UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA SEDE … · A Dios Por permitirme seguir con vida para seguir...
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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA
SEDE CUENCA
CARRERA DE INGENIERIA MECANICA
“OBTENCION EXPERIMENTAL DE UN MATERIAL
BIOCOMPUESTO A BASE DE UNA MATRIZ POLIMERICA Y
REFORZADA CON FIBRAS NATURALES DE GUADUA
ANGUSTIFOLIA PROVENIENTE DEL ECUADOR”
Tesis previa a la obtencion del
tıtulo de Ingeniero Mecanico.
Autores:
Valarezo Jaramillo Luis Eduardo
Director:
Ing. Jorge Fajardo Seminario
Cuenca, Junio 18 2013
UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA
SEDE CUENCA
CARRERA DE INGENIERIA MECANICA
“OBTENCION EXPERIMENTAL DE UN MATERIAL
BIOCOMPUESTO A BASE DE UNA MATRIZ POLIMERICA Y
REFORZADA CON FIBRAS NATURALES DE GUADUA
ANGUSTIFOLIA PROVENIENTE DEL ECUADOR”
Tesis previa a la obtencion del
tıtulo de Ingeniero Mecanico.
Autores:
Valarezo Jaramillo Luis Eduardo
Director:
Ing. Jorge Fajardo Seminario
Cuenca, Junio 18 2013
A Dios
Por permitirme seguir con vida para seguir luchando por mis ideales y por ser la ayuda
que me permite encontrar solucion a mis problemas.
A mis padres
Por haberme apoyado en los triunfos y en las derrotas y por ser un ejemplo en todo
momento inculcando valores y haciendome un ente de bien y de responsabilidad.
Daisy Jaramillo, Luis Valarezo
A mis abuelos
Que han estado pendientes de mi desarrollo en el transcurso de todo este proceso.
Alicia Jaramillo, Marco Jaramillo
i
AGRADECIMIENTOS
A mis padres
Por su ayuda incondicional para el desarrollo de este trabajo.
Al Ing. Jorge Fajardo
Por la direccion de este proyecto con gran profesionalismo.
A mis amigos
Por el apoyo en cada uno de los procesos para generar este proyecto.
A mis docentes
Por inculcar en mi los conocimientos para generar este proyecto.
A las universidadades UPS y UPB
Por todo el apoyo para la correcta culminacion de este proyecto.
ii
DECLARATORIA
El trabajo de grado que presento, es original y basado en el proceso de investigacion y/o
adaptacion tecnologica establecido en la Carrera de Ingenierıa Mecanica de la Universidad
Politecnica Salesiana. En tal virtud los fundamentos tecnicos - cientıficos y los resultados
son exclusiva responsabilidad del autor.
A traves de la presente declaracion cedo los derechos de propiedad intelectual
correspondiente a este trabajo, a la Universidad Politecnica Salesiana, segun lo establecido
por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la Normativa Institucional
Vigente.
Valarezo Jaramillo Luis Eduardo
iii
CERTIFICADO
Que el presente proyecto de tesis “Obtencion experimental de un material biocompuesto
a base de una matriz polimerica y reforzada con fibras naturales de guadua angustifolia
proveniente del Ecuador ”, realizado por el estudiante: Valarezo Jaramillo Luis Eduardo,
fue dirigido por mi persona.
Ing. Jorge Fajardo Seminario
iv
RESUMEN
El presente trabajo tiene como objetivo la obtencion de un material compuesto constituido
por una matriz polimerica y reforzado con fibras naturales cortas de Guadua Angustifolia
Kunth se realizo con un proceso inicial de estudio de campo en materiales compuestos
reforzados con fibras naturales para luego la obtencion de fibras cortas del compuesto.
El siguiente paso fue la experimentacion de diferentes procesos de conformado como :
compresion en caliente, extrusion pelletizado e inyeccion manual, calandrado e inyeccion
manual y finalmente extrusion pelletizado e inyeccion automatica con el fin de obtener las
mejores propiedades mecanicas en el compuesto. Para culminar el trabajo se realizo un
analisis y comparacion de resultados y aplicaciones generadas con estos productos.
Palabras Clave: Fibras naturales, biocompuesto, compuesto, DSC, TGA, extrusion,
inyeccion, calandrado, compresion en caliente.
v
ABSTRACT
This paper’s main objective is to obtain a compound generated a polymer matrix reinforced
with natural fibers of Guadua angustifolia Kunth in which was performed with an initial
process of the field study in composites reinforced with natural fibers and then generate
the obtaining short fibers being reinforcing the compound. The next step was the testing of
various forming processes such as: hot pressing, extrusion and pelletizing manual injection,
calendering and finally manual injection and extrusion pelletizing and automatic injection
in order to obtain the best properties. To complete the work was done an analysis and
comparison of results and applications built with these products.
Keywords: Natural fibers biocomposite composed, DSC, TGA, extrusion, injection,
calendered, hot compression composite.
vi
INDICE
Pag.
Lista de Figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii
Lista de Tablas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi
Lista de Sımbolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xxiv
Lista de Siglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxv
1 Estado del arte de materiales compuestos polimericos reforzados con fibras
naturales con fines estructurales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Introduccion a los compuestos naturales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Evolucion de los materiales compuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Evolucion de los materiales compuestos reforzados con fibras naturales . . . 3
1.4 Clasificacion de materiales compuestos con fibras naturales . . . . . . . . . . . . . 4
1.4.1 Compuestos biodegradables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4.2 Limitaciones de los materiales compuestos con refuerzo de fibra natural 5
1.5 Principales fibras naturales utilizadas a nivel mundial como refuerzo para
materiales compuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.5.1 Fibras blandas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.2 Caracterısticas principales de las fibras blandas mas importantes . . . . 6
1.5.3 Fibras de hoja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.4 Fibras de semilla y de fruta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5.5 Pastos y juncos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
vii
viii
1.5.6 Fibras de madera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.6 Fibra de bambu (Guadua Angustifolia) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.6.1 Condiciones de crecimiento de bambu en general y la GAK . . . . . . . . . 11
1.6.2 El culmo de la planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6.3 Fibras en el culmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.6.4 Componentes quımicos que brindan las caracterısticas a la GAK . . . . 13
1.6.5 Aplicaciones generales del bambu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.7 Fibra de bambu (GAK) en el Ecuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.7.1 Tipos de bambu cultivados en Ecuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.7.2 Produccion de GAK en el Ecuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.7.3 Generalidades de la GAK en el Ecuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.7.4 Dimensiones del culmo de GAK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.7.5 Propiedades de la GAK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.7.6 Ventajas ambientales de la cana guadua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.8 Polietileno como matriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.8.1 Densidad del polietileno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.8.2 Propiedades fısicas y mecanicas de los polietilenos mas conocidos . . . . 20
1.9 Polipropileno como matriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.9.1 Tacticidad del polipropileno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.9.2 Propiedades fısicas y mecanicas del polipropileno . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.10 Resina poliester insaturado como matriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.10.1 Resinas poliesteres de mayor uso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.10.2 Propiedades de la resina poliester insaturada grado 802 . . . . . . . . . . . . 24
1.11 Procesos de obtencion de fibra natural de GAK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.11.1 Celulosa, hemicelulosa, lignina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.11.2 Proceso de descerado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
ix
1.11.3 Procesos de limpieza de la fibra (eliminacion de la lignina) . . . . . . . . . 27
1.12 Procesos de manufactura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.13 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2 Propuesta de diseno de un material compuesto en base a fibra natural . . . . . 33
2.1 Seleccion de la fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.1 Fibras con capacidad reforzante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.1.2 Resultados de seleccion de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.2 Seleccion de matriz polimerica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.1 Matrices polimericas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.2.2 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.3 Seleccion del proceso de tratamiento superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.1 Modificacion realizada a la fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.2 Modificacion realizada a la matriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.3.3 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4 Seleccion del proceso de manufactura para obtener el material compuesto . 37
2.4.1 Compresion en caliente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.4.2 Extrusion - inyeccion manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4.3 Calandrado - inyeccion manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.4.4 Extrusion - inyeccion automatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3 Obtencion de un prototipo del material compuesto polimerico reforzado con
fibra natural y matriz polimerica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1 Recopilacion de materia prima y obtencion de fibra natural . . . . . . . . . . . . . 40
3.2 Caracterizacion de la matriz polimerica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.2.1 PP Braskem H - 306 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.2.2 Dow LLDPE DNDB - 7147 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
x
3.2.3 Dow HDPE DMDA - 8920 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.3 Proceso de reduccion de fibras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.4 Proceso de extraccion de fibra corta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.5 Proceso de seleccion de tamano de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.6 Tratamiento superficial realizado a la fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.6.1 Desarrollo del tratamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.7 Flujograma de la obtencion de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.8 Proceso experimental de obtencion del material compuesto . . . . . . . . . . . . . . 48
3.8.1 Material compuesto mediante compresion en caliente . . . . . . . . . . . . . . 51
3.8.2 Material compuesto mediante extrusion e inyeccion manual y calan-
drado inyeccion manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
3.8.3 Material compuesto obtenido mediante un pre extruido en extrusora
Dr. Collin E-20 e inyectado mediante una inyectora DR BOY 35E . . . 65
3.9 Proceso y resultado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.10 Esquema final del proceso con mejor conformado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3.11 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4 Resultados y discusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.1 Caracterizacion quımica de las fibras de guadua angustifolia . . . . . . . . . . . . . 72
4.1.1 Determinacion de elementos acuosos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.1.2 Determinacion de cenizas presentes en la muestra . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.1.3 Determinacion de porcentaje de humedad en las fibras . . . . . . . . . . . . . 79
4.1.4 Determinacion de porcentaje de elementos no solubles en agua u
organicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.2 Caracterizacion mecanica del material compuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.2.1 Ensayo de traccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
4.3 Caracterizacion fısica del material compuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
4.3.1 Ensayo de termogravimetrıa (TGA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
xi
4.3.2 Ensayo de calorimetrıa diferencial de barrido (DSC) . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.4 Comparacion de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.4.1 Resultados obtenidos caracterizacion quımica de la fibra de guadua . . 121
4.4.2 Analisis de conformacion del compuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
4.4.3 Resultados obtenidos caracterizacion mecanica del compuesto . . . . . . . 123
4.4.4 Resultados obtenidos caracterizacion fısica del compuesto . . . . . . . . . . 123
4.5 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5 Aplicaciones, conclusiones y recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.1 Industria automotriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.1.1 Paneles e injertos de puertas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.1.2 Equipo de laboratorio necesario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.1.3 Estantes de paqueterıa traseras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.1.4 Respaldos de asiento y asientos deportivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.1.5 Cobertores de rueda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.1.6 Vehıculo ultraliviano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.2 Industria de lınea blanca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.3 Industria de la construccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.3.1 Tanques anticorrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.3.2 Tableros para revestimientos y techos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
5.3.3 Tableros para paredes, contornos de puertas y ventanas . . . . . . . . . . . . 129
5.3.4 Tejas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.3.5 Pisos madera plastica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.4 Industria del equipo de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.4.1 Cascos protectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.4.2 Punteras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.4.3 Proteccion para robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
xii
5.4.4 Chalecos antibalas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.4.5 Trajes resistentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.5 Industria Acuatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.5.1 Yates y Lanchas de competencia y comerciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.5.2 Bote de transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.5.3 Domos del sonar en submarinos y submarinos resistentes a bajas
presiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
5.5.4 Tablas de surf y canas de pescar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.6 Industria aeronautica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.6.1 Helicopteros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.6.2 Naves espaciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.6.3 Satelites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.7 Otras industrias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.7.1 Instrumentos de musica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.7.2 Protesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.7.3 Bicicletas, raquetas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.8 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.9 Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.10 Trabajos a futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
Referencias bibliograficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
LISTA DE FIGURAS
Pag.
