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Obtención de Probetas de Materiales Compuesto de Matriz Poliéster

reforzados con fibra de coco mediante Estratificación manual; para la

realización de Ensayos de Flexión, Tracción e Impacto

Baquero Jorge jorbaqdu@hotmail.com Guanoluisa Luis benjitex@hotmail.com Monar Tamara tammy_130393@hotmail.com Pineda Guillermo pinedagui4@gmail.com Segovia Juan Carlos juanksego@gmail.com

Resumen Mediante la utilización del proceso de estratificación manual se realizaron probetas de matriz poliéster reforzadas con fibra de coco para ensayos de tracción1, flexión2 e impacto3, las medidas de las mismas están dadas según las normas ASTM D3039-081, ASTM D7264M-072 y ASTM D5628-103. Se usó fibras largas de coco, procesadas mediante molino de fibra, distribuidas aleatoriamente. Para esta configuración se utilizó una fracción volumétrica de fibra de 0.10; calculada analíticamente y mediante pruebas realizadas en la fabricación de los tableros. Se obtuvo cuatro tableros finales, con notables mejoras respecto a los primeros ensayos de fabricación, de los cuales se extrajo las probetas requeridas mediante corte con caladora. Los ensayos normalizados serán efectuados dentro de un plazo determinado de tiempo.

Palabras claves: fibra de coco, matriz y refuerzo, resina poliéster, estratificación manual, ensayos normalizados, material compuesto.

Abstract Using hand lay-up process was realized coconut reinforced polyester matrix specimens for tensile1, flexion2 and impact3 test, which dimensions are specified by ASTM D3039-081, ASTM D7264M-072 and ASTM D5628-103. Coconut continuous fiber was used, processed by fiber mill, randomly distributed. For this reinforcement configuration 0.10 volume fraction was used. Calculated analytically and by test carried out in the manufacture of boards. Four final boards were obtained, with notable improvements over the first trials of manufacturing, which required specimens was extracted by cutting with jigsaw. Standardized test will be carried out within a certain period of time. Keywords: coconut fiber, polyester resin, reinforcement and matrix, hand lay-up, standardized test, composite.

1. Introducción

En la actualidad el uso de materiales compuestos ha desarrollado una gran industria, el mercado mundial de estos ha crecido desde 1994 hasta fechas actuales produciéndose más de 10 millones de toneladas por año, donde cerca del 50% del mercado para estos productos se centra en Estados Unidos [1]. Dado que un material compuesto es aquel formado por dos

o más componentes, de forma que las propiedades del material final sean superiores que las de los componentes por separado [2], el cual en los últimos años ha basado su fabricación en el uso de refuerzo en forma de fibras plásticas, ha provocado el análisis del uso de fibras naturales como refuerzo debido a las buenas propiedades que presentan estas, y a su degradabilidad, que favorece al

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ecosistema. Aunque potencialmente cualquier material puede ser utilizado como matriz para las fibras, en la práctica solo se usa un número limitado de materiales, y la selección de estos viene determinada por factores tales como: la facilidad de fabricación, la compatibilidad con las fibras, las propiedades finales deseadas, el costo, etc.[3] Entre las fibras naturales se encuentra la fibra de coco, que es obtenida de la semilla por la separación física del cuesco del coco, esta se clasifica de acuerdo al grado de madurez del fruto; mientras más maduro la fibra es más rígida por contener más lignina, la fibra del fruto verde es más flexible pero es susceptible a daño por su humedad. En el Ecuador la producción de coco se da principalmente en la región costa a la orilla del mar, debido a que la planta requiere un clima cálido húmedo y un suelo con alto contenido de sal. En el país la fibra es considerada generalmente como un desecho debido a la poca industrialización de este producto. Los principales exportadores de coco a nivel mundial son la India y Sri Lanka [4]. La fibra de coco presenta ciertas características entre la que destaca una buena resistencia a la acción microbiana. [5]. Se puede observar una comparación de las propiedades físicas de esta fibra comparada con el abacá y la cabuya en la siguiente tabla: Tabla 1. Comparación de las características de

las fibras vegetales duras principales

Fibra Largo (m)

