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ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA

OBTENCIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS HÍBRIDOS DE MATRIZ POLIÉSTER REFORZADA CON FIBRA DE COCO Y FIBRA

DE VIDRIO PARA LA ELABORACIÓN DE TABLEROS

PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO

FAVIO ROBERTO DELGADO ARCENTALES [email protected]

DIRECTOR: VÍCTOR GUERRERO, Ph.D. [email protected]

QUITO, noviembre 2012

©Escuela Politécnica Nacional 2012

Reservados todos los derechos de reproducción

DECLARACIÓN

Yo, Favio Roberto Delgado Arcentales, declaro que el trabajo aquí descrito es de

mi autoría, que no ha sido previamente presentado para ningún grado o

calificación profesional, y, que he consultado las referencias bibliográficas que se

incluyen en este documento.

La Escuela Politécnica Nacional puede hacer uso de los derechos

correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad

Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.

Favio Roberto Delgado Arcentales

CERTIFICACIÓN

Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Favio Roberto Delgado

Arcentales bajo mi supervisión.

Víctor H. Guerrero, Ph.D.

DIRECTOR DE PROYECTO

AUSPICIO

La presente investigación contó con el auspicio financiero del proyecto PIC-08-

493, ‘’Desarrollo de Nuevos Materiales para Aplicaciones Estructurales e

Industriales’’ que se ejecutó en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la

Escuela Politécnica Nacional.

.

AGRADECIMIENTOS

‘’Digno eres tú, Jehová nuestro Dios mismo, de recibir la gloria y la honra y el

poder, porque tú creaste todas las cosas, y a causa de tu voluntad existieron y

fueron creadas’’ Rev. 4:11.

i

DEDICATORIA A mis padres Mónica, Víctor y a mi abuelito César quienes con su amor y empeño

me han guiado con su ejemplo durante toda mi vida

ii

ÍNDICE DE CONTENIDOS

PÁGINA

RESUMEN xvii INTRODUCCIÓN xix 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 1

1.1. Materiales compuestos reforzados con fibra natural 1

1.1.1. Matrices termoestables 2 1.1.1.1. Resinas de poliéster 3 1.1.1.2. Proceso de curado de las resinas 5

1.1.2. Matrices termoplásticas 8 1.1.3. Fibras naturales usadas como refuerzos 10

1.1.3.1. Ventajas y desventajas del uso de fibra natural como refuerzo 14 1.1.3.2. Fibras naturales en el Ecuador 14 1.1.3.3. Fibra de coco 18

1.1.4. Fibras de vidrio 20 1.1.4.1. Producción de fibras de vidrio 22 1.1.4.2. Mats de fibra de vidrio 24

1.1.5. Influencia de la longitud de fibra en las propiedades mecánicas de materiales compuestos 25

1.1.6. Influencia de la orientación de la fibra en las propiedades mecánicas de materiales compuestos 25

1.2. Materiales compuestos híbridos 26

1.2.1. Estructuras multicapa 32 1.2.2. Aplicaciones 33

1.3. Fabricación de materiales compuestos por estratificación 34

1.3.1. Mecanismos de adhesión entre la matriz y las fibras 34 1.3.1.1. Absorción y humedad 34 1.3.1.2. Interdifusión 34 1.3.1.3. Atracción electrostática 35 1.3.1.4. Enlace químico 35 1.3.1.5. Adhesión mecánica 35

1.3.2. Fracción volumétrica y distribución de las fibras en el material compuesto 36

1.3.3. Cantidad limitada de poros y defectos 37 1.3.4. Control dimensional de la pieza final 38 1.3.5. Procesamiento de materiales compuestos 38

1.3.5.1. Estratificación manual 38 1.3.5.2. Aspersión 40 1.3.5.3. Moldeo por compresión 41 1.3.5.4. Proceso del compuesto para moldeo de placas (CMP) 41

iii

2. PARTE EXPERIMENTAL 43 2.1. Materiales 43

2.1.1. Equipos evaluados en la extracción de fibra de coco 44 2.1.2. Equipos empleados en la fabricación de los compuestos híbridos 44 2.1.3. Equipos empleados en la caracterización mecánica 45

2.2. Métodos de ensayo 45 2.3. Ensayos preliminares 47 2.4. Selección del método de extracción de la fibra de coco 49

2.4.1. Métodos de extracción 50 2.4.1.1. Extracción manual 50 2.4.1.2. Extracción con grata 50 2.4.1.3. Extracción con trituradora 51

2.4.2. Facilidad de extracción de fibra 52 2.4.3. Cantidad de fibra, polvo y residuos sólidos generados 53 2.4.4. Tipo de fibra 53

2.5. Establecimiento de los parámetros de procesamiento de compuestos híbridos por estratificación 53

2.5.1. Dosificación 53 2.5.2. Presión 54 2.5.3. Tiempo de curado 54 2.5.4. Temperatura 54

2.6. Formulación de probetas de compuestos híbridos reforzados con fibras 55 2.7. Evaluación de las propiedades mecánicas del material compuesto 57

2.7.1. Ensayos de flexión 58 2.7.2. Ensayos de tracción 58 2.7.3. Selección de la fracción volumétrica y configuración de refuerzo

con mejores características físico-mecánicas 59 2.7.4. Ensayos de impacto 60

2.8. Elaboración de tableros y evaluación de sus propiedades mecánicas 61

2.8.1. Ensayo de flexión 64 2.8.2. Ensayo de tracción 65 2.8.3. Fabricación del prototipo 65

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 67

3.1. Ensayos preliminares 67

3.1.1. Determinación de las fracciones volumétricas de refuerzo 67 3.1.2. Determinación de la disposición del refuerzo híbrido 70

3.2. Selección del método de extracción de la fibra de coco 72

3.2.1. Facilidad de extracción de fibra 72 3.2.2. Cantidad de fibra, polvo y residuos sólidos generados 72

iv

3.2.3. Tipo de fibra 74 3.3. Establecimiento de los parámetros de procesamiento de compuestos híbridos por estratificación 77 3.4. Evaluación de las propiedades mecánicas del materiales compuestos 78

3.4.1. Ensayos de flexión 78 3.4.1.1. Módulo de flexión 82 3.4.1.2. Resistencia a la flexión 88 3.4.1.3. Deformación máxima 91

3.4.2. Ensayos de tracción 94 3.4.2.1. Módulo elástico de tracción 97 3.4.2.2. Resistencia a la tracción 101 3.4.2.3. Deformación a la rotura 104

3.4.3. Análisis de diferencias significativas entre las configuraciones 106 3.4.4. Selección de la fracción volumétrica y configuración de refuerzo

con mejores caracteristicas físico - mecánicas 109 3.4.5. Ensayos de impacto 113

3.5. Elaboración de tableros y evaluación de sus propiedades mecánicas 117

3.5.1. Fabricación del prototipo 121 3.5.2. Factibilidad técnica de fabricación de los compuestos híbridos 121

3.5.2.1. Pruebas de corte 122 3.5.2.2. Pruebas de agarre y perforación 123 3.5.2.3. Pruebas de lijado y ensamblaje 125

3.5.3. Selección del prototipo 127 3.5.4. Análisis económico 131

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 133

4.1. Conclusiones 133 4.2. Recomendaciones 135

BIBLIOGRAFÍA 136 ANEXOS 143

v

ÍNDICE DE TABLAS

PÁGINA

Tabla 1.1. Características de las matrices termoestables más comunes 2 Tabla 1.2. Propiedades mecánicas de matrices utilizadas en alta temperatura 2

Tabla 1.3. Propiedades mecánicas de resinas poliéster sin refuerzo 4

Tabla 1.4. Propiedades mecánicas de resinas de poliéster reforzadas con fibra

de vidrio 5

Tabla 1.5. Características de algunas matrices termoplásticas empleadas en

composites 8

Tabla 1.6. Propiedades mecánicas de matrices termoplásticas empleadas en

composites 9

Tabla 1.7. Características de las matrices empleadas en materiales compuestos 9

Tabla 1.8. Composición química y de contenido de humedad de algunas fibras

vegetales 11

Tabla 1.9. Propiedades físicas, mecánicas y ángulo microfibrilar de algunas

fibras naturales 11

Tabla 1.10. Propiedades mecánicas de materiales compuestos de matriz poliéster

reforzados con fibras naturales 12

Tabla 1.11. Propiedades a tracción de compuestos de matriz poliéster reforzados

con fibra de coco 12

Tabla 1.12. Propiedades mecánicas de materiales compuestos reforzados con

fibras naturales obtenidos en el proyecto PIC-08-493 ejecutado en la Escuela Politécnica Nacional 13

Tabla 1.13. Especies de plantas de las que se extraen fibras en el Ecuador 15

Tabla 1.14. Composición de la fibra de vidrio tipo E 21

Tabla 1.15. Propiedades mecánicas de la fibra de vidrio tipo E 21

Tabla 1.16. Propiedades mecánicas de compuestos de matriz poliéster

reforzados con diferentes tipos de fibra de vidrio 23

vi

Tabla 1.17. Eficiencia del reforzamiento de compuestos reforzados con fibras orientada en varias direcciones y esfuerzos aplicados en varias direcciones 26

Tabla 1.18. Algunas configuraciones del refuerzo híbrido 27

Tabla 1.19. Propiedades mecánicas de materiales híbridos de fibras de yute/ vidrio 28

Tabla 1.20. Propiedades mecánicas de compuestos híbridos de fibras de

lino/vidrio en una matriz de resina epoxi acrilada de aceite de soya (AESO) 28

Tabla 1.21. Propiedades mecánicas de compuestos híbridos obtenidos en

el proyecto PIC-08-493 ejecutado en la Escuela Politécnica Nacional 29

Tabla 1.22. Energías de impacto de algunos materiales compuestos según

la norma ASTM D 5628-07 31

Tabla 1.23. Propiedades mecánicas de tableros de matriz poliéster reforzados

de abacá y vidrio a una fracción volumétrica del 0,20 31

Tabla 1.24. Resultados de los ensayos de tracción norma ASTM D 3500 y flexión

norma ASTM D 3043en madera contrachapada de triplex 32

Tabla 2.1. Características de la resina Anderpol 859 44

Tabla 2.2. Formulación recomendada por el fabricante de la resina Anderpol 859 54

Tabla 2.3. Cantidad de probetas fabricadas en el proyecto 56

Tabla 3.1. Características de las probetas de tracción y flexión al incrementar

la fracción de fibra de coco en la matriz poliéster 68

Tabla 3.2. Efecto del incremento de la fracción de refuerzo en la facilidad de

manufactura de las probetas 69

Tabla 3.3. Propiedades mecánicas a flexión del compuesto Fc50-Fv50 de

acuerdo a la disposición del refuerzo 70

Tabla 3.4. Dimensiones de las probetas elaboradas 71

Tabla 3.5. Facilidad y rapidez de extracción de fibra de coco en los métodos de

extracción evaluados 72

Tabla 3.6. Cantidades de fibra y polvo de coco obtenidos con la extracción

manual 73

Tabla 3.7. Cantidades de fibra y polvo de coco extraídos con la trituradora

universal 73

vii

Tabla 3.8. Longitudes de fibra de coco observadas en la extracción manual 75

Tabla 3.9. Longitudes de fibra de coco observadas en la extracción con trituradora 75

Tabla 3.10. Ventajas y desventajas de los métodos de extracción propuestos 76

Tabla 3.11. Dosificación empleada en la elaboración del material híbrido 77

Tabla 3.12. Parámetros de procesamiento de compuestos híbridos fibra de

coco/vidrio 78

Tabla 3.13. Propiedades mecánicas a flexión de los compuestos de matriz

poliéster reforzados con fibra de coco/vidrio 79

Tabla 3.14. Módulos de trabajo a la flexión de los compuestos de matriz

poliéster reforzada con fibras de coco/vidrio 87

Tabla 3.15. Propiedades mecánicas a tracción de los compuestos de matriz

poliéster reforzada con fibra de coco/vidrio 95

Tabla 3.16. Formulaciones en las que no se observó diferencias significativas 106

Tabla 3.17. Ponderación obtenida por las configuraciones híbridas al 20 % de

refuerzo al considerar las propiedades mecánicas 109

Tabla 3.18. Ponderación de las mejores configuraciones al considerar la

cantidad de fibra de coco 112

Tabla 3.19. Parámetros para la selección de la configuración del refuerzo 113

Tabla 3.20. Resultados ensayos de impacto bajo la norma ASTM D 5628 113

Tabla 3.21. Resultados de los ensayos de tracción y flexión en tableros de

compuesto híbrido Fc50-Fv50 al 20 % de refuerzo 118

Tabla 3.22. Variación de las propiedades mecánicas de los tableros de

coco/vidrio respecto a los tableros de abacá/vidrio 120

Tabla 3.23. Comparación del desempeño post- maquinado de la madera vs.

tablero híbrido 127

Tabla 3.24. Resultados de la ponderación de las alternativas de fabricación de

un prototipo 128

Tabla 3.25. Costos de las materias primas empleadas en los tableros 131

Tabla 3.26. Costos de los servicios utilizados 131

viii

Tabla 3.27. Costos de los materiales indirectos 131

Tabla 3.28. Costo total de fabricación del prototipo 132

Tabla AII. 1. Dimensiones probetas y parámetros de ensayo a flexión según norma ASTM D 7264-07 147 Tabla AII. 2. Parámetros de ensayo a tracción según la norma ASTM D 3039-07 148 Tabla AII. 3. Dimensiones probetas de impacto según norma ASTM D 5628-07 149 Tabla AIII. 1. Propiedades mecánicas a tracción y flexión para la resina poliéster

Anderpol 859 152 Tabla AIII. 2. Resultados ensayos a tracción de compuestos híbridos según la norma ASTM D 3039 para una fracción volumétrica de 0,15 153 Tabla AIII. 3. Resultados ensayos a tracción de compuestos híbridos según la norma ASTM D 3039 para una fracción volumétrica de 0,20 154 Tabla AIII. 4. Resultados ensayos a flexión de compuestos híbridos según la norma ASTM D 7264 para una fracción volumétrica de 0,15 155 Tabla AIII. 5. Resultados ensayos a flexión de compuestos híbridos según la norma ASTM D 7264 para una fracción volumétrica de 0,20 156 Tabla AIII. 6. Resultados ensayos de impacto según norma ASTM D 5628

para la resina poliéster Anderpol 859 157 Tabla AIII. 7. Resultados ensayos de impacto según norma ASTM D 5628

para el compuesto híbrido al 20 % de refuerzo y configuración Fc50-Fv50 157

Tabla AIII. 8. Resultados ensayos de impacto resina según norma ASTM D 5628

para poliéster reforzada con el 20 % de fibra de vidrio 158 Tabla AIII. 9. Parámetros encontrados en cada ensayo de impacto 158 Tabla AIII. 10. Resultados ensayos de tracción y flexión según normas

ASTM D 3500 y ASTM D 3043, respectivamente para tableros de compuesto híbrido 158

Tabla AIV. 1. Establecimiento de los criterios a ponderarse en los ensayos a tracción 159 Tabla AIV. 2. Criterios de evaluación para las propiedades observadas en los ensayos de tracción 160

ix

Tabla AIV. 3. Comparación y ponderación de las propiedades a tracción de las formulaciones 160 Tabla AIV. 4. Ponderación alcanzada por las configuraciones en los ensayos a tracción 161 Tabla AIV. 5. Criterios de evaluación para las propiedades observadas en los ensayos de flexión 162 Tabla AIV. 6. Comparación y ponderación de las propiedades a flexión de las formulaciones 162 Tabla AIV. 7. Ponderación final alcanzada por las configuraciones en los ensayos a flexión 163 Tabla AIV. 8. Criterios de evaluación para las propiedades mecánicas 163 Tabla AIV. 9. Ponderación final obtenida por las configuraciones en los ensayos de tracción y flexión 164 Tabla AIV. 10. Criterios de evaluación para la selección de la configuración de refuerzo 164 Tabla AIV. 11. Comparación y ponderación de los criterios de evaluación en las formulaciones híbridas mejor puntuadas 165 Tabla AV. 1. Ponderación y evaluación de los criterios analizados en las alternativas 166

x

ÍNDICE DE FIGURAS

PÁGINA

Figura 1.1. Estructura molecular de anhídridos y diácidos utilizados en la síntesis de resinas poliéster; a) Anhídrido maleico; b) Ácido maleico; c) Ácido fumárico 3

Figura 1.2. Representación molecular de glicoles utilizados en la síntesis de

resinas poliéster; a) Etilen glicol; b) Propilen glicol ; c) Neo-pentil glicol 3 Figura 1.3. Reacciones de formación y curado de la resina poliéster 6 Figura 1.4. Curva exotérmica característica de una resina poliéster 7 Figura 1.5. Planta de cocotero 16 Figura 1.6. Producción de fruta de coco en el Ecuador 17 Figura 1.7. Partes del fruto de coco 18 Figura 1.8. Extracción de cáscaras de coco; a) Técnica de punta; b) Primera

inserción con cuchillo levantamiento de la cáscara y separación de las mechas 19

Figura 1.9. Cáscaras de coco 20 Figura 1.10. Producción de fibra de vidrio 22 Figura 1.11. Tipos de fibra de vidrio; a) Hilo de fibra de vidrio; b) Mats de fibra

de vidrio, c) Tela tejida con hilo de fibra de vidrio; d) Roving tejido 23 Figura 1.12. Mats de fibra de vidrio 24 Figura 1.13. Patrón de deformación en una matriz que rodea a una fibra sometida

a un esfuerzo de tracción 25 Figura 1.14. Orientación de las fibras; a) Unidireccional; b) Tejido bidireccional;

c) Tejido multidireccional; d) Mat de hilos continuos e) Fibras cortas orientadas al azar 26

Figura 1.15. Curvas de esfuerzo vs. deformación de una matriz poliéster

reforzada con fibras de abacá y vidrio; a) Ensayos de flexión, b) Ensayos de tracción 30

Figura 1.16. Estructura tipo emparedado 32

xi

Figura 1.17. Métodos de modificación de superficie 36 Figura 1.18. Distribución de las fibras en una matriz; a) Longitudinalmente;

b) Al azar 37 Figura 1.19. Proceso de estratificación manual 39 Figura 1.20. Proceso de aspersión 40 Figura 1.21. Moldeo por compresión 41 Figura 1.22. Proceso de moldeo por placas 42 Figura 2.1. Esquema del procedimiento experimental 46 Figura 2.2. Estrategia metodológica seguida en los ensayos preliminares 48 Figura 2.3. Disposición de las fibras en el refuerzo híbrido 49 Figura 2.4. Extracción de la fibra de coco con un cepillo metálico 50 Figura 2.5. Extracción de la fibra de coco con una grata metálica 50 Figura 2.6. Trituradora universal 51 Figura 2.7. Comparación de los anchos de cáscara que ingresa a la trituradora,

parte superior cáscaras de 5-6 cm, parte inferior cáscaras de 2-3 cm 51 Figura 2.8. Tamizado de las fibras a la salida de la trituradora 52 Figura 2.9. Selección de la fibra idónea a emplear en los ensayos 52 Figura 2.10. Diseño experimental propuesto para la formulación de materiales

compuestos híbridos 55 Figura 2.11. Pasos del proceso de elaboración de probetas de material compuesto

híbrido 57 Figura 2.12. Esquema de la estrategia metodológica seguida en la caracterización

mecánica de los compuestos híbridos 57 Figura 2.13. Ensayos mecánicos; a) Ensayo de tracción; b) Ensayo de flexión

a tres puntos 59 Figura 2.14. Vista frontal y lateral de las probetas empleadas en los ensayos;

a) Flexión según norma ASTM D 7264-07; b) Tracción según norma ASTM D 3039-07 59

xii

Figura 2.15. Probetas para el ensayo de impacto de acuerdo a las dimensiones especificadas en la norma ASTM D 5628 61

Figura 2.16. Estrategia metodológica seguida en la elaboración de tableros 62 Figura 2.17. Método de elaboración de tableros de 70 cm × 70 cm del compuesto

híbrido fibra de coco/vidrio 63 Figura 2.18. Tablero de compuesto híbrido fibra de coco/vidrio obtenido 64 Figura 2.19. Vista frontal y lateral de las probetas empleadas en los ensayos;

a) Flexión norma ASTM D 3034; b) Tracción norma ASTM D 3500 65 Figura 3.1. a) Probetas de tracción a 0; 15; 20 y 33 % de fibra de coco de refuerzo;

b) Dificultad de ingreso de las fibras al incrementar el porcentaje de refuerzo 68

Figura 3.2. Fibra de coco extraída en el proceso mediante trituradora universal 74 Figura 3.3. Fibra de coco extraída observada al microscopio con aumento 20x;

a) Extracción con trituradora; b) Extracción manual 74 Figura 3.4. Efecto en la densidad de los compuestos del incremento de la fracción

en el refuerzo de 0,15 a 0,20 80 Figura 3.5. Curvas esfuerzo vs. deformación a la flexión para compuestos de

matriz poliéster reforzada con fibra de coco/vidrio a una fracción volumétrica de 0,15 81

Figura 3.6. Curvas esfuerzo vs. deformación a la flexión para compuestos de

matriz poliéster reforzada con fibra de coco/vidrio a una fracción volumétrica de 0,20 81

Figura 3.7. Incremento del módulo elástico a la flexión de los compuestos

conforme aumenta en 25 % la concentración de fibra de vidrio en el refuerzo 83

Figura 3.8. Efecto del incremento de fibra de vidrio en el módulo de young de

algunos compuestos híbridos reforzados al 20 % 84 Figura 3.9. Efecto del incremento de la fracción volumétrica de refuerzo de 0,15

a 0,20 en los módulos elásticos a flexión de los materiales compuestos 85 Figura 3.10. Tramos de la curva esfuerzo vs. deformación a la flexión de un

compuesto híbrido en el que se calculó el módulo de young y el módulo de trabajo 86

Figura 3.11. Incremento de la resistencia a la flexión conforme aumenta en 25 %

la fracción de fibra de vidrio en el refuerzo 88

xiii

Figura 3.12. Efecto del incremento de fibra de vidrio en la resistencia a la flexión de algunos compuestos híbridos reforzados al 20 % 88

Figura 3.13. Efecto del incremento de la fracción volumétrica de 0,15 a 0,20 en la

resistencia a la flexión de los compuestos 89 Figura 3.14. Módulo de flexión específico vs. resistencia a la flexión específica de

algunos compuestos híbridos 90 Figura 3.15. Efecto del incremento de la fracción volumétrica de 0,15 a 0,20 en la

deformación máxima a la flexión de los compuestos 92 Figura 3.16. Probetas de flexión compuestos híbridos; a) Ensayadas;

b) Acercamiento a la fractura; c) Vista lateral 93 Figura 3.17. Acercamiento falla de una probeta a flexión de compuesto híbrido 93 Figura 3.18. Efecto del incremento de la fracción volumétrica de 0,15 a 0,20 en la

densidad de los compuestos 94 Figura 3.19. Curvas esfuerzo vs. deformación a la tracción para compuestos de

matriz poliéster reforzada con fibras de coco/vidrio a una fracción volumétrica de 0,15 96

Figura 3.20. Curvas esfuerzo vs. deformación a la tracción para compuestos de

matriz poliéster reforzada con fibras de coco/vidrio a una fracción volumétrica de 0,20 96

Figura 3.21. Incremento del módulo elástico a la tracción de los compuestos

conforme aumenta en 25 % la fracción de fibra de vidrio en el refuerzo 98 Figura 3.22. Efecto del incremento de fibra de vidrio en los módulos de young a

tracción de algunos compuestos híbridos reforzados al 20 % 98 Figura 3.23. Efecto del incremento de la fracción volumétrica de 0,15 a 0,20 en el

módulo elástico a la tracción de los compuestos 99 Figura 3.24. Variación del módulo elástico conforme se incrementa la fracción

de fibra de coco en una matriz poliéster 100 Figura 3.25. Incremento de la resistencia a la tracción conforme aumenta la

fracción de fibra de vidrio en el refuerzo híbrido fibra de coco/vidrio 100 Figura 3.26. Variación de la resistencia a la tracción conforme se incrementa la

fracción de refuerzo de fibra de coco en una matriz poliéster 101 Figura 3.27. Efecto del incremento de la fracción de refuerzo de 0,15 a 0,20 en la

resistencia a la tracción de los compuestos 102

xiv

Figura 3.28. Módulo a la tracción específico vs. resistencia a la tracción específica para algunos compuestos híbridos 103

Figura 3.29. Efecto del incremento en la fracción volumétrica de refuerzo de 0,15

a 0,20 en la deformación máxima de los compuestos 104 Figura 3.30. Probetas de tracción compuesto híbrido fibra de coco/vidrio;

a) Ensayadas; b) Acercamiento a la zona de fractura 105 Figura 3.31. Diferencias significativas presentes ; a) Módulo a la flexión;

b) Esfuerzo a la flexión 107 Figura 3.32. Diferencias significativas presentes; a) Módulo a la tracción;

b) Esfuerzo a la tracción 108 Figura 3.33. Gráfico multieje de las propiedades mecánicas exhibidas en las

configuraciones de refuerzo para una fracción volumétrica de 0,20 110 Figura 3.34. Resistencia específica a la tracción vs. módulo específico a la tracción

de las distintas configuraciones de refuerzo híbrido coco/vidrio 111 Figura 3.35. Resistencia específica a la flexión vs. módulo específico a la flexión

de las distintas configuraciones de refuerzo híbrido coco/vidrio 111 Figura 3.36. Desempeño de las formulaciones al ensayo de impacto 114 Figura 3.37. a) Probetas de matriz poliéster; b) Probetas de compuesto híbrido

Fc50-Fv50 al 20 % de refuerzo, antes y después del ensayo 115 Figura 3.38. Gráfico multieje de las propiedades mecánicas exhibidas en las

configuraciones de refuerzo para una fracción volumétrica de 0,20 116 Figura 3.39. Propiedades mecánicas exhibidas en el compuesto Fc50-Fv50 y otros

compuestos híbridos al 20 % de refuerzo y 50/50 fibra natural/ fibra de vidrio 117

Figura 3.40. Comparación de la resistencia máxima a la tracción alcanzada por

la madera contrachapada y el material híbrido Fc50-Fv50 reforzado al 20 % 118

Figura 3.41. Comparación de la resistencia máxima a la flexión alcanzada por

la madera contrachapada y el material híbrido Fc50-Fv50 reforzado al 20 % 119

Figura 3.42. Comparación del módulo a la flexión alcanzado por la madera

contrachapada y el material híbrido Fc50-Fv50 reforzado al 20 % 119 Figura 3.43. Serrucho con cuchillas gastadas al poco tiempo de uso en el tablero

híbrido 122

xv

Figura 3.44. Corte del tablero híbrido con una caladora 122 Figura 3.45. Corte del tablero híbrido en una mesa de corte 123 Figura 3.46. Taladrado frontal y lateral del tablero híbrido 124 Figura 3.47. Delaminaciones causadas por la perforación a la entrada y salida

de la broca 124 Figura 3.48. Ingreso tornillo auto-roscable 125 Figura 3.49. Análisis de perforación 125 Figura 3.50. Lijado filos del tablero híbrido 126 Figura 3.51. Pegado de piezas del tablero híbrido 126 Figura 3.52. Alternativas para fabricación de un prototipo 128 Figura 3.53. Mueble para dispositivos audiovisuales 130 Figura 3.54. Mueble terminado 130 Figura AV.1. Esquema y dimensiones usadas en la fabricación del prototipo 167

xvi

ÍNDICE DE ANEXOS PÁGINA ANEXO I Determinación de la densidad de las fibras y cantidad de refuerzo empleada en los compuestos 144 ANEXO II Fórmulas empleadas en los ensayos mecánicos 147 ANEXO III Resultados propiedades mecánicas de materiales compuestos híbridos 152 ANEXO IV Selección de la fracción volumétrica y configuración de refuerzo 159 ANEXO V Selección del prototipo 166

xvii

RESUMEN

El objetivo del presente trabajo es obtener, caracterizar y evaluar las propiedades

mecánicas de materiales compuestos híbridos de poliéster insaturado reforzado

con fibra de coco y fibra de vidrio, para seleccionar y utilizar los composites más

idóneos para elaborar tableros. Para ello, se fabricaron probetas de tracción,

flexión e impacto de acuerdo a lo descrito en las normas ASTM D 3039, ASTM D

7264 y ASTM D 5628, respectivamente. En la fabricación de probetas se utilizó la

técnica de estratificación manual y se colocó a las fibras de acuerdo a la

disposición tipo emparedado vidrio-coco-vidrio.

Posteriormente, se analizó la influencia de la variación de la fracción volumétrica

de las fibras de coco y vidrio dentro del refuerzo híbrido en las propiedades

mecánicas del compuesto. Para ello, se variaron las fracciones volumétricas en

25/75,50/50,75/25 y se compararon con las fracciones al 100 % de fibra de coco y

100 % de fibra de vidrio. De igual manera, se estudió la incidencia de la fracción

volumétrica del refuerzo híbrido en dichas propiedades y se consideró dos

fracciones volumétricas de refuerzo: 0,15 y 0,20.

Los ensayos mecánicos efectuados permitieron concluir que las propiedades

mecánicas fueron superiores con la fracción volumétrica de refuerzo de 0,20, y

que la configuración Fc50-Fv50, combinó características deseables en

aplicaciones estructurales, tales como las buenas propiedades mecánicas y baja

densidad. Así, con respecto a la matriz poliéster para los ensayos a tracción, su

módulo elástico (3 960 MPa) y resistencia (38,6 MPa) aumentaron en un 231 % y

40 % respectivamente.

En los ensayos de flexión el incremento de las propiedades fue de 104 % para el

módulo elástico (4 094 MPa) y 51 % para la resistencia (89,2 MPa). Por el

contrario, al comparar con el refuerzo al 100 % de fibra de vidrio se observaron

disminuciones del 26 % y 48 % en el módulo elástico y resistencia a la tracción y

en los ensayos de flexión disminuciones del módulo elástico y resistencia de 9 %

y 20 %, cada uno.

xviii

Los ensayos de impacto revelaron que el compuesto híbrido absorbió un 361 %

más energía que la matriz poliéster (0,07 J) y un 37 % menos que el compuesto

reforzado con fibra de vidrio a una fracción volumétrica de refuerzo de 0,20.

Consecutivamente, con la configuración Fc50-Fv50 y fracción de refuerzo de 0,20

se elaboraron tableros y se realizaron ensayos de tracción y flexión bajo las

normas ASTM D 3034 y ASTM D 3500, respectivamente. Los resultados

encontrados se compararon con las propiedades mecánicas de la madera

contrachapada. Se observó que los tableros de compuesto híbrido presentaron

resistencias a la tracción superiores en un 38,9 % y 10,9 % con respecto a la

madera de 12 mm y 18 mm, respectivamente. De igual manera con respecto a los

espesores mencionados, la resistencia a la flexión se incremento en 287 % y

113,91 % con relación a la madera con fibras paralelas y en 91 % y 229% con

respecto al contrachapado con fibras orientadas perpendicularmente. Finalmente,

al elaborar un prototipo del compuesto híbrido, se encontró facilidad en el post-

maquinado, sin embargo se requirió de materiales de corte más resistes y su

costo de fabricación fue superior ($ 90) en un 25% a un prototipo similar hecho

de madera ($ 72).

xix

INTRODUCCIÓN

La importancia de un material compuesto en aplicaciones de ingeniería radica en

que dos o más materiales distintos se pueden combinar para formar un nuevo

material, cuyas propiedades sean superiores en algún punto a las de sus

constituyentes (Smith, 2006, p. 648). La incorporación de las fibras naturales en

los materiales compuestos busca satisfacer las nuevas necesidades de la

sociedad actual, especialmente por las tendencias del uso de fuentes de recursos

renovables en lugar del uso de derivados del petróleo. La mayoría de materiales

compuestos reforzados con fibras se caracterizan por presentar mejores

resistencias a la fatiga, rigidez y una buena relación resistencia-peso (Askeland,

1998, p. 517).

En el presente proyecto de titulación se pretende combinar de manera sinérgica

las propiedades individuales de la fibra de coco y la fibra de vidrio en una matriz

de resina poliéster para obtener un material compuesto híbrido que posea una

alta versatilidad de aplicación. El propósito de los refuerzos en las matrices

poliméricas es mejorar su rigidez y resistencia mecánica. Se empleará a la fibra

de vidrio, ya que es muy utilizada para reforzar matrices plásticas y formar así

materiales compuestos estructurales y productos de moldeo. La fibra de vidrio es

un material que presenta una alta densidad y posee una alta transparencia,

fragilidad, dureza y elevada resistencia a la tracción. Por esto, con la utilización de

la fibra de vidrio se pretende lograr un material compuesto híbrido con mayor

resistencia mecánica en comparación a la que presentaría el material compuesto

elaborado únicamente al adicionar fibra de coco. Sin embargo, la fibra de vidrio

tiene como desventajas la alta densidad, sensibilidad a la abrasión durante su

manejo y una baja resistencia a la fatiga.

Estas desventajas se pueden mitigar al combinar a la fibra de vidrio con una fibra

natural que complemente sus propiedades. Se ha escogido a la fibra de coco

debido a su baja densidad, bajo costo (es considerada prácticamente un desecho

agroindustrial), carácter biodegradable y disponibilidad. No obstante, tiene como

desventajas la baja estabilidad dimensional y propiedades mecánicas inferiores

xx

con relación con las fibras sintéticas (Neto y Pardini, 2006, p. 98). En

consecuencia, se puede acotar que la gran resistencia de la fibra de vidrio con

relación a la fibra de coco, la mejor elasticidad y menor densidad de esta última

con relación a la primera, permite predecir que al combinar sus propiedades

físicas y mecánicas, se obtendrá un compuesto híbrido más liviano y resistente,

con características superiores a las de los materiales individuales. Por otra parte,

es importante indicar que la fibra de coco posee un potencial enorme de

explotación en el Ecuador. A nivel nacional la producción anual de fruta de coco

está alrededor de 50 886 t, en la que Esmeraldas es el mayor productor con 37

415 t, seguido de Manabí con 11 569 t, de acuerdo a la última investigación

realizada por el Ministerio de Agricultura y Ganadería (MAG, 2006).

Lamentablemente, en el Ecuador no se explotan los residuos sólidos generados,

por lo que se convierten en desechos que son destinados a botaderos de basura.