Figura - 1.1 Evolucion de los materiales compuestos [3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Figura - 1.2 Evolucion de los materiales compuestos reforzados con fibra natural . 4
Figura - 1.3 Principales fibras vegetales utilizadas en materiales compuestos [4]. . . 5
Figura - 1.4 Partes planta de bambu [22]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Figura - 1.5 Distribucion de los bambues lenosos [24]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
Figura - 1.6 Partes del culmo [28]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
Figura - 1.7 Seccion de la pared del culmo [29]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Figura - 1.8 Bambu partes y usos [33]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Figura - 1.9 Estructura quımica del etileno y polietileno [41]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Figura - 1.10 Efectos de la ramificacion en la densidad [42]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Figura - 1.11 Estructura quımica del propileno y polipropileno [41]. . . . . . . . . . . . . . . . 21
Figura - 1.12 Tacticidad del polipropileno [44]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Figura - 1.13 Formacion de resina poliester insaturado [45]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Figura - 1.14 Composicion quımica resina vinilester [45] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Figura - 1.15 Composicion quımica resina isoftalica [45]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Figura - 1.16 Composicion quımica resina ortoftalica [45]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Figura - 1.17 Formula de la celulosa [48]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Figura - 1.18 Partes de una inyectora y platinas de un molde de inyeccion [60]. . . . . 29
Figura - 1.19 Ciclo de inyeccion a) Etapa 1 y 6 b) Etapa 2 c) Etapa 3 d) Etapa 4 e)
xiii
Etapa 5 [61]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figura - 1.20 Moldeo por compresion [62]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
Figura - 1.21 Moldeo por calandrado [65]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
Figura - 3.1 Corte inicial Guadua Angustifolia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Figura - 3.2 Esterilla de Guadua [92] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Figura - 3.3 Obtencion de listones de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Figura - 3.4 Esquema de sierra circular para corte de GAK [93] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Figura - 3.5 Fibra con tratamiento de NaOH 5X B) Fibra ST 5X . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Figura - 3.6 Proceso de tamizado de fibras de GAK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Figura - 3.7 Longitud de la fibra obtenida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Figura - 3.8 Agitado de solucion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Figura - 3.9 Pesaje de fibras GAK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
Figura - 3.10 Mezcla de solucion NaOH con fibra de GAK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Figura - 3.11 Neutralizado de fibras con NaOH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Figura - 3.12 Secado de fibras GAK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Figura - 3.13 Fibra seca obtenida luego del proceso en el horno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Figura - 3.14 Flujograma de proceso de obtencion de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Figura - 3.15 Flujograma proceso para conformado por compresion en caliente . . . . 51
Figura - 3.16 Platina para probetas para ensayos de traccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Figura - 3.17 Probeta ASTM D3039M - 08 para traccion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Figura - 3.18 Platina para probetas para probetas de flexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Figura - 3.19 Probeta ASTM D7264M - 07 para flexion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
Figura - 3.20 Platina para probetas para ensayo de impacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Figura - 3.21 Probeta ASTM D - 256 para impacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
xiv
Figura - 3.22 Placa base superior para todos los ensayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
Figura - 3.23 Placa base inferior para todos los ensayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
Figura - 3.24 A) Buje de la placa base inferior B) columna de la placa base superior. 55
Figura - 3.25 Circuito para control de niquelinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Figura - 3.26 Circuito para control de niquelinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
Figura - 3.27 Controlador de temperatura Camsco TC - 72 N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Figura - 3.28 Centro de mecanizado para placas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Figura - 3.29 Flujograma de proceso para conformado por extrusion - inyecciion
manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Figura - 3.30 Mezcla polımero con fibra para ingresar en la extrusora . . . . . . . . . . . . . 60
Figura - 3.31 Control para perfiles de temperatura 3 zonas de calentamiento y boquilla
A) Control manual B) Control Computarizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
Figura - 3.32 Solidificacion del nuevo material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Figura - 3.33 Pelletizadora complementaria de la extrusora Dr. Collin E-20 T . . . . . 61
Figura - 3.34 Inyectora manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Figura - 3.35 A) Control del equipo. B) Material colocado en el cilindro. C) Material
comprimidos en el cilindro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
Figura - 3.36 Probeta topo IV ASTM D - 638 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Figura - 3.37 Diagrama de proceso para conformado por calandrado - inyeccion ma-
nual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Figura - 3.38 Calandra de polımerosl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Figura - 3.39 Laminado y mezclado del material compuestol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Figura - 3.40 Extraccion del material laminado y mezclado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Figura - 3.41 Material laminado y mezclado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
xv
Figura - 3.42 Flujograma de proceso para conformado por extrusion - inyeccion au-
tomatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
Figura - 3.43 Recipientes de agua y de fibra para el calculo de densidades . . . . . . . . . 67
Figura - 3.44 A) Analizador de humedad B) Muestras esterilizadas y deshumidificadas 68
Figura - 3.45 Inyectora Dr. Boy 35E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Figura - 3.46 Probeta Normalizada ISO tipo B 527 (ASTM D - 638) . . . . . . . . . . . . . . 69
Figura - 3.47 Diagrama proceso final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
Figura - 4.1 Muestra presente en el desecador para eliminar humedad y estabilizar
temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Figura - 4.2 Montaje de las muestra en el soxhlet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
Figura - 4.3 Muestra presente en el desecador para eliminar humedad y estabilizar
temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
Figura - 4.4 Recipientes con las muestras luego del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Figura - 4.5 Horno de secado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Figura - 4.6 Equipos de laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Figura - 4.7 Colocacion de equipos en la manta de calentamiento . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Figura - 4.8 Colocacion de equipos en la manta de calentamiento . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Figura - 4.9 Probeta ASTM D - 638 Tipo 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Figura - 4.10 Probeta ASTM D - 3039. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Figura - 4.11 Probeta ISO - 527. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
Figura - 4.12 Probetas obtenidas segun ASTM D - 3039. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
Figura - 4.13 Resultados probeta N◦1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Figura - 4.14 Resultados probeta N◦2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
Figura - 4.15 Resultados probeta N◦3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
xvi
Figura - 4.16 Resultados probeta N◦4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Figura - 4.17 Resultados probeta N◦5. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
Figura - 4.18 Resultados probeta N◦6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Figura - 4.19 Resultados probeta N◦7. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Figura - 4.20 Resultados probeta N◦8. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
Figura - 4.21 Resultados probeta N◦9. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Figura - 4.22 Resultados probeta N◦10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
Figura - 4.23 Resultados probeta N◦11. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Figura - 4.24 Resultados probeta N◦12. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Figura - 4.25 Probetas logadas con norma ISO B - 527 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
Figura - 4.26 Grafica de probabilidad normal esfuerzo - conformado . . . . . . . . . . . . . . . 98
Figura - 4.27 Grafica de caja esfuerzo - conformado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
Figura - 4.28 Grafica de probabilidad normal esfuerzo - tratamiento quımico . . . . . . 99
Figura - 4.29 Grafica de caja esfuerzo - tratamiento quımico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
Figura - 4.30 Grafica de probabilidad normal esfuerzo - tratamiento quımico . . . . . . 100
Figura - 4.31 Grafica de caja esfuerzo - tratamiento quımico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Figura - 4.32 Grafica de probabilidad normal esfuerzo - conformado . . . . . . . . . . . . . . . 102
Figura - 4.33 Grafica de caja esfuerzo - conformado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
Figura - 4.34 Grafica de probabilidad normal esfuerzo - tratamiento quımico . . . . . . 103
Figura - 4.35 Grafica de caja esfuerzo - tratamiento quımico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
Figura - 4.36 Grafica de probabilidad normal esfuerzo - tratamiento quımico . . . . . . 104
Figura - 4.37 Grafica de caja esfuerzo - tratamiento quımico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
Figura - 4.38 Termograma a) TGA b) DTGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
xvii
Figura - 4.39 A) Cooler del equipo B) Ingreso y control de presiones de gas de purga
C) Equipo TGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Figura - 4.40 A) Termobalanza B) Elementos para preparar la muestra . . . . . . . . . . . 106
Figura - 4.41 Interfaz de Usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
Figura - 4.42 TGA Guadua con tratamiento quımico de NaOH al 5% . . . . . . . . . . . . . 107
Figura - 4.43 TGA Guadua sin tratamiento quımico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Figura - 4.44 TGA del compuesto PB10F5NA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
Figura - 4.45 TGA del compuesto PB10FST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Figura - 4.46 TGA del compuesto PB5FST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Figura - 4.47 TGA del compuesto PP10F5NA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
Figura - 4.48 Termograma de un polımero semicristalino tıpico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
Figura - 4.49 A) Sistema de enfriamiento, B) Equipo DSC, C) Valvulas de aire de
purga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Figura - 4.50 A) Balanza B) Crisoles y prensa para cerrarlos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Figura - 4.51 Proceso de sellado de los crisoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
Figura - 4.52 Rueda alimentadora de crisoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
Figura - 4.53 Ensayo DSC Guadua NaOH variacion de potencia vs temperatura . . . 115
Figura - 4.54 Ensayo DSC Guadua NaOH variacion de potencia vs tiempo . . . . . . . . 115
Figura - 4.55 Ensayo DSC Guadua ST variacion de potencia vs temperatura . . . . . . 116
Figura - 4.56 Ensayo DSC Guadua ST variacion de potencia vs tiempo . . . . . . . . . . . 116
Figura - 4.57 Ensayo DSC PB10F5NA variacion de potencia vs temperatura . . . . . . 117
Figura - 4.58 Ensayo DSC PB10F5NA variacion de potencia vs tiempo . . . . . . . . . . . . 117
Figura - 4.59 Ensayo DSC PB10FST variacion de potencia vs temperatura . . . . . . . . 118
Figura - 4.60 Ensayo DSC PB10FST variacion de potencia vs tiempo . . . . . . . . . . . . . 118
xviii
Figura - 4.61 Ensayo DSC PB5FST variacion de potencia vs temperatura . . . . . . . . . 119
Figura - 4.62 Ensayo DSC PB5FST variacion de potencia vs tiempo . . . . . . . . . . . . . . 119
Figura - 4.63 Ensayo DSC PP5F5NA variacion de potencia vs temperatura . . . . . . . 120
Figura - 4.64 Ensayo DSC PP5F5NA variacion de potencia vs tiempo . . . . . . . . . . . . . 120
Figura - 5.1 Paneles e injertos de puerta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Figura - 5.2 Estantes de paqueterıa trasera [104] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Figura - 5.3 Asiento deportivo [105] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
Figura - 5.4 Cobertor de neumatico [104] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Figura - 5.5 Carrocerıa con partes de fibra de carbono [106] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Figura - 5.6 Multiple de escape fibra de carbono [106] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
Figura - 5.7 Tanques reforzados con fibra de vidrio [111] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
Figura - 5.8 Tableros de material compuesto [112] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Figura - 5.9 A),B) Tableros reforzados con fibra, C) MDF [113] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Figura - 5.10 Tejas onduladas con material compuesto [114] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
Figura - 5.11 A) Paredes con madera plastica. B) Pisos con madera plastica [18] . . 130
Figura - 5.12 A) Casco deportivo. B) Casco militar [115], [116] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Figura - 5.13 Puntera [117] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Figura - 5.14 Proteccion brazo robotico [118] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
Figura - 5.15 Fibras Kevlar Twaron [119] [120] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Figura - 5.16 Fibras de kevlar, algodon y nylon [119] [120] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
Figura - 5.17 A) Yate. B) Lancha deportiva [121] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Figura - 5.18 A) bote de pasajeros. B) bote personal [121] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Figura - 5.19 A) Domo del sonar de submarino. B) submarino de reconocimiento C)
xix
narco submarino [122] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
Figura - 5.20 A) Tabla de surf car bambu carbon. B) Canas de pescar bambu [123] 134
Figura - 5.21 Ejemplos industria aeronautica [73] [124] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
Figura - 5.22 Ejemplos materiales compuestos en helicoptero [110] . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Figura - 5.23 Nave espacial [125] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
Figura - 5.24 Tanque propulsor para satelites en fibra de carbono con liner interior de
titanio [126], [127]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Figura - 5.25 Instrumento musical con material compuesto [128]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
Figura - 5.26 A) Protesis dental. B) Protesis de pie [129], [130]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
Figura - 5.27 A) Bicicleta disenada con fibra de carbono. B) raqueta de tenis con
materiales compuestos [131], [132]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
xx
LISTA DE TABLAS
Pag.