Diámetro (m)

Módulo (kg/mm

2)

Abacá 2.481-2.919

0.249-0.279

2 206.80

Cabuya 1.070- 1290

0.161-0.180

1 959.25

Coco 0.130-0.350

0.272-0.471

1 568.20

Actualmente se está utilizando la fibra en rellenos, cojines de automóviles, entre otros, y se está abriendo paso

poco a poco en la industria automotriz. [4,6]. El presente trabajo trata acerca de la evaluación de probetas hechas de material compuesto, resina poliéster y fibra de coco, mediante el proceso de estratificación manual para determinar los valores que se obtienen en los ensayos normalizados de tracción, flexión e impacto y una comparación de los mismos con valores de otros ensayos realizados para verificar la validez de las pruebas a realizarse.

2. Materiales y métodos a. Materiales

Para realizar las probetas se utilizó resina poliéster como matriz del material compuesto, como diluyente se utilizó estireno al 9%v/v, el iniciador del proceso fue el octoato de cobalto al 0.5%v/v y como catalizador se utilizó peróxido de metil etil cetona (MEKP) al 1,2%v/v, estos productos fueron obtenidos en la empresa TRECX Cia Ltda.; conocida públicamente como PINTULAC. Como refuerzo se utilizó fibra de coco obtenida de la zona costera de Esmeraldas, y como agente desmoldante se utilizó cera para autos marca RALLY.

b. Métodos Elaboración de probetas de material compuesto Dadas las dimensiones de las probetas que se debían realizar, y debido a que se requería realizar siete probetas para cada ensayo se fabricó una caja de dimensiones interiores 200x300x20mm y una tapa para la misma [Anexo 1], también se incluye las indicaciones para el corte de las probetas. En la siguiente tabla se puede observar las medidas que se requiere en las probetas:

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Ensayo Largo Ancho Espesor

Tracción ASTM D3039-08

250 25 2.5

Flexión ASTM D7264M-07

160 13 4

Impacto ASTM D5628-10

60 60 2

Nota: Las medidas se encuentran en milímetros

Mediante el proceso de estratificación manual para la obtención de las probetas se actuó de la siguiente forma: 1. Extracción de la fibra: Se utilizó el

molino para obtener las fibras, posterior a ello se clasificó las fibras molidas para retirar cualquier tipo de desperdicio en las mismas

2. Aplicación de cera desmoldante: Para ello se recubrió al molde con acetato, obteniéndose de esa forma un mejor acabado superficial, al cual se le aplicó la cera desmoldante con un guaype para evitar excesos.

3. Distribución de la fibra: Se utilizó una fracción volumétrica de 0.10 de fibra, la cual se trató de distribuir uniformemente en el molde. Antes de realizar esto se colocaron “topes” en el molde para lograr una uniformidad en el espesor de los tableros, se utilizaron diferentes topes de acuerdo al espesor requerido

4. Preparación de la resina: Con las cantidades mencionadas en la sección 2.a, se procedió a preparar la resina, mezclando uno a uno los componentes, procurando que cada uno de ellos se encuentre completamente diluido antes de colocar el siguiente; el orden de colocación de los productos fue: Estireno, Octoato de Cobalto y MEKP. Para la probeta del ensayo de tracción se trabajó con un patrón base de 300 cm3 de resina,

y para las probetas restantes se utilizó en cada una 200cm3

5. Distribución de la resina preparada: Una vez mezclados los componentes se distribuyó la resina a lo largo del molde, procurando colocar la misma de manera uniforme, teniendo en cuenta el tiempo, que no podía ser mucho, para evitar el endurecimiento.

6. Aplicación de peso: Se colocó la tapa en el molde, previamente colocada cera, y se aplicó presión sobre la caja para lograr una buena compactación de la mezcla

7. Desmoldeo: Pasados 50 minutos de haber aplicado la presión se procede a desmoldar y a señalar las probetas para realizarles los cortes respectivos

8. Corte: Utilizando la caladora se realiza el corte a los tableros para obtener las probetas requeridas

3. Resultados

En los primeros intentos de realización de las probetas se presentaron serias deficiencias tanto en el mantenimiento de un espesor a lo largo de la probeta, así como también lograr una correcta distribución de la fibra, como su cantidad.