En el mejor de los casos las fibras, cáscaras y otros residuos sólidos del coco se

queman como combustible para producir vapor o se utiliza el cuesco para

elaborar carbón activado. Los residuos que no son empleados para este fin

ocupan un área representativa y son una fuente de proliferación de enfermedades

(Tapia, Paredes y Correa, 2009). En otros países la fibra corta y el polvillo del

cocotero tienen una alta demanda y potencial para la industria de los viveros e

invernaderos (Conacoco, 2010). En países como Brasil, esta fibra también es

utilizada como materia prima para la elaboración de partes de autos, materiales

de construcción, paneles de computadoras, entre otros (Revista acadêmica

Urutágua, 2004)

Existen pocos estudios al respecto de esta temática, razón por la cual este

proyecto aspira utilizar este desecho y convertirlo en un producto que alcance un

mayor valor agregado mediante la elaboración de materiales compuestos híbridos

en los que se incorpore a la fibra de coco como parte del refuerzo. Con el

aprovechamiento de este residuo se desea contribuir a una cultura ambiental en

la región, que posibilite sustituir materiales que son utilizados por mercados

nacionales e internacionales y que muchas veces por su composición química

constituyen un riesgo significativo para la sociedad y el medio ambiente.

xxi

La incorporación de fibras de coco permitirá reducir la concentración de la matriz

poliéster insaturada y cierta cantidad de fibra de vidrio. El empleo de los

materiales compuestos híbridos reforzados con fibra de coco y fibra de vidrio

tendría una amplia aplicación industrial en diversos campos como el automotriz y

el de la construcción, revestimientos internos de autos y elementos tales como

pedales, muebles y tableros el cual es uno de los objetivos del proyecto.

El proyecto, además de beneficiar a los productores de coco y contribuir en el

área ambiental, espera abrir campos de investigación para crear alternativas de

utilización de este recurso. Por ello, esta investigación se realizó con auspicio del

proyecto PIC-08-493 “Desarrollo de Nuevos Materiales para Aplicaciones

Estructurales e Industriales” cofinanciado por Senacyt y ejecutado en la E.P.N.

xxii

SIMBOLOGÍA

RX fracción volumétrica de cada constituyente del refuerzo

GX fracción volumétrica del refuerzo en la matriz

% v/v porcentaje en volumen

% w porcentaje en peso

peso de la probeta

masa de fibra de coco

masa de fibra de vidrio

densidad

densidad de la fibra

densidad de la matriz

75FLA/25Fv matriz poliéster reforzada al 20 % con el 75 % de fibra larga de abacá y 25 % de mats de fibra de vidrio

cps centipoises

Cv coeficiente de variación

Fc fibra de coco

Fc50-Fv50 refuerzo formado por el 50 % de fibra de coco y 50 % fibra de vidrio

Fc-Fv-Fc disposición con la fibra de vidrio en el centro y capas de fibra de coco en los extremos

Fv fibra de vidrio

Fv-Fc-Fv disposición con la fibra de coco en el centro y capas de fibra de vidrio en los extremos

GPa gigapascal

kJ kilojoule

L.E.15d.23 % matriz poliéster reforzada al 23 % con cabuya longitudinal

mm milímetro

mm/min milímetro por minuto

MPa megapascal

psi libra/pulgada2

T45°.E.15d.28 % matriz poliéster reforzada al 28 % con tejido a 45°

vp volumen de la probeta

1

1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA

En este capítulo se describe el uso de fibras naturales y fibras sintéticas como

refuerzo de materiales compuestos, sus características físicas y mecánicas. Se

analizan las matrices poliméricas empleadas así como los mecanismos de

interacción entre la matriz y el refuerzo. Por último, se mencionan los métodos de

fabricación de materiales compuestos existentes en la actualidad y se hace

hincapié en la técnica de estratificación manual.

1.1. MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRA

NATURAL

Los materiales compuestos son materiales multifases que conjugan las

propiedades de las fases constituyentes de manera que resulte la mejor

combinación posible. Un material compuesto está formado por dos fases

principales: la matriz y el refuerzo. La primera es el medio en el cual se encuentra

alojado el refuerzo y distinguible a simple vista por ser un medio continuo, esta

otorga al compuesto ductilidad, tenacidad y transmite los esfuerzos inducidos a

los refuerzos para que estos soporten la mayor parte de la fuerza aplicada. Se

suele adicionar refuerzos de otros materiales en forma de: fibras, whiskers (fibras

inorgánicas cortas muy delgadas), partículas, entre otros, con la finalidad de

elevar sus propiedades mecánicas. Los refuerzos determinan la estructura interna

de los materiales compuestos, por lo que deben estar fuertemente unidos a la

matriz (Mitchell, 2004, p.100; Newton, 2007, p. 21).

Por otra parte, los compuestos reforzados con fibras pueden ser clasificados de

acuerdo al tipo de matriz, estas pueden ser: metálicas, cerámicas y poliméricas.

La aplicación a la que se va a destinar el material compuesto dicta la selección.

La mayoría de compuestos poliméricos tradicionales emplean matrices

termoestables, razón por la cual, se profundizará en el estudio de las mismas

(Chung, 2010, p. 4).

2

1.1.1. MATRICES TERMOESTABLES

Las matrices termoestables son líquidos viscosos que por efecto de una reacción

de endurecimiento forman una gran red molecular integrada por una serie de

enlaces cruzados entre cadenas moleculares que dan forma a un sólido que no

puede ser reprocesado. El curado se da por el desprendimiento de calor interno

(reacción exotérmica) o por calor inducido. En la Tabla 1.1, se presentan algunas

de las resinas más comunes y en la Tabla 1.2, las propiedades mecánicas de tres

matrices usadas con altas temperaturas (Besednjak, 2005, p. 24; Campbell, 2004,

p. 10).

Tabla 1.1. Características de las matrices termoestables más comunes

(Campbell, 2004, p. 10; Miravete, 2007, p. 55)

Tabla 1.2. Propiedades mecánicas de matrices utilizadas en alta temperatura

Propiedades Epoxi Esteres cianato Bismaleimida

Densidad (kg/m3) 1 200-1 250 1 100-1 350 1 200-1 300

Resistencia a la tracción (MPa) 48-90 69-90 35-90

Módulo a tracción (MPa) 3 100-3 800 3 100-3 400 3 400-4 100

Deformación a la rotura (%) 1,5-8,0 2,0-5,0 1,5-3,0

Temperatura de curado (oC) 150-220 177-250 220-300

Absorción de agua (%) 2,0-6,0 1,3-2,5 4,0-4,5

(Miravete, 2007, p. 81)

Resinas Características

Poliéster Utilizado ampliamente en aplicaciones comerciales, de bajo costo y flexibilidad en el procesamiento. Empleada con bajas temperaturas.

Vinil éster Similar al poliéster pero con mejores propiedades mecánicas y mayor resistencia a la humedad y al fuego. Son de elevado costo.

Epóxicas Son costosas, de alto rendimiento, usadas primordialmente con compuestos de fibra continua. Tienen mejor rendimiento a temperaturas elevadas que el poliéster y el vinil.

Bismaleimida Usadas a temperaturas de 135-177 ºC. Requiere post-curado a elevada temperatura.

Poliamidas Resinas usadas a muy altas temperaturas en un rango de 280-316 ºC. Difíciles de procesar.

Fenólicas Resinas de alta temperatura, usadas en aeronaves. La resistencia al fuego es excelente. Son difíciles de procesar.

Esteres cianato

Son matrices versátiles que ofrecen elevada resistencia, dureza, propiedades eléctricas y muy baja absorción de humedad. Fueron creadas para competir con las bismaleimidas. Son empleadas en la fabricación de antenas, misiles y microelectrónica.

3

1.1.1.1. Resinas de poliéster

Son sustancias líquidas de baja viscosidad que se pueden mezclar con grandes

cantidades de cargas y refuerzos. Químicamente se forman por la reacción de un

diol con un diácido o un anhídrido que contiene dobles enlaces carbono-carbono

reactivo, a través de una reacción de polimerización por etapas (Smith, 2006, p.

527). Las resinas poliéster pueden presentar mezclas de diferentes dioles y

diácidos, como los que se muestran en la Figura 1.1 y en la Figura 1.2

respectivamente.

Estas combinaciones permiten obtener resinas con propiedades especiales y de

alta versatilidad. Entre las resinas de poliéster más utilizadas se encuentran las

siguientes:

Ortoftálicas. Son las resinas más utilizadas entre las resinas poliéster debido a

su bajo costo. Están formadas por la combinación de un anhídrido maleico y un

anhídrido ftálico con glicoles. Se utiliza en estratificados industriales, placas

onduladas y planas, barcos, etc. (Besednjak, 2005, p. 28 ;Miravete, 2007, p 63).

Figura 1.1. Estructura molecular de anhídridos y diácidos utilizados en la síntesis de resinas poliéster; a) Anhídrido maleico; b) Ácido maleico; c) Ácido fumárico

(Neto y Pardini, 2006, p. 17)

Figura 1.2. Representación molecular de glicoles utilizados en la síntesis de resinas poliéster; a) Etilen glicol; b) Propilen glicol; c) Neo-pentil glicol.


a b c

a b c

4

Isoftálicas. Presentan mejores propiedades mecánicas que las ortoftálicas y

menor absorción de humedad. Esto se logra gracias a la sustitución del anhídrido

ftálico por ácidos isoftálicos que potencian su resistencia química y resistencia al

agua. Se utiliza en depósitos, gel coats (cera utilizada para dar terminado de alta

calidad al material), entre otros (Besednjak, 2005, p. 28; Miravete, 2007, p. 63).

Isoftálicas/Neopentil glicol. ‘‘Son aquellas en las que se sustituye el propilen

glicol por el neopentil glicol, lo cual mejora la resistencia química de la resina

isoftálica’’ (Besednjak, 2005, p. 28).

Bisfenólicas. Son el producto de la combinación de un anhídrido fumárico y un

anhídrido ftálico con el bisfenol A. Presenta buenas propiedades mecánicas y

químicas, aunque su costo es elevado, son las resinas más idóneas para

ambientes corrosivos (Besednjak, 2005, p. 28; Miravete, 2007, p. 63).

Ácido HET. Resulta de la combinación de un anhídrido maleico y un ácido HET

(ácido cloréndico utilizado en la síntesis de retardantes de llama) con el

etilenglicol o dietilenglicol. Esta resina es utilizada en aplicaciones en la que se

requiera resistencia al fuego y a ambientes corrosivos (Miravete, 2007, p. 63). En

la Tabla 1.3, se presentan las propiedades mecánicas de las resinas de poliéster

descritas.

Tabla 1.3. Propiedades mecánicas de resinas de poliéster sin refuerzo

Tipo de resina poliéster

Resistencia a la flexión (MPa)

Resistencia a la tracción (MPa)

Módulo a la tracción (GPa)

Porcentaje de elongación

Ortoftálica 100 65-75 3,2 2,0-4,0

Isoftálica 140 70-85 3,5 3,5

Neopentil-glicol 130 70 3,4 2,4

Isoftálica / Neopentilenglicol

130 60 3,4 2,5

Ácido HET 80 40-50 3,2 1,3-4,0

Isoftálica /ácido HET 85 55 3,2 2,9

Bisfenol - A 130 60-75 3,2 2,5-4,0

( Miravete, 2007, p. 64)

5

En la Tabla 1.4 se observa que al reforzar con fibra de vidrio las diferentes

resinas de poliéster, estas mejoran sus propiedades mecánicas. Esto refleja la

buena adherencia de la fibra de vidrio con las matrices. Para la selección de la

resina se deberá considerar las propiedades que se desean en el producto a

fabricar y el costo que estas representarían en el mismo.

Tabla 1.4. Propiedades mecánicas de resinas de poliéster reforzadas con fibra de vidrio

Tipo de resina poliéster

Porcentaje de refuerzo con

fibra de vidrio

Resistencia a la flexión

(MPa)

Resistencia a la tracción

(MPa)

Módulo de tracción (GPa)

Ortoftálica 30 150 90 7

Isoftálica 30 230 120 8

Neopentil-glicol 30 170 90 7

Isoftálica / Neopentilenglicol

30 160 90 7

Ácido HET 30 150 85 7

Isoftálica/ácido HET 30 150 90 7

Bisfenol - A 30 170 90 7

(Miravete, 2007, p. 64)

1.1.1.2. Proceso de curado de las resinas

Se denomina curado al proceso por el cual la resina se transforma de un estado

líquido a un estado sólido. Para ello, es necesario adicionar a la resina diferentes

sustancias como un catalizador, activador y un agente de enlace molecular como

el monómero estireno. Los catalizadores y activadores, rompen los dobles

enlaces carbono-carbono presentes en el poliéster y el monómero estireno y

forman entrecruzamientos. Específicamente, el activador cumple con la función de

activar la reacción de polimerización a temperatura ambiente, sin embargo, no

logra por sí mismo una reacción completa. Entre los promotores más utilizados se

tiene al octoato de cobalto y al naftenato de cobalto. Su adición se hace en bajas

cantidades. El catalizador o agente de curado, aporta con radicales libres que

atacan a las insaturaciones de la resina poliéster y permiten la unión del

monómero de estireno a la resina, como se observa en la Figura 1.3. Esto da

inicio a una polimerización en cadena que genera un copolímero estireno-

6

poliéster, lo cual forma una red termorrígida (Neto y Pardini, 2006, pp. 14-18;

Smith, 2006, p. 527).

Figura 1.3. Reacciones de formación y curado de la resina poliéster (Smith, 2006, p. 528)

El catalizador más utilizado es el peróxido de metil-etil-cetona (MEKP, por sus

siglas en inglés). Las cantidades de activador y catalizador permiten alargar o

acortar el tiempo de la reacción (velocidad de reacción). Al momento que estas se

mezclan comienza la fase de endurecimiento. Como se observa en la Figura 1.4,

al inicio de la reacción no existe un incremento notable de la temperatura de la

mezcla, sin embargo su viscosidad incrementa hasta convertirse en un gel que

imposibilita el impregnado de los refuerzos. El tiempo desde el estado de líquido

viscoso a gel se conoce como tiempo de gelificación y determina los límites de

trabajo de la resina.

A partir de este tiempo comienza la fase de endurecimiento de la resina o

polimerización, en la que se dan entrecruzamientos moleculares que desprenden

calor de forma exotérmica, razón por la cual incrementa la temperatura de la

7

mezcla y llega a sobrepasar los 150 oC hasta alcanzar finalmente la temperatura

máxima (pico exotérmico).

Figura 1.4. Curva exotérmica característica de una resina poliéster (Miravete, 2007, p. 67)

Posteriormente, disminuyen las reacciones químicas y comienza a descender

lentamente la temperatura hasta alcanzar la temperatura ambiente, esta fase se

conoce como enfriamiento o curado final. En esta etapa la resina ya presenta un

estado sólido. El post-curado puede realizarse a temperatura ambiental, de

acuerdo al tipo de resina utilizada en el mismo. Como referencia se puede acotar

que una resina poliéster necesita al menos entre 24 y 48 horas a 20 oC para

alcanzar un grado de curado del 90 %. Sin embargo, el curado total se producirá a

lo largo de varias semanas.

Cada etapa del curado dependerá de las concentraciones de activador y

catalizador, la temperatura ambiental y el espesor que se requiera dar al

laminado. A espesores elevados como 30 mm se presentan grandes picos

exotérmicos, y debido a la mala conductividad térmica de las resinas no se logra

eliminar el calor generado, lo cual podría perjudicar la pieza con formaciones de

grietas y decoloración. Es por esta razón que se recomienda realizar laminados

en etapas, para favorecer la eliminación de calor generado (Besednjak, 2005, pp.

25-26).

8

1.1.2. MATRICES TERMOPLÁSTICAS

Las matrices termoplásticas son moléculas de cadena lineal o ramificada, con

enlaces intramoleculares fuertes y enlaces intermoleculares débiles. Presentan

estructuras amorfas o semicristalinas. Generalmente se encuentran en estado

sólido, y tienen que ser fundidos para obtener un producto final o ser combinados

con otros materiales. La fusión y solidificación de estos polímeros son procesos

reversibles y pueden ser reconformados con la aplicación de presión y calor.

Presentan gran importancia comercial por lo que están presentes en artículos

moldeados y extruidos, fibras, películas, láminas, materiales de empaque,

pinturas, entre otros (Sreekumar y Thomas, 2008, p. 69). En la Tabla 1.5, se

presentan algunas características de las matrices más empleadas en composites

y en la Tabla 1.6, sus propiedades mecánicas.

Tabla 1.5. Características de algunas matrices termoplásticas empleadas en composites

Matriz Características Aplicaciones

Poliéter éter cetona

(PEEK)

Buena resistencia a la abrasión y absorción de agua, baja inflamabilidad y excelentes propiedades a temperaturas elevadas

Productos de moldeo y extrusión, de polímeros de alto rendimiento, tuberías, aislamiento eléctrico, rodamientos de automoción, etc

Polisulfuro de fenileno

(PPS)

Es un termoplástico semicristalino, reforzado con fibra de vidrio demuestra excelentes propiedades mecánicas, estabilidad térmica y resistencia química

Es usado en refuerzos de fibra de vidrio, partes eléctricas y electrónicas como enchufes, interruptores, partes de automóviles de admisión de aire, válvulas

Polietileno de alta

densidad (HDPE)

Lineal de alta densidad con mayor cristalinidad, densidad y rigidez que el LDPE, buena resistencia química.

Es usado para producir botellas, tubos y artículos domésticos

Polipropileno (PP)

Puede ser sintetizado en cualquiera de sus tres estructuras isotáctica, sindiotáctica y atáctica, de estas la isotáctica es la más importante por su resistencia al peso. Son de bajo costo

En componentes que necesitan esterilizarse, moldeo por inyección de piezas de automóviles, aparatos domésticos, carcasas, etc

Poli éter-imida (PEI)

Es un termoplástico amorfo con alta resistencia al calor, susceptible a procesos de moldeo convencionales (inyección, compresión o moldeo por soplado)

Empleado en tarjetas de circuitos impresos y discos duros para ordenadores y en materiales compuestos reforzados para aplicaciones aeroespaciales

Poliamida imida (PAI)

Es procesable en fusión y moldeable por inyección ya sea en forma pura o con cargas de refuerzo

Es químicamente inerte, usado en ambientes calientes y corrosivos, es auto-lubricante

(Mark, 1999, p. 260, 466, 471; Miravete, 2007, p. 85)

9

Tabla 1.6. Propiedades mecánicas de matrices termoplásticas empleadas en composites

Matriz

Densidad Módulo a la tracción (MPa)


Módulo a la flexión (MPa)


(MPa)

PEEK 1,26 3 560 92 3 700 -

PPS 1,44 2 600-3 900 65 3 860 96

PE 0,92-0,99 60-290 10-60 - -

PP 0,90 1 195 26 1 267 24

PEI 1,27 3 000 105 3 300 150

PAI* 1,38 4 900 192 5 000 244

(Mark, 1999, 260, 466, 471; *PAi marca Torton 4203L con 3 % de TiO2 y 0,5 % de fluorocarbono)

Cabe notar que para la selección adecuada del tipo de matriz a usar en materiales

compuestos se deben considerar factores como el costo, la facilidad de

procesamiento y otros aspectos importantes mencionados en la Tabla 1.7

Tabla 1.7. Características de las matrices empleadas en materiales compuestos

Propiedad Termoestable Termoplástico Observaciones

Costo

Bajo, medio y alto basado en los

requerimientos de la resina

De bajo a alto

Tiende a disminuir en los termoplásticos a medida que

aumenta el volumen de producción

Formulación Compleja Simple -

Grado de viscosidad Muy baja Alta Alta viscosidad interfiere con la impregnación de las fibras

Impregnación de la fibra Fácil Difícil -

Ciclos de procesamiento Largos Corto a largo Proceso largo degrada el

polímero

Costo de fabricación Bajo para

materiales con fibra de vidrio

Bajo a alto

Las matrices termoplásticas no necesitan un tiempo

determinado para su moldeo, lo cual reduce los costos

Propiedades mecánicas en un material compuesto

Regular a buena Buena -

Resistencia a fluidos y disolventes

Buena Pobre a excelente según se elija la

matriz -

Resistencia a la fluencia Buena No conocida -

Reciclaje No Si En los termoplásticos el

material empieza a degradarse

(Peters, 2004, p. 244)

10

1.1.3. FIBRAS NATURALES USADAS COMO REFUERZOS

Los materiales compuestos reforzados con fibras se diseñan con la finalidad de

aumentar las propiedades mecánicas de los materiales, tales como la resistencia

al esfuerzo, fatiga, rigidez y la relación resistencia-peso. Así, en los refuerzos con

fibras de baja densidad se pueden obtener módulos y resistencias específicas

excepcionalmente elevadas (Callister, 2002, p. 539). En esta sección se analizan

las fibras naturales y sintéticas empleadas como refuerzos en este proyecto de

titulación.

“Las fibras naturales son materiales compuestos, que constan básicamente de un

rígido refuerzo microfibrilar de celulosa cristalina, incrustado en una matriz de

hemicelulosa y lignina amorfa de composición variable” (Mohanty, Misra y Drzal,

2005, p.46). En la mayoría de fibras vegetales, la celulosa, hemicelulosa y lignina

son los mayores constituyentes. La hemicelulosa es un polisacárido de carácter

hidrofílico, soluble en álcalis y fácilmente hidrolizable en ácidos. Forma la matriz

de apoyo para las microfibrillas de celulosa, las cuales proporcionan la resistencia

mecánica a las fibras. Se ha observado que la resistencia a la tracción y el

módulo de Young son altos cuando se incrementa el contenido de celulosa. Por

otra parte, la lignina es el componente que da rigidez a las plantas, de carácter

hidrofóbico y promueve la resistencia a la degradación bacteriana (Mohanty et al.,

2005, p. 47).

Por lo tanto, las propiedades de la fibra están determinadas por la estructura de la

fibra, composición química y el ángulo microfibrillar. Las fibras de las plantas son

mucho más dúctiles si las microfibrillas tienen una orientación en espiral al eje de

las fibras y son inflexibles y rígidas con una alta resistencia a la tracción si las

microfibrillas tienen orientación paralela al eje. Así, se ha observado que la

resistencia a la tracción y el módulo de Young disminuyen con el incremento del

ángulo (Mukherjee y Satyanarayana, 1986, pp. 21, 55-57; Nishino, 2004, p. 65).

En la Tabla 1.8 y 1.9 se muestran la composición química, contenido de

humedad, propiedades físicas, mecánicas y el ángulo microfibrilar de algunas

fibras vegetales.

11

Tabla 1.8. Composición química y de contenido de humedad de algunas fibras vegetales

Fibra Celulosa (% w)

Hemicelulosa (% w)

Lignina (% w)

Pectina (% w)

Contenido de

humedad (% w)

Ceras (% w)

Lino 71 18,60-20,60 2,2 2,3 8,0-12,0 1,7

Cáñamo 70-74 17,90-22,40 3,7-5,7 0,9 6,2-12,0 0,8

Yute 61-72 13,60-20,40 12,0-13,0 0,2 12,5-13,7 0,5

Coco 32-43 0,15-0,25 40,0-45,0 3,0-4,0 8,0 -

Sisal 66-78 10,00-14,00 10,0-14,0 10,0 10,0-22,0 2,0

Abacá 56-63 - 12,0-13,0 1,0 5,0-10,0 -

Algodón 85-90 5,70 - 0,0-1,0 7,8-8,5 0,6

Ramio 68-76 13,10-16,70 0,6-0,7 2,0 7,5-17,0 0,3 (Mohanty et al., 2005, p. 46)

Tabla 1.9. Propiedades físicas, mecánicas y ángulo microfibrilar de algunas fibras naturales

Fibra Densidad (g/cm3)


Módulo de Young ( GPa)

Elongación a la ruptura (%)

Angulo Microfibrilar

(Grados)

Sisal 1,27-1,50 126-800 3,8-62,0 2,8-10,0 5,0-10,0

Coco 1,15-1,50 95-149 2,8-13,7 3,3-5,1 2,0-6,2

Yute 1,50 320-500 12,0-100,0 1,3-2,8 8,0

Malva 1,41 160 17,4 5,2 30,0-49,0

Ramio 1,51 393-900 7,3-25,0 1,8-5,3 10,0-22,0

Abacá 1,30 307 19,8 - -


En la actualidad se han desarrollado aplicaciones interesantes de las fibras como

refuerzos de compuestos poliméricos. En la Tabla 1.10 se observa el efecto que

producen ciertas fibras en las propiedades mecánicas de compuestos de matriz

poliéster.

12

Tabla 1.10. Propiedades mecánicas de materiales compuestos de matriz poliéster reforzados con fibras naturales

Fibra %

Peso

Resistencia a la tracción

(MPa)

Módulo de tracción (GPa)


(MPa)

Módulo a la flexión (GPa)

Resistencia al impacto

(kj/m2)

Matriz Poliéster

0 37,0 4,1 69,0 4,8 -

Orientación de las fibras: Unidireccional

Sisal 40 129,0 8,5 192,0 7,5 98

Banana 30 121,0 8,0 - - 52

Coco 30 45,0 4,0 56,0 4,0 44

Orientación de las fibras: Picada al azar

Sisal 25 34,5 1,9 86,4 - 30

Banana 25 43,5 2,3 92,0 - 10

Coco 25 14,0 1,4 31,2 - 11

(Chand y Fahim, 2008, p. 46)

El reforzar matrices con fibras naturales puede provocar un aumento de la rigidez

y resistencia mecánica de éstas. Sin embargo, el refuerzo de matrices con estas

fibras no siempre incrementa las propiedades del compuesto, como se observa en

la Tabla 1.11.

Tabla 1.11. Propiedades a tracción de compuestos de matriz poliéster reforzados con fibra de coco

Fracción volumétrica de fibra de coco (%)

Módulo elástico (MPa)


Deformación a la tracción (%)

0 570 ± 100 27,91 ± 1,12 5,7

10 550 ± 160 30,91 ± 4,45 5,8

20 520 ± 90 25,92 ± 4,65 4,7

30 530 ± 110 21,50 ± 2,72 3,3

40 1 060 ± 40 29,39 ± 0,77 5,3

(Santa Fe, Lopes, Costa y Monteiro, 2010, p. 116)

Similares características se han observado en proyectos de titulación llevados a

cabo en la Escuela Politécnica Nacional, en los que se han caracterizado

mecánicamente a materiales compuestos reforzados con fibras naturales. En la

Tabla 1.12 se presentan los resultados de estos análisis.

13

13

T

abla

1.1

2. P

ropi

edad

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com

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2,

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55,6

6 0,

024

2,35

51

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0,04

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10-1

,12

13,5

Cab

uya

long

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nal

Pol

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0,35

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03

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2,95

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,78

0,04

6 1,

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9,6

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acá

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Fib

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cort

a 10

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20

2,71

24

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0,20

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Fib

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m

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zar

Pol

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no

0,25

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85

34,5

8 -

3,17

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94

7,2

Fib

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0,25

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136,

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2,36

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26

17,6

Fib

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cort

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10

mm

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zar

PL

A

0,13

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98

38,0

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3,59

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24

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Fib

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pp.

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, 152

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1, p

p. 9

5, 1

00)

14

1.1.3.1. Ventajas y desventajas del uso de fibra natural como refuerzo

Una de las principales ventajas del uso de las fibras naturales como refuerzo es el

carácter biodegradable y baja densidad que provee a los compuestos. Las fibras

naturales a pesar de presentar propiedades mecánicas modestas comparadas

con las fibras sintéticas tienen un costo bajo con relación a la manufactura de

estas últimas. No obstante, el uso de fibras naturales trae consigo inconvenientes

como:

· Alta sensibilidad de las fibras a efectos ambientales como variaciones de

temperatura y humedad.

· Carácter hidrofílico de las fibras.

· Baja resistencia microbiana y susceptibilidad a la putrefacción.

· Variabilidad de sus dimensiones y propiedades mecánicas de acuerdo a la

época de cosecha, procesamiento post-cosecha y localización relativa en el

cuerpo de la planta.

En los procesos de fabricación, se ha observado que debido a la baja estabilidad

térmica de las fibras, se trabaja con temperaturas menores a los 200 ºC y en

ciclos cortos, con el fin de evitar la degradación de estas. Esto restringe el empleo

de matrices moldeables a alta temperatura (Mohanty et al., 2005, p. 44; Neto y

Pardini, 2006, p. 99).

1.1.3.2. Fibras naturales en el Ecuador

‘’Ecuador posee cerca de 25 mil especies de plantas vasculares que lo convierten

en un paraíso natural y en la nación con el mayor número de plantas por unidad

de área en América Latina’’ (Pabón, 2000, p. 43). Alrededor de 25 especies

constituyen el sustento de vida para muchos sectores populares, como los

tejedores de esteras de totora y cestos de palma de Imbabura y Esmeraldas, los

fabricantes de sombreros de paja toquilla de Manabí, los productores de papel de

cabuya, de Lita entre otros. En la Tabla 1.13, se presentan a las especies usadas.

15

Tabla 1.13. Especies de plantas de las que se extraen fibras en el Ecuador

(Pabón, 2000, pp. 43- 45)

Las fibras con mayor demanda internacional son las fibras de cabuya, algodón y

abacá, sin embargo, se considera que existe una extensa variedad de fibras,

especialmente a nivel de especies exóticas de la Costa y Amazonía que no son

explotadas y que podrían atender los requerimientos de los mercados extranjeros

(Pabón, 2000, pp. 43 - 45). Este es el caso de la fibra encontrada en las cáscaras

de coco. Es por ello que en los siguientes enunciados se estudia a este recurso.

Producción de coco en el Ecuador. ‘‘En el Ecuador se tienen dos variedades de

palma de cocotero: Altas o criolla y bajas o manila. La producción de las palmas

criollas comienza entre 5 y 7 años después de ser trasplantadas, de acuerdo con

las condiciones y los cuidados que se prodiguen a la plantación.

El número de frutos por racimo es menor en las variedades altas que en las

variedades bajas, con una cantidad de 4 a 30 cocos por racimo y una producción

anual de 80 a 100 frutos por palmera en las variedades criollas como se observa

en la Figura 1.5.

Cabuya Matapalo

Totora Caucho

Abacá Rampira

Ceibo Anona

Palmas Batea

Paja toquilla Achiote

Algodón Majagua

Lufa Higuerón

Seda Ortiga

Bambú Mimbre

Bejucos Bejuco real

Pitigua Auro

Balsa

16

Figura 1.5. Planta de cocotero (Foale, 2003, p. 115)

En las plantas bajas el promedio de vida es más corto, el comienzo de su

producción es más temprano (3 años) con un mayor número de frutos por racimo

que llega de 6 a 40 y de 150 a 200 cocos por año. Estas variedades tienen como

ventaja que en el inicio de su producción la cosecha se puede realizar desde el

suelo, lo que no sucede con las palmas de variedades altas.

La cosecha es escalonada a lo largo de todo el año y varía de acuerdo con una

serie de factores entre los cuales se pueden citar: utilización del fruto, variedad,

condiciones de clima, suelo de la zona y estado de la plantación. El período entre

la fecundación de las flores y la madurez de los cocos es de 11 a 13 meses ”

(MAG, 2002).

En el Ecuador el mayor productor de fruta de coco es Esmeraldas con un 73 % de

la producción total anual estimada en 50 886 t. En la Figura 1.6 se presenta el

aporte porcentual de cada provincia en la producción nacional de esta fruta.

17

Figura 1.6. Producción de fruta de coco en el Ecuador (MAG, 2006)

Industrialización. El principal proceso industrial en el Ecuador relacionado con

los frutos del cocotero es la obtención de copra (pulpa seca del coco) y el

embotellamiento de agua de coco. Así, desde diciembre del 2002, en Portoviejo

está en funcionamiento la primera envasadora de agua de coco del país, con una

producción mensual de 30 mil litros de agua que son extraídos de unos 40 mil

cocos (Diario Hoy, 2002).

Residuos generados. Los residuos del proceso industrial antes mencionado

tales como las fibras, cáscaras y otros residuos sólidos se queman como

combustible para producir vapor. En otros países, como México, la fibra corta y

polvillo del cocotero tiene una alta demanda y potencial para la industria de los

viveros e invernaderos. Además, en países como Brasil se utiliza como materia

prima en la elaboración de autopartes, materiales de construcción entre otros.

Lamentablemente en el Ecuador no se explota a los residuos sólidos y se

convierten en un desecho. ‘‘Los comerciantes consideran a la estopa y el huesillo

como basura, por no saber manejarla y por los costos que ocasiona su

eliminación de las zonas urbanas’’ (Conacoco, 2006).

73,4%

22,7%

2,2%

0,5%

1,1%

ESMERALDAS MANABÍ GUAYAS ORELLANA ORO OTROS

18

1.1.3.3. Fibra de coco

Son obtenidas de la cáscara fibrosa (mesocarpo) que encierra al fruto como se

observa en la Figura 1.7. Las fibras de coco están constituidas principalmente por

lignina y un bajo contenido de celulosa con relación a otras fibras. Existen dos

tipos de fibra, la fibra blanca que es obtenida de cocos que no han alcanzado la

madurez y la fibra café que se extrae de cocos maduros. La principal diferencia

entre estas, es la menor cantidad de lignina y finura y flexibilidad que posee la

fibra blanca con relación a la fibra café (Pickering, 2008, p. 24).

Figura 1.7. Partes del fruto de coco

Uno de los aspectos relevantes en estas fibras es su carácter imputrescible e

incombustible, además de presentar baja conducción de calor, baja ignición, alta

absorción de sonido, así como resistencia a la acción de bacterias y el agua. El

rendimiento de fibra obtenida varía según el tamaño de los cocos, la madurez, la

variedad, entre otros factores, pero para cálculos generales puede considerarse

un promedio de 7,5 a 8,2 kg de fibra por 100 cáscaras. En una cáscara típica hay

casi unas tres veces más de fibra corta que de fibra larga. Las fibras tipo mats

presentan un rango de longitudes de 2 a 10 cm y diámetros entre 0,1 y 1,5 mm

(FAO, 2009; Mohanty et al., 2005, p. 92; Pickering, 2008, p. 24; Quintero y

González, 2006).

19

Extracción de la fibra de coco. La cáscara se extrae del fruto de forma manual

con una punta fija o un cuchillo. La técnica de punta se utiliza en el lugar de

cultivo del coco. Como se observa en la Figura 1.8, literal a, el operador sostiene

la fruta en sentido horizontal y empuja su extremo superior o tallo firmemente

hacia abajo sobre la espiga y obtiene la primera incisión en el lado de la cáscara,

luego se gira la fruta y se empuja sobre el pico con un movimiento que arrastre las

cáscaras.

Figura 1.8. Extracción cáscaras de coco; a) Técnica de Punta; b) Primera inserción con cuchillo, levantamiento de la cáscara y separación de las mechas.