Tabla 1.1 Propiedades mecanicas de las fibras blandas mas conocidas . . . . . . . . . . . . 6
Tabla 1.2 Composicion quımica de algunas fibras blandas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Tabla 1.3 Propiedades mecanica de algunas fibras de hoja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Tabla 1.4 Composicion quımica de algunas fibras de hoja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Tabla 1.5 Propiedades mecanicas de algunas fibras de semilla y fruta [6], [2], [4]. 8
Tabla 1.6 Composicion quımica de algunas fibras de semilla y fruta [2], [6]. . . . . . 8
Tabla 1.7 Propiedaes mecanicas de algunas fibras de pastos y juncos . . . . . . . . . . . . . 9
Tabla 1.8 Composicion quımica de algunas fibras de pastos y juncos [2], [4]. . . . . . 9
Tabla 1.9 Propiedaes mecanicas de fibras de madera [19], [20]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Tabla 1.10 Composicion quımica de fibras de madera [4]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
Tabla 1.11 Plantaciones de Guadua Angustifolia por provincia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Tabla 1.12 Dimensiones del culmo de la cana Guadua [39]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Tabla 1.13 Propiedades quımicas GAK en el Ecuador [40] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
Tabla 1.14 Tabla comparativa de propiedades mecanicas Guadua Angustifolia [20]. 18
Tabla 1.15 Propiedades fısicas y mecanicas de PEAD y PEBD [22]. . . . . . . . . . . . . . . . 21
Tabla 1.16 Propiedades fısicas y mecanicas del PP [22]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Tabla 1.17 Propiedades fısicas y mecanicas del UP grado 802 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
Tabla 1.18 Punto de ebullicion solvente para extraccion [53]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Tabla 2.1 Tabla de ponderaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Tabla 2.2 Tabla de interrelacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
Tabla 2.3 Tabla de ponderacion polımeros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Tabla 2.4 Tabla de interrelacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Tabla 2.5 Propiedades de polımeros termoplasticos mas utilizados [78] . . . . . . . . . . . 35
xxi
Tabla 2.6 Propiedades de polımeros termoplasticos mas utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Tabla 2.7 Tabla de interrelacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Tabla 3.1 Dimensiones del culmo de la cana Guadua [39] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Tabla 3.2 Propiedades del polipropileno Braskem H - 306. Datos extraıdos de [89] 41
Tabla 3.3 Propiedades del polietileno de baja densidad lineal Dow DNDB - 7147.
Datos extraıdos de [90] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Tabla 3.4 Propiedades del polietileno de baja densidad lineal HDPE DMDA - 8920.
Datos extraıdos de [91] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
Tabla 3.5 Parametros inyectora con polietileno de alta densidad . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Tabla 3.6 Parametros inyectora con polipropileno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
Tabla 3.7 Composicion de todas de las probetas moldeadas por compresion en cali-
ente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
Tabla 3.8 Diseno completamente al azar DCA para PELD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Tabla 3.9 Diseno completamente al azar DCA para PP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Tabla 3.10 Experimentos para el proceso extrusion - inyeccion automatica. . . . . . . . . 67
Tabla 3.11 Calculo de densidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Tabla 3.12 Procesos y resultados obtenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Tabla 4.1 Pesos iniciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
Tabla 4.2 Muestras con 12 horas a 50 ◦C y 1 hora a 105 ◦C despues del soxhlet . . 75
Tabla 4.3 Porcentaje de elementos acuosos disueltos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
Tabla 4.4 Pesos iniciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Tabla 4.5 Pesos iniciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Tabla 4.6 Resultados cenizas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Tabla 4.7 Porcentaje final de cenizas en el material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Tabla 4.8 Pesos iniciales de las muestras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Tabla 4.9 Pesos Finales de las muestras con crisoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Tabla 4.10 Pesos de la muestra mas la caja contenedora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Tabla 4.11 Pesos de la muestra mas la caja contenedora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Tabla 4.12 Pesos de la muestra mas la caja contenedora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
xxii
Tabla 4.13 Pesos de la muestra mas la caja contenedora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
Tabla 4.14 Fibra de guadua comparacion de pesos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Tabla 4.15 Porcentaje final de cenizas en el material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
Tabla 4.16 Peso inicial de la muestra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
Tabla 4.17 Peso finall de la muestra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
Tabla 4.18 Proporciones de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Tabla 4.19 Proporciones de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
Tabla 4.20 Experimentos para el proceso compresion en caliente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Tabla 4.21 Experimentos para el proceso extrusion - inyeccion automatica. . . . . . . . . 87
Tabla 4.22 Experimentos para el proceso extrusion - inyeccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
Tabla 4.23 Experimentos para el proceso extrusion - inyeccion automatica. . . . . . . . . 88
Tabla 4.24 Nomenclatura para cada probeta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
Tabla 4.25 Nomenclatura para cada probeta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
Tabla 4.26 Resultados para el proceso extrusion - inyeccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Tabla 4.27 Resultados para el proceso extrusion - inyeccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Tabla 4.28 Ponderacion para analisis Minitab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Tabla 4.29 Ponderacion para analisis Minitab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Tabla 4.30 Nomenclatura para cada probeta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
Tabla 4.31 Nomenclatura para cada probeta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
xxiii
LISTA DE SIMBOLOS
Subindices
Pi Peso inicial de la fibra con el recipiente de la contiene
Pf Peso ifinall de la fibra con el recipiente de la contiene
Pc Peso de las cenizas
Pm Peso seco del material
Pg Peso de la fibral
W1 Peso de la muestral
W2 Peso delextracto seco
xxiv
LISTA DE SIGLAS
GAK Guadua Angustifolia Kunth
MET Modulo de Elasticidad a traccion
MEC Modulo de Elasticidad a compresion
MEF Modulo de Elasticidad a flexion
RT Resistencia a la traccion
RC Resistencia a la compresion
RF Resistencia a la flexion
xxv
1 ESTADO DEL ARTE DE MATERIALESCOMPUESTOS POLIMERICOS REFORZADOSCON FIBRAS NATURALES CON FINESESTRUCTURALES
Introduccion
El desarrollo de nuevos materiales ha puesto gran atencion al uso de materias
primas renovables [1]. La industria europea y norteamericana de manufactura de vehıculos
ha generado normativas que exigen el incremento progresivo de componentes fabricados a
partir de compuestos polimericos reforzados con fibras naturales [2].
Paıses como Ecuador cuya balanza economica es negativa tienen la oportunidad
de aprovechar la biodiversidad que poseen para generar reforzantes naturales de altas
propiedades mecanicas y convertirse en exportadores de productos con mayor valor agregado
en beneficio de sus economıas [3].
Los compuestos con matrices polimericas ofrecen facilidad de procesamiento,
alta productividad, propiedades mecanicas moderadas, aptitud para reciclado y baja
densidad, entre otras [4]. La utilizacion de reforzantes naturales radica en su baja densidad,
aislamiento termico y acustico, buena resistencia mecanica, bajo costo, alta disponibilidad
y propiedades especıficas altas [4], [5].
El beneficio mas relevante de estos compuestos es ecologico, son amigables con
el medio ambiente tanto en su composicion como en su produccion [6]. Estos refuerzos
naturales estan siendo llamados a ser un sustituto de las fibras de vidrio y amianto [7].
1.1 Introduccion a los compuestos naturales
La creciente demanda de nuevos productos, la aparicion de nuevas necesidades, el ago-
tamiento progresivo del petroleo y de los recursos naturales no renovables ha creado la
necesidad de dar soluciones a estos nuevos problemas dando el paso a los nuevos materiales.
1
Si bien se han venido ocupando desde el siglo XX, el 5% [1] de todos los productos quımicos
que se producen en la actualidad son de base biologica y la expectativa es que para el 2020
sea el 25% [2].
Los biocompuestos son compuestos de fibra natural y reforzada con matrices
polimericas no biodegradables como PP, PE y tambien con biopolımeros como el acido
polilactico [PLA] y polihidroxialcanoatos [PHAs]. Estos compuestos combinan propiedades
de varios materiales a fin de lograr nuevos materiales con propiedades mejoradas y son de
gran atractivo por ser provenientes de fuentes naturales. Entre las principales propiedades
son la baja densidad y se adaptan a aplicaciones especıficas. Estos compuestos reforzados
con fibra tuvieron su inicio en la union con materiales fenolicos en 1908 luego se extendieron
con el uso de urea y melanina hasta llegar al uso en 1940 con fibra de vidrio y poliesteres
insaturados por sus caracterısticas y propiedades han sido utilizados en un 95% combinado
con termoplasticos y termoestables pero se ha llegado a conseguir propiedades competitivas
con biocompuestos [2].
1.2 Evolucion de los materiales compuestos
A partir del ano 1500 AC, cuando los egipcios y los primeros colonos mesopotamicos
utilizaron una mezcla de barro y paja para construccion. Se utilizaba paja para reforzar a
los antiguos productos compuestos como ceramica y barcos.
Alrededor del ano 1200, los mongoles inventaron el primer arco compuesto, usando
una combinacion de madera, hueso, y adhesivo animal presionada y envuelta en corteza
de abedul.
Por los 1900s, los plasticos como el vinilo, poliestireno, poliester y fenolico se
desarrollaron. Estos materiales sinteticos nuevos superaron a las resinas naturales.