En los siguientes intentos de elaboración de los tableros ocurrieron contratiempos, como por ejemplo, el iniciador y el catalizador reaccionaron en la parte superior de la mezcla y al momento de aplicar esta en la caja, nunca reaccionó, por lo tanto se dañó ese tablero.

En la mayoría de tableros se presentaban porosidades y burbujas, se corrigió el problema teniendo mucha más precaución al momento de realizar la mezcla y hacerla a menor velocidad.

En algunos casos se excedía la cantidad de octoato de cobalto en

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la mezcla, lo que conllevaba a un oscurecimiento del tablero

En ciertos intentos por aumentar la cantidad de fibra en el tablero se puso mucha fibra y muy poca resina, se pegaron las fibras pero no se tenía un tablero apto para hacer los ensayos

Luego de varios intentos se consiguió consolidar la cantidad de fibra apta para el tablero y la cantidad de los productos para fabricar la resina. Estableciéndose que en cada 100 cm3 de resina poliéster se debía añadir 10 cm3 de estireno para diluir a la resina, 0.55 cm3 de octoato de cobalto como iniciador y 1.30 cm3 de MEKP como catalizador

Se notó también que si se realizaba una aplicación de bastante presión, alrededor de 15kPa, por un momento y luego de ello una presión de 5kPa constante hasta antes del desmoldeo, los tableros se mostraban con excelentes acabados.

4. Conclusiones

La obtención de materiales compuestos refuerzos de fibras naturales es una alternativa viable para lograr una alta biodegradabilidad en los productos, los cuales presentan propiedades mecánicas similares a los materiales compuestos con refuerzos poliméricos

La fibra de coco representa un material altamente industrializable en el país, debido a la alta producción de este material y a su bajo costo; lo que le da un valor elevado para un posterior uso en empresas que incursionen en los materiales compuestos reforzados con fibras naturales

Si se realiza materiales compuestos reforzados con fibras naturales es útil tener en claro que cantidad de fibras se van a

colocar, ya que si se excede cierto valor las propiedades mecánicas tienden a disminuir, caso similar ocurre al momento de colocar muy poca fibra

Es recomendable utilizar moldes con acabado superficiales que permitan obtener superficies lisas, además que posean “topes“ para lograr una uniformidad en los espesores de los tableros

De acuerdo como se realice la distribución de las fibras se va a tener más o menos resistencia en cada una de las direcciones en las que se ensaye.

El proceso de estratificación manual es un medio fácil para lograr elaborar tableros de materiales compuestos reforzados con fibras naturales al momento de usar los productos hay que tener precaución ya que algunos de ellos son altamente inflamables, como el caso del estireno

5. Referencias [1]Roca. R., 2005, “Estudio de la aplicabilidad de materiales compuestos avanzados en la construcción de edificios industriales”, pp.11 [2] A. Miravete., 2000, “Materiales compuestos I”, Ed. Reverté. [3] Hull D., 2003, “Materiales compuestos”, España, p.7 [4]Guerrero V.H., 2011, “Nuevos Materiales: Aplicaciones estructurales e industriales”, pp. 93-94 [5]Gallegos S., 2011, “Obtención de un material compuesto de matriz elastomérica y fibra de coco”, pp. 38-40 [6]Renovables Verdes, “El coco y sus aplicaciones en la industria”, http://www.renovablesverdes.com/el-coco-y-sus-aplicaciones-en-la-industria/.

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6. Anexos

Anexo 1 Molde para la fabricación de probetas

Anexo 2 Indicaciones para el corte de las probetas

Ensayo de tracción: Cantidad de Probetas: 7

Ensayo de flexión: Cantidad de Probetas: 20

Ensayo de impacto Cantidad de Probetas: 12

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Anexo 3 Proceso realizado Clasificación de la fibra

Encerado del molde y colocación de “topes”

Colocación de la fibra

Preparación de la resina

Colocación de la resina

Cierre y Aplicación de peso

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Anexo 4 Probetas obtenidas

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