(Foale, 2003, pp. 103-104)

Por otra, parte el cuchillo es una herramienta ideal de descascarado, ya que su

extremo plano y afilado se inserta fácilmente en la cáscara. Primero se inserta el

cuchillo profundamente en la cáscara cerca del extremo superior de la fruta y

luego se empuja hacia el otro extremo, lo cual crea una incisión en rodajas como

se indica en la Figura 1.8, literal b. Posteriormente, se gira el fruto y se hacen

varias incisiones. Luego se separan los mechones del endocarpo y se tiran de

ellos, hasta sacar la cáscara en su totalidad como se observa en la Figura 1.9.

La cáscara de coco se encuentra compuesta de un gran número de fibras de

diferente longitud y espesor, embebidos en una matriz de médula o corteza. Las

fibras pueden separarse de las cáscaras por un peinado posterior a un proceso de

molienda, que ablanda las cáscaras sin romper las fibras, o tradicionalmente por

el enriado (Foale, 2003, pp. 103-104). En el enriado, las cáscaras se sumergen en

agua de seis a nueve meses, para lo cual son colocadas en redes y lanzadas en

(a) (b)

20

ríos, lagos o en fuentes en las que el agua entra y sale. Esto favorece el lavado

de las cáscaras, desintegra la médula que mantiene unida a las fibras y solubiliza

a los taninos. Al sacar del agua las cáscaras se secan bajo sombra. La exposición

de las cáscaras al sol las vuelve frágiles y disminuye la calidad de la fibra.

Habitualmente la separación de las fibras se realiza mediante golpes con mazos

de madera.

Figura 1.9. Cáscaras de coco (Foale, 2003, p. 106)

A nivel industrial se han adoptado métodos de extracción mecánicos como el uso

de descortezadoras, en las que las cáscaras son primero trituradas para romper el

exocarpo y permitir el ingreso de agua. Luego son sumergidas en agua durante

dos semanas para posteriormente ser alimentadas manualmente al

descortezador. La principal desventaja de este método es la mezcla entre las

fibras cortas y largas. En general, las fibras obtenidas por medios mecánicos son

de baja calidad con relación a las obtenidas por enriamiento, debido a la mayor

fuerza empleada en la extracción, lo cual maltrata las fibras (Franck, 2005, pp.

277-280 ).

1.1.4. FIBRAS DE VIDRIO

Entre las fibras sintéticas de mayor aplicación en refuerzos se pueden citar a la

aramida, el carbono y el vidrio. Las fibras de aramida y carbono, a pesar de

21

poseer excelentes propiedades físicas y mecánicas, se usan en aplicaciones en

las que el rendimiento justifique su costo. Por otra parte, la fibra de vidrio presenta

buenas propiedades mecánicas a menor costo (Smith, 2006, p. 651).

La fibra de vidrio, es la fibra sintética más utilizada en compuestos con matriz

polimérica, principalmente por su alta resistencia a la tracción y gran inercia

química. Sin embargo, presenta como desventajas su elevada densidad y

sensibilidad a la abrasión al agregarse a materiales compuestos. Entre las

composiciones de vidrio, empleadas en su fabricación se encuentran los vidrios:

A, E, ECR y S.

El vidrio A y ECR son usados en aplicaciones que demandan buena resistencia

química. El vidrio S, se emplea en aplicaciones que requieren mayor resistencia a

la tracción y mayor estabilidad térmica como en la industria aeroespacial y

aeronáutica. El vidrio E es la fibra de vidrio de refuerzo de uso más extendido, ya

que presenta buena estabilidad dimensional, buena resistencia a la humedad y

menor costo con relaciones a las otras composiciones (Mangonon, 1999, p. 704;

Neto y Pardini, 2006, p. 61). En la Tabla 1.14 y en la Tabla 1.15 se presentan la

composición química y propiedades mecánicas de la fibra de vidrio tipo E.

Tabla 1.14. Composición de la fibra de vidrio tipo E

Constituyentes Concentración (%)

SiO2 52-56

Al2O3 12-16

CaO 16-25

B2O 8-13

(Smith, 2006, p. 651)

Tabla 1.15. Propiedades mecánicas de la fibra de vidrio tipo E

Propiedades Magnitud

Densidad (g/cm3) 2,54

Módulo de elasticidad (GPa) 70

Resistencia a la tracción (GPa) 2,40


22

1.1.4.1. Producción de fibras de vidrio

Se producen al extraer monofilamentos de vidrio de un horno de fundición, los

cuales son torcidos para formar hilos de fibra de vidrio de hasta 9 micras de

espesor, como se observa en la Figura 1.10.

Figura 1.10. Producción de fibra de vidrio

(Lyons, 2007, p. 293)

Después del proceso de hilado, las fibras pueden ser recubiertas con agentes

ligantes para promover la adhesión química entre la matriz polimérica y la

superficie de la fibra. Estos agentes son usualmente organosilanos que presentan

una estructura tipo X3SiR, en la cual R es susceptible a enlazarse con la matriz y

X son grupos de afinidad inorgánica.

Posteriormente, el pastel de fibra de vidrio ‘’devanado’’ puede utilizarse para la

confección de madejas, tejidos o colchonetas formadas con hilos cortados como

se ilustra en la Figura 1.11 (Lyons, 2007, p. 293; Neto y Pardini, 2006, p. 61;

Smith, 2006, p. 651).

23

Figura 1.11. Tipos de fibra de vidrio; a) Hilo de fibra de vidrio; b) Mats de fibra de vidrio, c) Tela tejida con hilo de fibra de vidrio; d) Roving tejido

En la Tabla 1.16 se presentan las propiedades mecánicas de algunos compuestos

reforzados con diferentes tipos de fibra de vidrio.

Tabla 1.16. Propiedades mecánicas de compuestos de matriz poliéster reforzados con diferentes tipos de fibra de vidrio

Características

Tipo de refuerzo Mats Tejido de hilados Tejido Satín

Matriz-resina poliéster Ortoftálica Isoftálica Isoftálica

Curado 16 h – 40 °C 16 h - 40°C 28 días a T= 20 °C

Fracción volumétrica fibra 0,17 0,32 0,37

Dirección del esfuerzo - 0°/90° 0°/90°

Propiedades mecánicas

Gravedad especifica 1,46 1,70 1,70

Resistencia a tracción (MPa)

110 220 260

Módulo de elasticidad (GPa)

8 14 17

Elongación a la ruptura (%) 1,6 1,7 -

Resistencia a la flexión (MPa)

190 270 480

Módulo de flexión (GPa) 7 14 17

(Hollaway, 1994, p. 27)

(a)

(c) (d)

(b)

24

1.1.4.2. Mats de fibra de vidrio

Los mats están constituidos por filamentos individuales de 5 a 10 cm de largo

aglutinados y distribuidos al azar, como se indica en la Figura 1.12. Son utilizados

ampliamente como refuerzo de plásticos y materiales compuestos. Usualmente

los mats son hechos con aglutinantes compatibles con la resina poliéster.

Figura 1.12. Mats de fibra de vidrio (Hoa, 2009, p. 120)

El estireno contenido en la resinas disuelve el apresto y permite que el mat

adquiera las formas más complejas en la matriz. Estas caracterísiticas limitan su

aplicación con otros tipo de resinas como la epoxi. Sin embargo, se ha observado

que los mats requieren más resina para llenar intersticios y el uso de mecanismos

como rodillos para eliminar el aire atrapado. A nivel comercial, se expenden como

colchonetas en gramos por metro cuadrado. Existen variedades de mats de 225

g/m2, 250 g/m2, 300 g/m2 y 600 g/m2 con precios menores a las telas tejidas

(Gay, Hoa y Tsai, 2003, p. 53; Hoa, 2009, p. 119; Hollaway, 1994, p. 36;

Polímeros compuestos, 2010).

En general, las propiedades de los plásticos reforzados con fibra de vidrio

dependen del contenido de fibra. Así, se ha observado que mientras más alto es

el porcentaje en peso de fibra, más resistente es el material reforzado. Por lo

tanto se puede acotar que propiedades como el módulo y resistencia a la tracción

son directamente proporcionales al contenido de fibra (Mitchell, 2004, p.493).

25

1.1.5. INFLUENCIA DE LA LONGITUD DE FIBRA EN LAS PROPIEDADES

MECÁNICAS DE MATERIALES COMPUESTOS

Las fibras de refuerzo pueden ser cortas o largas. La transmisión de carga de la

matriz a la fibra depende en gran medida de esta magnitud. Si se emplean fibras

cortas se ha observado que al inducir un esfuerzo de tracción, los extremos de la

fibra soportan menos carga que el resto, lo cual genera un patrón de deformación,

como se muestra en la Figura 1.13. Es decir, que a mayor cantidad de extremos

de fibra en la matriz se tendrá una menor transmisión de cargas. Así también, un

diámetro grande de fibra, multiplica los defectos superficiales de esta, lo cual

promueve la falla del material (Askeland, 1998, p. 521; Callister, 2002, p. 540).

Figura 1.13. Patrón de deformación en una matriz que rodea a una fibra sometida a un esfuerzo de tracción

(Callister, 2002, p. 540)

1.1.6. INFLUENCIA DE LA ORIENTACIÓN DE LA FIBRA EN LAS

PROPIEDADES MECÁNICAS DE MATERIALES COMPUESTOS

Las fibras de refuerzo se pueden incorporar en la matriz con distintas

orientaciones como se observa en la Figura 1.14. La orientación de las fibras

juega un papel significativo en la eficiencia del refuerzo y por ende en las

propiedades mecánicas de los compuestos. Así, fibras largas unidireccionales

paralelas a la dirección del esfuerzo presentan mejores propiedades mecánicas

que otras disposiciones. Sin embargo, si la carga es perpendicular a la dirección

de estas fibras, se obtienen propiedades pobres lo cual disminuye la eficiencia del

refuerzo como se indica en la Tabla 1.17. Estos compuestos son llamados

anisotrópicos. No obstante, a pesar de que las fibras orientadas al azar poseen

26

una baja eficiencia del refuerzo, el material presentaría las mismas propiedades

en cualquier dirección, esto se conoce como comportamiento isotrópico. La

fabricación de compuestos con esta disposición es de mayor facilidad y menor

costo que con fibras orientadas (Callister, 2002, p. 542).

(a) (b) (c) (d) (e) Figura 1.14. Orientación de las fibras; a) Unidireccional; b) Tejido bidireccional; c) Tejido

multidireccional; d) Mat de hilos continuos e) Fibras cortas orientadas al azar (Sheikh-Agmad, 2009, p. 4)

Tabla 1.17. Eficiencia del reforzamiento de compuestos reforzados con fibras orientadas en varias direcciones y esfuerzos aplicados en varias direcciones

Orientación de la fibra Dirección del esfuerzo Eficiencia de

reforzamiento

Todas las fibras paralelas Paralela a las fibras

Perpendicular a las fibras

1

0

Fibras orientadas al azar y uniformemente distribuidas en

un plano especifico

Cualquier dirección en el plano de las fibras

3/8

Fibras orientadas al azar y uniformemente distribuidas en el espacio de tres dimensiones

Cualquier dirección 1/5

( Calister, 2002 p. 548)

1.2. MATERIALES COMPUESTOS HÍBRIDOS

Los materiales compuestos híbridos son una mezcla de materiales diferentes,

obtenidos mediante el uso de dos o más refuerzos en una sola matriz. Estos

refuerzos híbridos pueden estar constituidos de fibras: cortas, largas y/o tejidas,

con distintas orientaciones y disposiciones. En la Tabla 1.18 se observan algunas

disposiciones de los refuerzos híbridos.

27

Tabla 1.18. Algunas configuraciones de refuerzo híbrido

Híbridos entre capas

Cada capa está compuesta por un solo tipo de fibra que puede presentar una secuencia requerida, relativa orientación y distinta longitud de fibra.

Híbridos entremezclados

Dos o más fibras se mezclan en una misma capa, o se forman paquetes de distintas fibras dentro de la misma capa.

Híbridos Inter laminados

Este híbrido consiste de capas externas de uno o más tipos de fibra laminada aplicada a un núcleo hecho de otra fibra laminada, embebidos en una matriz.

(Chou, 1992, p. 231; Fernando y Al-Khodairi, 2003, pp. 189-190)

A lo largo del tiempo se ha experimentado con refuerzos híbridos sintéticos

constituidos por fibra de vidrio y fibra de carbono, pero en la actualidad, debido a

las preocupaciones medioambientales y al alto costo de las fibras sintéticas,

algunos investigadores se han interesado en el estudio de refuerzos con fibras

naturales. En materiales compuestos reforzados con fibras naturales se ha

encontrado que para ciertas aplicaciones, sus propiedades mecánicas no son lo

suficientemente altas, debido a la baja resistencia de las fibras. Sin embargo, al

adicionar fibras sintéticas como el vidrio, se han incrementado estas propiedades.

Esta combinación ha arrojado buenas relaciones entre rendimiento y costo.

Así, en las investigaciones citadas por Friedrich, se estudiaron las propiedades de

impacto de compuestos de matriz de polipropileno reforzada con fibras cortas de

vidrio y lino, y observaron que con el 5 % de fibra de vidrio y 45 % de lino, las

propiedades al impacto mejoraron significativamente. Al aumentar el contenido

de vidrio al 20 % y reducir la fracción de lino al 30 % se observó un incremento del

doble en la resistencia al impacto (Friedrich, Fakirov y Zhang, 2005, pp. 314-316;

Wool y Sun, 2005, pp. 122-123). En las Tablas 1.19 y 1.20 se presenta el efecto

de algunos refuerzos híbridos en las propiedades mecánicas de los compuestos.

28

Tabla 1.19. Propiedades mecánicas de materiales híbridos de fibras de yute/vidrio

Matriz polimérica

Yute % w Vidrio % w Resistencia Tracción

(MPa)

Módulo a la tracción (GPa)


(MPa)

Módulo a la flexión (GPa)

Epoxi 0 68,2 429 41,3 939 37,4

Epoxi 18,0 40,0 157 25,4 445 20,8

Epoxi 20,0 30,0 143 22,7 418 20,7

Epoxi 32,9 0,0 104 15,0 150 14,0

Poliéster 0,0 0,0 37 4,1 69 4,8

Poliéster 0,0 89,1 391 38,8 816 32,8

Poliéster 10,1 38,5 200 18,2 229 17,6

Poliéster 21,8 0,0 84 12,2 125 8,1

(Chand y Fahim, 2008, p. 114)

Tabla 1.20. Propiedades mecánicas de compuestos híbridos de fibras de lino/vidrio en una matriz de resina epoxi acrilada de aceite de soya (AESO)

Relación Lino/vidrio

Fracciones en Peso Módulo

de tracción (GPa)

Resistencia a la

tracción (MPa)

Resistencia a la

compresión (MPa)

Módulo a la flexión

(GPa)


(MPa)

Energía absorbida

(J) Vidrio Lino

100/0 0,35 0,00 5,2 ± 0,1 128,8 ± 1,1 89,9 ± 3,2 9,0 ± 0,2 205,5 ± 4,5 16,5 ± 0,2

80/20 0,25 0,06 3,5 ± 0,1 123,3 ±1,2 71,6 ± 2,6 6,9 ± 0,2 130,3 ± 3,0 17,7 ± 1,9

60/40 0,23 0,16 3,2 ± 0,1 109,1 ±1,1 62,3 ± 3,1 6,0 ± 0,2 115,3 ± 2,5 18,1 ± 0,3

40/60 0,16 0,24 2,9 ± 0,2 82,6 ± 1,4 33,6 ± 0,8 5,8 ± 0,5 83,3 ± 5,4 18,5 ± 0,2

0/100 0,00 0,31 1,9 ± 0,1 26,10 ± 1,7 18,5 ± 2,4 3,8 ± 0,2 61,0 ± 3,4 1,4 ± 0,2

(Wool y Sun, 2005, p. 122)

Estudios realizados en el proyecto PIC-08-493 “Desarrollo de Nuevos Materiales

para Aplicaciones Estructurales e Industriales” que se ejecutó en la Escuela

Politécnica Nacional, arrojaron resultados interesantes para el análisis del

comportamiento mecánico de compuestos a base de matriz poliéster reforzada

con fibras naturales y vidrio. En la Tabla 1.21, y en los siguientes párrafos se

presentan algunos de los resultados observados. Estos análisis se tomarán como

referencia para comparaciones con el compuesto híbrido de fibra de coco y vidrio.

29

29

Tab

la 1

.21.

Pro

pied

ades

mec

ánic

as d

e co

mpu

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s hí

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(MP

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Def

orm

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n

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ra a

fl

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n

Fib

ra a

bacá

de

10

mm

P

olié

ster

0,

20

25

75

2 77

0,38

69

,77

0,02

42

3 42

0,20

84

,02

0,04

21

1,43

Fib

ra a

bacá

de

10

mm

P

olié

ster

0,

20

50

50

2 13

1,92

54

,35

0,02

39

3 60

3,60

77

,48

0,03

45

1,31

Fib

ra a

bacá

de

10

mm

P

olié

ster

0,

20

75

25

2 10

8,76

32

,76

0,01

48

3 58

8,80

81

,69

0,03

60

1,24

Fib

ra a

bacá

de

20

mm

P

P

0,20

25

75

4

011,

00

49,3

5 -

3 41

6,60

55

,08

- 1,

13

Fib

ra a

bacá

de

20

mm

P

P

0,20

50

50

4

704,

00

54,8

3 -

3 13

8,52

45

,97

- 1,

08

Fib

ra a

bacá

de

20

mm

P

P

0,20

75

25

4

830,

40

62,6

6 -

3 12

3,98

54

,01

- 1,

02

Fib

ra a

bacá

de

20

mm

P

P

0,25

25

75

6

417,

00

50,2

8 -

4 27

2,92

56

,77

- 1,

20

Fib

ra a

bacá

de

20

mm

P

P

0,25

50

50

8

429,

00

70,5

6 -

2 50

8,32

37

,23

- 1,

13

Fib

ra a

bacá

de

20

mm

P

P

0,25

75

25

5

224,

00

77,9

8 -

5 28

8,40

52

,92

- 1,

04

30

De los compuestos híbridos presentados en la Tabla 1.21, se dió especial

atención a los compuestos de matriz poliéster reforzadas con fibras de abacá y

vidrio, por haberse realizado este estudio en conjunto con el presente proyecto de

titulación. Se usaron los mismos materiales y técnicas de fabricación y se varió

únicamente el tipo de fibra natural. Para estos compuestos en la Figura 1.15, se

presentan las curvas esfuerzo vs. deformación observadas durante los ensayos

de flexión y tracción respectivamente.

Figura 1.15. Curvas de esfuerzo vs. deformación de una matriz poliéster reforzada con fibras de abacá y vidrio; a) Ensayos de flexión; b) Ensayos de tracción

(Villacís, 2011, pp. 104, 127)

a

b

31

En la Tabla 1.22, se presentan los resultados de los ensayos de impacto

realizados al compuesto híbrido de abacá y vidrio “75FLA/25Fv” con mejores

propiedades mecánicas. Esta configuración de refuerzo evidenció gran absorción

de energía. Las probetas ensayadas presentaron fisuras y roturas pequeñas en la

matriz, lo cual demuestra la mejora en la resistencia al impacto de los materiales

(Villacís, 2011, p. 151).

Tabla 1.22. Energías de impacto de algunos materiales compuestos según la norma ASTM D 5628-07

Fibras de refuerzo Fracciones de refuerzo Fracción de

refuerzo Energía de impacto

(J)

Fibra de vidrio - 0,20 0,50

*Fibra larga abacá/vidrio 75/25 0,20 0,49

**Tejido de cabuya - 0,26 0,15

(*Villacís, 2011, p. 151;**Tamayo, 2012, p. 169)

Con esta formulación se fabricaron tableros de 70 × 70 cm2 y se caracterizaron

mecánicamente. En la Tabla 1.23 se comparan estos resultados con las

propiedades de la madera contrachapa comúnmente usada en la fabricación de

patinetas. Se observa un notable incremento de la mayoría de propiedades

mecánicas del compuesto híbrido (Villacís, 2011, pp. 95,100).

Tabla 1.23. Propiedades mecánicas de tableros de matriz poliéster reforzados de abacá y

vidrio a una fracción volumétrica del 0,20

Ensayos de flexión bajo la norma ASTM D 3500

Híbrido 75FLA/25Fv

Madera contrachapada Variación (%)

Módulo elástico (MPa) 8 071,4 8 898,9 -9,4

Resistencia (MPa) 110,3 73,4 50,3

Deformación máxima 0,027 0,012 125,0

Ensayos de tracción bajo la norma ASTM D 3034

Híbrido 75FLA/25Fv

Madera contrachapada Variación (%)

Módulo elástico (MPa) 2 139,8 1 020,8 109,6

Resistencia (MPa) 116,7 59,3 96,9

Deformación máxima 0,067 0,061 9,8

(Villacís, 2011, pp. 95,100)

32

Los resultados presentados sugirieron la posibilidad de emplear este compuesto

en aplicaciones en las que comúnmente se usan madera contrachapada. Para

fines comparativos se presentan en la Tabla 1.24, las propiedades mecánicas de

una madera contrachapa a dos espesores y dos disposiciones de fibra.

Tabla 1.24. Resultados de los ensayos de tracción norma ASTM D 3500 y flexión norma ASTM D 3043 en madera contrachapada de triplex

Material Disposición

fibra

Espesor Resistencia

flexión Módulo flexión

Resistencia tracción

Densidad

mm MPa MPa MPa g/cm3

Madera contrachapada

*FPA 12 29,0 3 802,9 26,4 0,55-0,66

**FPE 12 58,7 6 810,9

Madera contrachapada

FPA 18 52,7 6 881,4 32,3 0,55-0,66

FPE 18 34,0 5 017,6

(Información proporcionada por el Laboratorio de Analisis y Esfuerzos -E.P. N; * FPA fibra paralela;**

FPE fibra perpendicular)

1.2.1. ESTRUCTURAS MULTICAPA

La estructura de un material compuesto no solo depende de las propiedades de

sus constituyentes, sino también del diseño geométrico de los diferentes

elementos estructurales. Así, en diseños de ingeniería es muy común el uso de

materiales que se fabrican al intercalar un material entre dos capas externas

delgadas. Una clase de estos materiales son aquellos con estructura tipo

emparedado. Esta estructura, como se observa en la Figura 1.16, consta de tres

elementos: capas externas, núcleo del emparedado y la interfaz de unión entre

estos dos componentes.

Figura 1.16. Estructura tipo emparedado (Gay et al., 2003, p. 63)

Núcleo (materiales con propiedades mecánicas débiles)

Capas (materiales con propiedades mecánicas elevadas)

33

Las caras externas del material soportan la mayor cantidad de carga y esfuerzos

de flexión transversales. Son materiales de mejores propiedades que el resto y

han de ser resistentes a la acción medio ambiental. El núcleo es de baja densidad

y rigidez y ocupa la mayor parte del volumen de la estructura. Tiene como función

principal soportar las deformaciones perpendiculares a las caras y evitar que se

produzca un desplazamiento de las capas en sentido longitudinal, de manera que

el panel en su conjunto funcione como un conjunto resistente. Así, tanto el módulo

como el momento de inercia se incrementan con un ligero aumento de peso

(Callister, 2002, p. 557; Herreros, Suárez, Pinilla, Miguel, López y Ulzurrun, 2007;

Rodríguez, 2011).

1.2.2. APLICACIONES

Los materiales híbridos son usados en varios productos, debido a sus elevadas

características físico-mecánicas como la resistencia, fractura, rigidez, y baja

densidad. Estas características potencian su empleo en comparación con otros

materiales compuestos, en campos como la aviación, aeronáutica, construcción

naval, medicina y transporte. Entre algunos estudios destacados de aplicaciones

de materiales híbridos se pueden citar las investigaciones realizadas para

reemplazar el acero en tuberías y tanques. En estas, el uso de refuerzos de fibra

de vidrio y fibra de carbono han promovido la resistencia a la fluencia y corrosión.

De manera similar, se ha recomendado el uso de fibras de aramidas y fibra de

carbono, en tubos y perfiles automotrices debido a la excelente absorción de

energía (Friedrich et al., 2005, p. 316).

1.3. FABRICACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS POR

ESTRATIFICACIÓN

En la fabricación de materiales compuestos, se deben considerar los siguientes

aspectos:

34

• “Buena unión entre la matriz y las fibras.

• Adecuada fracción de volumen de fibras.

• Distribución uniforme de las fibras en la matriz.

• Cantidad limitada de huecos y defectos

• Buen control dimensional para la parte final’’ (Hoa, 2009, p. 13).

1.3.1. MECANISMOS DE ADHESIÓN ENTRE LA MATRIZ Y LAS FIBRAS

La zona de interfaz es la región en el cual se da la unión entre la matriz y el

refuerzo. Los esfuerzos que actúan sobre la matriz se transmiten a las fibras a

través de la interfaz, por lo que desempeña un rol importante en las propiedades

de los compuestos. Es de vital importancia el estudio de los siguientes

mecanismos de adhesión, ya que permiten explicar en parte la resistencia a la

unión entre estos constituyentes (Hull, 2003, p 39).

1.3.1.1. Absorción y humedad

Para la humectación efectiva de una fibra, la resina líquida debe cubrir todas las

rugosidades superficiales de esta, para eliminar el aire ocluido. La humectación

pude verse afectada si en las fibras hay presencia de gases atrapados o agua en

la superficie debido a las características hidrofílicas del refuerzo. Este mecanismo

depende de las tensiones superficiales de los componentes (Hull, 2003, p. 39).

1.3.1.2. Interdifusión

Es la formación de un enlace entre dos superficies poliméricas por difusión

molecular de una fase en otra. En materiales compuestos la difusión se promueve

cuando las fibras son pre-cubiertas con un polímero antes de ser incorporadas en

la matriz. La cantidad de difusión dependerá de la conformación molecular y la

facilidad de movimiento molecular (Kim y Mai, 1998, p.12).

35

1.3.1.3. Atracción electrostática

La diferencia de cargas electrostáticas entre los componentes en la interfaz puede

contribuir a la adhesión. El incorporar agentes de enlace como el silano en las

fibras de vidrio, puede mejorar la atracción. Aunque no es un mecanismo decisivo,

tiene gran importancia en algunos tipos de tratamiento superficial de refuerzos

(Kim y Mai, 1998, p.13).

1.3.1.4. Enlace químico

Es formado entre un grupo químico en la superficie de la fibra y un grupo

compatible en la matriz. Es la forma más eficiente de adhesión en materiales.

Ocurre cuando se aplican agentes de acoplamiento en la superficie de la carga,

los cuales sirven de puente entre el polímero y el refuerzo (Rabello, 2007, p. 180).

1.3.1.5. Adhesión mecánica

Es la formación de un enlace mediante el enclavamiento de la matriz en las

rugosidades superficiales de las fibras de refuerzo (Neto y Pardini 2006, p. 150).

Otro inconveniente que origina una pobre adhesión entre la fibra y la matriz es la

polaridad de los componentes. ‘’Las fibras son usualmente materiales fuertemente

polares y con una alta hidrofilidad en contraste con la mayoría de matrices

poliméricas que son no polares y mayoritariamente hidrofóbicas. Como resultado

hay problemas significativos de adhesión entre la fibra y la matriz, que conducen a

una débil interfaz y bajas propiedades mecánicas’’ (Pickering, 2008, p. 128).

Por ello, se han planteado métodos que mejoren la mojabilidad de la matriz en la

superficie de la fibra y promuevan la adhesión de enlaces químicos. Sin embargo,

la implementación de estos métodos incrementa el costo de fabricación por lo que

solo se cita algunos de los métodos más empleados en la Figura 1.18.

36

Modificación de superficies

Modificación física Modificación química

EsterificaciónAgentes de

acoplamientoCopolimerización

CoronaPlasma

MercerizaciónCalentamiento

Figura 1.17. Métodos de modificación de superficie

(Pickering, 2008, pp. 128-135)

Algunos investigadores analizaron el efecto del tratamiento alcalino de la fibra de

coco, en las propiedades mecánicas de compuestos de matriz poliéster

reforzados con fibra de coco y vidrio. Hallaron que al dar un tratamiento alcalino,

se logró un significativo incremento en la resistencia a la tracción, además de una

considerable disminución de la adsorción de humedad. Similar comportamiento

han observado otros investigadores al tratar con refuerzos constituidos de fibra de

bambú y fibra de vidrio en una matriz de PP así como también fibras de piña, sisal

y vidrio en una matriz poliéster (Friedrich et al., 2005, p. 316).

1.3.2. FRACCIÓN VOLUMÉTRICA Y DISTRIBUCIÓN DE LAS FIBRAS EN

EL MATERIAL COMPUESTO

En materiales compuestos, la cantidad de fibras en el compuesto se expresan en

términos de fracción volumétrica, para ello, se emplea la ecuación 1.1:

[1.1]

Donde

= Volumen de las fibras.

= Volumen del material compuesto.

37

Se ha observado que a valores mayores a la fracción volumétrica de 0,8 (80 %) la

matriz no rodea las fibras y se presentan dificultades en la manufactura. Por otro

lado, la uniformidad de dispersión de las fibras en la matriz es un parámetro

importante en la determinación de las propiedades mecánicas de los compuestos.

En la Figura 1.19, se muestra una matriz de polipropileno reforzada en la parte

superior con fibras abacá orientadas longitudinalmente y en la parte inferior con

fibras cortas distribuidas al azar. Las regiones en las que las fibras están

distribuidas uniformemente, incrementarán las propiedades del compuesto, no

así, las regiones en las que hay más cantidad de matriz que fibras o zonas ricas

en resina. La presencia de estas zonas, generan áreas débiles, las cuales bajo

carga fallan fácilmente (Askeland, 1998, p. 522; Hoa, 2009, p. 15; Severina,

Sadler y Maeva, 2011, p. 147).

Figura 1.18. Distribución de las fibras en una matriz; a) Longitudinalmente; b) Al azar (Cevallos y Tenesaca, 2012, p.139)

1.3.3. CANTIDAD LIMITADA DE POROS Y DEFECTOS

Defectos como delaminaciones, vacíos o porosidades, son producto de la

aplicación de una baja presión durante el curado de la resina, la cual no compacta

adecuadamente al refuerzo. La cantidad de vacíos aceptable es de alrededor del

1 % (Hoa, 2009, p. 16).

(a

(b)

(a)

38

1.3.4. CONTROL DIMENSIONAL DE LA PIEZA FINAL

Durante el curado, las resinas se contraen en alrededor de 5 a 8 %, de acuerdo al

tipo de resina. Esta contracción puede generar esfuerzos residuales e inducir

deformaciones que pueden hacerse significativas en piezas de gran tamaño.

Resinas con aditivos se utilizan generalmente para controlar este efecto (Hoa,

2009, p. 16).

1.3.5. PROCESAMIENTO DE MATERIALES COMPUESTOS

La procesabilidad de los materiales compuestos depende de la capacidad de

combinar y unir sus componentes para formar un material. En el mercado

comercial, cerca del 75 % de los compuestos están hechos a base de resinas

termoestables, razón por la cual los métodos de fabricación con esta matriz son

preponderantes. Entre los más importantes se tiene: moldeo manual, aspersión,

moldeo por compresión y compuesto para moldeo de placas. En los siguientes

acápites se describen estos procesos (Mazumdar, 2002, p. 115).

1.3.5.1. Estratificación manual

La estratificación manual es un proceso en el que el material de refuerzo se

posiciona manualmente en un molde abierto. Se vierte una resina de baja

viscosidad encima del refuerzo y se pasa un rodillo para mejorar la impregnación

de las fibras, como se observa en la Figura 1.20. El laminado, se construye capa

por capa de la mezcla fibra-resina hasta obtener el espesor deseado. En esta

etapa se dispone el refuerzo en ángulos deseados, orientación específica, o en

los lugares que se necesiten (Mazumdar , 2002, p. 116). En algunos casos es

necesario reducir la viscosidad de la resina poliéster para facilitar el flujo alrededor

de todas las fibras. Para ello se adiciona el monómero de estireno. Sin embargo,

su adición disminuye levemente algunas propiedades mecánicas de la matriz

como la resistencia a la tracción y flexión. Se recomienda no adicionar más del

39

Figura 1.19. Proceso de estratificación manual (Campbell, 2004, p. 401)

30 % (Anderpol, 2001). La cantidad máxima de refuerzo puede variar si se

considera la disposición de las fibras y el tipo de fibra, alcanzándose hasta el 80

% de refuerzo con fibras sintéticas (Smith, 2006, p. 658).

El uso de rodillos en la fase de laminado y de prensas durante el curado, mejoran

el contacto íntimo entre cada lámina o compactación, y eliminan el exceso de

resina y aire atrapado. En la Escuela Politécnica Nacional se han obtenido piezas

de compuestos por estratificación manual de excelente calidad sin la presencia de

vacíos, al emplear una presión de 1 000 psi (Guerrero y Pontón, 2010).

El curado de las resinas puede darse a temperatura ambiente en un tiempo

aproximado de 1h, lo cual reduce significativamente los costos de fabricación. El

tiempo de curado depende de las concentraciones del activador y catalizador

Finalmente, una vez obtenido el material se despegan las piezas del molde con

suma cautela, para evitar fallas superficiales. Cabe resaltar que las partes

obtenidas presentan un solo lado con acabado excelente, es decir la superficie de

contacto con el molde, mientras la otra superficie es un poco áspera. Así, se han

fabricado piezas grandes y pequeñas como cascos de embarcaciones, paneles

de construcción, paneles estructurales, partes de automóviles, etc.

Colocación del refuerzo Vertido e impregnación del refuerzo con la resina

Construcción del laminado capa por capa

Fase de curado

40

El proceso se puede mejorar al realizar un pre-impregnado del refuerzo antes de

colocarlo en el molde. Así también, se puede aplicar vacío para promover una

mejor consolidación, y obtener laminados con espesores más uniformes y

excelentes acabados superficiales (Campbell, 2004, p. 402).

1.3.5.2. Aspersión

Este proceso es similar al moldeo por estratificación, el cual emplea un molde

abierto, con la ventaja de conseguir piezas con formas, difíciles de obtener por el

método manual. Se usa una pistola en la que se carga las fibras y la resina

catalizada como se presenta en la Figura 1.21.

Figura 1.20. Proceso de aspersión (Campbell, 2004, p. 404)

Estas se depositan simultáneamente dentro del molde. Luego se aplican rodillos o

escurridores para sacar el aire atrapado y mejorar el remojo del refuerzo. Capas

adicionales pueden ser agregadas hasta obtener el espesor deseado. El curado

puede ser a temperatura ambiente o con aplicación de calor. El refuerzo máximo

alcanzado por este método es del 35 %. Una ventaja adicional del proceso de

aspersión es su facilidad de automatización, lo cual reduce los costos de mano de

obra y la exposición de los trabajadores a gases potencialmente peligrosos

(Campbell, 2004, p. 405; Smith, 2006, p. 667).