En 1935, Owens Corning introdujo la primera fibra de vidrio, fibra de vidrio como
refuerzo para las matrices polimericas. Se intensifico despues de la segunda guerra mundial
por su ligereza y la invisibilidad ante radares.
En 1946 se elaboro el primer casco de un barco comercial. Brandt Goldsworthy
desarrollo nuevos procesos de fabricacion y productos como tablas de surf. Goldsworthy
tambien invento un proceso de fabricacion llamado pultrusion del cual se crearon carriles,
escaleras, mangos de herramientas, tubos, etc.
En la decada de los 70s se mejoraron tanto las matrices como refuerzos. DuPont
2
desarrollo el Kevlar (fibra de Aramida). La fibra de carbono tambien se desarrollo por
esta epoca; pero con menor uso.
En la actualidad la industria de los compuestos se enfoca en el desarrollo de mate-
riales compuestos verdes y nano compuestos con el objetivo de lograr mejores propiedades
mecanicas, fısicas y ambientales haciendo el mundo mas ligero, mas fuerte, mas durable, y
un mejor lugar para vivir. La figura 3.1 muestra la evolucion historica de los materiales
compuestos.
Figura 1.1: Evolucion de los materiales compuestos [3].
1.3 Evolucion de los materiales compuestos reforzadoscon fibras naturales
En 1939 se usaron las fibras naturales como refuerzo de una matriz fenolica con aplicaciones
aeronauticas. En 1942 Henry Ford construyo uno de los primeros vehıculos que usaban
canamo en algunas de sus partes. Entre 1950 y 1990 se usaron en el cuerpo del vehıculo.
Para el 2000 se utilizo en interiores y exteriores de vehıculo de transporte liviano y pesado.
En el 2004 se comenzo a usar en artıculos electronicos y a partir del 2006 el uso en
elementos deportivos fue muy comun por su baja densidad [3]. La figura 3.2 muestra la
evolucion en el uso de compuestos reforzados con fibras naturales.
3
Figura 1.2: Evolucion de los materiales compuestos reforzados con fibra natural
1.4 Clasificacion de materiales compuestos con fibras na-turales
El uso de materiales compuestos con fibras naturales se puede dividir en varios grupos. El
primer grupo esta conformado por las aplicaciones de la fibra natural en paneles como
tableros de partıculas, fibras y de aislamiento con un material aglutinante organico como
la lignina y el tanino, el segundo grupo es el uso de la fibra natural unida con materiales
aglutinantes inorganicos, el tercer grupo es el uso de fibras naturales como refuerzo en
matrices polimericas como termoplasticos, termoestables y cauchos que es donde se va
a incursionar en esta investigacion y el ultimo grupo es el tipo textil no tejido de fibras
naturales [4].
1.4.1 Compuestos biodegradables
Las fibras naturales pueden ser usadas con resinas sinteticas termoestables, termoplasticas
y elastomericas, ademas se pueden combinar con polımeros naturales como lignina y
hemicelulosa resultando un compuesto totalmente biodegradable. Las propiedades del com-
puesto dependen de las propiedades de los elementos constitutivos y de la compatibilidad
que tengan entre sı [5].
4
1.4.2 Limitaciones de los materiales compuestos con refuerzo de fi-bra natural
Las fibras naturales empleadas como refuerzo de compuestos polimericos necesitan ser
homogeneas, tal homogeneidad depende de la forma de cultivo y de cosecha ya que los
tiempos de cultivo son indispensables en algunas especies para garantizar la calidad en su
composicion quımica.
La alta variacion de las propiedades de los compuestos reforzados con fibras
naturales depende de las propiedades fısicas presentes en las fibras, lo que genera, hasta el
momento, incertidumbre en el desempeno de varios compuestos por desconocimiento de
sus propiedades fısicas, quımicas y mecanicas [4].
1.5 Principales fibras naturales utilizadas a nivel mundialcomo refuerzo para materiales compuestos
Existen gran variedad de fibras naturales vegetales empleadas como refuerzo en matrices
polimericas. Las principales fibras empleadas son las fibras celulosicas conocidas por su
baja densidad y por ser renovables. La figura 3.3 presenta una clasificacion de las fibras
celulosicas.
Figura 1.3: Principales fibras vegetales utilizadas en materiales compuestos [4].
5
1.5.1 Fibras blandas
Las fibras blandas provienen de los tallos rıgidos, poseen un conjunto de propiedades
diferentes entre sı que dependen del cultivo pero tienen mucho en comun ya que contienen
diferentes cantidades de celulas de fibras en el floema. Contienen nodos a intervalos
regulares, estan formados por un nucleo hueco, una medula interna, cambium, el floema,
la corteza y la epidermis [2].
1.5.2 Caracterısticas principales de las fibras blandas mas importan-tes
Las fibras blandas se caracterizan por ser suaves y con una densidad entre los 310 y
1500 kgm2 lo que demuestra que son materiales ligeros. El modulo especıfico que poseen es
alto, el desempeno elastico mas representativo esta dado por las fibras de lino, canamo y
ramio. La tabla 1.1 muestra las propiedades mecanicas mas representativas de las fibras
blandas mas conocidas.
Tabla 1.1: Propiedades mecanicas de las fibras blandas mas conocidas
FibraDensidad Diametro Longitud Alargamiento
a la roturaResistencia ala traccion
Modulo deYoung
Modulo es-pecıfico
Ref.
(kg/m3) (µm) (mm) (%) (MPa) (GPa)
Lino 1380 - 1500 40 - 600 10 - 65 1.2 - 3 343 - 1500 60 - 80 26 - 46 [6]Canamo 1350 - 1480 10 - 51 5 - 55 1.6 - 4.5 580 - 1110 70 47 [6]Kenaf Nucleo 310 18 - 37 0.4 - 1.1 - - - - [6]Kenaf exterior 1200 12 - 36 1.4 - 11 2.7 - 6.9 295 930 - - [6]Yute 1460 5 - 25 0.8 - 6 1.5 - 3.1 187 - 773 10 - 30 7 - 21 [6]Ramio 1440 - 1550 18 - 80 40 - 250 2 - 4 400 - 938 61.4 - 128 27 - 47 [6],[4]
Por el porcentaje de celulosa que va desde 44% a 91%, se puede deducir que estas
fibras contienen gran capacidad para absorber humedad, soportar mayores temperaturas y
tener caracterısticas conductoras. Este ultimo factor es beneficioso hasta cierto punto ya
que la capacidad para absorber humedad es un limitante cuando se desea realizar materiales
compuestos que requieran ser procesadas a temperaturas mayores a la de ebullicion del
agua ya que produce burbujas de aire y por lo tanto puntos de falla del material [7]. En la
tabla 1.2 muestra la composicion quımica de algunas fibras blandas.
1.5.3 Fibras de hoja
Este tipo de fibras se encuentra en los sistemas fibrovasculares de las hojas de las plantas
Monocotiledoneas Perennes, son muy conocidas por su dureza por lo que son llamadas
“fibras duras” Cada fibra es un cordon fibroso, los principales lugares de crecimiento son
6
Tabla 1.2: Composicion quımica de algunas fibras blandas
FibraCelulosa Hemicelulosa Lignina Pectina Ceras Porcentaje
de humedadRef.
(%) (%) (%) (%) (%)
Lino 71 18.6 - 20.6 2.2 2.3 1.7 08 - 12 [2]Canamo 70 - 74 17.9 - 22.4 3.7 - 5.7 0.9 0.8 6.2 - 12 [2]Kenaf 45 - 57 21.5 8 - 13 3 - 5 - [2]Yute 61 - 71.5 13.6 - 20.4 12 - 13 0.2 0.5 12.5 - 13.7 [2]Ramio 68.6 - 76.2 13.1 - 16.7 0.6 - 0.7 1.9 0.3 7.5 - 17 [2]
America Central, Sudamerica, Africa Oriental, Indonesia [8], [9].
Estas fibras poseen una densidad mas alta por lo que son muy utiles en aplicaciones
donde se requiera de un mayor peso por volumen. Se pueden destacar por su alta resistencia
a la traccion que en promedio oscila entre los 463 y 1560 MPa. La tabla 1.3 muestra las
propiedades mecanicas de fibras de hoja.
Tabla 1.3: Propiedades mecanica de algunas fibras de hoja
FibraDensidad Diametro Longitud Alargamiento a la Resistencia a la Modulo de Modulo Ref
rotura traccion Young especıficokgm3 (micras) (mm) (%) (MPa) (GPa)
Pina 1500 - 1560 8 - 41 3 - 8 01-3 170 - 1627 6.21 - 82 4 - 53 [10],[6]Banana 1300 - 1350 50 - 280 - 03-8 529 - 914 7-32 5 - 24 [10]Sisal 1300 - 1500 7 - 200 0.8 - 8 1.9 - 3 507 - 855 9.4 - 28 7-19 [2],[6],[10]Abaca 1300 - 1500 17 - 21 - 2.7 400 - 1289 45 - 72 35 - 50 [10], [11]Henequen 1400 8 - 33 - 3 - 4.7 430 - 580 10-16 7 - 11 [6]Palmera datilera 463 - - - 125 - 200 - - [12]
Se observa que el contenido de lignina se encuentra entre el 5 y el 14%, valor
normal en estas fibras naturales; pero se trata de un complemento innecesario para la
aplicacion de la fibra. La lignina impide la digestibilidad con la matriz, por lo tanto,
mientras mas porcentaje este presente en la planta, se requiere buscar una tecnica de
reduccion para crear un ambiente de digestibilidad con refel compuesto [13]. La tabla 1.4
resume la composicion quımica de algunas fibras de hoja.
Tabla 1.4: Composicion quımica de algunas fibras de hoja
FibraCelulosa Hemicelulosa Lignina Pectina Ceras Porcentaje Ref.
de humedad(%) (%) (%) (%) (%)
Pina 80 - 81 16 - 19 12 2 - 2.5 - - [10]Banana 60 - 65 6 - 19 5 - 10 3 - 5 - 10 - 12 [2],[10]Sisal 66 - 78 10 - 14 10 - 14 10 2 10 - 22 [2]Abaca 56 - 63 21 12 - 13 0.8 - 1 - 5 - 10 [2],[10]Henequen 60 - 78 4 - 28 8 - 13 3 - 4 - - [10]
7
1.5.4 Fibras de semilla y de fruta
Las fibras de semilla son obtenidas de la semilla de la planta, estas pueden poseer dos
tipos de aplicaciones. La primera es la alimentacion y la segunda es la utilizacion de la
fibra en la industria textilera [14]. La fibra de fruta empleada como material de refuerzo
en una matriz polimerica tiene su mayor representante en la fibra de coco.
Como se observa en la tabla 1.5, las propiedades mecanicas, la resistencia a la
traccion y el modulo de elasticidad son elevados. Por lo tanto son potenciales refuerzos
para la elaboracion de materiales compuestos o textiles. En torno a las fibras de coco y
capoc, la informacion de sus propiedades es deficiente, se trata de nuevos materiales; pero
de gran interes porque han demostrado poseer propiedades elevadas.
Tabla 1.5: Propiedades mecanicas de algunas fibras de semilla y fruta [6], [2], [4].
