse 9ue el tiempo de

solidificacin de la pieza ?es decir el tiempo 9ue el molde permanece cerrado una vez in ectado@ debe ser de por lomenos 5 se undos, a 9ue de abrirlo en menos tiempo elmaterial no se 3abr: solidificado por completo las

probetas se ec3ar an a perder6

na vez obtenidas las probetas, destruir una de ellas por la mitad para observar si no posee porosidades en suinterior, a 9ue estas alterar an el resultado de losensa os como 3a sucedido con las probetas al 5 denanoarcilla6

sar cera desmoldante a 9ue el !-B es sumamentea lutinante se pe a en el molde al solidificarse6

Elaborar un n8mero m nimo de 5 probetas de traccin, 5 probetas de fle in 10 probetas de impacto de cadacompuesto para sus respectivos ensa os6

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escartar durante el ensa o los resultados e cesivamente

le os de la media o anormales6

:. CONCLUSIONES

J *on el 7 de nanoarcillas se 3a disminuidonotablemente la fra ilidad del !-B aun9ue tambi"n suresistencia a la traccin6

1 (os resultados de las probetas al 5 de nanoarcillasson los m:s ale ados de la realidad debido a losinconvenientes 9ue se presentaron durante la in eccindel mismo, por ello varios de ellos no ser:nconsiderados6

J El control de la 3umedad de las arcillas es muimportante a 9ue las arcillas con 3umedades ma ores al1 eneran poros discontinuidades dentro de las

probetas6

El !-B debe ser secado controlando su 3umedad paraevitar para evitar el de radamiento de las propiedades el defecto de las m:9uinas de procesamiento6 Este debe

poseer menos del 061 de 3umedad6

J El proceso utilizado para la obtencin de probetas denanocompuestos depende directamente del tipo dearcillas utilizadas, sean estas en masterbatc3 o en polvo6

El pasar por la tina de enfriamiento el materialcompuesto se provocaba un templado del mismo lo 9uee plica el por9u" de su fra ilidad6

J

J

J

J Al incrementar la temperatura de secado, 9ueori inalmente era 55D* 3asta 75D* se lo r disminuir eltiempo de secado desde 24 3oras 3asta 5 3oras con

resultados adecuados6

El control de la temperatura la presin ue an un papel fundamental durante el proceso de elaboracin a9ue de estos tambi"n depender: muc3o de los resultados

para la caracterizacin de sus propiedades6

urante la in eccin del material a diferentescomposiciones las variables de temperatura, presin tiempo son las m:s importantes para determinar las

propiedades mec:nicas del material compuesto6

? )i la temperatura de in eccin es mu elevada elmaterial compuesto se vuelve demasiado a lutinantedebido a la presencia de nanoarcilla en la matriz de !-B6

RE#ERENCIAS

+btencin caracterizacin de compuestos de polipropileno reforzado con nanoarcillas mediantee trusin e in eccin ; !ro ecto previo a la obtencin

del t tulo de in eniero mec:nico

3ttpsKLLMMM6dspace6espol6edu6ec

#uevos $ateriales; 6-6Nuerrero; O6 avila,#6&osas

3ttpKLLMMM6scielo6or 6pe

6 illamar, P*aracterizacin de materiales compuestosli nocelulsicos obtenidos mediante e trusin,QEscuela !olit"cnica #acional, 201=6

A)%$ 'nternational, PA)%$ 7H0C10K )tandard %est$et3ods for .le ural !roperties of nreinforced and&einforced !lastics and Electrical 'nsulatin$aterials,Q 20106

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$A%E&'A(E) *+$! E)%+) !-B &E.+&/A + *+# #A#+A&*'((A)

ia rama de elaboracin de probetas de material compuesto !-B reforzado con nanoarcillas

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PSi

Parmetros de nidos

$A%E&'A(E) *+$! E)%+) !-B &E.+&/A + *+# #A#+A&*'((A) _______________________________________________________________________________________________________________________

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ariculo cientifico phb reforzado con nanoarcillas

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