41

1.3.5.3. Moldeo por compresión

Es un método en el cual el material se coloca en el molde, se aplica presión y

calor para que adopte la forma del molde, como se indica en la Figura 1.22.

Figura 1.21. Moldeo por compresión (Campbell, 2004, p. 413)

Este proceso permite alcanzar un mayor volumen de producción, formas

complejas con excelentes acabados superficiales y buen control dimensional. En

general, con este método el contenido de fibra de refuerzo es bajo (20-30 %). El

moldeo por compresión de termoestables como la resina poliéster y la fibra de

vidrio se puede realizar mediante técnicas adicionales como moldeo de placas,

preformado (Campbell, 2004, p. 413).

1.3.5.4. Proceso del compuesto para moldeo de placas (CMP)

Es uno de los procesos más empleados en la fabricación de paneles frontales y

capós en la industria automotriz. Permite un excelente control de la resina y

obtener buenas propiedades mecánicas, con productos uniformes y de altos

volúmenes de producción. El proceso es altamente automatizado como se

observa en la Figura 1.23. El roving (mechas) de fibra de vidrio de hilos continuos

se corta en longitudes pequeñas y se deposita en una capa de resina que se

desplaza sobre una película de polietileno. Otra capa de pasta con carga y resina

se deposita más tarde sobre la primera para formar un emparedado continuo de

Colocación de la carga

Cierre del molde

Curado bajo calor y presión

Desmolde

42

fibra de vidrio y resina con carga. El emparedado entre dos láminas delgadas de

polietileno se compacta y se enrolla al tamaño requerido.

Figura 1.22. Proceso de moldeo por placas (Smith, 2006, p. 672)

Luego los rollos se cortan de acuerdo a alguna dimensión especifica y se colocan

en un molde caliente. Este se prensa a 1 000 psi hasta que el material fluya y

pueda moldear el producto final (Smith, 2006, p. 672).

43

2. PARTE EXPERIMENTAL

En este capítulo se describen los materiales y equipos empleados en la

obtención, caracterización y evaluación de las propiedades mecánicas de los

compuestos híbridos. Así también, se detalla la metodología experimental seguida

durante la experimentación.

2.1. MATERIALES

Para la elaboración de compuestos de matriz poliéster reforzados con fibra de

coco y vidrio se emplearon los siguientes materiales:

· Cáscaras de coco maduro residual

· Mats de fibra de vidrio

· Resina poliéster

Las fibras de coco empleadas en el proyecto se extrajeron de cáscaras de coco

maduro residual recolectadas de mercados de la ciudad de Quito. Las cáscaras

presentaron una longitud aproximada de 19 cm y ancho promedio de 5 cm. Se

seleccionaron cáscaras sin presencia de mohos, y sin contaminación de residuos

externos como basura, plásticos, entre otros. Estas, se secaron al ambiente bajo

sombra y se almacenaron en un cuarto con buena ventilación.

Los mats de fibra de vidrio utilizados fueron de la marca Du Tanpro; constituidos

de filamentos individuales de 50 mm de largo, espesor de 0,56 mm y una relación

peso/área de 0,0338 g/cm2. La matriz poliéster que se usó fue una ortoftálica de

marca Anderpol 859 con las características presentadas en la Tabla 2.1.

Para el curado de la resina se emplearon como diluyente al monómero de

estireno, como activador de la reacción al octoato de cobalto al 6 % de Co y al

peróxido de metil etil cetona (MEKP) como catalizador.

44

Tabla 2.1. Características de la resina Anderpol 859

Características Valor

Viscosidad Brookfield a 25ºC, (Cps) 1 500-2 500

% Sólidos 68 a 72

Tiempo de gel a 25ºC, (min) 7-10

Temperatura de exotermia, (ºC) 130-145

Tiempo de exotermia, (min) 15-25

(Anderpol, 2010)

2.1.1. EQUIPOS EVALUADOS EN LA EXTRACCIÓN DE FIBRA DE COCO

Para la evaluación de la extracción de fibra de coco se usaron tres equipos:

· Trituradora universal modelo WCSJ 20A, con motor eléctrico de 960 rpm y

malla media con agujeros de 2,8 cm de diámetro.

· Cepillos metálicos.

· Grata metálica a la que se adicionó un regulador de frecuencia.

2.1.2. EQUIPOS EMPLEADOS EN LA FABRICACIÓN DE LOS

COMPUESTOS HÍBRIDOS

La elaboración de las probetas y tableros de compuestos híbridos se ejecutaron

en el Laboratorio de Nuevos Materiales de la Escuela Politécnica Nacional. Se

utilizaron los siguientes equipos:

· Prensa hidráulica manual de 30 t de capacidad, para la aplicación de

presión de moldeo a las probetas.

· Balanza digital Adam, Modelo PGL 6001 con apreciación de 0,1 g, para el

pesado de las fibras y otros materiales.

· Moldes de acero para obtener probetas de flexión y tracción según las

normas ASTM D 3039 y ASTM D 7264, respectivamente.

45

· Molde de armazón desarmable de 40 cm × 40 cm para la obtención de

probetas de impacto.

· Moldes de madera para la fabricación de tableros.

· Pesos de cemento de 345 kg y de 69 cm × 69 cm para suministrar la

presión de moldeo en la elaboración de tableros.

2.1.3. EQUIPOS EMPLEADOS EN LA CARACTERIZACIÓN MECÁNICA

La caracterización mecánica de los compuestos híbridos se llevo a cabo en el

Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones de la Facultad de Ingeniería

Mecánica. Los equipos utilizados fueron los siguientes:

· Máquina universal de ensayos Tinius Olsen modelo H25KS para ensayos

de tracción y flexión de probetas, según las normas ASTM D 3039 y ASTM

D 7264, respectivamente.

· Máquina universal de ensayos Tinius Olsen modelo Súper L para ensayos

de tracción y flexión de tableros, según las normas ASTM D 3500 y ASTM

D 3034, respectivamente.

· Máquina de impacto con caída de dardo para ensayos de impacto según la

norma ASTM D 5628.

Para el análisis de la factibilidad técnica de fabricación del compuesto híbrido, se

realizaron pruebas de: facilidad en el corte, perforación, clavado, lijado y pegado

de piezas. Para ello, se emplearon herramientas usadas en la fabricación de

estructuras de madera como: caladora, cepillo de madera, y taladro. Así, se

verificó la facilidad de manejo artesanal del compuesto.

2.2. MÉTODOS DE ENSAYO

En la Figura 2.1 se presenta un esquema del procedimiento experimental seguido

en el proyecto.

46

Establecimiento de unmétodo de extracción de la

fibra de coco

Definición de parámetrosde procesamiento de loscompuestos híbridos por

estratificación

Fabricación de probetas decompuesto híbrido

Caracterización mecánica

Selección de la mejorformulación

Tracción

Flexión

Ensayos deimpacto

Elaboración de tableros

Elaboración de unprototipo

Dosificación ytiempo de curado

Presión de moldeo

Temperatura

Flexión

Tracción


Ensayospreliminares

Determinación de lasfracciones volumétricas de

refuerzo

Disposición de las fibrasen el refuerzo

Definición de unadistribución de longitudes

de fibra de coco

Figura 2.1. Esquema del procedimiento experimental

Para obtener materiales compuestos híbridos primero se estableció un método de

extracción de la fibra de coco a partir del mesocarpo del fruto. El procedimiento

más apropiado fue definido con base en los siguientes factores: facilidad de

extracción de fibra, disponibilidad de equipo, tipo y cantidad de fibra extraída,

cantidad de polvo y residuos sólidos generados. En este punto se definió una

distribución de longitudes de fibra.

Como segunda fase se definieron los parámetros de procesamiento de materiales

compuestos híbridos por estratificación, tales como: presión de moldeo, cantidad

de catalizador, activador y tiempo de curado. Se fijó una presión de moldeo que

47

aseguró obtener probetas libres de imperfecciones superficiales e internas, con

una adecuada compactación del material y con dimensiones reproducibles de

acuerdo con las normas de la Sociedad Americana para Ensayos y Materiales

(ASTM). La cantidad de catalizador y activador de la reacción de curado se definió

de acuerdo a la facilidad de mezclado de la resina con las fibras y al tiempo de

gelificación de la misma. El tiempo de curado se estableció con base en la

facilidad de desmoldeo del material.

Posteriormente, se fabricaron probetas de material compuesto híbrido bajo los

parámetros de estratificación definidos. Se analizó la influencia de la variación de

la fracción volumétrica de las fibras de coco y vidrio en las propiedades

mecánicas del compuesto. De igual manera, se estudió la incidencia de la fracción

volumétrica del refuerzo híbrido en dichas propiedades. Así, se consideraron dos

fracciones volumétricas de refuerzo híbrido. Las probetas obtenidas fueron

caracterizadas mecánicamente mediante ensayos de resistencia a la tracción y

flexión de acuerdo con las normas ASTM D 3039-00 y ASTM D 7264-07,

respectivamente. El compuesto híbrido que presentó las mejores propiedades

mecánicas fue sometido a ensayos de impacto según la norma ASTM D 5628-07.

Finalmente, se elaboraron tableros con la formulación de material compuesto

híbrido que exhibió las mejores propiedades mecánicas. Estos fueron

caracterizados a través de ensayos de tracción y flexión de acuerdo a las normas

ASTM D 3500-R03 y ASTM D 3043-00. Adicionalmente, se fabricó un prototipo

con los tableros obtenidos.

2.3. ENSAYOS PRELIMINARES

Esta sección describe las pruebas realizadas para determinar las condiciones

adecuadas de manufactura de probetas para ensayos de tracción y flexión, las

fracciones volumétricas a emplearse y la disposición de las fibras en el refuerzo.

Para ello se siguió la estrategia metodológica mostrada en la Figura 2.2.

48

Determinación de lasfracciones volumétricas de

refuerzo

Establecimiento de ladisposición de las fibras

en el refuerzo

Ensayos preliminares

Fabricación de probetasde flexión

Disposición Fv-Fc-Fv

Disposición Fc-Fv-Fc


Selección de la disposición conmejores propiedades

Elaboración de probetasde tracción norma ASTM

D 3039

Elaboración de probetasde flexión norma ASTM

D 7264

Determinación de la máximafracción volumétrica

admisible en las probetas

Figura 2.2. Estrategia metodológica seguida en los ensayos preliminares

Las fracciones volumétricas a utilizarse se definieron sobre la base de la facilidad

de elaboración de probetas de tracción y flexión. Para la conformación del

refuerzo híbrido se evaluó la facilidad de ingreso de las fibras con el aumento

progresivo de la fracción volumétrica. Así, dentro de cada fracción volumétrica se

varió las proporciones de fibra de coco/vidrio en 25 %, es decir, en relaciones

coco/vidrio de 25/75, 50/50, 75/25 y se observó su efecto en la fabricación. Previo

a la formulación de las probetas se calculó la densidad de las fibras empleadas

como se muestra en el Anexo I.

Para la selección de la fracción volumétrica, en caso de encontrarse fracciones

adecuadas distintas para cada ensayo, sea el caso de 15 % para ensayos de

flexión y 20 % para ensayos de tracción, se escogió la menor fracción con el fin

de analizar las propiedades a una sola fracción y potenciar su comparación con

resultados bibliográficos. Finalmente, a la fracción volumétrica seleccionada se le

reducirá su fracción para analizar su incidencia en las propiedades mecánicas.

Posteriormente, se estableció el orden en que se debían colocar las fibras de

vidrio y coco en el refuerzo. Para la elección, se consideró la disposición de las

fibras que potenció las propiedades mecánicas. Se fabricaron probetas de flexión

y se colocaron las fibras en dos ubicaciones: Fibra de coco - Fibra de vidrio - Fibra

49

de coco (Fc-Fv-Fc) y Fibra de vidrio - Fibra de coco - Fibra de vidrio (Fv-Fc-Fv)

como se observa en la Figura 2.3. Se mantuvieron iguales condiciones de

manufactura y fracción volumétrica de refuerzo. Luego se evaluó su desempeño

mecánico mediante ensayos de flexión.

Figura 2.3. Disposición de las fibras en el refuerzo híbrido

2.4. SELECCIÓN DEL MÉTODO DE EXTRACCIÓN DE LA FIBRA

DE COCO

La selección del método de extracción, se definió con base en la disponibilidad de

los equipos del Laboratorio de Nuevos Materiales. Se propusieron tres métodos

de extracción: extracción manual, extracción con grata y extracción con

trituradora. Para cada método se realizaron análisis cuantitativos y cualitativos.

Para los análisis cuantitativos se pesó la cantidad de cáscara inicial, cantidad de

fibra, polvo y residuos generados, y se midió la longitud de la fibra obtenida. Para

el análisis cualitativo se empleó un microscopio para observar la estructura de la

fibra. Finalmente para confiabilidad y reproducibilidad de los resultados, se

realizaron algunas pruebas experimentales para cada caso. En los siguientes

acápites se describe cada método.

50

2.4.1. MÉTODOS DE EXTRACCIÓN

2.4.1.1. Extracción manual

Es la extracción de la fibra del mesocarpo del fruto por medio de cepillos

metálicos como se indica en la Figura 2.4.

Figura 2.4. Extracción de la fibra de coco con un cepillo metálico

El método consistió en friccionar el cepillo en la superficie interna de las cáscaras

para que se desprenda la fibra. Luego se tamizó a la fibra obtenida y se pesaron

las cantidades de polvo y fibra obtenidos. Finalmente se escogió la fibra de coco

libre de cáscaras pequeñas sin desfibrar.

2.4.1.2. Extracción con grata

Se aprovechó el movimiento circular de una grata metálica para facilitar el

desfibrado de las cáscaras, como se muestra en la Figura 2.5.

Figura 2.5. Extracción de la fibra de coco con una grata metálica

51

2.4.1.3. Extracción con trituradora

Al ingresar las cáscaras de coco al equipo de trituración, las cuchillas cortan las

cáscaras, extraen el polvo y liberan las fibras. El equipo utilizado se presenta en la

Figura 2.6.

Figura 2.6. Trituradora universal

El procedimiento se dividió en las siguientes etapas:

Separación manual previa. Se redujo el ancho de las cáscaras que ingresan a la

trituradora hasta alrededor de 2 a 3 cm, para facilitar la extracción de la fibra y

operación del equipo como se indica en la Figura 2.7.

Figura 2.7. Comparación de los anchos de cáscara que ingresa a la trituradora, parte superior cáscaras de 5-6 cm, parte inferior cáscaras de 2-3cm

Tamizado. A la salida de la trituración se separó el polvo de la fibra con un tamiz

como se indica en la Figura 2.8. La fibra tamizada se reingresó a la trituradora

hasta que el desprendimiento de polvo ya no fue considerable.

52

Figura 2.8. Tamizado de las fibras a la salida de la trituradora

Clasificación y selección de la fibra. Finalmente la fibra obtenida, presentó una

gran cantidad de partículas pequeñas de polvo y sólidos de cáscara sin desfibrar,

por lo que se realizó una última selección de la fibra para asegurar que sea la

idónea para los ensayos como se observa en la Figura 2.9.

Figura 2.9. Selección de la fibra idónea a emplear en los ensayos

Una vez descritos los métodos de extracción, se seleccionó el método con base

en los siguientes factores: Facilidad de extracción, cantidad de fibra, polvo,

residuos sólidos generados y el tipo de fibra.

2.4.2. FACILIDAD DE EXTRACCIÓN DE FIBRA

Consistió en evaluar a cada método la facilidad en el manejo de los equipos,

facilidad de extracción y tiempo de extracción.

53

2.4.3. CANTIDAD DE FIBRA, POLVO Y RESIDUOS SÓLIDOS GENERADOS

Durante el proceso se pesaron las cantidades de cáscara inicial, fibra extraída,

polvo y residuos generados, para ello se utilizó la balanza digital Adams. A los

datos colectados se aplicó la ecuación 1.2 y se encontró el porcentaje en peso:

W%WFibra

WInicial100 [1.2]

Donde:

W %= Porcentaje en peso de fibra extraída

WFibra= Peso de la fibra extraída en gramos WInicial= Peso inicial de las cáscaras de coco en gramos

2.4.4. TIPO DE FIBRA

Se evaluaron el aspecto y la longitud de las fibras extraídas mediante cada uno de

los métodos. El aspecto de la fibra se valoró por microscopía óptica, se observó

abrasión o presencia de roturas transversales y empalmes a los largo de la fibra.

Para la longitud se tomaron muestras representativas de las fibras y se midieron

sus longitudes con una regla. Se definió una distribución de longitudes y se

verificó su reproducibilidad.

2.5. ESTABLECIMIENTO DE LOS PARÁMETROS DE

PROCESAMIENTO DE COMPUESTOS HÍBRIDOS POR

ESTRATIFICACIÓN

2.5.1. DOSIFICACIÓN

Las cantidades de reactivos se establecieron de acuerdo con la ficha técnica de la

resina Anderpol 859. En la Tabla 2.2 se presentan estas características.

54

Tabla 2.2. Formulación recomendada por el fabricante de la resina Anderpol 859

Materiales Fórmula en partes por peso Rangos a evaluar en partes por

peso

ANDERPOL 859 100 100

Estireno 1 a 30 10

Octoato de cobalto (6 % Co)

0,2 a 0,5 0,25 ; 0,5

Mek- peróxido (9 % Ox. Activo) 0,5 a 2,5 0,5 ; 1,0

(Anderpol, 2010)

2.5.2. PRESIÓN

Se definió una presión de moldeo con base en estudios previos realizados en la

Escuela Politécnica Nacional en la obtención de materiales compuestos de matriz

poliéster reforzados con fibras naturales y vidrio. Estos autores emplearon la

técnica de estratificación manual para la obtención de probetas y experimentaron

con presiones de moldeo de 100, 500 y 1 000 psi. Esta última exhibió probetas

libres de imperfecciones superficiales e internas, con una adecuada compactación

del material (Guerrero y Pontón, 2010; Villacís, 2011, p.64).

2.5.3. TIEMPO DE CURADO

La determinación del tiempo de curado se fijó una vez definida la dosificación y de

acuerdo con la facilidad de desmolde de las probetas, y el tiempo de culminación

de las fases de curado.

2.5.4. TEMPERATURA

El curado de la resina se realizó a temperatura ambiente de 20 ºC, para minimizar

los costos y favorecer su aplicación a la pequeña industria.

55

2.6. FORMULACIÓN DE PROBETAS DE COMPUESTOS HÍBRIDOS

REFORZADOS CON FIBRAS

La elaboración de probetas para ensayos de tracción y flexión siguió la

metodología experimental propuesta en la Figura 2.10.

Formulaciónprobetas de

compuesto híbrido

Pesado fibras de coco y vidrio

Encerado de moldes

Preparación mezcla de resina+iniciador + catalizador

Curado delcompuesto

Desmolde

Colocación de lamatriz y las fibrasen el molde porestratificación

Post curado

Selección de lafracción volumétricay configuración de

refuerzo

Fc0-Fv100Fc25-Fv75Fc50-Fv50Fc75-Fv25Fc100-Fv0

Fracciónvolumétrica de

refuerzo

Preparación de losmateriales y

equipos

Prensado

Tiempo de curado

Temperatura decurado

1 capa de Fv +2 Capa Fc +3 Capa Fv

Orientación de las fibras al azar

Selección de las probetascon las dimensiones

especificadas y sin defectossuperficiales

Figura 2.10. Diseño experimental propuesto para la formulación de materiales compuestos

híbridos

Primero se seleccionó la fracción volumétrica y configuración de refuerzo a

emplearse. Se asignó a las configuraciones la siguiente nomenclatura: Fc50-

Fv50, que significa un refuerzo con el 50 % en volumen de fibra de coco “Fc’’ y 50

% en volumen de fibra de vidrio “Fv”. Para cada fracción volumétrica y

configuración de refuerzo se realizaron el número de probetas mostrado en la

Tabla 2.3.

56

Tabla 2.3. Cantidad de probetas fabricadas en el proyecto

Configuración del refuerzo

Fracción volumétrica de refuerzo

Probetas para ensayos de tracción

Probetas para ensayos de flexión

0,15 0,20 0,15 0,20

Fc0-Fv100 7 7 7 7

Fc25-Fv75 7 7 7 7

Fc50-Fv50 7 7 7 7

Fc75-Fv25 7 7 7 7

Fc100-Fv0 7 7 7 7

Total 35 35 35 35

Luego, se preparó la resina pre acelerada, con base en la dosificación a evaluar

en la Tabla 2.2. Experimentalmente, se adicionó a la resina poliéster el

monómero de estireno, se agitó la mezcla y se dejo reposar unos 5 min. Luego se

agregó el octoato de cobalto, se agitó y se dejó reposar para que desaparezcan

las burbujas de aire generadas en la agitación. Posteriormente, se pesaron las

cantidades de fibras de coco y vidrio necesarias para cada fracción y

configuración de refuerzo. El peso de fibra de vidrio se dividió en dos partes

iguales, que constituyeron las dos capas externas de acuerdo a la configuración

tipo emparedado. Las láminas de mat de fibra de vidrio se recortaron de acuerdo

a las dimensiones de las probetas para ensayos de tracción y flexión. Una vez

preparados los materiales se elaboraron las probetas, como se ilustra en la

Figura 2.11. Se siguieron los siguientes pasos:

a) Se adicionó catalizador a la resina pre acelerada y esta se colocó de tal

manera que cubriera toda la superficie interior del molde hembra.

b) Se incorporó la primera capa de fibra de vidrio al molde hembra y se presionó

con una paleta para asegurar el mojado de la fibra.

c) Posteriormente se remojaron las fibras de coco en la resina catalizada y se

distribuyeron en el molde sobre la primera capa de fibra de vidrio.

d) Se adicionó la última capa de fibra de vidrio, y se agregó la resina catalizada

restante en la superficie de ésta.

e) Finalmente, se incorporó el molde macho sobre el molde hembra y se prensó

57

Figura 2.11. Pasos del proceso de elaboración de probetas de material compuesto híbrido

2.7. EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL

MATERIAL COMPUESTO

Para la caracterización mecánica se siguió, la estrategia metodológica mostrada

en la Figura 2.12.

Caracterizaciónmecánica compuesto

híbrido

Ensayos de tracciónASTM D 3039

Ensayos de flexiónASTM D 7264

Selección de lamejor formulación

Ensayos de impactoASTM D 5628

Elaboración detableros

Ensayos de flexiónASTM D 3034

Ensayos de tracciónASTM D 3500

Figura 2.12. Esquema de la estrategia metodológica seguida en la caracterización mecánica de los compuestos híbridos

(a) (b) (c)

(d) (e)

58

A las probetas obtenidas, se las ensayó a tracción y flexión para determinar la

formulación con la mejor combinación de propiedades mecánicas. Con esta

formulación se realizaron probetas de impacto para profundizar en el desempeño

mecánico del compuesto. Así también, se elaboraron tableros los cuales fueron

evaluados mecánicamente mediante ensayos de tracción y flexión. En los

siguientes acápites se describen las características de los ensayos mecánicos

mencionados.

2.7.1. ENSAYOS DE FLEXIÓN

Para la caracterización mecánica a la flexión se empleó la norma ASTM D 7264 la

cual permite determinar las propiedades de resistencia y rigidez de materiales

compuestos de matriz polimérica.

Se empleó el sistema de flexión a tres puntos en el que una carga central se

aplica en el centro de una viga apoyada en dos soportes, como se observa en

Figura 2.13. Se fijó en el equipo la velocidad de ensayo de 1mm/min y se

registraron los valores de fuerza y deflexión generados. Los cálculos de las

propiedades mecánicas se presentan en el Anexo II.

2.7.2. ENSAYOS DE TRACCIÓN

Para este ensayo se empleó la norma ASTM D 3039-07, la cual determina las

propiedades a tracción de materiales compuestos de matriz polimérica reforzados

con fibras continuas o discontinuas.

Se empleó una velocidad de ensayo de 2 mm/min. Los cálculos de las

propiedades mecánicas se presentan en el Anexo II. En la Figura 2.13 se

observan los ensayos de tracción y flexión realizados y en la Figura 2.14, las

dimensiones de las probetas requeridas para cada ensayo.

59

Figura 2.13. Ensayos mecánicos; a) Ensayo de tracción; b) Ensayo de flexión a tres puntos

Figura 2.14. Vista frontal y lateral de las probetas empleadas en los ensayos; a) Flexión

norma ASTM D 7264-07; b) Tracción norma ASTM D 3039-07

2.7.3. SELECCIÓN DE LA FRACCIÓN VOLUMÉTRICA Y

CONFIGURACIÓN DE REFUERZO CON MEJORES

CARACTERÍSTICAS FÍSICO-MECÁNICAS

Una vez realizados los ensayos mecánicos se escogió la fracción volumétrica y

configuración de refuerzo, que potenció las propiedades mecánicas del material y

permitió mayor ingreso de fibra natural. Para ello, se empleó el método de

criterios ponderados, el cual consideró estas características en los compuestos y

las ponderó de acuerdo al orden de importancia.

Este método es una herramienta útil para la toma de decisiones. Evalúa las

alternativas de un proceso con base en criterios que a menudo implican juicios de

(a) (b)

(a)

(b)

60

valor. El método consiste en asignar una ponderación a las variables que afectan

al criterio de estudio, por ejemplo si se considera el criterio propiedades a

tracción. Las variables que le afectan son:

Propiedades a tracción = x Módulo elástico + y Resistencia + z Deformación

Estas variables se colocan en filas y columnas, se confrontan y se ponderan de

acuerdo al orden de importancia, así se asigna:

1,0 Si la variable de las filas es superior (o mejor; > ) que el de las columnas

0,5 Si la variable de las filas es equivalente ( = ) al de las columnas

0,0 Si la variable de las filas es inferior (o peor; <) que el de las columnas

Luego, para cada variable se suman los valores asignados y se obtienen los

valores ponderados (Romeva, 2002, p 59, 60). Un ejemplo de este análisis se

presenta en el Anexo IV.

2.7.4. ENSAYOS DE IMPACTO

Para los ensayos de impacto se empleó la norma ASTM D 5628-07, la cual

permite determinar la energía de falla al impacto necesaria para romper o agrietar

especímenes de plásticos rígidos. El método consiste en encontrar la altura inicial

de falla del material. Para ello, se empleó una masa fija de dardo y se varió la

altura de caída del mismo. Se adicionó un altura deltah ‘’dh’’ si el material no se

fracturó a la altura establecida y se disminuyó un ‘‘dh’’ si el material se fracturó.

Las probetas para los ensayos de impacto se fabricaron de acuerdo con las

dimensiones establecidas por la norma y se presentan en la Figura 2.15. El

cálculo de la energía de impacto se muestra en el Anexo II.

61

Figura 2.15. Probetas para el ensayo de impacto de acuerdo a las dimensiones

especificadas en la norma ASTM D 5628

2.8. ELABORACIÓN DE TABLEROS Y EVALUACIÓN DE SUS

PROPIEDADES MECÁNICAS

Para la elaboración de tableros, se empleó un molde macho-hembra de 70 cm ×

70 cm de longitud interna. La metodología a seguir en la fabricación de tableros

fue similar a la empleada en la obtención de probetas como se describe en la

Figura 2.16.

62

Elaboración detableros de compuesto

híbrido con la mejorformulación híbrida

Pesado fibras de coco y vidrio

Encerado de moldes demadera

Preparación mezcla de resina+iniciador + catalizador

Curado delcompuesto

Desmolde

Colocación de lamatriz y las fibrasen el molde porestratificación

Post-curado

Preparación de losmateriales y

equipos

Prensado

Tiempo de curado

Temperatura decurado

1 Capa de Fv +2 Capa Fc +3 Capa Fv

Orientación de las fibras al azar

Caracterizaciónmecánica

Elaboración delprototipo

Ensayos de tracción

Ensayos de flexión

Figura 2.16. Estrategia metodológica seguida en la elaboración de tableros

En la elaboración de tableros se empleó la mejor formulación hibrida encontrada.

Luego se procedió al preparado de la resina pre acelerada, encerado de los

moldes de madera y pesado de las fibras de refuerzo. Posteriormente se realizó el

proceso de estratificación como se indica en la Figura 2.17. Se siguieron los

siguientes pasos:

63

Figura 2.17. Método de elaboración de tableros de 70 cm × 70 cm del compuesto híbrido fibra de coco/vidrio

a) Colocación de la primera capa de fibra de vidrio.

b) Adición de la fibra de coco.

c) Remojo de las fibras con la resina catalizada.

d) Colocación de la segunda capa de fibra de vidrio.

e) Remojo de las fibras con la resina catalizada.

f) Aplicación de presión en el molde.

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

64

A diferencia de la presión y tiempo de curado usados en la elaboración de

probetas, en los tableros se empleó una presión menor debido a la limitación

tecnológica para proveer una presión a ese tamaño de especímenes. Por esta

razón, la presión de moldeo se suministró mediante pesos de cemento como se

muestra en la Figura 2.17, literal f. Por otro lado, el tiempo de curado aumentó

como consecuencia del aumento de dimensiones; la dosificación se modificó para

permitir mayor facilidad de fabricación.

Una vez fabricados los tableros que se observan en la Figura 2.18, se ejecutaron

los ensayos de tracción y flexión de acuerdo con las normas ASTM D 3500 y

ASTM D 3043 respectivamente.

Figura 2.18. Tablero de compuesto híbrido fibra de coco/vidrio obtenido

2.8.1. ENSAYO DE FLEXIÓN

Los ensayos de flexión se realizaron conforme a lo descrito en la norma ASTM D

3043, mediante la prueba de flexión a tres puntos. Este método determina las

propiedades a la flexión de paneles estructurales de materiales de madera,

madera contrachapada, madera por capas, etc. En la Figura 2.19, se describen

las características de las probetas para los ensayos. Los cálculos para la

determinación de las propiedades mecánicas del material se muestran en el

Anexo II.

65

2.8.2. ENSAYO DE TRACCIÓN

Estos ensayos se realizaron de acuerdo con la norma ASTM D 3500, que

determina las propiedades a tracción de paneles estructurales. Se utilizó el

método de prueba C, en el cual se empleó una velocidad de ensayo de 0,9

mm/min y probetas con las dimensiones presentadas en la Figura 2.19. Los

cálculos realizados para determinar las propiedades mecánicas fueron los mismos

empleados en la norma ASTM D 3039 y presentados en el Anexo II.

Figura 2.19. Vista frontal y lateral de las probetas empleadas en los ensayos; a) Flexión de norma ASTM D 3034; b) Tracción norma ASTM D 3500

2.8.3. FABRICACIÓN DEL PROTOTIPO

Para la selección del prototipo, las alternativas propuestas se basaron en los

resultados encontrados en la caracterización mecánica, lo cual sugirió una posible

aplicación. Las alternativas se evaluaron en tres aspectos importantes como son:

la factibilidad técnica, la disponibilidad de instrumentos, y los costos de

fabricación. A estos aspectos se aplicó el método de criterios ponderados y se

eligió la alternativa con mayor ponderación. Se consideró que las alternativas

debían aprovechar al máximo los equipos y herramientas disponibles en el

laboratorio. Se excluyeron algunas propuestas por la limitación tecnológica en su

66

fabricación, lo cual sugirió modificaciones en el método de elaboración que se

usaba, así como la adquisición de nueva instrumentación. Una vez definido el

prototipo se determinó el esquema y dimensiones del mismo y se construyó.

Finalmente, se analizaron los costos de producción y se compararon con los

costos de un diseño hecho en madera.

67

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En esta etapa del proyecto de titulación se presentan los resultados de los

ensayos preliminares concernientes a la determinación de la longitud de fibra de

coco, fracción volumétrica de refuerzo, disposición del refuerzo híbrido,

parámetros del proceso por estratificación y caracterización mecánica efectuada a

las probetas de compuesto híbrido. Para la caracterización mecánica se

realizaron ensayos de tracción, flexión e impacto, de acuerdo con las normas

ASTM D 3039, ASTM D 7264 y ASTM D 5628, respectivamente. Posteriormente

se seleccionó el porcentaje y la configuración de refuerzo (Fibra de coco/Fibra de

vidrio), que mejores características mecánicas exhibió. Con estos parámetros se

fabricaron tableros, los cuales se sometieron a ensayos de tracción y flexión de

acuerdo con las normas para paneles estructurales ASTM D 3500 y ASTM D

3034, respectivamente. Finalmente, se compararon estos resultados con las

propiedades mecánicas de la madera contrachapada y se fabricó un prototipo.

3.1. ENSAYOS PRELIMINARES

3.1.1. DETERMINACIÓN DE LAS FRACCIONES VOLUMÉTRICAS DE

REFUERZO

En la Tabla 3.1, se presentan las fracciones volumétricas obtenidas con el

incremento de fibra de coco en la matriz. En probetas de tracción se alcanzó un

refuerzo máximo de 48 % y en probetas de flexión hasta un 37 %. A partir del

40 % y 30 % de refuerzo en tracción y flexión respectivamente, se observó

dificultad en en el ingreso de las fibras. Al mismo tiempo, se observó que el

incremento de fibra de coco disminuyó la presencia de zonas no cubiertas por la

fibra, como se observa en la Figura 3.1. De igual manera, el peso del compuesto

disminuyó con el aumento de fibra natural debido a la baja densidad de ésta. En

la experimentación se observó que las densidades de fibra de vidrio, coco y resina

poliéster estuvieron en el orden de 2,02 g/cm3, 0,77 g/cm3 y 1,20 g/cm3.