FibraDensidad Diametro Longitud Alargamiento a la Resistencia a la Modulo de Modulo Ref
rotura traccion Young especıficokgm3 (micras) (mm) (%) (MPa) (GPa)
Coco 1150 - 1460 0.3 - 3 0.3 - 3 1.5 - 25 131 - 220 4 - 6 2.58 - 4.10 [2],[6]Algodon 1210 - 1600 12 - 35 15 - 56 2 - 10 287 - 800 5.5 - 12.6 4.54 - 7.87 [2],[6]Capoc - 10 - 30 8 - 30 - - - - [6]
Como se observa el coco posee una gran cantidad de lignina; por lo tanto sera
mas difıcil obtener una buena digestion y el porcentaje de fibra sera menor. Existe una
gran diferencia con la fibra de algodon ya que posee una gran cantidad de celulosa y una
mınima cantidad de lignina, se puede deducir su gran utilidad como material compuesto
y como elemento textil. La tabla 1.6 compara la composicion quımica de las fibras de
semilla y fruto.
Tabla 1.6: Composicion quımica de algunas fibras de semilla y fruta [2], [6].
FibraCelulosa Hemicelulosa Lignina Pectina Ceras Porcetaje Ref.
de humedad(%) (%) (%) (%) (%)
Coco 32 - 43 0.15 - 0.25 40 - 45 3 - 4 - 8 [2]Algodon 85 - 90 5.7 0.5 - 1 1 - 5.7 0.6 7.85 - 8.5 [10],[2]
1.5.5 Pastos y juncos
Estas fibras son muy importantes a nivel mundial ya que son una fuente principal de
alimentacion por tener un contenido alto de fibra. Las principales fibras de este grupo son
el trigo, avena, cebada, arroz, centeno. Ademas son muy conocidas por sus propiedades
mecanicas siendo empleadas como refuerzo en materiales compuestos [15],[6].
8
Como se observa el mayor representante de pastos y juncos, por las propiedades
mecanicas mostradas en la tabla 1.7 es la fibra de bambu. Esta fibra tiene una densidad
entre 600 a 800 kgm3 lo que le convierte en un material ligero en comparacion con las demas
fibras vegetales. Presenta una resistencia a la traccion de 187 a 1152 MPa y un modulo de
elasticidad de 8 a 150 GPa que son mucho mas elevados el resto de fibras vegetales.
Tabla 1.7: Propiedaes mecanicas de algunas fibras de pastos y juncos
FibraDensidad Diametro Longitud Alargamiento a la Resistencia a la Modulo de Modulo Ref
rotura traccion Young especıficokgm3 (micras) (mm) (%) (MPa) (GPa)
Bagazo 550 - 1250 32 - 43 0.8 - 2.8 0.9 20 - 290 2.7 - 17 5 - 14 [10],[6]Bambu 600 - 800 7 - 27 1.5 - 4.4 2.88 - 3.52 187 - 1152 8 - 150 - [16], [17]
En estos materiales la celulosa tiene un porcentaje similar a las demas fibras
vegetales mencionadas, el porcentaje de lignina es menor por lo que requieren un menor
proceso de eliminacion; por lo tanto son materiales potenciales para refuerzo en materiales
compuestos. La tabla 1.8 resume la composicion quımica de fibras de pastos y juncos.
Tabla 1.8: Composicion quımica de algunas fibras de pastos y juncos [2], [4].
FibraCelulosa Hemicelulosa Lignina Pentosan Ref.
(%) (%) (%) (%)
Trigo 29- 51 - 16 - 21 26 - 32 [4]Avena 31 - 48 - 16 - 19 27 - 38 [4]Cebada 31 - 45 - 14 - 15 24 - 29 [4]Arroz 28 - 48 - 12 - 16 23 - 28 [4]Bagazo 32 - 48 30 18 - 26 27 - 32 [10],[4]Centeno 33 - 50 - 16 - 19 27 - 30 [4]Esparto 33 - 38 - 17 - 19 27 - 32 [4]Bambu 26 - 43 - 21 - 31 15 - 26 [4]
1.5.6 Fibras de madera
Se clasifican en dos tipos: las maderas suaves y las maderas duras. Las suaves son las
que tienen menor tiempo de desarrollo y de madurez mientras que las maderas duras son
las que poseen un mayor tiempo de madurez y desarrollo por lo que sus propiedades son
de mayor calidad [18]. La densidad es inferior a la de las fibras ya mencionadas; pero
sus propiedades mecanicas son similares. Por otra parte el problema en estas fibras es el
tiempo de crecimiento ya que es mayor a las demas fibras vegetales, lo que se convierte en
una desventaja si se observa como una alternativa de produccion masiva. La tabla 1.9
resume las propiedades mecanicas de las fibras de madera.
9
Tabla 1.9: Propiedaes mecanicas de fibras de madera [19], [20].
FibraDensidad Diametro Longitud Alargamiento a la Resistencia a la Modulo de Modulo Ref
rotura traccion Young especıficokgm3 (micras) (mm) (%) (MPa) (GPa)
Madera 380 - 550 15 - 20 - - 160 23 41 - 60 [19], [20]
Desde el punto de vista quımico, se observa que el porcentaje de lignina y celulosa
es similar a las demas fibras vegetales; por lo tanto son adecuadas para ser refuerzo de
materiales compuestos y para distintos usos a nivel industrial, siendo la mas importante
la produccion de papel. La tabla 1.10 muestra la composicion quımica de las fibras de
madera.
Tabla 1.10: Composicion quımica de fibras de madera [4].
FibraCelulosa Hemicelulosa Lignina Pectina Ceras Porcentaje Ref.
de humedad(%) (%) (%) (%) (%)
M. Suave 40 - 45 27 26 - 34 7 - 14 - - [4]M. Dura 38 - 9 35 23 - 30 19 - 26 - - [4]
1.6 Fibra de bambu (Guadua Angustifolia)
La “Guadua Angustifolia Kunt” (GAK), tambien conocida como planta no maderable
perteneciente a la familia de pastos y juncos, conocida mundialmente como “bambu”
es una planta que tiene una forma caracterıstica similar a un tallo nodulado largo con
crecimiento en lınea recta uniforme, es liviana y hueca en el centro, muy resistente y de
rapido crecimiento [21].
La GAK es la especie de bambu que posee las mejores propiedades fısicas y
mecanicas en el mundo. Tambien es conocida por su alta durabilidad ademas tiene un
rapido crecimiento pudiendo cosecharse cada cuatro o seis anos con diferencia de la mayorıa
de maderas que tarda alrededor de los veinte anos para encontrar su madurez [22].
La GAK, de acuerdo a su crecimiento, se divide en seis partes, desde el rizoma que
es la base o raız a continuacion se tiene la cepa, la basa, hasta llegar a aproximadamente
la mitad de la planta que es conocida como sobrebasa, el varillon y el copo en la parte
superior. Las dos ultimas partes no son empleadas cuando se aplica para la construccion
puesto que no tienen propiedades mecanicas aceptables. La figura 3.4 presenta un esquema
detallado de las partes de la planta de GAK.
10
Figura 1.4: Partes planta de bambu [22].
1.6.1 Condiciones de crecimiento de bambu en general y la GAK
El bambu en su variedad de especies puede producirse en rangos de temperatura desde los
4 grados centıgrados hasta los 47 grados centıgrados, con una precipitacion de 762 mm
hasta los 6350 mm por ano [23], se lo puede localizar hasta los 4300 metros sobre el nivel
del mar y con una latitud aproximada desde los 46◦ N hasta los 47◦ S. En la figura 3.5 se
muestra la distribucion de zonas de produccion de bambu [24].
Figura 1.5: Distribucion de los bambues lenosos [24].
La GAK tiene un biotipo similar al de la cebolla castilla, macana y rayada negra
que se localiza entre los 0 y 2200 metros sobre el nivel del mar. Sin embargo el mejor
desarrollo, para obtener tallos gruesos con gran diametro y altura de 30m aproximadamente,
11
se lo encuentra entre los 900 y los 1600 metros sobre el nivel del mar con una precipitacion de
2000 milımetros a 2500 milımetros [25], con una humedad ambiental del 80% y temperaturas
de alrededor de 20◦C [26].
1.6.2 El culmo de la planta
El culmo de planta de bambu consta de: nodos (celulas orientadas transversalmente)
e internodos (celulas orientadas axialmente) lo que permite el transporte de nutrientes
y demas sustancias [27]. La microestructura de la planta de bambu funciona como un
material compuesto natural ya que la densidad de la parte externa es mayor que de la
parte interna en el internodo. La figura 3.6 muestra las partes del culmo.
Figura 1.6: Partes del culmo [28].
1.6.3 Fibras en el culmo
La pared del culmo esta formada por celulas parenquima que representan el 50% de
volumen de la planta, haces vasculares que tambien se comportan como tejidos conductores
que representan un 10% de la planta y por ultimo posee un 40% de fibras. Los haces
vasculares estan distanciados por celulas de parenquima, estos estan estructurados por
tubos de xilema y floema rodeados por fibras. La figura 3.7 muestra la seccion de pared
del culmo [22].
12
Figura 1.7: Seccion de la pared del culmo [29].
1.6.4 Componentes quımicos que brindan las caracterısticas a laGAK
Los componentes quımicos mas importantes que intervienen en el comportamiento mecanico
y estructural de las plantas son principalmente la celulosa, hemicelulosa y lignina. La
celulosa constituye gran parte de todo el reino vegetal, es el esqueleto de la fibra que le
proporciona la resistencia mecanica a la planta. La hemicelulosa se encuentra rodeando
las fibras de celulosa cristalizandose con ellas lo cual le da rigidez y capacidad mecanica
a la pared celular de la planta. La lignina que se encuentra entre el 20% y 30% de la
materia organica del reino vegetal proporciona propiedades de elasticidad, es conocida como
polımero vegetal y se encarga de unir las fibras entre sı. Es un material hidrofobico [22].
El bambu es considerado uno de los ultimos recursos vegetables sostenibles que
no ha sido masivamente explotado [30].
1.6.5 Aplicaciones generales del bambu
En el 2003 el mercado mundial de bambu alcanzo un nivel de ventas de aproximadamente
10 billones de dolares, la demanda sigue creciendo por sus propiedades mecanicas elevadas.
Ademas posee areas de cultivo muy extensas ya que sus condiciones son muy favorables en
una amplia gama de zonas climaticas. Hoy en dıa la industria del bambu tiene una gran
importancia en la produccion alimenticia ya que parte de su planta es comestible [16].
Por otra parte, el bambu tiene gran potencial como madera ya que posee buenas
13
propiedades de resistencia convirtiendose en un posible sustituto ademas por la rapida
taza de crecimiento y su bajo costo [31].
Los usos mas conocidos del bambu son: pisos, muebles, construcciones y table-
ros [32]. Para la construccion son muy usados en uniones, en tanques de almacenamiento de
agua ya que son economicos, en cercas o paredes en las cuales no se necesite gran seguridad,
en andamios para realizar trabajos de pintura y apoyo de materiales. En la creacion de
tableros se puede realizar laminados y conglomerados. El uso de mayor importancia es
en el mercado automotriz, en el Tokio Motor Show 2005 la companıa Chrysler presento
un vehıculo con el interior de bambu [16]. Existen muchas aplicaciones adicionales, sin
embargo se pretende senalar las mas conocidas de acuerdo a sus partes y crecimiento. La
figura 3.8 resume las aplicaciones actuales del bambu.
1.7 Fibra de bambu (GAK) en el Ecuador
La “Guadua Angustifolia Kunt” es el nombre cientıfico de la cana guadua nativa de
Ecuador, Colombia y Venezuela la cual es considera de gran valor economico, social,
ambiental entre otros ya sea por sus multiples aplicaciones que pueden ser de ındole
productiva o ambiental [34].
La velocidad de crecimiento de la GAK depende de las condiciones climaticas y del
suelo; pero un estudio realizado en la empresa Acero Vegetal - Tandilsa han determinado
que en la zona de Bucay, provincia de Guayas el crecimiento de la planta alcanza los 13.5
cm diarios, cuya cosecha se realiza en un promedio de 3.5 a 4.5 anos [34].
1.7.1 Tipos de bambu cultivados en Ecuador [35]
Especies nativas
• Guadua Angustifolia
• Guadua Weberbaueri
• Aulonemia Queko
• Aulonemia Patula
• Chusquea spp.
14
Figura 1.8: Bambu partes y usos [33].
• Neurolepis Elata
• Neurolepis Rıgida
• Rhipidocladum Harmonicum
• Rhipidocladum Racemiflorum
Especies introducidas
• Dendrocalamus Asper
• Dendrocalamus Giganteus
15
• Dendrocalamus Femiscandes Hsueh et D. Z. Li
• Bambusa Intermedia Hsueh et Yi
• Bambusa Vulgaris var. Vittata
• Bambusa Ventricosa Mc. Clure
• Bambusa Blumeana Schult
• Bambusa Pervariabilis
• Phyllostachys Nigra
1.7.2 Produccion de GAK en el Ecuador
La produccion de GAK en el ano 2003 se estimo en 8000 hectareas de las cuales solo
3000 son plantaciones programadas y 5000 son de crecimiento natural. En la tabla 1.11 se
muestra la distribucion por provincias [36]. Se observa un interesante campo de incursion
ya que la produccion de plantaciones programadas deberıa ser superior a las de crecimiento
natural. Se estima actualmente la produccion de GAK en el Ecuador en 15000 hectareas
entre las de crecimiento natural como las plantaciones programadas [37].
Tabla 1.11: Plantaciones de Guadua Angustifolia por provincia
Provincia Hectareas Porcentaje (%)
Pichincha 751.5 17.6Guayas 1464.5 34.3Manabı 375 8.8Los Rıos 1174 27.5El Oro 100 2.3Esmeraldas 240 5.6Bolıvar 80 1.9Cotopaxi 60 1.4Pastaza 13 0.3Zamora 12 0.3
Total 4270 100
1.7.3 Generalidades de la GAK en el Ecuador
La GAK es una planta cuyo crecimiento es muy rapido; pero para alcanzar su madurez
necesita de aproximadamente cuatro anos y medio a cinco [37]. Para llegar a esta madurez
necesita de cuatro fases:
16
Etapa del Renuevo: es el brote o rebrote conocida como la primera fase, se la puede
reconocer por la cubierta que posee de hojas caulinares o de color cafe protectoras
del culmo contra el ataque de parasitos en su primera etapa. El crecimiento con el
estiramiento de los nodos y la formacion de entrenudos en un tiempo aproximado de
150 a 180 dıas [38].
Etapa de Verde, joven o viche: ya concluida la primera etapa de este proceso comi-
enzan a formarse ramas laterales y el follaje experimenta un crecimiento progresivo,
su color es verde intenso con bandas blancas en los nudos. En esta etapa, la planta,
no es apta para usos fısicos pero tiene gran cantidad de azucares y almidones [37].
Madura, Gecha: esta es la etapa en que la guadua adquiere propiedades fısicas y
mecanicas y es la hora en la cual se la debe cosechar. La caracterıstica princi-
pal es que pierde su coloracion verde intensa, a una verde amarillenta por lo general
aparecen manchas de color blanco o gris este indicador aparece entre los 3 y 5
anos [38].
Seca: Es la etapa en la cual la guadua se torna de color amarillo rojizo, este estado
demuestra que ha perdido sus propiedades mecanica [38].
1.7.4 Dimensiones del culmo de GAK
En la tabla 1.12 se muestran los rangos generales de crecimiento de la cana guadua.
Tabla 1.12: Dimensiones del culmo de la cana Guadua [39].
Factor Rango General
Longitud Total 15 - 30 mDiametro de Culmo 10 - 20 cmLongitud entrenudo 20 - 30 cmGrosor de Pared 2 - 5 cm
1.7.5 Propiedades de la GAK
1.7.5.1 Propiedades quımicas
Se realiza un recuento de las propiedades quımicas que posee la GAK en nuestro paıs
con los datos obtenidos por la Escuela Politecnica Nacional. La tabla 1.13 presenta las
propiedades quımicas de la GAK en Ecuador.
17
Tabla 1.13: Propiedades quımicas GAK en el Ecuador [40]
Especie
SolubilidadLignina Pentosan Ceniza Celulosa
Agua Alcohol benceno % % % %% %
Guadua 10.09 4.03 19.72 11.65 5.16 59.77Angustifolia
1.7.5.2 Propiedades mecanicas
Las propiedades mecanicas de la GAK son comparables con las de diversas maderas y en
la mayorıa de casos las superaran. La ventaja destacable es el rapido crecimiento y la
facilidad de cultivo.
Las propiedades mecanicas obtenidas con GAK proveniente de Colombia son
presentadas en la tabla 1.14. Las propiedades de una misma especie pueden variar de
acuerdo a la forma de cultivo.
Tabla 1.14: Tabla comparativa de propiedades mecanicas Guadua Angustifolia [20].
MaterialMET MEC MEF RT RC (MPa) RF(GPa) (GPa) (GPa) (MPa) Perpendicular fibra Paralelo fibra (MPa)
Guadua 190 184 179 430 560 650 740Aliso - - - 108 68 357 460Arboloco - - - 500- 1500 132 405 390Otras maderas 90 -180 96 - 169 108 - 128 1000 50 - 144 400 500 - 720
1.7.6 Ventajas ambientales de la cana guadua [40]
Es una planta perenne, es decir tiene la capacidad de regenerarse naturalmente por lo que
su rendimiento en volumen por hectarea es muy grande.
Por su rapido crecimiento es una planta bajo costo.
La guadua angustifolia y el bambu poseen efectos protectores en los suelos y en
las aguas de las micro cuencas, ya que proporcionan, con sus raıces, un amarre de los
suelos evitando erosion y desbanques.
Esta especie es una gran productora de oxıgeno y fijador de CO2 por lo que
brindan un efecto de purificacion en el medio ambiente
18
1.8 Polietileno como matriz
El polietileno es uno de los polımeros de mayor produccion en el mundo, se encuentra
en la mayorıa los elementos de uso diario. En la actualidad ha sido ocupado en variedad
de propositos tanto donde el requerimiento sea de un material suave y flexible hasta un
material duro y resistente. La materia prima para formar polietileno es el petroleo, tratado
por medio del cracking a elevadas temperaturas se obtiene el etileno. La combinacion de
miles de moleculas de etileno forman el polietileno [41]. La figura 3.9 muestra la estructura
quımica del etileno y polipropileno.
Figura 1.9: Estructura quımica del etileno y polietileno [41].
1.8.1 Densidad del polietileno
Los polietilenos se clasifican por su densidad. Entre los principales estan los siguientes
PEBD (Polietileno de baja densidad), PEAD (Polietileno de alta densidad), PEBDL
(Polietileno de baja densidad lineal). La diferencia de estos se encuentra en la ramificacion
que poseen como se observa en la figura 3.10.
Figura 1.10: Efectos de la ramificacion en la densidad [42].
1.8.1.1 Polietileno de alta densidad (PEAD)
El polietileno de alta densidad es aquel que no posee ramificaciones en su cadena principal.
Es un polımero lineal que se caracteriza por su resistencia a la traccion y por su alto peso
19
molecular [43].
1.8.1.2 Polietileno de baja densidad (PEBD)
El polietileno de baja densidad posee ramificaciones. Las cadenas de este polımero no se
conforman bien en la estructura cristalina lo que proporciona una menor compactacion y
disminucion en su resistencia a la traccion; pero lo hace mas ductil [43].
1.8.1.3 Polietileno de baja densidad lineal (PEBDL)
El polietileno de baja densidad lineal esta formado por un numero alto de ramificaciones
cortas. este es un Copolımero formado por etileno y alfa olefinas de cadena corta. Se
obtiene un polımero con menor densidad pero con propiedades similares al polietileno de
alta densidad ya que esta modificacion lo hace mas resistente a la traccion, al impacto y a
la perforacion en comparacion con el polietileno de baja densidad [43].
1.8.1.4 Otros tipos de polietileno
Existe una amplia gama de polietilenos como se indica a continuacion:
• Polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE).
• Polietileno de ultra bajo peso molecular (ULMWPE o PE-WAX).
• Polietileno de alto peso molecular (HMWPE).
• Polietileno de alta densidad reticulado (HDXLPE).
• Polietileno reticulado (PEX o XLPE).
• Polietileno de media densidad (MDPE).
• Polietileno de muy baja densidad (VLDPE).
• Polietileno clorado (CPE).
1.8.2 Propiedades fısicas y mecanicas de los polietilenos mas cono-cidos
Las propiedades fısicas y mecanicas en los polımeros son muy variables ya que existen gran
variedad de procesos productivos y empresas productoras. En la tabla 1.15 se presentan
20
las propiedades mas relevantes de los polietilenos de alta y baja densidad.
Tabla 1.15: Propiedades fısicas y mecanicas de PEAD y PEBD [22].
PolımeroDensidad Absorcion Resistencia Elongacion Modulo
de Agua a la tension ruptura tension(g/cm3) % (MPa) (%) (MPa)
PEAD 0.914 - 0.928 ≤ 0.01 8 - 23 300 - 1000 200 - 500PEBD 0.94 - 0.96 ≤ 0.01 18 - 35 100 - 1000 700 - 1400
1.9 Polipropileno como matriz
El polipropileno es un polımero que puede ser fabricado como plastico y como fibra ya
que es un material liviano. Por la baja densidad es empleado como plastico y es de
gran utilidad en elementos que requieran temperaturas de estabilizacion altas ya que se
mantiene estable a temperaturas hasta los 100◦C sin deteriorarse. Es muy ocupado como
fibra para piscinas y canchas de tenis por su bajo porcentaje de absorcion de agua por lo
que es un buen candidato a utilizar como matriz de compuestos ya que posee muy buenas
propiedades. En la figura 3.11 se presenta el monomero constitutivo [41].
Figura 1.11: Estructura quımica del propileno y polipropileno [41].
1.9.1 Tacticidad del polipropileno
Esta definida por la organizacion de los grupos metılicos del polımero. Pueden ser
isotacticos, sindiotacticos y atacticos, las dos tacticidadades nombradas como isotacticos
y sindiotacticos son las estructuras mas ordenadas que le imprimen al polımero buenas
caracterısticas fısicas siendo un polımero cristalino y el atactico presentan estructuras
desordenadas o distribuidas al azar por lo que tiene propiedades menores. En la figura 3.12
se observa los tipos de tacticidades del polipropileno [41].