68

Tabla 3.1. Características de las probetas de tracción y flexión al incrementar la fracción

de fibra de coco en la matriz poliéster

Tipo de probeta WF.Coco (g) Fracción

volumétrica WProbeta (g)

Densidad (g/cm3)

Probetas de tracción

2,50 0,20 17,2 1,10

3,00 0,24 16,9 1,08

4,00 0,33 16,7 1,07

5,00 0,40 16,4 1,05

6,00 0,48 16,2 1,04

Probetas de flexión

0,48 0,07 11,0 1,26

0,96 0,15 10,2 1,12

1,44 0,22 9,58 1,09

1,91 0,30 9,30 1,07

2,39 0,37 9,20 1,05

(n=1)

Figura 3.1. a) Probetas de tracción a 0; 15; 20 y 33 % de fibra de coco de refuerzo;

b) Dificultad de ingreso de las fibras al incrementar el porcentaje de refuerzo

(a)

(b)

69

Por otra parte, en la conformación del refuerzo híbrido se observó que la fibra de

coco condicionó la facilidad de elaboración de las probetas. Esta dificultad puede

atribuirse a las ondulaciones presentadas a lo largo de la fibra de coco extraída, lo

cual, al colocarlas una sobre otra en el refuerzo, hizo que ésta se esponje y ocupe

un mayor volumen en los moldes. Es así que, se decidió trabajar con la relación

coco/vidrio 75/25 (con mayor concentración de fibra natural) y evaluar el efecto en

la facilidad de fabricación al incrementar la fracción volumétrica global del

refuerzo. En la Tabla 3.2, se observa que en los moldes de tracción fue posible

incorporar hasta un 25 % de refuerzo coco/vidrio y en los moldes a flexión hasta

un 20 % en volumen. A fracciones mayores a las descritas, se observó dificultad

en el ingreso de las fibras, como se muestra en la Figura 3.1, literal b.

Tabla 3.2. Efecto del incremento de la fracción de refuerzo en la facilidad de manufactura de las probetas

Probetas Fracción

volumétrica

Fracción dentro del refuerzo Fc75-Fv25 Facilidad de

manufactura Fibra de vidrio (g)

Fibra de coco (g)

Tracción

0,15 1,18 1,35 Si

0,20 1,58 1,80 Si

0,25 1,97 2,25 Si

0,30 2,37 2,71 No

Flexión

0,15 0,63 0,72 Si

0,20 0,84 0,96 Si

0,25 1,05 1,2 No

En vista de que las fracciones adecuadas para cada ensayo fueron distintas, se

escogió la menor de las fracciones es decir 0,20 con el fin de analizar las

propiedades a una sola fracción y potenciar su comparación con resultados

bibliográficos. Así también, se decidió disminuir en 5 % esta fracción de refuerzo

para analizar su incidencia en las propiedades mecánicas. Es así, que se

definieron dos fracciones volumétricas de refuerzo, 0,15 y 0,20 y se varió dentro

de cada fracción las fracciones volumétricas de coco y vidrio en relaciones

coco/vidrio de 25/75, 50/50, 75/25. El detalle del cálculo de la cantidad de fibra

70

para cada fracción de refuerzo, así como, la deducción de las densidades

empleadas en el proyecto se presenta en el Anexo I.

3.1.2. DETERMINACIÓN DE LA DISPOSICIÓN DEL REFUERZO HÍBRIDO

Para establecer la disposición adecuada de los refuerzos en la matriz, se evaluó

el desempeño mecánico del material a dos configuraciones de refuerzo: Coco -

vidrio – coco (Fc-Fv-Fc) y vidrio – coco – vidrio (Fv-Fc-Fv). Se ensayaron siete

probetas por cada disposición de refuerzo. La selección de la fracción volumétrica

de refuerzo fue arbitraria, en vista de que este análisis se enfocó en el efecto de

la disposición del refuerzo en las propiedades mecánicas a flexión del

compuesto, bajo las mismas condiciones de manufactura. Sin embargo, puede

acotarse que se esperó obtener mejores propiedades mecánicas con la fracción

de refuerzo de 0,20 que con 0,15, razón por la cual para complementar el estudio

fue adecuado ensayar a esta fracción. En la Tabla 3.3, se presentan los

resultados del ensayo descrito.

Tabla 3.3. Propiedades mecánicas a flexión del compuesto Fc50-Fv50 de acuerdo a la disposición del refuerzo

Fracción volumétrica

Configuración Propiedades mecánicas

Disposición del refuerzo

0,20 Fc50-Fv50

Fv-Fc-Fv Fc-Fv-Fc

Módulo elástico (MPa) 4 094,0 2 065,6

Resistencia (MPa) 89,23 49,15

Deformación máxima (mm/mm)

0,027 0,045

(n=5)

Al comparar la disposición Fv-Fc-Fv con respecto a la disposición Fc-Fv-Fc, el

módulo elástico y la resistencia a la flexión incrementaron en un 98 y 82 %

respectivamente, y la deformación disminuyó en un 64 %. Estos resultados

sugirieron que la configuración Fv-Fc-Fv era la más adecuada para aplicaciones

estructurales debido a sus elevadas propiedades y baja deformación, razón por la

cual se la seleccionó para continuar la investigación.

71

Estos resultados confirmaron la teoría del emparedado, la cual sostiene que las

propiedades mecánicas de un compuesto se potencian al colocar el material

ligero y con menores propiedades en el centro y en las caras externas el material

más resistente. Además, con esta configuración, al ubicar las fibras de vidrio en

los extremos se fortalece la resistencia química al ataque externo y se confiere un

excelente acabado superficial a las piezas (Callister, 2002, p. 557 ; Herreros et al,

2007 ).

Adicionalmente, previo a los ensayos mecánicos se tomaron las medidas de

largo, ancho y espesor en cinco puntos a lo largo de cada probeta. En la Tabla

3.4 se presentan los valores de ancho y espesor de cinco probetas tomadas al

azar para cada tipo de ensayo. Se calcularon las medias de cada parámetro y se

verificaron que estas medidas cumplan con los rangos de tolerancia presentados

en las normas. Para asegurar las medidas de las probetas se rectificó los moldes

de acero hasta asegurar probetas dentro de las dimensiones descritas.

Tabla 3.4. Dimensiones de las probetas elaboradas

# Probeta Probetas a tracción Probetas a flexión

Ancho Espesor Ancho Espesor

1 25,18 2,45 13,11 4,12

2 25,15 2,48 13,18 4,17

3 25,05 2,48 13,22 4,23

4 25,12 2,56 13,19 4,21

5 25,28 2,57 13,22 4,13

Promedio 25,16 2,51 13,18 4,17

Desviación 0,08 0,05 0,04 0,04

Tolerancia 25 ±0,25 2,5 ± 0,10 - -

Como se observa en la Tabla 3.4 para los ensayos de tracción las dimensiones de

las probetas se encontraron dentro del rango de tolerancia. En las probetas de

flexión, si bien no se especifican en la norma las tolerancias, se puede observar

que las dimensiones de las probetas están muy cerca del valor requerido de 13

mm para el ancho y 4 mm para el espesor.

72

3.2. SELECCIÓN DEL MÉTODO DE EXTRACCIÓN DE LA FIBRA

DE COCO

3.2.1. FACILIDAD DE EXTRACCIÓN DE FIBRA

Las fibras de coco fueron extraídas al emplear los tres equipos descritos en el

capítulo 2. En la Tabla 3.5, se indican los resultados al considerar la facilidad de

extracción en los tres métodos estudiados.

Tabla 3.5. Facilidad y rapidez de extracción de fibra de coco en los métodos de extracción evaluados

Método Manejo de equipos Facilidad de extracción

Tiempo de extracción

Manual fácil difícil 0,4 min./ g

Grata difícil no se da extracción --------

Trituradora fácil muy buena 0,075 min./ g

Como se observa en la Tabla 3.5 la mayor facilidad de extracción se obtuvo con la

trituradora, ya que liberó rápidamente las fibras de las cáscaras. Su tiempo de

extracción fue el más corto con 0,075 min/g. En la extracción manual la extracción

fue ardua y requirió un tiempo cinco veces mayor al de la extracción con

trituradora. En la extracción con grata las fibras saturaron el disco metálico, lo cual

dificultó e impidió la extracción.

3.2.2. CANTIDAD DE FIBRA, POLVO Y RESIDUOS SÓLIDOS GENERADOS

La Tabla 3.6 indica la cantidad de fibra, polvo y residuos sólidos encontrados al

ejecutar la extracción manual. Los porcentajes en peso de fibra y polvo extraídos

fueron del 41 % y 38 %, respectivamente. Dentro de este 41 % de fibra extraída,

se encontraron cáscaras sin desfibrar, pequeñas partículas sólidas de

conglomerados de polvo y fibras demasiado gruesas, que podrían convertirse en

concentradores de esfuerzo. Solo el 20 % del 41 % de la fibra extraída fue óptima

73

para el proyecto. Además, esta fibra exhibió gran cantidad de polvo adherido que

afectaría la interacción fibra-matriz. Las pérdidas en el proceso fueron de

alrededor del 20 %.

Tabla 3.6. Cantidades de fibra y polvo de coco obtenidos con la extracción manual

Nº Prueba

Cáscara de coco sin

desfibrar (g)

Fibra de coco

(g)

Polvo de coco

(g)

Fibra de coco

extraída (% w)

Polvo extraído (% w)

Pérdidas de polvo y fibra

(% w)

1 88 36,9 33,4 41,8 37,9 20,3

2 100 43,3 34,2 43,3 34,2 22,5

3 100 41,4 37,1 41,4 37,0 21,6

Para el caso de la extracción con la trituradora universal, la Tabla 3.7 muestra que

en el primer ingreso de las cáscaras, la extracción de fibra y polvo alcanzó un

44 % y 46 % respectivamente.

Tabla 3.7. Cantidades de fibra y polvo de coco extraídos con la trituradora universal

Reingresos a la trituradora

Peso inicial (g)

Peso fibra(g)

Peso polvo(g)

*Porcentaje en peso de fibra(%

w)

*Porcentaje en peso de polvo

(% w)

1 400,0 174,6 183,10 43,65 45,7

2 167,3 123,5 24,90 30,88 6,23

3 123,5 106,3 17,10 26,58 4,28 *Los porcentajes se han calculado con respecto a los 400 g de cáscara inicial.

A la salida de la trituradora se observó fibras sueltas y un alto porcentaje de

cáscaras sin desfibrar, razón por la cual, se reingreso este saliente a la misma. A

partir del segundo reingreso la extracción ya no fue considerable observándose

menor extracción de polvo y fibra. La fibra obtenida presentó cáscaras pequeñas

sin desfibrar, y conglomerados de polvo pegados a las fibras teniéndose que

realizar una selección adicional. Con este método se logró un 22 % de extracción

de fibra. Las fibras extraídas en el proceso son presentadas en la Figura 3.2.

74

Figura 3.2. Fibra de coco extraída en el proceso mediante trituradora universal

3.2.3. TIPO DE FIBRA

La Figura 3.3 indica las observaciones realizadas en microscopio a las fibras

extraídas por extracción manual y con trituradora. No se evidenciaron roturas

transversales, empalmes ni defectos superficiales que afecten a las propiedades

mecánicas de las fibras. Sin embargo, la superficie de estas presentó partículas

pequeñas de polvo, que pudieron disminuir la interacción entre la matriz y la fibra.

Figura 3.3. Fibra de coco extraída observada al microscopio con aumento 20 X; a) Extracción con trituradora; b) Extracción manual

Así también, las fibras obtenidas por los métodos de extracción propuestos

presentaron la distribución de longitudes mostradas en la Tabla 3.8 y la Tabla 3.9.

En la Tabla 3.8, con la extracción manual cerca del 60 % de las fibras alcanzaron

longitudes de 3-6 cm y alrededor del 33 % mayores a 6 cm. En la Tabla 3.9, se

observa que con la trituradora universal cerca del 82 % de las fibras presentaron

longitudes de 3 a 6 cm y alrededor del 8 % fueron mayores a 6 cm.

(b) (a)

75

Tabla 3.8. Longitudes de fibra de coco observadas en la extracción manual

Prueba 1 Prueba 2

Longitud (cm) # Fibra % # Fibra %

menor de 3 13 3,64 13 10,70

de 3 a 4 87 24,40 32 26,20

de 4 a 5 74 20,70 22 18,00

de 5 a 6 56 15,70 18 14,70

6 a 7 34 9,52 12 9,84

7 a 8 32 8,96 6 4,92

8 a 9 16 4,48 5 4,10

9 a 10 13 3,64 2 1,64

10 a 11 9 2,52 5 4,10

11 a 12 7 1,96 4 3,28

12 a 13 5 1,40 0 0,00

mayor a 13 11 3,08 3 2,46

Total de fibras 357 100 122 100

Tabla 3.9. Longitudes de fibra de coco observadas en la extracción con trituradora

Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Prueba 4

Longitud (cm) # Fibras % # Fibras % # Fibras % # Fibras %

menores de 3 14 7,45 16 10,7 10 4,76 9 9,1

de 3 a 4 87 46,30 48 32,0 58 27,62 39 39,4

4 a 5 51 27,10 49 32,7 71 33,81 35 35,4

5 a 6 21 11,20 25 16,7 33 15,71 9 9,1

mayores de 6 15 7,98 12 8,0 38 18,09 7 7,1

Total de fibras 188 100 150 100 210 100 99 100

Finalmente, una vez analizados los métodos de extracción, en la Tabla 3.10, se

condensa y compara las ventajas y desventajas obtenidas por los métodos

propuestos

76

76

Tab

la 3

.10.

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77

3.3. ESTABLECIMIENTO DE LOS PARÁMETROS DE

PROCESAMIENTO DE COMPUESTOS HÍBRIDOS POR

ESTRATIFICACIÓN

La fase de curado se estableció mediante experimentación. Para ello se

consideró como referencia la dosificación recomendada por el fabricante de la

resina Anderpol 859 y mostrada en la Tabla 2.2. Se experimentó con fracciones

de estireno de 5 % y 10 %, encontrándose que con una fracción del 10 % se

obtuvo una viscosidad adecuada para el mojado de la fibra. No se evaluó con

concentraciones mayores de estireno ya que las propiedades mecánicas de la

resina disminuyen con el incremento de monómero (Anderpol, 2010). Para el

caso del activador se consideró las concentraciones de 0,25 % y 0,5 %, en

volumen y en cada caso se adicionó el 1,5 % de catalizador. Se observó que con

la combinación de activador 0,25 % y 1,5 % la reacción de polimerización se

demoró alrededor de 1:30 min. Al aumentar la cantidad de activador a 0,5 % el

curado tomó una hora. Este tiempo se definió como el adecuado para la

fabricación de las probetas para ensayos de tracción y flexión. En la Tabla 3.11

se muestra la dosificación definida y en los siguientes párrafos las etapas

observadas en el proceso.

Tabla 3.11. Dosificación empleada en la elaboración del material híbrido

Resina poliéster Monómero

estireno Octoacto de

cobalto Peróxido de metil

etil cetona

v 10 % v/v 0,5 % v/v 1,5 % v/v

• Gelificación. Duró de 10 a 15 min. Este fue el tiempo máximo permitido para

colocar las fibras en los moldes y remojarlas con resina.

• Fase de endurecimiento. Tomó alrededor de una hora, después del cual, se

encontró facilidad en el desmolde.

• Post-curado. Se determinó un tiempo de maduración mínimo de 15 días a

temperatura ambiente para obtener una reticulación superior a 90 %, ya que el

curado total se produce a lo largo de varias semanas (Besednjak, 2005, p. 26).

78

Así también, se estableció que la temperatura de curado sea la ambiental, con el

fin de reducir los costos de fabricación y favorecer la aplicación de los resultados

en productos que puedan ser fabricados por la pequeña industria. No obstante, el

tiempo de curado se puede reducir en el caso de que el material sea sometido a

una temperatura del orden de 40°C en una estufa (Tamayo, 2012, p. 61).

Finalmente, en la Tabla 3.12 se presentan los parámetros del proceso definidos.

Tabla 3.12. Parámetros de procesamiento de compuestos híbridos fibra de coco/vidrio

Presión de moldeo 1 000 psi

Temperatura de curado *20° C

Tiempo de gelificación 10 min.

Tiempo de endurecimiento 1 h

Tiempo de post - curado 15 días

* Promedio en el Distrito Metropolitano de Quito

3.4. EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS

MATERIALES COMPUESTOS

En los siguientes acápites se describen los resultados promedio de los ensayos

de flexión y tracción realizados a los compuestos híbridos. En el Anexo III, se

presentan las propiedades individuales de cada espécimen.

3.4.1. ENSAYOS DE FLEXIÓN

Se ensayaron a flexión probetas con fracciones volumétricas globales de refuerzo

de 0,15 y 0,20. En cada refuerzo se varió el porcentaje volumétrico de fibra de

vidrio y el de fibra de coco. Se registraron los datos de fuerza y deflexión de las

probetas, a partir de los cuales se calcularon propiedades mecánicas como el

módulo elástico, resistencia y deformación máxima. En todos los casos las

probetas se fracturaron durante el ensayo. Las características de los

especímenes, fracción volumétrica global, configuración del refuerzo y

propiedades mecánicas de los compuestos se presentan en la Tabla 3.13.

79

79

Tab

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de

los

com

pues

tos

de m

atri

z po

liést

er r

efor

zado

s co

n fi

bra

de c

oco/

vidr

io

Fra

cció

n vo

lum

étri

ca

Fra

cció

n vo

lum

étri

ca

real

F

orm

ula

ción

E

± σ

C

V

Tm

ax

± σ

C

V

ε

±σ

C

V

δ

MP

a M

Pa

%

MP

a M

Pa

%

mm

/mm

-

- (g

/cm

3 )

0,15

- R

.P 8

59

2 01

2,0

109,

1 5,

4 59

,55

4,65

7,

8 0,

0412

0,

0024

6

1,21

± 0

,031

0,16

Fc

100-

Fv0

1 79

7,6

104,

1 5,

8 43

,98

3,13

7,

1 0,

0360

0,

0054

15

1,

12 ±

0,0

14

0,14

Fc

75-F

v25

2 78

3,2

162,

6 5,

8 63

,79

5,13

8,

0 0,

0299

0,

0035

12

1,

18 ±

0,0

05

0,14

Fc

50-F

v50

3 04

2,2

201,

5 6,

6 72

,42

6,67

9,

2 0,

0312

0,

0054

17

1,

22 ±

0,0

09

0,14

Fc

25-F

v75

3 30

3,1

179,

9 5,

5 77

,56

7,19

9,

3 0,

0298

0,

0047

15

1,

25 ±

0,0

12

0,15

Fc

0-F

v100

3

673,

1 11

0,9

3,0

93,8

4 2,

59

2,8

0,03

56

0,00

25

7 1,

28 ±

0,0

16

0,20

0,22

Fc

100-

Fv0

2 01

1,1

100,

4 5,

0 44

,69

4,58

10

,0

0,02

82

0,00

39

14

1,09

± 0

,021

0,21

Fc

75-F

v25

3 11

8,4

63,

0 2,

0 63

,72

3,82

6,

0 0,

0253

0,

0018

7

1,17

± 0

,007

0,21

Fc

50-F

v50

4 09

4,9

255,

2 6,

2 89

,23

10,9

0 12

,0

0,02

74

0,00

40

14

1,23

± 0

,048

0,19

Fc

25-F

v75

4 48

4,4

229,

9 5,

1 11

0,30

7,

35

6,7

0,03

05

0,00

10

3 1,

28 ±

0,0

33

0,21

Fc

0-F

v100

4

482,

7 13

1,6

2,9

111,

05

9,18

8,

3 0,

0338

0,

0044

13

1,

33 ±

0,0

15

(

n=5)

80

Como se observa en la Tabla 3.13, las propiedades mecánicas encontradas en

cada configuración evidenciaron coeficientes de variación menores al 17 %, lo

cual demuestra una menor heterogeneidad en los resultados. Así también, las

fracciones volumétricas reales de refuerzo presentaron desviaciones menores al

6 % con relación a las nominales. Las variaciones se deben a pérdidas o

adiciones fortuitas de fibra en el mezclado, en el pesado u otra etapa del proceso.

Se observó que las densidades de los materiales aumentaron con el incremento

de la fracción de fibra de vidrio y disminuyeron al aumentar la cantidad de fibra de

coco. Así, con la configuración Fc0-Fv100, los materiales presentaron las

densidades más elevadas, debido a la alta densidad de la fibra sintética (2,02

g/cm3), mientras que con la configuración Fc100-Fv0 se obtuvieron las menores,

como consecuencia de la baja densidad de la fibra natural (0,77 g/cm3).

La Figura 3.4 permite observar el efecto del incremento de la fracción volumétrica

de refuerzo de 0,15 a 0,20 en la densidad de los compuestos. Se observa que

este incremento se tradujo en un aumento de la densidad de los materiales con

mayor concentración de fibra de vidrio y disminución con la adición de fibra de

coco al refuerzo.

Figura 3.4. Efecto en la densidad de los compuestos del incremento de la fracción en el refuerzo de 0,15 a 0,20

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

Fc0-Fv100 Fc25-Fv75 Fc50-Fv50 Fc75-Fv25 Fc100-Fv0

Var

iaci

ón

de

la d

ensi

dad

co

n e

l in

crem

ento

de

la la

fra

cció

n a

0,2

(%

)


81

Para el análisis de las propiedades mecánicas se muestran en las Figura 3.5 y

3.6, las curvas de esfuerzo vs. deformación de las distintas formulaciones

propuestas para las fracciones volumétricas globales de refuerzo del 0,15 y 0,20.

Figura 3.5. Curvas esfuerzo vs. deformación a la flexión para compuestos de matriz poliéster reforzada con fibra de coco/vidrio a una fracción volumétrica de 0,15

Figura 3.6. Curvas esfuerzo vs. deformación a la flexión para compuestos de matriz poliéster reforzada con fibra de coco/vidrio a una fracción volumétrica de 0,20

En las figuras presentadas se observa el comportamiento mecánico a flexión de

las distintas formulaciones del material. La curva presenta un tramo inicial lineal

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0,01 0,02 0,03 0,04

Esf

uer

zo (

MP

a)

Deformación (mm/mm)

Fc100-Fv0

Fc75-Fv25

Fc50-Fv50

Fc25-Fv75

Fc0-Fv100

Resina Anderpol 859

0

20

40

60

80

100

120

0 0,01 0,02 0,03 0,04

Esf

uer

zo (

MP

a)


Fc100-Fv0

Fv75-Fv25

Fc50-Fv50

Fc25-Fv75

Fc0-Fv100

Resina Anderpol 859

82

hasta aproximadamente la mitad del esfuerzo, en la que el material sufriría

deformaciones reversibles, seguido de un comportamiento no lineal hasta la

fractura del mismo. Para graficar las curvas se tomaron los datos de esfuerzo y

deformación de un espécimen representativo de cada configuración.

Al comparar las curvas obtenidas con las dos fracciones volumétricas del 0,15 y

0,20, se evidencia una tendencia similar en el comportamiento mecánico del

material, lo cual demuestra reproducibilidad en el procedimiento experimental

seguido, así como, el incremento de las propiedades mecánicas al aumentar la

fracción de refuerzo a 0,20.

Por otra parte, similares características presentaron las curvas de esfuerzo vs.

deformación en investigaciones realizadas a compuestos de matriz poliéster

reforzados con fibras de abacá y vidrio. Como se observó en la Figura 1.15, las

curvas demostraron porciones iniciales lineales hasta aproximadamente la mitad

del esfuerzo, seguido de un comportamiento no lineal y fractura del material. Así

también, se notó que el incremento de las fracciones de refuerzo potenció las

propiedades mecánicas de los compuestos, al igual que la orientación de las

fibras. Según dicha investigación, una orientación longitudinal o perpendicular

(tejido) de las fibras incrementó de gran manera las propiedades del compuesto

con relación a si se usa una orientación al azar con fibras cortas. Las curvas

esfuerzo vs. deformación permitieron obtener propiedades mecánicas importantes

de los compuestos híbridos, estas se analizan en los siguientes acápites.

3.4.1.1. Módulo de flexión

Una vez analizadas las curvas de esfuerzo vs. deformación y debido a la forma de

la curva, se determinaron dos módulos de flexión: el de Young y el de trabajo. La

manera en que se calculó los módulos se describe en el Anexo II. Los módulos de

Young, revelaron que el incremento en la concentración de fibra de vidrio generó

un aumento del módulo elástico de todas las configuraciones, como se indica en

la Figura 3.7. Esto es consecuencia de las elevadas propiedades mecánicas de la

83

fibra de vidrio y de su mejor adherencia a la matriz debido a los agentes ligantes

que esta posee en comparación con la fibra de coco (Neto y Pardini, 2006, p. 61);

esto significa que las cargas se transmitieron eficientemente de la matriz a la fibra

de vidrio.

Figura 3.7. Incremento del módulo elástico a la flexión de los compuestos conforme aumenta en 25 % la concentración de fibra de vidrio en el refuerzo

Un comportamiento similar se observó en estudios, en los que se combinaron

fibras de sisal y vidrio (Borges, Mondadore, Freire, Campos y Zattera, 2009), así

como en otros compuestos en los que se han empleado diferentes matrices y

refuerzos. En la Figura 3.8 se compara al compuesto Fc50-Fv50 al 20 % de

refuerzo, con matrices de polipropileno, poliéster y epóxica reforzadas con fibras

de yute, abacá y mats de fibra de vidrio.

En estas configuraciones al igual que con el compuesto híbrido de fibra de coco y

vidrio, el incremento de fibra sintética aumentó el módulo elástico de los

compuestos. Esto señala que a pesar de que algunas fibras naturales presenten

menores propiedades mecánicas o se empleen como fibras cortas como en el

caso del coco y el abacá, la adición al refuerzo de una fibra sintética de

excelentes propiedades como el vidrio, favorece el desempeño mecánico de los

compuestos.

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

R.P. 859 0 25 50 75 100

Mó

du

lo e

last

ico

(M

Pa)

Fibra de vidrio (%V)

Fracción volumétrica de refuerzo de 0,15


Resina Anderpol 859

84

Figura 3.8. Efecto del incremento de fibra de vidrio en el módulo de Young de algunos compuestos híbridos reforzados al 20 %.

(*Cevallos y Tenesaca, 2012, p. 139; **Chand y Fahim, 2008, p. 114)

En los materiales reforzados con una fracción volumétrica de 0,15, la Figura 3.7

muestra que el menor módulo elástico se encontró en la formulación Fc100-Fv0;

con un 10,7 % menor al módulo de la resina Anderpol 859. Esto puede atribuirse

al empleo de fibras cortas en el refuerzo, ya que existen zonas no cubiertas por la

fibra, en las que las cargas se trasmiten directamente a la matriz, lo cual

disminuye las propiedades mecánicas del compuesto (Callister, 2002, p. 540).

Por otra parte, al comparar en la Figura 3.7, para una fracción volumétrica de

0,15, el módulo de elasticidad de la formulación Fc0-Fv100 con la Fc25-Fv75, el

incremento del 25 % de fibra de coco en el refuerzo, disminuyó la media del

módulo elástico en un 11 %. Así también, para la configuración Fc25-Fv75 se

observó que con un 25 % más de fibra de vidrio con respecto a la formulación

Fc50-Fv50 se incrementó la media del módulo en un 8,5 %.

Para una fracción volumétrica global de refuerzo del 0,20 la Figura 3.7, muestra

que el módulo más elevado fue el de las formulaciones: Fc0-Fv100 y Fc25-Fv75.

En la configuración Fc100-Fv0, una mayor fracción volumétrica de fibra natural

hizo más rígido al compuesto, lo cual aumentó el módulo elástico e igualó su valor

33Y/0V

20Y/30V 18Y/40V

22Y/0V

10Y/39V

75A/25V 50A/50V 25A/75V

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

0 1 2 3

Mó

du

lo d

e Y

ou

ng

a a

la f

lexi

ón

(M

Pa)

Configuraciones de refuerzo

Epoxi+yute+vidrio

Poliéster+yute+vidrio

Polipropileno+abacá+vidrio

Poliéster+coco+vidrio

**

**

85

al de la resina poliéster. Esto sugiere que el refuerzo con fibra de coco en la

fracción de 0,20, no provocó cambios en las propiedades mecánicas de la matriz

sin reforzar. No obstante, con relación a las otras configuraciones presentó el

módulo más bajo. Al comparar los compuestos híbridos Fc50-Fv50 con respecto a

la formulación Fc25-Fv75 se observó una disminución del 8,7 % en la media del

módulo.

En adición a estos resultados, en la Figura 3.9, se ilustra el efecto del incremento

de la fracción volumétrica global de refuerzo en los módulos elásticos a flexión.

Este análisis permitió determinar las formulaciones en las que el incremento de la

fracción volumétrica mejoró o disminuyó las propiedades mecánicas del material

compuesto.

Figura 3.9. Efecto del incremento de la fracción volumétrica de refuerzo de 0,15 a 0,20 en

los módulos elásticos a flexión de los materiales compuestos

En la Figura 3.9 el incremento en la fracción de refuerzo aumentó el módulo

elástico en todas las formulaciones. Sin embargo, el aumento más notable se

observó en las configuraciones Fc50-Fv50 y Fc25-Fv75 con un 35 %. Para el

caso de esta última formulación, el incremento en la fracción de refuerzo, mejoró

notablemente su desempeño mecánico, el cual alcanzó al módulo del material

reforzado sólo con fibra de vidrio.

0

5

10

15

20

25

30

35

40


Var

iaci

ón

del

mó

du

lo c

on

el

incr

emen

to d

e la

fra

cció

n a

0,2

(%

)


86

En aplicaciones estructurales es deseable que los materiales no se deformen ni

pierdan la relación lineal entre el esfuerzo y la deformación. Es por ello, que los

cálculos de diseño se basan en la zona elástica. Sin embargo, en las curvas

esfuerzo vs. deformación, se observó una inflexión seguida de una recta en la

cual podría trabajarse con el material. La pendiente a este tramo de la curva se le

llamó módulo de trabajo como se muestra en la Figura 3.10.

Figura 3.10. Tramos de la curva esfuerzo vs. deformación a la flexión de un compuesto híbrido en el que se calculó el módulo de Young y el módulo de trabajo

En esta zona con relación al módulo de Young se obtuvo una menor rigidez, ya

que la pendiente fue menor que la observada en el tramo inicial, sin embargo, en

esta franja se alcanzó una mayor resistencia del material. En la Tabla 3.14 se

presentan los módulos de trabajo encontrados en los compuestos híbridos. Los

detalles de los cálculos del módulo de Young y de trabajo se presentan en el

Anexo II.

0

20

40

60

80

100

120

140

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05

Esf

uer

zo (

MP

a)


Módulo lineal

Módulo de trabajo

87

Tabla 3.14. Módulos de trabajo a la flexión de los compuestos de matriz poliéster reforzada con fibras de coco/vidrio

Módulo de trabajo correspondiente al porcentaje de fracción volumétrica de 0,15

Formulaciones Promedio

(MPa)

Desviación estándar

(MPa)

Coeficiente de variación (%)

Rango de esfuerzo en el que se encuentra el módulo de trabajo

(MPa)

Fc100-Fv0 1 418,1 180,6 12,7 24,58-35,97

Fc75-Fv25 2 059,2 232,4 11,3 34,58-49,71

Fc50-Fv50 2 273,8 271,1 11,9 38,33-53,14

Fc25-Fv75 2 601,5 194,9 7,5 43,50-62,67

Fc0-Fv100 3 103,7 129,7 4,2 50,22-72,74

Módulo de trabajo correspondiente al porcentaje de fracción volumétrica de 0,20

Formulaciones Promedio

(MPa)

Desviación estándar

(MPa)

Coeficiente de variación (%)

Rango de esfuerzo en el que se encuentra el módulo de trabajo

(MPa)

Fc100-Fv0 1 537,3 106,9 6,95 25,02-37,40

Fc75-Fv25 2 431,9 248,9 10,20 35,39-48,57

Fc50-Fv50 3 432,0 427,8 12,50 52,85-70,44

Fc25-Fv75 3 493,3 348,3 9,97 54,01-79,40

Fc0-Fv100 3 494,7 94,1 2,69 59,41-85,89 (n=5)

3.4.1.2. Resistencia a la flexión

Los esfuerzos máximos de cada fracción volumétrica y configuración de refuerzo

evidenciaron un comportamiento similar al encontrado en el módulo elástico. La

resistencia de los compuestos se incrementó con la adición de fibra de vidrio, y

disminuyó con el aumento de fibra de coco, como se puede constatar en la Figura

3.11. El incremento en la resistencia puede atribuirse a las elevadas propiedades

mecánicas de la fibra de vidrio, lo cual tiene un efecto positivo en la resistencia a

la flexión del material. Así también, los agentes ligantes de silano que mantienen

unidos a los mats de fibras de vidrio, pudieron favorecer la adherencia química de

la fibra con la matriz (Neto y Pardini, 2006, p. 61). Similares características se han

observado en algunos compuestos reforzados con fibras naturales y vidrio al 20 %

de refuerzo como se muestra Figura 3.12.

88

Figura 3.11. Incremento de la resistencia a la flexión conforme aumenta en 25 % la fracción de fibra de vidrio en el refuerzo

Figura 3.12. Efecto del incremento de fibra de vidrio en la resistencia a la flexión de algunos compuestos híbridos reforzados al 20 %


En la Figura 3.11, para una fracción volumétrica de refuerzo del 0,15, la mayor

resistencia a la flexión alcanzó la formulación Fc0-Fv100 y la menor, la

formulación Fc100-Fv0. Esta última presentó un esfuerzo menor en un 25 % con

respecto a la resina Anderpol 859 sin refuerzo. Este resultado es similar al

0

20

40

60

80

100

120

140

R.P. 859 0 25 50 75 100

Esf

uer

zo (

MP

a)

Fibra de vidrio(%V)



Resina Anderpol 859

33Y/0V

20Y/30V 18Y/40V

22Y/0V

10Y/39V

75A/25V 50A/50V 25A/75V

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

0 1 2 3

Res

iste

nci

á a

la f

lexi

ón

(M

Pa)


Epoxi+yute+vidrio




**

**

*

89

observado en la Tabla 1.10. En esta el refuerzo de una matriz poliéster con el 25

% de fibra de coco orientada al azar disminuyó en más del 50 % su resistencia

a la flexión. Esta disminución puede explicarse si se analiza la falla del material. Al

someter al material bajo carga, se observó que la falla comenzó por las fibras y

luego se transmitió a la matriz. Esto ocurre en vista de que la fibra de coco posee

menores propiedades mecánicas que la matriz poliéster, lo cual atenúo las

propiedades mecánicas de los compuestos (Pickering, 2008, p. 41). Es así que,

en la formulación Fc75-Fv25, la presencia del 25 % de fibra de vidrio en el

refuerzo, no mejoró la resistencia con respecto a la matriz. De igual manera, para

la formulación Fc25-Fv75, el adicionar un 25 % de fibra de vidrio con relación a la

configuración Fc50-Fv50.

Al incrementar la fracción volumétrica de refuerzo a 0,20, las configuraciones Fc0-

Fv100 y Fc25-Fv75, presentaron la mayor resistencia a la flexión. Además, la

configuración Fc25-Fv75 con respecto a la formulación Fc50-Fv50, mejoró su

resistencia en 23,64 %. Adicionalmente, se presenta en la Figura 3.13 el efecto

del incremento de la fracción volumétrica de refuerzo en la resistencia de los

compuestos híbridos.