21
Figura 1.12: Tacticidad del polipropileno [44].
1.9.2 Propiedades fısicas y mecanicas del polipropileno
Las propiedades fısicas y mecanicas del polipropileno tambien pueden variar de acuerdo al
fabricante y a su tacticidad. El modelo de tacticidad mas ocupado es el isotactico por lo
que ha demostrado mayor interes comercial [44]. La tabla 1.16 resume las propiedades
fısicas y mecanicas del polipropileno.
Tabla 1.16: Propiedades fısicas y mecanicas del PP [22].
PolımeroDensidad Absorcion Resistencia Elongacion Modulo
de Agua a la tension ruptura tension(g/cm3) % (MPa) (%) (MPa)
PP 0.90 - 0.907 0.01 - 0.03 21 - 37 20 - 800 1100 - 1300
1.10 Resina poliester insaturado como matriz
Estas resinas son el resultado de la condensacion lineal de un di-acido como el maleıco,
ftalico o adıpico con un di-alcohol como el propilenglicol, etilenglicol o el neopentilglicol.
Se mezcla con un monomero insaturado normalmente estireno [45] y con un catalizador.
La figura 3.13 muestra la formacion de la resina poliester.
1.10.1 Resinas poliesteres de mayor uso
Las resinas poliester estan formadas de una mezcla homogenea de una cadena polimerica
central en base a poliester disuelta en un monomero de estireno mas glicoles acidos
22
Figura 1.13: Formacion de resina poliester insaturado [45].
saturados e insaturados que le agregaran las propiedades definitivas a la resina. Ademas
de estas, existe gran variedad de resinas con mejores propiedades y adaptadas a cada
necesidad por lo que son las mas producidas [45].
Resina Vinilester
Estas resinas son llamadas ası por poseer en las ramificaciones de sus moleculas
grupos vinılicos (-C=CH2), se le puede hacer diferentes modificaciones a sus cadenas
para formar una resina vinilester estandar, retardante a la llama y novoloc entre los mas
conocidos [46]. La figura 3.14 presenta la cadena molecular de una resina vinilester.
Figura 1.14: Composicion quımica resina vinilester [45]
Resina Isoftalica
Las posibilidades de combinacion de las resinas pueden ser infinitas. Cada de una
de las combinaciones puede poseer acido saturado, acido insaturado, glicol y un monomero.
La resina isoftalica esta formada por acido saturado isoftalico, acido insaturado maleıco,
propilenglicol, y monomero de estireno, estas resinas presentan buena resistencia a los
quımicos, bajo porcentaje de absorcion de agua y alta temperatura de distorsion entre
las mas importantes [46]. La figura 3.15 presenta la composicion quımica de la resina
isoftalica.
Resina Ortoftalica
La resina Ortoftalica se forma de una manera similar a la Isoftalica, la unica
diferencia se da en el cambio del acido saturado Isoftalico por el acido saturado Ortoftalico,
23
Figura 1.15: Composicion quımica resina isoftalica [45].
permitiendo que sus propiedades varıen notablemente. Son mas rıgidas, presentan tiempo
de gel mas prolongado, se produce menor resistencia quımica, mayor absorcion de agua
y menor resistencia al impacto entre las mas importantes [46]. La figura 1.16 presenta
composicion quımica resina ortoftalica.
Figura 1.16: Composicion quımica resina ortoftalica [45].
1.10.2 Propiedades de la resina poliester insaturada grado 802
La resina poliester insaturada posee gran variedad de combinaciones y propiedades; pero la
mas ocupada es la UP (Resina Poliester Insaturada) de grado 802. La tabla 1.17 muestra
algunas propiedades fısicas y mecanicas de estas resinas.
Tabla 1.17: Propiedades fısicas y mecanicas del UP grado 802
PolımeroDensidad Absorcion Resistencia Elongacion Modulo
de Agua a la tension ruptura tension(g/cm3) % (MPa) (%) (MPa)
UP 2 0.03 - 0.5 30 0.6 - 1.2 14000 - 20000
1.11 Procesos de obtencion de fibra natural de GAK
Para la obtencion de fibra hay que tener clara la diferencia entre un haz de fibras y una
fibra tecnica o elemental. El haz de fibras es el conjunto de fibras tecnicas con un diametro
24
promedio de entre 100 - 300 µm; mientras que una fibra tecnica es una celula de alta
relacion de aspecto con una doble pared celular con diametro promedio de 10 - 20 µm [47].
Los elementos vegetales que contienen fibras estan formados principalmente por
hemicelulosa, celulosa y lignina. Estos componentes difieren en su composicion molecular
y estructural por lo tanto las propiedades fısicas varıan [48].
1.11.1 Celulosa, hemicelulosa, lignina
Celulosa
Este es un componente de tipo polimerico biodegradable mas abundante en el
mundo ya que se estima que la naturaleza es productora de entre 10 x E10 y 10 x E
11 toneladas por ano [49]. Tambien es de los mayores constituyentes de los organos
fotosinteticos. Tiene composicion variable en diferentes especies. Le proporciona a la fibra
su enorme resistencia [48].
Su estructura quımica es conocida luego de varias investigaciones como un homo-
polımero lineal de glucanos que posee una estructura de cadena uniforme. Estas uniones
estan enlazadas por uniones de tipo β (1-4)1 glucosıdicas [48]. En la figura 3.17 se observa
la formula de la celulosa cuya longitud es de 1.03 nm [50].
Figura 1.17: Formula de la celulosa [48].
Hemicelulosa
Compuesto que esta presente en las paredes celulares de las fibras y se encuentran
en forma amorfa o paracristalina. Presenta caracterısticas importantes como la confor-
macion de azucares con union similar a la de la celulosa que es la de tipo β (1-4) y la
presencia de una caracterıstica estructural que no le permite formar agregados como los
de la celulosa. La hemicelulosa es una matriz para las microfibrillas y compatibilizaste
1Dos unidades de glucosa adyacentes estan enlazadas por la eliminacion de una molecula de aguaentre sus grupos hidroxılicos en el carbono 1 (C1) y el carbono 4 (C4). La posicion β del grupo OH en elC1 necesita que la unidad de glucosa siguiente gire alrededor del eje C1-C4 del anillo de piranosa.
25
interfacial [49].
Lignina
Es un componente de los tejidos de las plantas el cual es complemento que
funciona como un fijador polimerico para las paredes celulares de las fibras principalmente
lenosas [48]. Es un complemento para la union de las fibras, es muy importante separarlo
de la fibra para utilizar la fibra tecnica. Antes de realizar este proceso de eliminacion de
lignina es muy importante realiza un proceso de descerado [51].
1.11.2 Proceso de descerado
Este proceso se realiza con el fin de eliminar elementos de naturaleza grasosa. Estos
elementos estan presentes en vegetacion de tipo fibroso, evitan la deshidratacion de estos
vegetales por lo que son insolubles en medios acuosos [11]. Para lograr un elemento ıntegro
y limpio se realiza el descerado mediante un “Extractor Soxhlet”, este elemento es ocupado
para la extraccion.
Extraxtor Soxhlet [52]
Este proceso de extraccion se define como la accion de separar mediante un lıquido
una fraccion especifica del elemento generalmente de naturaleza lipıdica para lograr un
residuo con naturaleza ıntegra. Se puede realizar con diferentes estados de la materia, del
estado solido al lıquido que es la mas utilizada, del estado lıquido a lıquido y de gas a
lıquido, mas conocido como lavado de gases.
Este proceso se realiza con el fin de filtrar, en su totalidad, el solvente ya que
si se realizara de una manera comun el solido quedarıa saturado del solvente lo cual no
es bueno para un proceso posterior, por lo que el extractor soxhlet realiza un sinfın de
filtraciones para separar completamente la fraccion necesaria o innecesaria con el solvente
consiguiendo la parte ıntegra.
Etapas de proceso de extraccion Soxhlet [53]
El proceso sigue los siguientes pasos:
• En la etapa dos se coloca el solvente en el balon
• En la etapa uno el solvente hace ebullicion y se traslada hacia el condensador de
reflujo.
26
• En la etapa tres el condensado cae sobre el recipiente que contiene el cartucho donde
se encuentra el elemento. El cartucho es de naturaleza porosa generalmente de
porcelana o algodon y posee un tapon para evitar contaminaciones, el tapon es
normalmente hecho de algodon envuelto en gasa.
• En la etapa cuatro se realiza el ascenso del solvente que permite cubrir el cartucho
hasta permitir el reflujo haciendo retornar el solvente con lo extraıdo al balon.
• En la etapa cinco se repite el proceso hasta que obtener el material deseado.
Punto de ebullicion de los diferentes solventes
Es importante saber cual es punto de ebullicion de cada solvente para poder
controlar las etapas del proceso y la intensidad de calentamiento. En la tabla 1.18 se
observa los puntos de ebullicion de algunos solventes.
Tabla 1.18: Punto de ebullicion solvente para extraccion [53].
Solvente Punto de ebullicion ( ◦C)
Eter 35Diclorometano 40
Eter de petroleo 35 - 50Cloroformo 62Metanol 65Etanol - Benceno 65Hexano 69Etanol Tolueno 73Acetato de Etilo 77Etanol 78Benceno 80Ciclohexano 81
Acido formico 101Dioxano 102Tolueno 111
1.11.3 Procesos de limpieza de la fibra (eliminacion de la lignina)
Proceso mecanico
Este proceso se puede realizar manualmente, por enriado y por descortezado. La
manera manual se la efectua mediante los siguientes procedimientos: cortar el elemento
de donde se obtendra la fibra en fracciones, luego estas pasan a un proceso de cepillado
27
mediante una cardadora metalica que permite separar las fibras con el resto de componentes,
se termina con un proceso de limpieza manual y secado [54]. El metodo de extraccion
mecanica por enriado consiste en la extraccion de las fibras sumergidas en agua, una vez
suavizadas las mismas se las golpea y se las vuelve a mojar y el secado se puede realizar
luego de 5 o 13 dıas. Posteriormente se realiza una extraccion con la cardadora para
finalmente golpearlas y dejarlas secar. El metodo de descortezado se realiza con una
descortezadora, despues de pasar por este elemento la fibra pasa a ser lavada y secada [54].
Proceso quımico
El proceso quımico de limpieza de la fibra se realiza luego de un proceso mecanico.
Hay diferentes metodos como el metodo Kraft y el alcalino que son los mas ocupados
para obtener la pulpa de papel. El metodo alcalino consiste en dar un bano de hidroxido
de sodio (NaOH) en diferentes concentraciones y tiempos, dependiendo del tipo de fibra.
El metodo Kraft tiene una modificacion, utiliza NaOH y sulfuro de sodio (Na2S) este
componente estabiliza la celulosa y hace las veces de catalizador en la reaccion para acelerar
el proceso y proteger del dano ambiental [22].