Figura 3.13. Efecto del incremento de la fracción volumétrica de 0,15 a 0,20 en la resistencia a la flexión de los compuestos

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50


Var

iaci

ón

del

esf

uer

zo c

on

el

incr

emen

to d

e la

fra

cció

n a

0,2

(%

)


90

Las resistencias se incrementaron en un 15,5 % y 18,8 % para las formulaciones

Fc0-Fv100 y Fc50-Fv50, respectivamente. El incremento en la fracción

volumétrica de refuerzo favoreció a la configuración Fc25-Fv75, su resistencia

llegó a aumentar un 29,7 %, similar al esfuerzo obtenido al emplear solo fibra de

vidrio como refuerzo. Así también, se encontró un incremento poco significativo

del 1,5 % en la configuración Fc100-Fv0 y una disminución de 0,1 % en el

esfuerzo para la configuración Fc75-Fv25, respecto a la alcanzada con una

fracción volumétrica de 0,15.

Por otra parte, en la Figura 3.14 se presentan el módulo elástico y resistencia

específicos del compuesto Fc50-Fv50 al 20 % de refuerzo, comparado con otros

compuestos híbridos formados con el 50 % de fibra natural y 50 % de fibra de

vidrio al 20 % de refuerzo.

Figura 3.14. Módulo a la flexión específico vs. resistencia a la flexión específica de algunos compuestos híbridos

(*Cevallos y Tenesaca, 2012, p. 139; **Pompeo, 2010, p. 40;***Villacís, 2011, p. 100)

Como se observa en la Figura 3.14 el refuerzo de las distintas matrices con fibras

naturales mejoró el desempeño mecánico de los compuestos. No obstante, la

adición de una fibra sintética potenció estas propiedades. Así, se observan

900

1400

1900

2400

2900

3400

3900

4400

4900

5400

5900

6400

0 50 100

Mó

du

lo a

fle

xio

n e

spec

ífic

o (

m 2 /

s 2 )

Resistencia a la flexión específica (m 2/s 2)

*Matriz pp+20 mm abacá+vidrio

***Matriz poliéster+ 10 mm abacá+vidrio

Matriz poliéster+coco+vidrio

**Matriz poliéster +curauá+vidrio

*Matriz pp+ 20 mm abacá

Matriz poliéster+coco

Matriz poliéster+ vidrio

*Matriz pp+vidrio

*Matriz pp

Matriz poliéster

91

incrementos en los módulos y resistencias específicas de las diferentes matrices

reforzadas con fibras naturales y vidrio, con relación a sus matrices sin refuerzo y

a las matrices reforzadas con fibras naturales. Así, el compuesto con una fracción

volumétrica de refuerzo y configuración Fc50-Fv50, con respecto a los demás

compuestos presentó un elevado módulo y resistencia específica, solo

ligeramente por debajo en un 13 % de la resistencia alcanzada por la matriz

poliéster reforzada con fibra de vidrio y un 54% con relación al módulo a la flexión

alcanzado por la matriz poliéster reforzada con curauá y vidrio.

Por su parte, la matriz poliéster presentó mejores propiedades mecánicas a la

flexión con relación a la matriz de polipropileno. Así, con respecto a esta última su

módulo elástico y resistencia específica incrementaron en 25 y 70 %,

respectivamente. Por esta razón, el compuesto de matriz de polipropileno + abacá

+ vidrio, fue superado por el compuesto Fc50-Fv50.

Para el caso del compuesto de matriz poliéster con fibra de coco su módulo

disminuyó en un 32 % con relación al compuesto de matriz polipropileno con

abacá. Esto puede ser consecuencia de las mejores propiedades mecánicas de la

fibra de abacá con respecto a las de coco, tal como se observa en la Tabla 1.9.

3.4.1.3. Deformación máxima

De las curvas de esfuerzo vs. deformación se tomaron las deformaciones

máximas alcanzadas por cada fracción volumétrica y configuración de refuerzo.

La resina Anderpol 859, exhibió la mayor deformación en comparación con todas

las formulaciones, como lo muestran los datos presentados en la Tabla 3.13. Esto

es lo esperado en vista de que es una matriz sin refuerzo. Al adicionar un refuerzo

a la matriz, esta, además de mantener a las fibras juntas entre sí, tiene la

importante función de transmitir la carga aplicada a las fibras.

Las fibras ejercen su efecto al impedir la deformación de la matriz como se

observa en la Figura 1.13, (Callister, 2002). Es por ello, que los compuestos

híbridos presentaron deformaciones por debajo de la matriz poliéster.

92

Para una fracción volumétrica de refuerzo de 0,15 las deformaciones más bajas

fueron las de las configuraciones Fc25-Fv75, Fc50-Fv50 y Fc75-Fv25. Esto

evidencia que el refuerzo híbrido de fibra de coco y vidrio tiene un efecto positivo

en el material, ya que su combinación disminuye la deformación, lo cual es

adecuado para un material estructural. Las configuraciones Fc0-Fv100 y Fc100-

Fv0, presentaron iguales deformaciones y menores con relación a la resina

poliéster en un 13 %.

Al emplear una fracción volumétrica global de refuerzo de 0,20, las deformaciones

más bajas fueron las de las formulaciones Fc50-Fv50, Fc75-Fv25 y Fc100-Fv0. La

formulación Fc100-Fv0, presentó una disminución de 16,6 % en su deformación

con respecto a la formulación Fc0-Fv100. Esto sucede en vista de que la matriz

reforzada con fibra de vidrio tiene mayor resistencia a la carga con relación a los

compuestos reforzados con fibra de coco, lo cual incrementa su deformación.

Esto se comprueba en la Figura 3.15 al analizar el efecto del incremento de la

fracción volumétrica de refuerzo en la deformación de los compuestos.

Figura 3.15. Efecto del incremento de la fracción volumétrica de 0,15 a 0,20 en la deformación máxima a la flexión de los compuestos

La deformación disminuyó en todas las configuraciones con el incremento del

refuerzo. Esto puede relacionarse con los resultados obtenidos en los módulos de

-25

-20

-15

-10

-5

0 Fc100-Fv0 Fc75-Fv25 Fc50-Fv50 Fc25-Fv75 Fc0-Fv100

Var

iaci

ón

de

la d

efo

rmac

ión

co

n e

l in

crem

ento

de

la f

racc

ión

a 0

,20

(%

)


93

flexión. La rigidez del material se incrementó con una fracción volumétrica de

refuerzo más alta; por lo tanto, al aumentar los módulos o pendientes de las

curvas esfuerzo vs. deformación es más difícil deformar el material. Finalmente,

en la Figura 3.16 se presentan las probetas a flexión ensayadas.

Figura 3.16. Probetas de flexión compuestos híbridos; a) Ensayadas; b) Acercamiento a la fractura; c) Vista lateral

En la Figura 3.17 se muestra un acercamiento de la fractura, observándose que la

falla del material híbrido se originó en la matriz y luego se trasladó a las fibras.

Así, a pesar de existir una rotura del material, las fibras que no se rompieron

unieron las dos mitades de la probeta fracturada.

Figura 3.17. Acercamiento a la falla de una probeta a flexión de compuesto híbrido

a

b

c

94

3.4.2. ENSAYOS DE TRACCIÓN

Para los ensayos de tracción se elaboraron probetas bajo las dimensiones

especificadas en la norma ASTM D 3039. Se variaron las fracciones volumétricas

de refuerzo en 0,15 y 0,20, y se evaluó su desempeño mecánico. En la Tabla 3.15

se presentan las características de las pobretas ensayadas y sus propiedades

mecánicas. Los valores encontrados evidenciaron coeficientes de variación

menores al 17 %, lo cual demuestra una menor heterogeneidad en los resultados.

Al analizar las densidades de los compuestos, se notó que el aumento en la

fracción volumétrica de refuerzo de 0,15 a 0,20 incrementó la densidad en los

compuestos con mayor concentración de fibra de vidrio y disminuyó en los

compuestos con mayor concentración de fibra de coco, como se observa en la

Figura 3.18. Esto es lo esperado si se considera que la densidad de la fibra de

vidrio (2,02 g/cm3) es 262 % mayor a la densidad de la fibra de coco (0,77 g/cm3).

Figura 3.18. Efecto del incremento de la fracción volumétrica de 0,15 a 0,20 en la densidad de los compuestos

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5


Var

iaci

ón

de

la d

ensi

dad

co

n e

l in

crem

ento

de

la f

racc

ión

a 0

,20

(%

)


95

T

abla

3.1

5. P

ropi

edad

es m

ecán

icas

a tr

acci

ón d

e lo

s co

mpu

esto

s de

mat

riz

polié

ster

ref

orza

da c

on f

ibra

de

coco

/vid

rio

Fra

cció

n

volu

mét

rica

Fra

cció

n

volu

mét

rica

real

For

mu

laci

ón

E

±σ

C

V

Tm

ax

±σ

C

V

ε

±σ

C

V

δ

MP

a M

Pa

%

MP

a M

Pa

%

- -

%

(g/c

m3 )

0,15

- R

.P 8

59

1 19

7,0

118,

8 9,

93

27,4

5 1,

0 3,

68

0,02

38

0,00

23

9,71

1,

17 ±

0,0

46

0,14

Fc

100-

Fv0

1 85

6,9

292,

3 15

,70

18,7

2 1,

2 6,

41

0,01

14

0,00

19

16,7

0 1,

15 ±

0,0

11

0,13

Fc

75-F

v25

3 28

5,3

180,

5 5,

50

25,9

5 3,

0 11

,50

0,00

85

0,00

24

28,2

0 1,

19 ±

0,0

18

0,13

Fc

50-F

v50

3 72

2,2

142,

5 3,

83

35,7

1 2,

7 7,

56

0,01

10

0,00

05

4,55

1,

24 ±

0,0

10

0,13

Fc

25-F

v75

4 23

2,3

579,

0 13

,70

38,2

7 3,

7 9,

72

0,00

92

0,00

09

10,7

0 1,

28 ±

0,0

07

0,13

Fc

0-F

v100

4

347,

5 68

5,7

15,8

0 60

,30

4,6

7,63

0,

0150

0,

0010

7,

23

1,33

± 0

,013

0,20

0,21

Fc

100-

Fv0

1 84

3,4

70,3

3,

82

17,1

9 1,

2 7,

10

0,00

99

0,00

08

8,59

1,

12 ±

0,0

28

0,22

Fc

75-F

v25

2 93

9,7

148,

2 5,

04

23,7

7 1,

5 6,

31

0,00

86

0,00

03

3,49

1,

16 ±

0,0

26

0,21

Fc

50-F

v50

3 96

0,0

124,

9 3,

16

38,5

6 6,

1 15

,80

0,01

05

0,00

16

15,2

0 1,

23 ±

0,0

18

0,18

Fc

25-F

v75

4 98

7,2

862,

4 17

,30

54,2

8 6,

1 11

,10

0,00

99

0,00

20

20,2

0 1,

32 ±

0,0

18

0,19

Fc

0-F

v100

5

330,

3 90

8,9

17,1

0 73

,97

4,3

5,79

0,

0150

0,

0007

4,

48

1,38

± 0

,020

(n=

5)

96

Para el análisis de las propiedades mecánicas, se construyeron las curvas de

esfuerzo vs. deformación presentadas en las Figura 3.19 y 3.20. En éstas se

observa el comportamiento mecánico del material y el efecto de las distintas

configuraciones de refuerzo. Para graficar las curvas se tomaron los datos de

esfuerzo y deformación de un espécimen representativo de cada configuración.

Figura 3.19. Curvas esfuerzo vs. deformación a la tracción para compuestos de matriz poliéster reforzada con fibras de coco/vidrio a una fracción volumétrica de 0,15

Figura 3.20. Curvas esfuerzo vs. deformación a la tracción para compuestos de matriz poliéster reforzada con fibras de coco/vidrio a una fracción volumétrica de 0,20

0

10

20

30

40

50

60

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025

Esf

uer

zo (

MP

a)


Fc100-Fv0

Fc75-Fv25

Fc50-Fv50

Fc25-Fv75

Fc0-Fv100

Resina Anderpol 859

0

10

20

30

40

50

60

70

80

0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025

Esf

uer

zo (

MP

a)


Fc100-Fv0

Fc75-Fv25

Fc50-Fv50

Fc25-Fv75

Fc0-Fv100

Resina Anderpol 859

97

Las curvas de esfuerzo vs. deformación demuestran que el comportamiento

mecánico del material fue similar en las dos fracciones volumétricas de refuerzo;

con aumentos del módulo elástico y resistencia conforme se incrementa la

fracción de fibra de vidrio y disminuciones en las propiedades al adicionar fibra de

coco. A diferencia de las curvas observadas en los ensayos de flexión, las curvas

a tracción presentaron linealidad a lo largo de toda la curva, lo cual sugirió el

cálculo de un solo módulo, el de Young.

Así también, se evidenciaron estas características en las curvas de esfuerzo vs

deformación a tracción de compuestos de matriz poliéster reforzada con fibras de

abacá y vidrio, presentadas en la Figura 1.15. Esta gráfica presentó similar

linealidad a lo largo de todas las curvas. En los siguientes acápites se analizan

propiedades mecánicas como el módulo de Young, resistencia y deformación a la

tracción de los compuestos en estudio.

3.4.2.1. Módulo elástico de tracción

Para determinar los módulos elásticos de tracción se calcularon las pendientes de

las curvas esfuerzo vs. deformación de cada fracción volumétrica y configuración

de refuerzo. Los valores de los módulos se detallan en la Tabla 3.15.

En la Figura 3.21, se observa que la adición de fibra de vidrio incrementó el

módulo elástico en todas las configuraciones. Así, las configuraciones con

Fc0-Fv100 y fracciones volumétricas de refuerzo del 0,15 y 0,20, presentaron

módulos de 263 y 345 % más elevados con respecto a la matriz poliéster,

respectivamente. De manera similar, con relación a la matriz poliéster, las

configuraciones con Fc100-Fv0, para ambos porcentajes de refuerzo,

incrementaron su módulo en 55 %.

98

Figura 3.21. Incremento del módulo elástico a la tracción de los compuestos conforme aumenta en 25 % la fracción de fibra de vidrio en el refuerzo

En la en la Figura 3.22, se compara el compuesto Fc50-Fv50 con el 20 % de

refuerzo, frente a otros compuestos híbridos en los que se han empleado fibras

naturales y vidrio en el refuerzo. Se observa que al igual que con el compuesto en

estudio, la adición de fibra de vidrio a los refuerzos incrementó los módulos a la

tracción de los compuestos reforzados con yute/vidrio y abacá/vidrio.

Figura 3.22. Efecto del incremento de fibra de vidrio en los módulos de Young a tracción de algunos compuestos híbridos reforzados al 20 %


0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

R.P 859 0 25 50 75 100

Mo

du

lo e

lást

ico

(M

Pa)

Fibra de vidrio (% volúmen)



Resina Anderpol 859

33Y/0V

20Y/30V

18Y/40V

22Y/0V

10Y/39V

75A/25V 50A/50V 25A/75V

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000

16000

18000

20000

22000

24000

26000

0 1 2 3

Mó

du

lo d

e Y

ou

ng

(M

Pa)


Epoxi+yute+vidrio




** **

*

99

Como se muestra en la Figura 3.21, al comparar al compuesto Fc50-Fv50 con

respecto al compuesto Fc25-Fv75, un 25 % adicional de fibra de vidrio en este

último, mejoró el módulo en 13,7 % para la fracción volumétrica de refuerzo de

0,15 y un 26 % para una fracción de 0,20.

Al incrementar la fracción volumétrica de refuerzo, el módulo elástico de las

configuraciones Fc50-Fv50, Fc25-Fv75 y Fc0-Fv100, aumentó en 6,4 %, 17,8 % y

22,6 %, respectivamente, como se muestra en la Figura 3.23.

Figura 3.23. Efecto del incremento de la fracción volumétrica de 0,15 a 0,20 en el módulo

elástico a la tracción de los compuestos

Un comportamiento distinto se observó en las configuraciones Fc100-Fv0 y Fc75-

Fv25, en las cuales el módulo disminuyó en un 0,7 % y 10,5 % respectivamente.

Esto sucedió debido a las bajas propiedades de la fibra de coco a la tracción, así

como la pobre adherencia entre la fibra natural y la matriz, lo cual disminuyó la

resistencia mecánica de los materiales de poliéster con la incorporación de fibra

de coco. Similares observaciones realizó Santa Fe Junior et al. (2010) en estudios

realizados acerca de las propiedades mecánicas a tracción de compuestos de

matriz poliéster reforzados con fibras de coco. En estas investigaciones el módulo

a la tracción disminuyó por debajo del módulo de la matriz poliéster conforme se

incrementó el porcentaje de fibra de coco hasta el 30 % en el refuerzo, como se

observa en la Figura 3.24 (p. 115).

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25


Var

iaci

ón

del

mó

du

lo c

on

el

incr

emen

to d

e la

fra

cció

n a

0,2

0 (%

)


100

Figura 3.24. Variación del módulo elástico conforme se incrementa la fracción de fibra de coco en una matriz poliéster

(Santa Fe, et al, 2010, p. 115)

3.4.2.2. Resistencia a la tracción

De las curvas de esfuerzo vs. deformación se tomaron los esfuerzos máximos de

cada fracción volumétrica y sus respectivas configuraciones de refuerzo. Como

muestra la Figura 3.25, el aumento en la concentración de fibra de vidrio

incrementó la resistencia en todas las configuraciones.

Figura 3.25. Incremento de la resistencia a la tracción conforme aumenta la fracción de fibra de vidrio en el refuerzo híbrido fibra de coco/vidrio

0

200

400

600

800

1000

1200

0 10 20 30 40

Mo

du

lo e

lást

ico

a la

tra

cció

n

(MP

a)


Resina políester

Resina poliéster+ coco

0

10

20

30

40

50

60

70

80

R.P 859 0 25 50 75 100

Esf

uer

zo (

MP

a)

Fibra de vidrio (% Volúmen)



101

Así, en la Figura 3.25, se observó que al emplear una configuración Fc0-Fv100 y

fracciones volumétricas de refuerzo del 0,15 y 0,20, se mejoró la resistencia del

material con respecto a la resina en 119 y 169 %, respectivamente. Por el

contrario, la formulación Fc100-Fv0, presentó resistencias menores a la matriz

poliéster en 46,6 y 59,7 %, respectivamente, para las fracciones descritas.

Esto es equivalente a los resultados encontrados en las investigaciones de Santa

Fe Junior et al. (2010). Estos resultados sugirieron posibles problemas de

adhesión entre la matriz y el refuerzo, lo cual generó una baja distribución

homogénea de los esfuerzos a las fibras, así como, las bajas propiedades

mecánicas de la fibra con relación a la matriz poliéster (pp. 113-118). En la Figura

3.26, se observa que refuerzos del 10 al 30 % de fibra de coco promueven el fallo

prematuro y reducción de la resistencia de los compuestos. Sin embargo, al 40 %

de refuerzo, la cantidad de fibra de coco actúa como una barrera efectiva a la

propagación de grietas y mejora el rendimiento a tracción de los materiales. Por lo

que se sugeriría en investigaciones futuras emplear esta fracción de refuerzo.

Figura 3.26. Variación de la resistencia a la tracción conforme se incrementa la fracción

de refuerzo de fibra de coco en una matriz poliéster (Santa Fe, et al, 2010, p. 115)

En los compuestos híbridos en estudio, en la Figura 3.25, se observa que el

incremento del 25 % de fibra de vidrio en la formulación Fc25-Fv75 con respecto a

la configuración Fc50-Fv50, aumentó su resistencia en un 7,17 % con la fracción

0

5

10

15

20

25

30

35

0 10 20 30 40 Res

iste

nci

a a

la t

racc

ión

(M

Pa)


Resina poliéster+coco

Resina poliéster

102

volumétrica de 0,15 y un 40 % con la fracción volumétrica de 0,20. Esta última

fracción aduce, que a pesar de poseer la misma configuración Fc25-Fv75 en cada

fracción de refuerzo, el incremento del 5 % en el refuerzo potenció la unión de la

matriz a las fibras de vidrio y mejoró la resistencia del material. Así, en la Figura

3.27, se pudo observar un aumento en la resistencia de las configuraciones Fc50-

Fv50, Fc25-75Fv, y Fc0-Fv100 en un 8 %, 41,83 %, y 22,67 % respectivamente.

En las configuraciones Fc75-Fv25 y Fc100-Fv0 se observó un comportamiento

contrario, con una disminución del 8 % aproximadamente.

Figura 3.27. Efecto del incremento de la fracción de refuerzo de 0,15 a 0,20 en la resistencia a la tracción de los compuestos

Finalmente en la Figura 3.28, se compara al compuesto Fc50-Fv50 al 20 % de

refuerzo, con otros compuestos híbridos a base de fibras naturales y vidrio. Se

observa que las matrices sin refuerzo presentaron las más bajas propiedades

mecánicas. Al reforzar las matrices con fibras naturales se incrementaron estas

propiedades y aun más al adicionar la fibra de vidrio.

Las matrices de poliéster y de polipropileno reforzadas con fibra de vidrio,

presentaron buenas propiedades mecánicas, sin embargo, estos compuestos

resultaron con mayor densidad que los compuestos híbridos, lo cual hace más

-20

-10

0

10

20

30

40

50

Fc100-Fv0 Fc75-Fv25 Fc50-Fv50 Fc25-Fv75 Fc0-Fv100 Var

iaci

ón

del

esf

uer

zo c

on

el i

ncr

emen

to

de

la f

racc

ión

a 0

,20

(

%)


103

atractivo el empleo de estos últimos en aplicaciones estructurales. En la Figura

3.28, se observa que el compuesto híbrido con fibra de coco/vidrio, presentó

propiedades mecánicas intermedias entre la resina poliéster sin refuerzo y la

matriz poliéster reforzada con fibra de vidrio. Por otra parte, la matriz poliéster

reforzada con sisal y vidrio exhibió la mejor resistencia a la tracción, lo cual

significó el doble de la resistencia lograda por la matriz poliéster reforzada con

fibra de vidrio. Esto es consecuencia de las excelentes propiedades de la fibra de

sisal a la tracción, como se observó en la Tabla 1.9.

Figura 3.28. Módulo a la tracción específico vs. resistencia a la tracción específica para algunos compuestos híbridos

(*Cevallos y Tenesaca, 2012, p. 139; **Pompeo, 2010, p. 40;***Villacís, 2011, p. 95,155)

Al comparar las matrices, se observa que la matriz de polipropileno demostró

mejores propiedades mecánicas a la tracción que la resina poliéster, con un

módulo elástico y resistencia superior en 33 y 28% respectivamente. Este

comportamiento fue contrario al observado en los ensayos de flexión. En este

caso el desempeño mecánico del material, de acuerdo al tipo de ensayo, sugiere

la aplicación futura del mismo. Para el caso del compuesto Fc50-Fv50, se podría

emplear en aplicaciones en las que se requiera soportar esfuerzos de flexión.

900

1400

1900

2400

2900

3400

3900

4400

4900

0 50 100 150

Mó

du

lo a

la t

racc

ión

esp

ecíf

ico

(

m2

/s2 )

Resistencia a la tracción específica (m2/s2)

*Matriz pp+20 mm abacá+vidrio

***Matriz poliéster+ 10 mm abacá+vidrio

**Matriz poliéster +curauá+vidrio

*Matriz poliéster +sisal+vidrio

Matriz poliéster+coco+vidrio

*Matriz pp+ 20 mm abacá

Matriz poliéster+coco

Matriz poliéster+vidrio

*Matriz pp+vidrio

*Matriz pp

Matriz poliéster

104

3.4.2.3. Deformación a la rotura

De las curvas de esfuerzo vs. deformación se tomaron las deformaciones

máximas alcanzadas por cada una de las fracciones volumétricas y sus

configuraciones de refuerzo. La Tabla 3.15 presenta los valores promedios

encontrados de deformación con cada formulación. Se observa que la mayor

deformación alcanzada en las dos fracciones volumétricas de refuerzo fue con la

resina poliéster. Por otra parte, los compuestos híbridos presentaron

deformaciones menores a las configuraciones Fc100-Fv0 y Fc0-Fv100. Cabe

señalar que para una aplicación estructural este efecto es positivo, ya que se

requiere menor deformación del material. La menor deformación de los

compuestos híbridos se encontró en la formulación Fc75-Fv25 para las dos

fracciones volumétricas de refuerzo.

Al analizar el efecto del incremento de la fracción volumétrica de refuerzo en la

deformación del compuesto, en la Figura 3.29, se observa que la formulación

Fc100-Fv0 disminuyó en un 13 % su deformación, a diferencia de las demás

configuraciones que aumentaron. Esto es consecuencia de la baja resistencia

máxima soportada por el material, lo cual hizo que este falle prematuramente e

impidió una mayor deformación.

Figura 3.29. Efecto del incremento en la fracción volumétrica de refuerzo de 0,15 a 0,20

en la deformación máxima de los compuestos

-15

-10

-5

0

5

10


Var

iaci

ón

de

la d

efo

rmac

ión

co

n e

l in

crem

ento

de

la f

racc

ión

a

0,20

(

%)


105

Finalmente, en la Figura 3.30 se presentan, las probetas ensayadas a tracción.

Figura 3.30. Probetas de tracción del compuesto híbrido fibra de coco/vidrio; a) Ensayadas; b) Acercamiento a la zona de fractura

Al analizar las fracturas de las probetas para las distintas configuraciones se

observó que el material sin refuerzo, se fragmentó completamente. Sin embargo,

para los materiales reforzados con fibras de coco y vidrio, se notó que la falla

comenzó por la matriz y se transmitió a las fibras. Así, las fibras que no fallaron

mantuvieron unido al material e impidieron una fractura en pedazos del mismo.

Este fenómeno se acentuó conforme se incrementó la cantidad de fibra de coco al

refuerzo.

a

b

106

3.4.3. ANÁLISIS DE DIFERENCIAS SIGNIFICATIVAS ENTRE LAS

CONFIGURACIONES

En el siguiente apartado se detallan las diferencias significativas observadas al

comparar las propiedades mecánicas a flexión y tracción de las configuraciones

evaluadas. Para ello, se utilizó el programa estadístico Statgraphics 5.1, y la

opción gráfica de medias, la cual empleó, el método de intervalos LSD de Fisher.

Se consideró en las muestras una distribución normal y un nivel de significancia

de 5 %. En la Tabla 3.16, se identifican con la letra “x” del mismo color y paralelas

entre sí a lo largo de cada columna, a los grupos que no presentaron diferencias

significativas. En cada propiedad mecánica analizada se encontraron alrededor de

5 grupos de formulaciones que no presentaron diferencias significativas.

Tabla 3.16. Formulaciones en las que no se observó diferencias significativas

Id. Fracción

Volumétrica Formulaciones

Grupos Homogéneos de acuerdo a cada propiedad

Módulo Flexión

Esfuerzo Flexión

Módulo Tracción

Esfuerzo Tracción

M1

0,15

R.P 859 x x x

M2 Fc100 –Fv0 x x x x

M3 Fc75 -Fv25 x x x x

M4 Fc50 - Fv50 x x x x

M5 Fc25 - Fv75 x x x xx

M6 Fc0 - Fv100 x x xx x

M7

0,2

Fc100 -Fv0 x x x x

M8 Fc75 -Fv25 xx x x x

M9 Fc50 - Fv50 x x x x

M10 Fc25 - Fv75 x

x x x

M11 Fc0 - Fv100 x x x

x

Las diferencias significativas entre las disposiciones se hicieron notables con el

incremento de la fracción volumétrica de refuerzo. Sin embargo, existieron

algunas configuraciones tanto al 15 % como al 20 % de refuerzo en las que no se

presentaron diferencias significativas. En las siguientes figuras se evidencia una

107

diferencia significativa si entre las formulaciones, los intervalos de incertidumbre

(líneas verticales) no se traslapan. En la Figura 3.31, para los ensayos de flexión

se observó, que el compuesto con Fc50-Fv50 al 20 % de refuerzo (M9), presentó

propiedades equivalentes o superiores a las observadas al 15 % de refuerzo en

las configuraciones Fc25-Fv75 (M5) y Fc0-Fv100 (M6).

Figura 3.31. Diferencias significativas presentes; a) Módulo a la flexión; b) Esfuerzo a la flexión

Por otra parte en los ensayos a tracción, al aumentar el porcentaje de refuerzo al

20 %, el módulo de tracción se diferenció levemente con relación al 15 % de

M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11

Formulaciones

Mó

du

lo F

lexi

ón

MP

a

1600

2100

2600

3100

3600

4100

4600

M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11

Formulaciones

Esf

ue

rzo

Fle

xió

n M

Pa

39

59

79

99

119

(a)

(b)

108

refuerzo. No así, en la resistencia a la tracción, ya que los compuestos

demostraron una notable mejoría en sus propiedades, lo cual aumentó las

diferencias significativas como se muestra en la Figura 3.32.

Figura 3.32. Diferencias significativas presentes; a) Módulo a la tracción; b) Esfuerzo a la

tracción

Así también, se observó en la Figura 3.32, que en las configuraciones Fc25-Fv75

(M10) y Fc0-Fv100 (M11) al 20 % de refuerzo, prácticamente no existieron

diferencias significativas en sus propiedades, salvo en la resistencia a la tracción,

en la que la configuración Fc0-Fv100 superó a la configuración Fc25-Fv75.

(a) (b)

M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11

Formulaciones

Mó

du

lo T

racció

n

MP

a

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11

Formulaciones

Esf

uerz

o T

racc

ión

MP

a

0

20

40

60

80

(b)

(a)

109

3.4.4. SELECCIÓN DE LA FRACCIÓN VOLUMÉTRICA Y

CONFIGURACIÓN DE REFUERZO CON MEJORES

CARACTERISTICAS FÍSICO - MECÁNICAS

Para la selección de la fracción y configuración de refuerzo con mejores

características físicas y mecánicas se consideraron dos aspectos: la cantidad de

fibra natural presente en el refuerzo y el desempeño mecánico. Con base en los

resultados anteriormente analizados, cabe señalar que propiedades mecánicas

como la rigidez y la resistencia aumentaron considerablemente al adicionar un

refuerzo con una fracción volumétrica de 0,20. Al mismo tiempo, el aumento de la

fracción de fibra de coco se tradujo en una reducción de la densidad de los

materiales compuestos. Por lo cual, se escogió a esta fracción volumétrica.

Posteriormente, para elegir la mejor configuración de refuerzo se evaluó las

propiedades mecánicas alcanzadas por las configuraciones. Para ello se utilizó el

método de criterios ponderados. En la Tabla 3.17, se muestra la ponderación

obtenida por cada configuración de refuerzo. Se observa que los híbridos con las

configuraciones Fc50-Fv50 y Fc25-Fv75 alcanzaron los mejores resultados.

Tabla 3.17. Ponderación obtenida por las configuraciones híbridas al 20 % de refuerzo al considerar las propiedades mecánicas

Configuración

Ponderación de las variables

Módulo elástico tracción

Resistencia tracción

Deformación tracción

Módulo flexión

Resistencia flexión

Deformación flexión

Suma

R.P 859 0,010 0,028 0,004 0,015 0,020 0,004 0,081

Fc100-Fv0 0,020 0,009 0,020 0,015 0,010 0,016 0,089

Fc75-Fv25 0,030 0,028 0,024 0,029 0,030 0,024 0,165

Fc50-Fv50 0,040 0,038 0,016 0,039 0,040 0,020 0,192

Fc25-Fv75 0,050 0,047 0,012 0,053 0,055 0,012 0,229

Fc0-Fv100 0,060 0,057 0,008 0,058 0,055 0,008 0,245

Así también, se observó al graficar todas las propiedades mecánicas encontradas

en las configuraciones al 20 % de refuerzo. En la Figura 3.33, se observa una

110

disminución gradual en las propiedades a la flexión y tracción conforme se redujo

la concentración de fibra de vidrio. La configuración Fc0-Fv100, junto con la

configuración Fc25-Fv75 presentaron excelentes propiedades, sin embargo, en

comparación con las demás configuraciones exhibieron mayores deformaciones.

Por su parte, la configuración Fc50-Fv50 presentó propiedades mecánicas

intermedias.

Al comparar las propiedades mecánicas obtenidas en los dos ensayos, cabe

resaltar que las configuraciones Fc25-Fv75 y Fc50-Fv50 presentaron mejores

propiedades a la flexión que a la tracción, como se observa en la Figura 3.33.

Esto sugiere la utilización del compuesto híbrido en aplicaciones en las que se

requieran elevadas propiedades a la flexión, como es el caso de los paneles

estructurales.

Figura 3.33. Gráfico multieje de las propiedades mecánicas exhibidas en las configuraciones de refuerzo para una fracción volumétrica de 0,20

0 15 30 45 60 75 90

105

Módulo Flexión (MPa/100)

Esfuerzo Flexión (MPa)

Deformación flexión

(× 1000)

Módulo Tracción (MPa/100)

Esfuerzo Tracción (MPa)

Deformación Tracción (× 1000)

Fc100-Fv0

Fc75-Fv25

Fc50-Fv50

Fc25-Fv75

Fc0-Fv100

111

De igual manera, al relacionar las propiedades mecánicas con la densidad se

obtuvieron resultados similares como se observa en las Figuras 3.34 y 3.35.

Figura 3.34. Resistencia específica a la tracción vs. módulo específico a la tracción de las distintas configuraciones de refuerzo híbrido coco/vidrio

Figura 3.35. Resistencia específica a la flexión vs. módulo específico a la flexión de las distintas configuraciones de refuerzo híbrido coco/vidrio

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 20 40 60

Mó

du

lo e

soec

ífic

o a

la t

racc

ión

(m

2 /s2 )

Resistencia específica a la tracción (m2/s2)

Resina Anderpol 859

Fc100-Fv0

Fc75-Fv25

Fc50-Fv50

Fc25-Fv25

Fc0-Fv100

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 20 40 60 80 100

Mó

du

lo e

soec

ífic

o a

la f

lexi

ón

(m

2 /s2 )

Resistencia específica a la flexión (m2/s2)

Resina Anderpol 859

Fc100-Fv0

Fc75-Fv25

Fc50-Fv50

Fc25-Fv25

Fc0-Fv100

112

En estas figuras se comparan la resistencia y rigidez específicas para las

diferentes configuraciones de refuerzos. Tanto en las propiedades de tracción

como en las de flexión la configuración Fc25-Fv75 exhibió las mejores

propiedades mecánicas, seguida de la configuración Fc50-Fv50. Cabe señalar

que la configuración Fc25-Fv75 presenta elevadas propiedades mecánicas ya que

contiene mayor concentración de fibra de vidrio; esto sin embargo, es una

desventaja si se considera la densidad del material.

Así también, al emplear una menor fracción de fibra natural hace menos atractivo

al material y se desvía de los objetivos de aplicabilidad de este recurso y carácter

biodegradable de los materiales. Por el contrario, las formulaciones Fc100-Fv0 y

Fc75-Fv25 presentaron bajas propiedades mecánicas incluso por debajo de la

resina poliéster sin refuerzo, razón por la cual, se descartó emplear estas

formulaciones.

Por otra parte, la configuración Fc50-Fv50 presentó buenas propiedades

mecánicas, con resistencia y rigidez por encima de la matriz sin refuerzo. La

densidad fue menor que la configuración Fc25-Fv75 ya que permitió el ingreso de

un 25 % más de fibra natural. Si se considera esta característica la configuración

Fc50-Fv50 fue la que obtuvo mejor ponderación como se muestra en la Tabla

3.18.

Tabla 3.18. Ponderación de las mejores configuraciones al considerar la cantidad de fibra de coco

Configuraciones Ponderación

Fc50-Fv50 0,66

Fc25-Fv75 0,33

Por último, en la Tabla 3.19 se condensan, los resultados alcanzados por la suma

individual de los parámetros de selección. Cabe resaltar, se seleccionó al material

compuesto que contenía la mayor cantidad de fibra natural posible, a la vez que

mantuvo buenas propiedades mecánicas.

113

Tabla 3.19. Parámetros para la selección de la configuración del refuerzo

Configuración Cantidad de fibra de coco

Propiedades mecánicas

Ponderación global

Factor de ponderación 50 % 50 % 100 %

Fc50-Fv50 0,33 0,23 0,56

Fc25-Fv75 0,17 0,27 0,44

Así, la configuración Fc50-Fv50 exhibió la mejor relación entre propiedades

mecánicas y cantidad de fibra natural (baja densidad). Estas características son

deseables en aplicaciones estructurales, razón por la cual se seleccionó a esta

configuración para las siguientes etapas del proceso, que son los ensayos de

impacto y la fabricación de un prototipo. El análisis completo del método de

criterios ponderados se presenta en el Anexo IV.

3.4.5. ENSAYOS DE IMPACTO

Se realizaron ensayos de impacto a la formulación Fc50-Fv50 con la fracción

volumétrica de refuerzo del 0,20. Las probetas fueron elaboradas según la

metodología experimental detallada en el capítulo 2. Los resultados de los

ensayos fueron comparados con las mejores formulaciones obtenidas en la

elaboración de compuestos de matriz poliéster reforzados con fibras de

abacá/vidrio y de materiales compuestos de matriz poliéster reforzados con fibra

de cabuya, cuyos trabajos fueron parte del proyecto PIC-0843, que se ejecutó en

la Escuela Politécnica Nacional. Los resultados se presentan en la Tabla 3.20.

Tabla 3.20. Resultados de los ensayos de impacto bajo la norma ASTM D 5628

Fracción volumétrica Formulaciones Resistencia al impacto (J) Desviación estándar (J)

0 Matriz poliéster 0,07 no disponible

0,20 Fc50-Fv50 0,323 0,019

*0,20 Fibra de vidrio 0,508 0,016

*0,20 75FLA/25Fv 0,492 no disponible

**0,26 Tejido de cabuya 0,15 no disponible

(*Villacís, 2011, p. 151;**Tamayo, 2012, p. 169); (n=20)

114

En la Figura 3.36, se observa que la configuración 75FLA/25Fv con fibras

longitudinales de abacá y mats de fibra de vidrio presentó la mayor absorción de

energía con relación a las demás configuraciones, debido al empleó de fibras

largas en el refuerzo.

Figura 3.36. Desempeño de las formulaciones al ensayo de impacto (*Villacís, 2011, p, 151; **Tamayo, 2012, p. 169)

Por el contrario, la configuración con tejido alternado de fibra de cabuya presentó

la menor energía de impacto con relación a las configuraciones en las que se

adicionó mats de fibra vidrio. Esto destaca lo beneficioso en la resistencia al

impacto de la adición de una fibra sintética al refuerzo.

Experimentalmente, se observó que a pequeñas alturas de caída de dardo las

superficies de las probetas no presentaron visualmente ninguna señal de daño.

Sin embargo, a partir de los 72 cm al incrementar la altura de caída se notó en el

punto opuesto al impacto, desde la aparición de microfisuras hasta la rotura total

de la probeta. En la Figura 3.37, (a) se muestra una probeta de matriz poliéster

antes y después del ensayo de impacto. Para este último se puede apreciar la

rotura total de las probetas, debido a la fragilidad del material.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

Formulaciones

En

erg

ía d

e fa

lla (

J)

Resina Anderpol 859

Fracción volumétrica de refuerzo 0,26 (T. cabuya)

Fracción volumétrica de refuerzo 0,20 (Fc50-Fv50)

Fracción volumetrica de refuerzo 0,20 (75FLA/25Fv)

Fracción volumétrica de refuerzo 0,20 (100%Fv)

**

*

115

Figura 3.37. a) Probetas de matriz poliéster; b) Probetas de compuesto híbrido Fc50-Fv50 al 20 % de refuerzo, antes y después del ensayo

Para el compuesto híbrido Fc50-Fv50, se encontró un comportamiento contrario al

de la matriz poliéster. Al impactar las probetas, se observó la presencia de

microfisuras y emblanquecimientos en la zona opuesta al impacto. A impactos

más severos el material presentó agrietamientos y separación de la capa de fibra

de vidrio en la zona de impacto. A pesar de esto, el refuerzo impidió la

fragmentación del material, ya que las fibras que no fallaron mantuvieron unido al

mismo. Este comportamiento fue similar al encontrado en los ensayos de flexión y

tracción, al igual que en otros compuestos híbridos como el de abacá y vidrio.

Finalmente, para concluir con la caracterización mecánica de las probetas en la

Figura 3.38, se presentan todas las propiedades mecánicas del compuesto

híbrido Fc50-Fv50 y se comparan con las propiedades de la matriz poliéster y la

configuración Fc0-Fv100. Se observa que la configuración Fc50-Fv50 es muy

superior en todas las propiedades a la matriz sin refuerzo. Con relación a la

configuración Fc0-Fv100, el compuesto Fc50-Fv50, presentó menores

propiedades mecánicas, sin embargo, el material adquirió menor densidad, lo cual

lo hace adecuado para una aplicación estructural.

(a)

(b)

Después Antes

Antes Después

116

Figura 3.38. Gráfico multieje de las propiedades mecánicas exhibidas en las configuraciones de refuerzo para una fracción volumétrica de 0,20

Así también, en la Figura 3.39, al comparar el compuesto con otros materiales

híbridos obtenidos en la Escuela Politécnica Nacional, se observa que la

configuración Fc50-Fv50 es un material bastante competitivo, principalmente en

las propiedades a la flexión. Por otro lado, es indudable el efecto que causa una

mayor longitud de fibra en las propiedades del compuesto, como se puede

observar en las propiedades obtenidas con la matriz poliéster reforzada con fibras

largas de abacá +vidrio.

De igual manera, al emplear otro tipo de matrices, como el polipropileno se

observa que a pesar de que las propiedades a flexión de la matriz polipropileno +

abacá 10 mm + vidrio son bajas con relación a los demás compuestos, estas

presentan excelentes propiedades a la tracción. Es por ello que se abren las

puertas para una investigación futura en el uso de refuerzos con fibras largas de

coco y de su aplicación en otras matrices como la de polipropileno, para potenciar

las propiedades de compuestos de coco-vidrio a la tracción.

0

2

4

6

8

10

12

Módulo Tracción (GPa)

Esfuerzo Tracción (MPa/100)

Energía de impacto (J ×10)

Módulo Flexión (GPa) Esfuerzo Flexión

(MPa/100)

Deformación Flexión (× 100)


Resina Poliester

Fc50-Fv50

Fc0-Fv100

117

Figura 3.39. Propiedades mecánicas exhibidas en el compuesto Fc50-Fv50 y otros compuestos híbridos al 20 % de refuerzo y 50/50 fibra natural/ fibra de vidrio

(**Cevallos y Tenesaca, 2012, p. 139, *Villacís, 2011, p. 95, 100)

3.5. ELABORACIÓN DE TABLEROS Y EVALUACIÓN DE SUS

PROPIEDADES MECÁNICAS

Los ensayos de tracción y flexión se realizaron de acuerdo con las normas para

paneles estructurales ASTM D 3043 y ASTM D 3500, respectivamente. En la

Tabla 3.21 se resumen los resultados de estos ensayos y se comparan en la

Figura 3.40 con la resistencia a la tracción de la madera contrachapada a dos

espesores. Las propiedades mecánicas de la madera contrachapada se

presentaron en la Tabla 1.24.

0

20

40

60

80

100

120

Esfuerzo Tracción

(MPa)

Módulo Tracción

(MPa/100)


Esfuerzo Flexión (MPa)

Módulo Flexión

(MPa/100)

Deformación Flexión (×

1000)

*Matriz Poliéster + Abacá 250 mm + Vidrio

*Matriz Poliéster + Abacá 10 mm + Vidrio

**Polipropileno + Abacá 10 mm + Vidrio

Fc50-Fv50

118

Tabla 3.21. Resultados de los ensayos de tracción y flexión en tableros de compuesto híbrido Fc50-Fv50 al 20 % de refuerzo

Espesor Módulo a tracción

Resistencia a tracción

Deformación máxima a tracción

Módulo a flexión

Resistencia a flexión

Deformación máxima a

flexión

mm MPa MPa mm/mm MPa MPa mm/mm

10 4 277,2 35,83 0,010 6 048,5 112,12 0,021

(n=5)

Figura 3.40. Comparación de la resistencia máxima a la tracción alcanzada por la madera contrachapada y el material híbrido Fc50-Fv50 reforzado al 20 %

Como se puede apreciar en la Figura 3.40 el compuesto híbrido presentó

excelentes propiedades incluso por encima de las presentadas por la madera

contrachapada; con una resistencia a la tracción superior a la madera de 12 mm

en 35,8 % y un 10,9 % con respecto a la madera de 18 mm.

En los ensayos a flexión el compuesto híbrido presentó una resistencia a la flexión

mayor en 286,6; 112,5; 91 y 229,3 % con respecto a la madera con FPA (Fibra

paralela) 12 mm, FPA 18 mm, FPE (Fibra perpendicular) 12 mm, y FPE 18 mm,

respectivamente, como se muestra en la Figura 3.41. Así también, la orientación

de la fibra condicionó el desempeño mecánico de la madera, no así, en el material

híbrido, ya que al presentar distribuidas las fibras aleatoriamente, se favoreció el

isotropismo de las propiedades mecánicas en el material.

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Madera 12 mm Madera 18 mm Hibrido 10 mm

Res

iste

nci

a a

la t

racc

ión

(M

Pa)

Materiales

119

Figura 3.41. Comparación de la resistencia máxima a la flexión alcanzada por la madera contrachapada y el material híbrido Fc50-Fv50 reforzado al 20 %

En la Figura 3.42 se observa que el módulo elástico a la flexión del híbrido fue

mayor en un 59 % a la madera con FPA 12 mm y en un 20,5 % a la madera FPE

18 mm. Por otra parte, con respecto a la madera con FPA 18 mm y FPE 12 mm

disminuyó en 12,1 y 11,2 % respectivamente.

Figura 3.42. Comparación del módulo a la flexión alcanzcado por la madera contrachapada y el material híbrido Fc50-Fv50 reforzado al 20 %

0

20

40

60

80

100

120

FPA 12 mm FPA 18 mm FPE 12 mm FPE 18 mm Hibrido 10 mm

Res

iste

nci

a a

la f

lexi

ón

(M

Pa)

Materiales

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

FPA 12 mm FPA 18 mm FPE 12 mm FPE 18 mm Hibrido 10 mm

Mó

du

lo a

la f

lexi

ón

(M

Pa)

Materiales

120

Similar comportamiento se observó en la caracterización mecánica a tracción y

flexión de tableros de matriz poliéster reforzada con abacá y vidrio. En esta

investigación se evaluaron las propiedades mecánicas de tableros con el objetivo

de emplear este material en la fabricación de patinetas. En la Tabla 3.22 se

analiza la variación de las propiedades mecánicas de los tableros de coco/vidrio

con respecto a las propiedades de los tableros de abacá/vidrio.

Tabla 3.22. Variación de las propiedades mecánicas de los tableros de coco/vidrio respecto a los tableros de abacá/vidrio

Propiedades mecánicas Ensayos de flexión Ensayos de tracción

Módulo elástico (MPa) -33,45 % 99,88 %

Resistencia (MPa) 1,65 % -69,30 %

Deformación máxima -22,22 % -85,07 %

En la Tabla 3.22 se puede apreciar que los tableros de coco/vidrio presentaron

menores deformaciones, seguido de incrementos y disminuciones en los módulos

y resistencias, lo cual es consecuencia, de las diferentes fracciones y tipo de

refuerzo usado en los tableros de abacá/vidrio.

Por otro lado, a pesar de que el material híbrido con Fc50-Fv50 presentó mejores

propiedades que la madera contrachapada, la densidad de este aumentó en un

rango de 86 – 124 % con relación a la madera de 12 y 18 mm. Esto se debe a la

alta cantidad de resina necesaria para remojar la fibra de coco y a la baja presión

de moldeo, lo cual impidió la salida de resina del molde. Además, se debe

considerar que la densidad de la resina poliéster de 1,2 g/cm3 es mayor que la de

la madera de 0,55-0,66 g/cm3, prácticamente el doble. Una alternativa a este

inconveniente sería emplear una presión más elevada que facilite la salida de la

resina mediante una mayor compactación del refuerzo, así como, moldes

adecuados para soportar presiones mayores.

Por otra parte, en la elaboración de tableros, se observó que el mantener la

formulación usada en la elaboración de probetas pequeñas, redujo

considerablemente el tiempo necesario para la elaboración del material. Es por

121

ello, que se disminuyó en 50 % la concentración de octoato de cobalto y MEKP,

para prolongar el tiempo de gelificación y facilitar la fabricación. Es así, que el

tiempo de curado aumentó a aproximadamente 3h, bajo temperatura ambiental.

Así también, el aumento en las dimensiones de los tableros, con llevó al empleó

de grandes cantidades de resina catalizada en la que se desprendió mayor

cantidad de calor. Este calor al mantenerse por un tiempo prolongado mantuvo

baja la viscosidad de la resina y facilitó el movimiento de los radicales libres

provenientes del peróxido para que reaccionen con las insaturaciones del

polímero y monómero. Esto formó cadenas poliméricas más largas que

incrementaron las propiedades mecánicas del compuesto (Neto y Pardiní, 2006,

pp.33-35). Así, se observó que en los tableros, propiedades mecánicas como la

resistencia y el módulo de flexión aumentaron con respecto a las observadas en

las probetas elaboradas según las normas ASTM D 3039 y ASTM D 7264

3.5.1. FABRICACIÓN DEL PROTOTIPO

Para fabricar el prototipo inicialmente se analizó la factibilidad técnica de trabajar

con tableros de compuesto híbrido, luego se evaluaron algunas alternativas de

aplicación del mismo mediante el método de criterios ponderados. Finalmente se

realizó el análisis económico de su producción.

3.5.2. FACTIBILIDAD TÉCNICA DE FABRICACIÓN DE LOS COMPUESTOS

HÍBRIDOS

Esta consistió en pruebas de corte, perforación, lijado y pegado de piezas. El

objetivo de este análisis fue el de crear características que no fueron posibles

obtener durante la fabricación del material, como por ejemplo, ranuras, agujeros,

etc. y observar el desempeño de las herramientas comúnmente usadas en la

elaboración de prototipos de madera. Los resultados de estas pruebas se

presentan en los siguientes acápites.

122

3.5.2.1. Pruebas de corte

Estas pruebas se realizaron para determinar la facilidad de corte del material en la

obtención de un producto de dimensiones deseadas. Se emplearon herramientas

manuales como el serrucho, caladora y finalmente una mesa de corte. Se observó

que el uso de serruchos y sierras, no fue apropiado en vista de la alta resistencia

del material, lo cual hizo que las cuchillas al poco tiempo de uso terminen por

destruirse como se observa en la Figura 3.43.

Figura 3.43. Serrucho con cuchillas gastadas al poco tiempo de uso en el tablero híbrido

Al emplear una caladora con cuchillas para madera como se muestra en la Figura

3.44, se observó que las cuchillas en madera, permitieron el maquinado de 15 a

20 cortes con longitudes de 50 cm. Para el material híbrido, se notó que a partir

de 2 cortes de 70 cm, se calentaron los dientes de las cuchillas y empezaron a

gastarse. Esto fue consecuencia de la abrasividad de la fibra de vidrio, la cual

generó resistencia al corte. Con cuchillas para cortar metales como el aluminio, la

Figura 3.44. Corte del tablero híbrido con una caladora

123

facilidad de corte mejoró y las cuchillas prolongaron su tiempo de vida, con un

promedio de 10 a 12 cortes de 50 cm. La obtención de piezas de cualquier forma

con la caladora no evidenció mayor dificultad.

A pesar de esto, se recomienda emplear velocidades de corte altas, ya que éstas

generan bajas fuerzas de corte perpendicular a la pieza de trabajo, lo cual reduce

la cantidad de daños por fabricación como las delaminaciones (Mazumdar, 2002,

p. 331). Por otra parte, se utilizó una mesa de corte con sierra circular como se

muestra en la Figura 3.45 por su facilidad de cortar piezas de madera de gran

tamaño con mayor rapidez. Este equipo usa discos de dientes gruesos o finos, de

acuerdo al tipo de material que se use.

Figura 3.45. Corte del tablero híbrido en una mesa de corte

Para el compuesto híbrido al igual que para la madera se empleó un disco de

dientes finos ya que éste no despostilló la superficie del material. Se observó

facilidad y rapidez en el corte.

3.5.2.2. Pruebas de agarre y perforación

La operación de perforación se realizó para crear agujeros, para fines de fijación

entre piezas, remaches, pernos, tornillos entre otros. Se realizaron perforaciones

mediante un taladro en las caras frontales y laterales del tablero como se indica

en la Figura 3.46. La perforación se dio con facilidad. No obstante, para una

mayor cantidad de perforaciones fue conveniente emplear herramientas a base de

carburo de tungsteno.

124

Figura 3.46. Taladrado frontal y lateral del tablero híbrido

Un inconveniente que puede generarse durante la perforación son las

delaminaciones. Como explica Mazumdar, la perforación crea delaminaciones al

ingreso de la broca al material y cuando sale del mismo, como se observa en la

Figura 3.47.

Figura 3.47. Delaminaciones causadas por la perforación a la entrada y salida de la broca (Mazumdar , 2002, p. 336)

Como solución a este problema se podría utilizar una broca más afiliada, la cual

crea una penetración gradual. Además se debería reducir la velocidad del taladro

a la salida de la broca, y usar soportes o bases en la parte trasera del material

(Mazumdar, 2002, p. 336).

Posteriormente, se aprovechó la perforación realizada con el taladro para

encaminar un tornillo auto-roscable como se observa en la Figura 3.48. Una vez

que ingresó completamente el tornillo se notó que la distribución al azar de las

fibras en el material, potenció el agarre de las roscas con el mismo.

125

Figura 3.48. Ingreso tornillo auto-roscable

También, se evaluó la factibilidad de emplear clavos, como se observa en la

Figura 3.49.

Figura 3.49. Análisis de perforación

En la madera el clavo no presentó dificultad de ingreso, sin embargo en el caso

del compuesto híbrido el clavo se arqueó al tratar de penetrar el material, debido a

su alta resistencia. Al forzar el ingreso del clavo en un vértice de unión del

compuesto, se notó que a nivel superficial la fibra de vidrio se desprendió, efecto

que no se observó con el uso de tornillos.

3.5.2.3. Pruebas de lijado y ensamblaje

Existió facilidad en el lijado del material, no se produjeron despostillamientos

superficiales en los filos del tablero, como se presenta en la Figura 3.50. Sin

embargo, el desprendimiento de polvo fue bastante alto, lo cual dificultó el

126

manejo. A diferencia de la madera, el lijado de las caras del tablero no mejoró la

apariencia por el contrario, le quitó brillo.

Figura 3.50. Lijado filos del tablero híbrido

En muebles de madera es muy común el uso de pegamento para unir piezas o

realizar ensambles. Se evaluó la unión de dos piezas de material híbrido y se

examinó el pegado, como se puede ver en la Figura 3.51. Una vez seca la pega,

se observó que al tirar de las piezas, estas no se separaron, lo cual sugirió un

buen pegado.

Figura 3.51. Pegado de piezas del tablero híbrido

Finalmente, en la Tabla 3.23 se comparan los resultados obtenidos por el material

híbrido con los de la madera.

127

Tabla 3.23. Comparación del desempeño post- maquinado de la madera vs.tablero híbrido

Parámetro Madera Material híbrido

Serrucho ü X

Caladora ü ü

Mesa de corte ü ü

Clavado ü X

Perforación taladro ü ü

Agarre rosca ü ü

Pegado ü ü

Lijado ü X

Estas pruebas no deben considerarse como referencia para fines industriales ya

que son pruebas sencillas y su finalidad es complementar el analisis descrito. Se

debería realizar un estudio detallado de las mismas, ya que el mecanizado

planteó varios desafíos tales como:

· Los cortes del material crean discontinuidad en las fibras y alteran el

rendimiento de la pieza. Pueden formarse delaminaciones.

· Expone las fibras a productos químicos y la humedad.

· La temperatura durante el corte puede exceder la temperatura de curado de la

resina (temperatura de exotermia) ya que se produce un calentamiento local y

podría degradar al material.

· La vida de las herramientas es más corta debido a la naturaleza abrasiva del

compuesto.

3.5.3. SELECCIÓN DEL PROTOTIPO

En vista de la amplia versatilidad de aplicación de los tableros estructurales, y una

vez comprobada la facilidad de post-maquinado, se propusieron tres alternativas

para la fabricación de un prototipo como se muestra en la Figura 3.52. Estas

alternativas se evaluaron al considerar los siguientes criterios:

128

Alternativas prototipo Prototipo

Mesa para escritorio

Mueble para dispositivos audiovisuales

Archivador aéreo con tapa curva

Figura 3.52. Alternativas para fabricación de un prototipo · Disponibilidad de instrumentos. Se refiere a la disponibilidad de equipos y

herramientas necesarios para la elaboración de los prototipos propuestos.

· Factibilidad técnica. Se analizó la facilidad de conformar una pieza, en lo

concerniente a moldeo, corte, pegado, clavado, etc.

· Costos. Se analizaron los costos de materias primas, mano de obra y otros

insumos empleados en la confección de cada propuesta.

La Tabla 3.24 resume los resultados encontrados al aplicar el método de criterios

ponderados. La evaluación de cada alternativa se presenta en detalle en el Anexo

V.

Tabla 3.24. Resultados de la ponderación de las alternativas de fabricación de un prototipo

Disponibilidad tecnológica Factibilidad técnica Costos Suman

Mesa escritorio 0,08 0,14 0,08 0,31

Mueble para D.A. 0,17 0,14 0,17 0,48

Archivador aéreo 0,08 0,06 0,08 0,22

*D.A dispositivos audiovisuales

129

Los análisis realizados determinaron como mejor alternativa al mueble para

dispositivos audiovisuales. Esta propuesta presentó los mejores resultados en

facilidad de fabricación, disponibilidad de equipos y bajo costo de fabricación.

Además de ser un prototipo muy llamativo para el mercado, podría estar fabricado

del compuesto híbrido al 100 %. Así también, es fácil compararlo con uno hecho

de madera.

Por otra parte, la mesa de escritorio, aunque técnicamente es de fácil fabricación

la limitación tecnológica a la hora de suministrar una presión uniforme para

dimensiones de gran tamaño fue determinante en la eliminación de esta

propuesta. Así también, la fabricación necesaria de nuevos moldes y la utilización

de material metálico para hacerlo más llamativo, incrementaría el costo de

fabricación.

Por último, el archivador aéreo con tapa curva, presentó alta dificultad de

fabricación en la etapa de moldeo. Este, al poseer una tapa curva necesitaría de

una breve interrupción de la fase de curado, para moldear la tapa. Según la

experiencia lograda en la fabricación de tableros, se observaron cambios

superficiales al interrumpir el curado, como el movimiento de la capa superficial de

fibra de vidrio, lo cual degradaría el acabado superficial y afectaría las

propiedades mecánicas. La fabricación de materiales curvos necesitaría emplear

otro proceso de fabricación, razón por la cual se eliminó a esta propuesta.

En vista de los resultados encontrados se fabricó un mueble para dispositivos

audiovisuales. Para ello, se tomó como referencia el mueble de la Figura 3.53.

130

Figura 3.53. Mueble para dispositivos audiovisuales

Se modificaron algunas partes de este modelo. Se sustituyeron los soportes

metálicos por un marco de compuesto híbrido y se adicionó un espaldar y una

puerta de vidrio en el frente. En la Figura 3.54, se presenta el mueble terminado.

Figura 3.54. Mueble terminado

Los tableros presentaron un lado con buen acabado que fue empleado para la

parte externa del mueble y el otro con acabados aceptables para la parte interna.

Se utilizaron tres planchas de compuesto de dimensiones 70 × 70 y 1 cm de

espesor. En el Anexo V se presentan los esquemas y dimensiones del prototipo.

131

3.5.4. ANÁLISIS ECONÓMICO

En esta etapa del proyecto se analizan los costos de fabricación del prototipo.

Para ello, se presentan en las Tablas 3.25, 3.26 y 3.27 los costos de las materias

primas, servicios y materiales indirectos utilizados.

Tabla 3.25. Costos de las materias primas empleadas en los tableros

Materias Primas Costo unitario Cantidad utilizada Costo ($)

Resina poliéster 2,870$/kg 13,96 kg 38,57

Monómero estireno 3,570$/kg 1,17 kg 4,18

Octoato de cobalto 0,025$/ml 33,00 ml 0,83

MEKP 0,010$/ml 65,00 ml 0,73

Mat Fibra de vidrio 2,350$/kg 2,65 kg 6,23

Fibra de coco 0,500$/kg 1,20 kg 0,60

- - Total 51,13

Tabla 3.26. Costos de los servicios utilizados

Servicios Costo unitario/día # Días Total ($)

Luz y agua 0,08 3 0,24

Alquiler local 5,00 15 15,00

Mano de obra 4,95 3 14,85

Suma 30,09

Tabla 3.27. Costos de los materiales indirectos

Suministros Costo ($)

Guantes 0,60

Tijeras 0,18

Espátulas 0,54

Recipientes 1,00

Cera 0,24

Vasos 0,48

Moldes 4,20

Otros 1,50

Total 8,74

132

Como se puede constatar en la Tabla 3.28 la suma de los materiales indirectos y

servicios representa el 43 % del costo. Así también, se observó que la matriz

poliéster incrementó notablemente el costo de las materias primas.

Si se utilizara una presión homogénea superior a la empleada se reduciría el

consumo de resina. Esto sugiere que si se automatiza el proceso, a su vez, que

se incrementan los volúmenes de producción se reduciría el costo de fabricación,

lo cual favorecería su competitividad en el mercado, ya que este prototipo

construido en madera llega a costar 72,00$.

Tabla 3.28. Costo total de fabricación prototipo

Materias Primas Materiales indirectos Servicios Costo total

51,13 8,74 30,09 89,96

Por otra parte, los artículos fabricados con el compuesto híbrido presentarían

algunas ventajas tales como:

· Innovación ya que es un producto nuevo y no tendría por el momento un

competidor directo.

· Facilidad de ingreso en el mercado, debido a la fibra de coco presente en el

material y las concurrentes campañas de gestión ambiental.

· Reducción de la concentración de fibras sintéticas empleadas en la

elaboración de patinetas muebles, autopartes, paneles, etc.

· No requiere de un proceso posterior de terminado, como el lacado o la

aplicación de tintes, ya que su acabado superficial es excelente.

· Da valor agregado a la fibra de coco, ya que es considerada un desecho.

· Aplicación para la pequeña industria.

133

4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

4.1. CONCLUSIONES

· La extracción de la fibra de coco del mesocarpo del fruto se realizó mediante

la trituradora universal WCSJ-20 y se obtuvieron fibras de longitudes de 3 a 5

cm en el 82 % de las muestras.

· Los parámetros adecuados de procesamiento para la elaboración de probetas

fueron una presión de moldeo de 1 000 psi, concentraciones en volumen del

10,0 % de estireno, 0,5 % de octoato de cobalto y 1,0 % de MEKP; tiempo de

curado de una hora, temperatura de curado ambiental y tiempo de post-curado

de 15 días. Para el caso de la elaboración de tableros se redujeron las

concentraciones de octoato de cobalto y MEKP en 50 % y se aumentó el

tiempo de curado a 3 h.

· El porcentaje de refuerzo se estableció en un máximo de 20 %. Así, por

facilidad de fabricación se emplearon porcentajes volumétricos de refuerzo de

15 y 20 %.

· Las fibras que conformaron el refuerzo, se dispusieron de acuerdo a la

configuración tipo emparedado Fv-Fc-Fv, la cual potenció las propiedades

mecánicas del material e hicieron del compuesto híbrido adecuado para

aplicaciones estructurales.

· La caracterización mecánica mostró que las fracciones volumétricas del 0,15 y

0,20 de refuerzo demostraron efectos similares en las propiedades mecánicas

del material con incrementos del módulo elástico, resistencia y densidad al

aumentar la fracción de fibra de vidrio y disminución de éstas con el

incremento de fibra de coco. Se eligió la fracción volumétrica del 0,20 por

demostrar propiedades mecánicas superiores a la fracción de 0,15.

134

Para el caso de los compuestos híbridos para una fracción volumétrica de

refuerzo del 0,20, se concluyó lo siguiente:

· La mejor formulación de refuerzo fue la configuración Fc50-Fv50. Esta logró

combinar características deseables en aplicaciones estructurales, tales como

las buenas propiedades mecánicas y la baja densidad, razón por la cual se

seleccionó a esta configuración para los ensayos de impacto y la fabricación

de tableros.

· En la configuración Fc50-Fv50, el módulo elástico (3 960 MPa) y resistencia a

la tracción (38,56 MPa) aumentaron en un 231 y 40 % con respecto a la matriz

poliéster. En los ensayos de flexión, el incremento de las propiedades con

respecto a la matriz fue de 104 % para el módulo elástico (4 094 MPa) y 51 %

para la resistencia (89,23 MPa).

· El refuerzo híbrido tuvo un efecto positivo en el material, ya que para la

configuración Fc50-Fv50, la deformación (0,027 mm/mm) a la flexión y la

tracción (0,0105 mm/mm) disminuyeron con relación a la matriz poliéster en un

33,5 y 56,0 %, respectivamente. También se observó que la fibra de vidrio con

relación a la fibra de coco aumentó la deformación de los compuestos

híbridos.

· En los ensayos de impacto el compuesto Fc50-Fv50 evidenció con relación a

la matriz poliéster un aumento de 361 % en la absorción de energía. Por el

contrario, al compararlo con una matriz reforzada al 20 % con fibra de vidrio

se observó una disminución de 37 % en la resistencia al impacto.

· Tanto para los ensayos de tracción, flexión e impacto el compuesto híbrido

una vez ensayado, no presentó fragmentación como lo hizo la matriz poliéster.

El análisis de fractura reveló, que la falla del material comenzó por la matriz y

se transmitió a las fibras. Las fibras que no se rompieron mantuvieron unida la

zona de fractura.

135

· Con relación a la madera contrachapada los tableros de compuesto híbrido

presentaron resistencias a la tracción, superiores en un 38,9 % y 10,9 % con

respecto a la madera de 12 mm y 18 mm, respectivamente. De igual manera la

resistencia a la flexión se incremento en 287,00 % y 113,91 % con respecto a

la madera con fibras paralelas de 12 y 18 mm. Con relación a tableros de

madera con fibras perpendiculares y espesores de 12 y 18 mm el incremento

fue de 91 % y 229 %, respectivamente.

· La densidad del material Fc50-Fv50 fue de 1,23 g/cm3 y representó un

aumento del 86 % con respecto a la densidad de la madera 0,66 g/cm3.

· El post-maquinado reveló facilidad en el manejo y conformado de piezas. Sin

embargo, al compararlo con la madera, el material híbrido requirió de

materiales de corte más resistentes. Adicionalmente, se observó un elevado

desprendimiento de polvo, que puede ser altamente peligroso para la salud.

· Aunque la fabricación del prototipo fue pensada para la pequeña industria, si

se realiza una automatización del proceso, a la vez, que se incrementan los

volúmenes de producción se podría reducir el costo de fabricación, lo cual

favorecería su competitividad en el mercado.

4.2. RECOMENDACIONES

· Analizar el efecto en las propiedades mecánicas del compuesto, dell

tratamiento alcalino de las fibras y la variación del diámetro de fibra natural.

· Realizar un estudio acerca de la biodegradabilidad del compuesto para

observar la incidencia de la fibra de coco en la descomposición del material.

· Investigar el efecto del curado y post curado a diferentes temperaturas en las

propiedades mecánicas del compuesto.

136

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143

ANEXOS

144

ANEXO I

DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DE LAS FIBRAS Y

CANTIDAD DE REFUERZO EMPLEADA EN LOS COMPUESTOS

La densidad de las fibras de refuerzo se determinó con las ecuaciones AI.1, AI.2,

AI.3.

[AI.1]

[AI.2]

[AI.3]

Donde:

mc = masa del material compuesto.

mr = masa del refuerzo.

mm = masa de la matriz.

mfc = masa de fibra de coco.

pc = densidad del compuesto.

pm = densidad de la matriz.

pfc = densidad de la fibra de coco.

Vp = volumen de la probeta.

Vm = volumen de la matriz.

Xvm = fracción volumétrica de la matriz.

Xr = fracción volumétrica del refuerzo.

145

Inicialmente se asumió una densidad de fibra de coco de 1,15 g/cm3 y una

fracción volumétrica de refuerzo de 0,15; así, si el volumen de una probeta es de

tracción, al utilizar la ecuación AI.3 se tendría:

Esta es la cantidad de refuerzo que se adicionó a la matriz. Una vez reticulado el

material se peso y se obtuvo la densidad del compuesto en 1,11 g/cm3. Con estos

datos se calculó la fracción volumétrica real del refuerzo, para ello se empleó la

ecuación AI.1.

Al despejar de la ecuación AI.2 se tiene:

1=+ XrXvm

22,0=Xr

Ahora en la ecuación AI.3, se despeja la densidad real de la fibra:

Los cálculos realizados determinaron una densidad media de fibra de coco de

0,77 g/cm3, 2,02 g/cm3 para la fibra de vidrio y de 1,20 g/cm3 para la resina. Así

para el cálculo de la cantidad de fibra en el refuerzo se empleó la ecuación AI.4

RfibraGfibra XVpXm ***= r [AI.4]

146

Donde:

fibram = Masa de fibra.

GX = Fracción volumétrica del refuerzo en la matriz.

Vp = Volumen de la probeta.

fibrar = Densidad de la fibra.

RX = Fracción volumétrica de cada constituyente del refuerzo.

Así, si se desea calcular la cantidad en gramos de cada constituyente para

probetas de tracción con un refuerzo del 20 % constituido por el 50 % de fibra de

coco y 50 % de fibra de vidrio en la ecuación AI.4 se tendría lo siguiente:

El volumen de la probeta para ensayos de tracción es:

gm

m

cocofibra

cocofibra

20,1

50,077,062,1520,0

=

***=

gm

m

vidriofibra

vidriofibra

16,3

50,002,262,1520,0

=

***=

362,15

25,0255,2

cmVp

Vp

=

**=

147

ANEXO II

FÓRMULAS EMPLEADAS EN LOS ENSAYOS MECÁNICOS

ENSAYOS A FLEXIÓN SEGÚN LA NORMA ASTM 7264-07

En la Tabla AII.1 se presentan las dimensiones de las probetas y parámetros

usados en los ensayos.

Tabla AII. 1. Dimensiones probetas y parámetros de ensayo a flexión según norma

ASTM D 7264-07

Dimensiones probetas ASTM D 7264 Tolerancia

Largo (mm) 160 No disponible

Ancho (mm) 13 No disponible

Espesor (mm) 4 No disponible

Parámetros de ensayo ASTM D 7264

Especímenes mínimo por prueba 5

Velocidad de ensayo 1 mm/min

Relación distancia entre apoyos y espesor *32:1, 16:1, 20:1

*Se empleó la relación 32:1

Los cálculos de las propiedades mecánicas a flexión se realizaron con las

ecuaciones AII.1 y AII.2.

22

3

bh

PLσ =

[AII.1]

26

L

hδε =

[AII.2]

Donde:

σ = Esfuerzo, MPa.

P = Fuerza, N.

b = Ancho probeta, mm.

148

h = Espesor probeta, mm.

ε = Deformación, mm/mm.

δ = Desplazamiento del extensómetro, mm.

En los ensayos en los que la curva esfuerzo vs deformación presentó una

inflexión como se muestra en la Figura 3.10, se vió necesario determinar dos

módulos elásticos: el de Young y el de trabajo. El módulo elástico de Young se

calculó si la primera porción de la curva esfuerzo vs. deformación fue lineal, para

ello se consideró el 50 % de los datos. En este caso el módulo de Young sería

igual al módulo tangente ya que presentan las mismas pendientes. El módulo de

trabajo se calculó a partir del 50 – 75 % de los datos restantes, en la franja en la

cual comienza la curvatura y cambia de pendiente la recta. En los casos en los

que las curvas no presentaron inflexión se calculó solamente el módulo de Young.

ENSAYOS DE TRACCIÓN SEGÚN LA NORMA ASTM D 3039- 07

En la Tabla AII.2 se presentan las dimensiones de las probetas y parámetros

usados en los ensayos.

Tabla AII. 2. Parámetros de ensayo a tracción según la norma ASTM D 3039-07

Parámetros Requerimientos

Especímenes mínimo por prueba 5

Velocidad de ensayo 2 mm/min

Extensómetro Requerido

Longitud calibración extensómetro 10 a 50 mm

Tabs No indispensable

Para los cálculos de las propiedades de tracción se emplearon las ecuaciones

AII.3 y AII.4.

149

A

F=s

[AII.3]

gL

de = [AII.4]

Donde:

σ:=Esfuerzo, MPa.

F= Fuerza, N.

A= Área de la sección reducida zona recta, mm2.

ε= Deformación, mm/mm.

Δ= Desplazamiento del extensómetro, mm.

El módulo elástico se encontró mediante la pendiente a la curva esfuerzo vs.

deformación. Estas curvas presentaron linealidad durante todo su tramo, razón

por la cual no fue necesario calcular módulos de trabajo. Por otra parte estas

mismas fórmulas fueron empleadas por la norma ASTM D 3500 para el ensayo a

tracción de tableros.

ENSAYOS DE IMPACTO SEGÚN LA NORMA ASTM D 5628-07

En la Tabla AII.3, se presentan las dimensiones y tolerancias permitidas en las

probetas

Tabla AII. 3. Dimensiones probetas de impacto según norma ASTM D 5628-07

Forma Dimensiones Espesor

Cuadrada 60 ±2 mm 2 mm

Para calcular la energía de impacto de los compuestos se emplearon las

ecuaciones AII.5, AII.6, AII.7 y AII.8.

150

÷ø

öçè

æ ±+= 5.0N

Adhh ho

[AII.5]

hhh dN

A

N

Bds 047.062.1

2

+úúû

ù

êêë

é÷ø

öçè

æ-=

[AII.6]

NsGs hh

/=-

[AII.7]

mghE = [AII.8]

Donde:

oh = Altura mínima en la cual ocurre la primera falla.

hd = Variación de altura.

h = Altura media de impacto para producir la falla.

m = Masa del dardo.

hs = Desviación estándar.

-h

s = Desviación estándar de la altura de impacto.

E = Energía absorbida por la probeta.

G = Constante en función de sh/dh.

Ng = N: Número de probetas que fallan.

A = Sumatoria del número de fallas por la posición de falla.

B = Sumatoria del número de fallas por la posición de falla al cuadrado.

ENSAYOS DE FLEXIÓN PARA TABLEROS SEGÚN LA NORMA ASTM D 3043

Se utilizaron las siguientes fórmulas para calcular las propiedades mecánicas del

compuesto híbrido en tableros.

Módulo de elasticidad X momento de inercia (mm) se definió mediante la ecuación

AII.9.

D**

=*48

3 PLIE

[AII.9]

151

Momento de Inercia se definió mediante la ecuación AII.10.

12

3hbI

*=

[AII.10]

Momento máximo se definió mediante la ecuación AII.11.

4

LP

C

ISb

*=*

[AII.11]

Distancia del eje neutral al extremo de la probeta “C”. se definió mediante la

ecuación AII.12.

2

hC =

[AII.12]

Resistencia a la flexión o módulo de rotura “Sb” se definió mediante la ecuación

AII.13.

I

CLPSb *

**=

4 o 22

3

hb

LPSb **

**=

[AII.13]

Donde

b = Ancho de la probeta en mm.

h = Espesor de la probeta en mm.

P = Fuerza o carga máxima en N.

L= Longitud del span en mm.

P/D = Pendiente de la curva fuerza – deflexión.

La velocidad de ensayo se definió mediante la ecuación AII.14.

d

LzN

**

=6

2

[AII.14]

Donde:

N = Rango de movimiento del cabezal.

Z = 0,0015 unidad de velocidad de deformación de fibra.

L = Longitud del span.

d = Espesor probeta.

152

ANEXO III

RESULTADOS PROPIEDADES MECÁNICAS MATERIALES

COMPUESTOS HÍBRIDOS

En las siguientes tablas se presentan los resultados de los ensayos de tracción,

flexión e impacto efectuados a las probetas de matriz poliéster y de los materiales

compuestos.

Tabla AIII. 1. Propiedades mecánicas a tracción y flexión para la resina poliéster Anderpol 859

# Probeta

Tracción Flexión

E Tmax e E Tmax e

MPa MPa mm/mm MPa MPa mm/mm

1 1 194,6 25,74 0,023 2 047,5 61,55 0,043

2 1 156,0 27,44 0,024 1 864,0 56,41 0,043

3 1 217,8 28,22 0,025 1 936,6 55,87 0,043

4 1 043,9 28,18 0,027 2 129,9 62,28 0,038

5 1 372,9 27,66 0,021 2 082,1 61,64 0,039

Promedio 1 197,0 27,45 0,024 2 012,0 59,55 0,041

Desviación 118,9 1,01 0,002 109,2 3,10 0,002

CV (%) 9,9 3,69 9,714 5,4 5,26 5,920

153

153

Tab

la A

III.

2. R

esul

tado

s en

sayo

s a

trac

ción

de

com

pues

tos

híbr

idos

seg

ún la

nor

ma

AST

M D

303

9 pa

ra u

na f

racc

ión

volu

mét

rica

de

0,15

#

P

rob

eta

Fc0

-Fv1

00

Fc2

5-F

v75

Fc5

0-F

v50

Fc7

5-F

v25

Fc1

00-F

v0

E

Tm

ax

e E

T

max

e

E

Tm

ax

e E

T

max

e

E

Tm

ax

e

MP

a M

Pa

mm

/mm

M

Pa

MP

a m

m/m

m

MP

a M

Pa

mm

/mm

M

Pa

MP

a m

m/m

m

MP

a M

Pa

mm

/mm

1 4

438,

6 59

,34

0,01

3 4

997,

3 36

,36

0,00

82

3 64

2,5

35,4

9 0,

011

3 44

6,6

21,2

6 0,

0070

1

918,

8 19

,09

0,01

1

2 3

945,

1 60

,08

0,01

5 4

655,

9 34

,78

0,00

84

3 54

9,8

35,2

6 0,

011

3 42

7,2

29,2

8 0,

0080

1

479,

2 17

,13

0,01

1

3 5

787,

6 54

,30

0,01

0 3

556,

5 28

,21

0,00

82

3 90

4,8

32,1

8 0,

009

3 08

2,3

25,1

8 0,

0095

1

887,

6 19

,44

0,01

1

4 4

315,

2 67

,75

0,01

6 4

581,

1 42

,84

0,01

02

3 68

8,4

39,6

7 0,

011

3 37

3,0

26,8

3 0,

0086

1

722,

3 20

,08

0,01

5

5 5

205,

4 47

,14

0,01

1 3

336,

2 26

,44

0,00

80

3 82

5,7

35,9

8 0,

010

3 09

7,4

27,2

1 0,

0093

2

276,

8 18

,28

0,01

4

6 3

847,

6 65

,65

0,01

5 4

313,

2 35

,66

0,00

88

- -

- -

- -

- -

-

7 3

815,

0 55

,12

0,01

5 3

898,

2 37

,6

0,01

04

- -

- -

- -

- -

-

8 -

- -

4 52

0,7

41,7

2 0,

0102

-

- -

- -

- -

- -

Pro

med

io

4 47

9,2

58,4

8 0,

014

4 23

2,4

35,4

5 0,

0090

3

722,

2 35

,71

0,01

0 3

285,

3 25

,95

0,00

86

1 85

6,9

18,8

0 0,

012

Des

viac

ión

75

2,0

7,05

0,

002

579,

1 5,

78

0,00

10

142,

5 2,

67

0,00

1 18

0,5

3,00

0,

0012

29

2,3

1,14

0,

002

CV

(%

) 16

,80

12,0

5 17

,71

13,7

0 16

,29

11,3

8 3,

80

7,46

7,

38

5,40

11

,57

13,4

5 15

,70

6,06

15

,31

154

154

Tab

la A

III.

3. R

esul

tado

s en

sayo

s a

trac

ción

de

com

pues

tos

híbr

idos

seg

ún la

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AST

M D

303

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volu

mét

rica

de

0,20

#

Pro

bet

a

Fc0

-Fv1

00

Fc2

5-F

v75

Fc5

0-F

v50

Fc7

5-F

v25

Fc1

00-F

v0

E

Tm

ax

e E

T

max

e

E

Tm

ax

e E

T

max

e

E

Tm

ax

e

MP

a M

Pa

mm

/mm

M

Pa

MP

a m

m/m

m

MP

a M

Pa

mm

/mm

M

Pa

MP

a m

m/m

m

MP

a M

Pa

mm

/mm

1 7

494,

0 64

,57

0,01

0 5

152,

0 54

,1

0,01

2 3

973,

1 32

,12

0,00

9 2

786,

2 25

,21

0,00

91

2 18

6,8

17,4

9 0,

009

2 5

003,

4 76

,91

0,01

6 5

691,

9 40

,95

0,00

8 4

014,

3 46

,50

0,01

2 3

062,

5 22

,55

0,00

84

1 80

2,8

17,7

7 0,

009

3 4

498,

0 64

,69

0,01

5 6

848,

7 52

,82

0,00

9 3

812,

0 27

,94

0,00

8 3

083,

8 25

,07

0,00

84

1 79

7,0

16,0

9 0,

011

4 5

250,

6 41

,24

0,00

8 6

334,

7 45

,3

0,00

9 4

120,

9 32

,71

0,00

9 2

988,

0 24

,15

0,00

86

1 90

5,0

16,2

6 0,

010

5 5

305,

0 72

,95

0,01

5 4

697,

2 62

,63

0,01

4 3

906,

7 40

,49

0,01

1 3

299,

4 18

,99

0,00

60

1 74

7,0

17,5

4 0,

009

6 5

018,

1 68

,14

0,01

5 5

062,

4 59

,38

0,01

3 5

607,

2 42

,91

0,00

9 2

778,

0 21

,87

0,00

88

1 91

8,2

16,3

0 0,

010

7 5

138,

8 79

,24

0,01

6 4

751,

8 49

,41

0,01

1 3

785,

0 40

,96

0,01

2 2

842,

9 20

,70

0,00

70

1 57

2,0

15,0

6 0,

011

8 4

933,

8 72

,57

0,01

6 4

480,

6 57

,35

0,01

4 -

- -

- -

- 1

890,

9 19

,21

0,01

1

9 -

- -

5 09

3,6

57,5

2 0,

012

- -

- -

- -

- -

-

10

- -

- 4

089,

7 59

,68

0,01

7 -

- -

- -

- -

- -

11

- -

- 4

454,

9 57

,48

0,01

4 -

- -

- -

- -

- -

12

- -

- 4

061,

0 54

,62

0,01

3 -

- -

- -

- -

- -

13

- -

- 4

115,

2 54

,52

0,01

4 -

- -

- -

- -

- -

Pro

med

io

5 33

0,2

67,5

4 0,

014

4 98

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9 0,

012

4 17

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1

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,96

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Des

viac

ión

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11

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5 1,

29

0,00

1

CV

(%

) 17

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17,6

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17,2

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5 15

,40

17,9

5 17

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10

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27

155

155

T

abla

AII

I. 4

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5-F

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m

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m/m

m

MP

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3 95

,13

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9 3

193,

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0,02

6 3

174,

0 79

,68

0,03

5 2

816,

3 67

,16

0,03

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0,03

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755,

3 95

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6 2

568,

4 59

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875,

4 49

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761,

0 96

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123,

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Pro

med

io

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2 0,

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2 78

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43,9

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036

Des

viac

ión

11

0,1

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0,

003

179,

9 7,

19

0,00

5 20

1,5

6,67

0,

005

162,

6 5,

13

0,00

3 10

4,1

4,65

0,

005

CV

(%

) 3,

00

2,77

7,

15

5,40

9,

27

15,9

5 6,

63

9,21

17

,14

5,80

8,

05

11,6

6 5,

80

10,5

8 14

,95

156

156

T

abla

AII

I. 5

. Res

ulta

dos

ensa

yos

a fl

exió

n de

com

pues

tos

híbr

idos

seg

ún la

nor

ma

AST

M D

726

4 pa

ra u

na f

racc

ión

volu

mét

rica

de

0,20

# P

rob

eta

Fc0

-Fv1

00

Fc2

5-F

v75

Fc5

0-F

v50

Fc7

5-F

v25

Fc1

00-F

v0

E

Tm

ax

e E

T

max

e

E

Tm

ax

e E

T

max

e

E

Tm

ax

e

MP

a M

Pa

mm

/mm

M

Pa

MP

a m

m/m

m

MP

a M

Pa

mm

/mm

M

Pa

MP

a m

m/m

m

MP

a M

Pa

mm

/mm

1 4

412,

9 11

5,3

0,03

9 4

337,

3 10

7,4

0,03

2 4

343,

7 10

2,90

0,

031

3 09

3,5

58,0

1 0,

023

2 16

4,9

51,9

4 0,

034

2 4

333,

8 97

,94

0,02

8 4

256,

6 10

3,4

0,03

0 4

218,

4 91

,09

0,02

6 3

140,

2 63

,80

0,02

4 1

891,

5 40

,00

0,02

4

3 4

619,

8 12

2,9

0,03

6 4

848,

2 12

2,8

0,03

0 4

087,

3 94

,98

0,03

1 3

036,

2 63

,12

0,02

7 2

027,

2 45

,93

0,02

8

4 4

423,

5 10

9,5

0,03

2 4

437,

1 10

9,3

0,03

0 4

154,

2 75

,21

0,02

1 3

114,

3 65

,08

0,02

5 1

965,

1 42

,21

0,02

8

5 4

623,

7 10

9,5

0,03

4 4

542,

6 10

8,7

0,03

0 3

671,

0 81

,99

0,02

9 3

207,

9 68

,57

0,02

8 2

006,

7 43

,36

0,02

6

Pro

med

io

4 48

2,7

111,

1 0,

034

4 48

4,4

110,

3 0,

030

4 09

4,9

89,2

3 0,

027

3 11

8,4

63,7

2 0,

025

2 01

1,1

44,6

9 0,

028

Des

viac

ión

13

1,6

9,18

0,

004

229,

9 7,

4 0,

001

255,

2 10

,86

0,00

4 63

,0

3,82

0,

002

100,

4 4,

58

0,00

4

CV

(%

) 2,

90

8,27

12

,86

5,10

6,

66

2,94

6,

20

12,1

7 14

,79

2,00

6,

00

7,23

5,

00

10,2

5 13

,73

157

Tabla AIII. 6. Resultados ensayos de impacto según norma ASTM D 5628-07 para la resina poliéster Anderpol 859

X = FALLA O = NO FALLA

MARCA 20/05

h (cm)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 nx no i ni in1 i^2n1

12,00 x x 2 0 7 2 14 98

11,50 o o x 1 2 6 1 6 36

11,00 o 0 1 5 0 0 0

10,50 o 0 1 4 0 0 0

10,00 x o 1 1 3 1 3 9

9,50 x x o 2 1 2 2 4 8

9,00 x x x o 2 2 1 2 2 2

8,50 x o o 1 2 0 1 0 0

8,00 o 0 1

TOTALES 9 11 9 29 153

Ng No N A B

Tabla AIII. 7. Resultados ensayos de impacto según norma ASTM D 5628- para el compuesto híbrido al 20 % de refuerzo y configuración Fc50-Fv50


MARCA 20/05

h (cm)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 nx no i ni in1 i^2n1

10,20 x 1 0 3 1 3 9

9,20 x o x 2 1 2 2 4 8

8,20 x x o x 3 1 1 3 3 3

7,20 x o x x x x o 5 2 0 5 0 0

6,20 o o o o o 0 5 0

TOTALES 11 9 11 10 20

Ng No N A B

158

Tabla AIII. 8. Resultados ensayos de impacto según norma ASTM D 5628- para la resina poliéster reforzada con el 20 % de fibra de vidrio


MARCA 06/05

h (cm)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 nx no i ni in1 i^2n1

11,00 x 1 0 2 1 2 4

10,50 x x x x x x 6 0 1 6 6 6

10,00 o x x o o x o x o 4 5 0 4 0 0

9,50 o o o o 0 4

TOTALES 11 9 11 8 10

Ng No N A B

Tabla AIII. 9. Parámetros encontrados en cada ensayo de impacto

Resina poliéster Híbrido al 20 % (Fc50-Fv50) Resina reforzada con el 20 %

de fibra de vidrio

ho 85 72,0 100,0

dh 5 10,0 5,0

sh 54 16,5 3,3

Sh -- 4,7 1,0

H 101 ± 2,5 81,1 ± 5,0 103,6

E 0,070 0,323 ± 0,019 0,508 ± 0,016

Tabla AIII. 10. Resultados ensayos de tracción y flexión según norma ASTM D 3500 y ASTM D 3043, respectivamente para tableros de compuesto híbrido

# Probeta

Tracción Flexión Densidad (g/cm3) E Tmax e E Tmax e

MPa MPa mm/mm MPa MPa mm/mm

1 3 980,5 29,17 0,011 6 392,7 105,5 0,019

1,23

2 3 390,7 30,87 0,013 6 253,9 110,9 0,021

3 5 282,6 41,49 0,006 6 500,0 124,7 0,022

4 4 455,0 41,80 0,012 5 047,3 107,5 0,024

Promedio 4 277,2 35,83 0,010 6 048,5 112,1 0,021

Desviación 799,2 6,75 0,003 675,0 8,7 0,002

CV (%) 18,69 18,83 27,73 11,20 7,74 11,00

159

ANEXO IV

SELECCIÓN DE LA FRACCIÓN VOLUMÉTRICA Y

CONFIGURACIÓN DE REFUERZO

Este método permitió mediante ponderación determinar cuál es la configuración

más adecuada para la obtención de probetas para ensayos de impacto y la

elaboración de tableros, Se aplicó este método a los resultados de los ensayos de

tracción y flexión para una fracción volumétrica de refuerzo de 0,20.

Método de los criterios ponderados aplicado a los resultados de ensayos de tracción

Paso 1. Se establecieron los criterios de evaluación y se ponderó cada variable,

Se colocó en filas y columnas los criterios como se observa en la Tabla AIV.1.

Tabla AIV. 1. Establecimiento de los criterios a ponderarse en los ensayos a tracción

Módulo elástico Resistencia Deformación

Módulo elástico

Resistencia

Deformación

Paso 2. Se compararon los criterios y se estableció una ponderación de acuerdo

al grado de importancia de la siguiente forma:

Módulo elástico = Resistencia > Deformación

Luego se compararon las filas con las columnas. Así, en el caso de que el Módulo

elástico = Resistencia, se anotó una ponderación de 0,5 a cada una. Si el

Resistencia > Deformación se coloca 1 a la resistencia. Cuando la Deformación <

Módulo elástico se coloca un cero en la casilla de la Deformación, como se

observa en la Tabla AIV.2.

160

Tabla AIV. 2. Criterios de evaluación para las propiedades observadas en los ensayos de tracción

Tracción Módulo elástico

Resistencia Deformación +1 Suma Ponderación

Módulo elástico

0,5 1,0 1,0 2,5 0,42

Resistencia 0,5

1,0 1,0 2,5 0,42

Deformación 0,0 0,0

1,0 1,0 0,17

Suma total 6,0 1,00

Se adiciona el valor de un punto a todas las variables para evitar que ninguna

tenga una ponderación de cero, lo cual significaría que no tendría ninguna

importancia. Finalmente, se suman los valores encontrados y se obtiene la

ponderación alcanzada por cada variable, como se observa en la última columna

(Ponderación) de la Tabla AIV.2. Una vez establecidos los criterios de evaluación,

se realiza el mismo procedimiento para las distintas configuraciones, como se

muestra en la Tabla AIV.3.

Tabla AIV. 3. Comparación y ponderación de las propiedades a tracción de las formulaciones

Módulo elástico

R,P 859

Fc100-Fv0

Fc75-Fv25

Fc50-Fv50

Fc25-Fv75

Fc0-Fv100 Adiciona 1 Suma Ponderación

R,P 859 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 1,0 0,05

Fc100-Fv0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 2,0 0,10

Fc75-Fv25 1,0 1,0

0,0 0,0 0,0 1,0 3,0 0,14

Fc50-Fv50 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 1,0 4,0 0,19

Fc25-Fv75 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 5,5 0,26

Fc0-Fv100 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 5,5 0,26

Suma total 21,0 1,00

Resistencia R,P 859

Fc100-Fv0

Fc75-Fv25

Fc50-Fv50

Fc25-Fv75

Fc0-Fv100 Adiciona 1 Suma Ponderación

R,P 859 1,0 1,0 0,0 0,0 0,0 1,0 3,0 0,14

Fc100-Fv0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 1,0 0,05

Fc75-Fv25 1,0 1,0 0,0 0,0 0,0 1,0 3,0 0,14

Fc50-Fv50 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 1,0 4,0 0,18

Fc25-Fv75 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 1,0 5,0 0,23

Fc0-Fv100 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 6,0 0,27


161

Tabla AIV.3. Comparación y ponderación de las propiedades a tracción de las formulaciones (continuación..)

Deformación R,P 859

Fc100-Fv0

Fc75-Fv25

Fc50-Fv50

Fc25-Fv75

Fc0-Fv100

Adiciona 1 Suma Ponderación

R,P 859 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 1,0 0,05

Fc100-Fv0 1,0 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 4,5 0,21

Fc75-Fv25 1,0 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 4,5 0,21

Fc50-Fv50 1,0 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 4,5 0,21

Fc25-Fv75 1,0 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 4,5 0,21

Fc0-Fv100 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 2,0 0,10


En esta tabla se compararon las magnitudes alcanzadas por cada configuración

en los ensayos mecánicos analizados en el capítulo 3. Se asignó el valor de cero

si la magnitud de la configuración la columna 1 fue menor a la configuración

comparada en la fila 1, caso contrario se colocó 1. Para el caso de las

deformaciones se consideró superior la configuración con menor deformación.

Así, al comparar la deformación de la resina poliéster con la configuración Fc50-

Fv50, se anotó cero.

Paso 3. La ponderación alcanzada por cada configuración en la Tabla AIV.3, se

multiplicó por el valor dado a cada criterio en Tabla AIV.2. Los resultados de este

cálculo se presentan en la Tabla AIV.4.

Tabla AIV. 4. Ponderación alcanzada por las configuraciones en los ensayos a tracción

Formulación Módulo elástico Resistencia Deformación Suma

R,P 859 0,020 0,057 0,008 0,085

Fc100-Fv0 0,040 0,019 0,036 0,094

Fc75-Fv25 0,060 0,057 0,036 0,152

Fc50-Fv50 0,079 0,076 0,036 0,191

Fc25-Fv75 0,109 0,095 0,036 0,240

Fv100-Fv0 0,109 0,114 0,016 0,239

162

Método de criterios ponderados aplicado a los resultados ensayos de flexión

En las Tablas AIV.5 y AIV.6 se procedió de manera similar a la descrita para los

ensayos de tracción.

Paso 1

Tabla AIV. 5. Criterios de evaluación para las propiedades observadas en los ensayos de flexión

Flexión Módulo flexión Resistencia Deformación Adiciona 1

Ponderación

Módulo flexión

0,5 1,0 1,0 2,5 0,42

Resistencia 0,5

1,0 1,0 2,5 0,42

Deformación 0,0 0,0

1,0 1,0 0,17

Suma total 6,0 1,00

Paso 2

Tabla AIV. 6. Comparación y ponderación de las propiedades a flexión de las formulaciones

Módulo flexión

R,P 859

Fc100-Fv0

Fc75-Fv25

Fc50-Fv50

Fc25-Fv75

Fc0-Fv100


R,P 859 0,5 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 1,5 0,07

Fc100-Fv0 0,5 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 1,5 0,07

Fc75-Fv25 1,0 1,0 0,0 0,0 0,0 1,0 3,0 0,14

Fc50-Fv50 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 1,0 4,0 0,19

Fc25-Fv75 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 5,5 0,26

Fc0-Fv100 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 5,5 0,26


Resistencia R,P 859

Fc100-Fv0

Fc75-Fv25

Fc50-Fv50

Fc25-Fv75

Fc0-Fv100


R,P 859 1,0 0,0 0,0 0,5 0,0 1,0 2,5 0,12

Fc100-Fv0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 1,0 0,05

Fc75-Fv25 0,5 1,0 0,0 0,0 0,0 1,0 2,5 0,12

Fc50-Fv50 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 1,0 4,0 0,19

Fc25-Fv75 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 5,5 0,26

163

Tabla AIV.6. Comparación y ponderación de las propiedades a flexión de las formulaciones (continuación..)

Fc0-Fv100 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 5,5 0,26


Deformación R,P 859

Fc100-Fv0

Fc75-Fv25

Fc50-Fv50

Fc25-Fv75

Fc0-Fv100


R,P 859 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 1,0 0,05

Fc100-Fv0 1,0 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 4,5 0,21

Fc75-Fv25 1,0 0,5 0,5 1,0 1,0 1,0 5,0 0,24

Fc50-Fv50 1,0 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 4,5 0,21

Fc25-Fv75 1,0 0,5 0,0 0,5 0,5 1,0 3,5 0,17

Fc0-Fv100 1,0 0,0 0,0 0,0 0,5 1,0 2,5 0,12


Paso 3

Tabla AIV. 7. Ponderación final alcanzada por las configuraciones en los ensayos a flexión

Módulo flexión Resistencias Deformación Suman

R,P 859 0,030 0,050 0,008 0,087

Fc100-Fv0 0,030 0,020 0,036 0,085

Fc75-Fv25 0,060 0,050 0,040 0,149

Fc50-Fv50 0,079 0,079 0,036 0,194

Fc25-Fv75 0,109 0,109 0,028 0,246

Fv100-Fv0 0,109 0,109 0,020 0,238

Suma total 1,000

Para complementar el efecto de los ensayos realizados se establecieron dos

nuevos criterios ‘’tracción y flexión’’. En la Tabla AIV.8 se presenta la ponderación

dada a cada criterio.

Tabla AIV. 8. Criterios de evaluación para las propiedades mecánicas

Tracción Flexión Adiciona Suma Ponderación

Tracción

0,5 1,0 1,5 0,5

Flexión 0,5

1,0 1,5 0,5

Suma total 3,0 1,0

164

Finalmente, se multiplicaron los factores de la Tabla AIV.8 a las columnas de las

Tablas AIV.4 y AIV.7. En la Tabla AIV.9 se condensan las puntuaciones

alcanzadas por todas las configuraciones de refuerzo en los ensayos de tracción y

flexión.

Tabla AIV. 9. Ponderación final obtenida por las configuraciones en los ensayos de tracción y flexión

Configuración Módulo tracción

Resistencia a la

tracción Deformación

Módulo flexión

Resistencia flexión

Deformación Suma

R,P 859 0,010 0,028 0,004 0,015 0,025 0,004 0,086

Fc100-Fv0 0,020 0,009 0,018 0,015 0,010 0,018 0,090

Fc75-Fv25 0,030 0,028 0,018 0,030 0,025 0,020 0,150

Fc50-Fv50 0,040 0,038 0,018 0,040 0,040 0,018 0,193

Fc25-Fv75 0,055 0,047 0,018 0,055 0,055 0,014 0,243

Fv100-Fv0 0,055 0,057 0,008 0,055 0,055 0,010 0,238

Suma total 1,000

Como se observa en la Tabla AIV.9 las configuraciones Fc50-Fv50 y Fc25-Fv75,

fueron las configuraciones híbridas mejor puntuadas. Para seleccionar la fracción

a emplearse para los ensayos de impacto y fabricación de un prototipo, se aplicó

nuevamente el método de criterios ponderados y se establecieron nuevos criterios

de evaluación como se muestra en la Tabla AIV.10, obteniéndose los resultados

presentados en la Tabla AIV.11.

Tabla AIV. 10. Criterios de evaluación para la selección de la configuración de refuerzo

Buenas propiedades mecánicas

Fibra natural +1 Suma Ponderación

*B.P.M

0,5 1,0 1,5 0,5

Fibra natural 0,5

1,0 1,5 0,5

*B.P.M significa buenas propiedades mecánicas

165

Tabla AIV. 11. Comparación y ponderación de los criterios de evaluación en las formulaciones híbridas mejor puntuadas

Fibra de coco Fc50-Fv50 Fc25-Fv75 +1 Suma Ponderación

Fc50-Fv50

1,0 1,0 2,0 0,67

Fc25-Fv75 0,0

1,0 1,0 0,33

Suma total 3,0 1,00

Posteriormente con las ponderaciones de las propiedades mecánicas de Tabla

AIV.9, se obtuvieron las fracciones y se multiplicaron por las columnas de la Tabla

AIV.10. Así, las fracciones fueron:

(Fc50-Fv50) 0,192+0,243 (Fc75-Fv25) = 0,436 (Suma de la Tabla AIV. 9)

De 0,436 las fracciones son: Fc50-Fv50 = 0,44 y Fc75-Fv25=0,56

0,44*0,5=0,22 (multiplicado por la Tabla AIV.

De esta manera, se encontró la ponderación final de cada configuración, descrita

en la Tabla 3.18.

166

ANEXO V

SELECCIÓN DEL PROTOTIPO

Para la selección del prototipo se empleó nuevamente el método de criterios

ponderados. Las alternativas de prototipo fueron evaluadas considerándose tres

criterios: Disponibilidad tecnológica, factibilidad técnica y costos. En la Tabla AV.1

se presentan los análisis realizados.

Tabla AV. 1. Ponderación y evaluación de los criterios analizados en las alternativas

Disponibilidad tecnológica

Factibilidad técnica Costos Suma 1 Total Porcentaje


0,5 0,5 1,0 2,0 0,33

Factibilidad técnica

0,5

0,5 1,0 2,0 0,33

Costos 0,5 0,5

1,0 2,0 0,33

Total 6,0 1,00


Mesa escritorio Mueble para D,A, Archivador Suma 1 Total Porcentaje

Mesa escritorio

0,0 0,5 1,0 1,5 0,25

Mueble para D,A, 1,0

1,0 1,0 3,0 0,50

Archivador aéreo 0,5 0,0

1,0 1,5 0,25

Total 6,0 1,00

Factibilidad técnica

Mesa escritorio Mueble para D,A, Archivador Suma 1 Total Porcentaje

Mesa escritorio

0,5 1,0 1,0 2,5 0,42


1,0 1,0 2,5 0,42


1,0 1,0 0,17

Total 6,0 1,00

Costos Mesa

escritorio Mueble para D,A, Archivador Suma 1 Total Porcentaje

Mesa escritorio

0,0 0,5 1,0 1,5 0,25


1,0 1,0 3,0 0,50


1,0 1,5 0,25

Total 6,0 1,00

167

Así, para el caso de la alternativa Mueble de para dispositivos audiovisuales, la

ponderación total se obtuvo de la siguiente manera:

Disponibilidad tecnológica: 0,33*0,5 =0,165

Factibilidad técnica: 0,33*0,42=0,14

Costos: 0,33*0,50=0,165

Total=0,165+0,14+0,165=0,47

Finalmente en la Figura AV.1, se presenta el esquema y las dimensiones del

prototipo,

Figura AV.1. Esquema y dimensiones usadas en la fabricación del prototipo

obtenciÓn de materiales compuestos hÍbridos de … · equipos evaluados en la extracción de...

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