Proceso fısicos
Los procesos fısicos involucran la fibrilacion superficial con descargas electricas. Los
procesos fısicos mas conocidos se realizan mediante plasma frıo, este permite implantacion
quımica, polimerizacion, formacion de radicales libres, cristalizacion. Se realiza con el uso
de electrones, iones, radicales y moleculas excitadas mediante descarga electrica [55]. El
sputtering es un proceso utilizado para limpieza de superficies, consiste en la extraccion
de atomos de la superficie de un electrodo mediante intercambio de momento con iones
que bombardean los atomos de la superficie [56]. La descarga de corona es un ejemplo
de pulsos de descargas atmosfericas [57], es un proceso de oxidacion avanzada (AOP
Advanced oxidation process) con el cual se realiza un tratamiento para la eliminacion de
contaminantes organicos [58].
1.12 Procesos de manufactura
Moldeo por inyeccion
Este tipo de proceso de manufactura es uno de las mas ocupados para la creacion
de productos con materiales termoplasticos y mucho mas importante en artıculos con
formas complejas que requieren precision en sus dimensiones. Todos los procesos necesitan
28
un proceso previo de extrusion para garantizar el fundido del material y un diseno correcto
de manera que entregue la cantidad correcta de material para el moldeo con la presion
necesaria [59]. En la figura 3.18 se muestran las partes de una inyectora de tornillo.
Figura 1.18: Partes de una inyectora y platinas de un molde de inyeccion [60].
Ciclo de inyeccion
El ciclo de moldeo por inyeccion contempla varias etapas. La primera consiste en
el cierre del molde vacıo al mismo tiempo que se tiene la cantidad de material fundido
para inyectar el molde, se cierra de manera lenta para el contacto y de manera mas rapida
para el cierre manteniendo la presion, en la segunda etapa se inyecta el material, en la
tercera etapa se mantiene la presion de inyeccion para evitar la contraccion de la pieza
hasta que se enfrıe, en la cuarta etapa se vuelve a plastificar el material y el tornillo se
retira hasta poseer la cantidad de material necesaria para la siguiente inyeccion, en la
quinta etapa se retira la pieza inyectada solidificada y en la ultima etapa se cierra el molde
e inicia un nuevo ciclo. En la figura 3.19 se presenta un ciclo de inyeccion.
Moldeo por compresion de termoplasticos
Es una tecnica de moldeo empleada en su mayorıa en el area automotriz por
su semejanza al estampado de metales y en areas en donde se necesita la obtencion de
elementos polimericos de grandes dimensiones. Se emplea tanto para elementos comerciales
como estructurales. La ventaja es que el material no sufre grandes deformaciones al
moldearse. Este proceso disminuye el desperdicio de material y mediante automatizacion
se puede disminuir los tiempos de ciclo de moldeo. El proceso mas utilizado para materiales
compuestos es la tecnica de moldeo por compresion de preformas termoplasticas que consiste
29
Figura 1.19: Ciclo de inyeccion a) Etapa 1 y 6 b) Etapa 2 c) Etapa 3 d) Etapa 4 e) Etapa 5[61].
en ubicar las materias primas cortadas y colocarlas en un molde metalico, luego de colocar
el material se realiza un precalentado y se aplica presion, quedando el material con la
forma del molde. La figura 3.20 muestra un molde de compresion [62].
Figura 1.20: Moldeo por compresion [62].
Las planchas calefactoras son generalmente calentadas por medios electricos
mediante niquelinas o torpedos calefactores y estabilizadas mediante controles de conexion
y desconexion de las mismas. La pieza, luego de este proceso es necesario que este
completamente solidificada para que sea retirada sin que se presenten problemas; por lo
30
que se necesita un sistema de refrigeracion en muchos casos similar al proceso de inyeccion
en otros casos se da mediante secado al ambiente apagando el equipo de calentamiento y
esperando hasta que el elemento se solidifique por completo [63].
Calandrado
Este proceso se utiliza para la produccion de hojas y pelıculas con materia prima
de elastomeros y termoestables elasticos. El proceso se da al pasar por rodillos calefactores
con el fin de ir plastificando y formando el material en forma de lamina y al espesor
deseado. En terminos economicos es un equipo costoso pero la produccion es muy alta
ya que se puede lograr una velocidad de produccion de 2.5 m/s. luego del proceso, los
resultados que se obtienen son de un muy buen acabado y con precision en los espesores. El
proceso es determinado por la temperatura, presion y velocidad rotacional del rodillo [64].
La figura 3.21 presenta un esquema del calandrado.
Figura 1.21: Moldeo por calandrado [65].
El proceso consiste en pasar el material precalentado por una serie de rodillos con
el fin de obtener espesores y dimensiones deseadas, una vez pasado este proceso se procede
a enfriarlo luego a cortarle las imperfecciones que se encuentran en los bordes .
1.13 Conclusion
• Como se observa las fibras naturales son un potencial refuerzo para generar materiales
compuestos.
• La guadua posee propiedades mecanicas fısicas y quımicas elevadas.
• El conformado mas adecuado para materiales compuestos se debe realizar mediante
un pre extruido para asegurar la union de los elementos reforzantes y un proceso
31
posterior que permite obtener un material con buena consistencia entre los mas
estable se presenta la compresion en caliente y la inyeccion.
32
2 PROPUESTA DE DISENO DE UN MATERIALCOMPUESTO EN BASE A FIBRA NATURAL
Introduccion
El capıtulo 2 tiene como objetivo encontrar los mejores elementos y procedimientos
a utilizar en el desarrollo del proyecto mediante un informe comparativo. De esta manera
se lograra una propuesta solida para generar un nuevo material compuesto con las mejores
caracterısticas y propiedades para nuestra region.
2.1 Seleccion de la fibra
Las fibras naturales presentes en nuestro paıs son variadas de las cuales se han incursionado
en gran medida a nivel industrial por sus buenas propiedades. En el Ecuador son varias
las fibras que se utilizan donde se puede nombrar las siguientes [66]: abaca, cabuya, coco,
cascarilla de arroz, bagazo, banano y raquis de palma africana de las cuales se ha logrado
grandes propiedades.
2.1.1 Fibras con capacidad reforzante
Para la seleccion de la fibra a emplear en la investigacion se utilizo una matriz de
ponderacion a fin de seleccionar la fibra adecuada para la produccion de compuestos
polimericos. Las fibras analizadas fueron [66]: yute, algodon, kenaf, banano, Bambu
(Guadua Angustifolia) en la tabla 2.1 se observa el significado de cada ponderacion y en la
tabla 2.2 la calificacion mediante una tabla de interrelacion.
2.1.2 Resultados de seleccion de fibra
Del analisis realizado de posibles fibras para refuerzo por su: produccion a nivel nacional,
su tasa de crecimiento y cultivo, sus propiedades tanto mecanicas, fısicas y quımicas,
33
Tabla 2.1: Tabla de ponderaciones
Ponderacion Significado
4 Excelente3 Muy buena2 Buena1 Regular
Tabla 2.2: Tabla de interrelacion
Yute Algodon Kenaf Banano Bambu Referencia
Produccion 3 4 2 2 4 [67]Tasa de crecimiento 2 2 4 2 4 [68], [69], [70],
[71], [72]Propiedades mecanicas 3 3 3 3 4 [66]Propiedades quımicas 4 4 3 4 3 [66]Propiedades fısicas 2 3 3 3 3 [66]Facilidad de obtencion 4 3 3 3 1
Total 18 18 18 17 19
su facilidad de obtencion la mas destacada fue la fibra de bambu que presento mejores
caracterısticas a las comparadas.
2.2 Seleccion de matriz polimerica
La matriz posee funciones como: aglutinante para mantener el refuerzo en su lugar,
protege al refuerzo, redistribuye la matriz de la carga a las fibras que rodean cuando existe
fracturas en las fibras individuales y apoya lateralmente a las fibras para evitar el pandeo
en compresion del compuesto [73].
2.2.1 Matrices polimericas
Para la matriz polimerica a seleccionar se incursiona principalmente en los termoestables
y los termoplasticos donde se compara los principales parametros como: temperatura de
procesamiento, tiempo de procesamiento, temperatura de uso, resistencia a los disolventes
y su dureza como tambien el metodo de conformado su dificultad y costo. De acuerdo
a estas caracterısticas se califica a cada matriz con las ponderaciones mostradas en la
tabla 2.3 y su interrelacion en la tabla 2.4.
34
Tabla 2.3: Tabla de ponderacion polımeros
Ponderacion Significado
5 Negativo10 Positivo
Tabla 2.4: Tabla de interrelacion
Termoplasticos Termoestables
Temperatura de procesamiento 10 10Tiempo de procesamiento 10 5Temperatura de uso 5 10Resistencia a los disolventes 5 10Dureza 10 5Toxicidad 10 5Dificultad de procesamiento 10 5Costo de procesamiento 10 5
Total 70 55
2.2.2 Resultados
La matriz a utilizar es termoplastica de la cual se ha destacado varios aspectos: tempe-
ratura de procesamiento efectiva, menor tiempo de procesamiento, temperatura de uso
adecuada para conservar propiedades del reforzante, buenas propiedades mecanica, no son
resinas toxicas, facil procesamiento. Las resinas mas utilizadas a nivel nacional son las
siguientes: polietileno de baja densidad (LDPE), polipropileno de alta densidad (HDPE) y
polipropileno (PP), polietileno translucido (PET), poliestireno (PS) y policloruro de vinilo
(PVC) [74], [75], [76], [77]. En la tabla 2.5 se muestra caracterısticas comparativas.
Tabla 2.5: Propiedades de polımeros termoplasticos mas utilizados [78]
Propiedad PP LDPE HDPE PS PVC
Densidad (g/cm3) 0.899 - 0.920 0.910 - 0.925 0.94 - 0.96 1.04 - 1.06 1.36 - 1.40Absorcion de humedad (%) 0.01 - 0.02 < 0.015 0.01 - 0.2 0.03 - 0.10 0.04 - 0.4Tg (◦C) -10 a 23 -125 -133 a 100 – 106 - 155Tm (◦C) 160 - 176 105 - 116 120 - 140 110 - 135 212Esfuerzo a traccion (MPa) 26 - 41.4 40 - 78 14.5 - 38 25 - 69 50 - 80Modulo de elasticidad (GPa) 0.95 - 1.77 0.055 - 0.38 0.4 - 1.5 4 - 5 2.9 - 3.4Esfuerzo a impacto (J/m) 21.4 - 267 > 854 26.7 - 1068 1.1 –
35
2.3 Seleccion del proceso de tratamiento superficial
Existe dos metodos para mejorar la adhesion matriz termoplastica con refuerzo de fibras
naturales: la primera consiste en tratar a la fibra, cuyo proceso es la eliminacion de
componentes como lignina y grasas de las fibras y la segunda es tratar a la matriz mediante
la creacion de componentes OH para lograr la union de ambos materiales como se destaca
en el capitulo 1.
2.3.1 Modificacion realizada a la fibra
En los tratamientos y modificaciones que se realizan a la fibra para la adhesion en el
compuesto se destaca lo siguiente:
• Modificacion quımica: se encuentra el metodo kraft, anhıdrido acetico, hidroxido de
sodio (tratamiento alcalino) entre los mas utilizados.
• Modificacion fısica: lo mas notable son descargas corona con plasma frıo de oxıgeno
donde se modifica la energıa superficial de las fibras.
2.3.2 Modificacion realizada a la matriz
En lo que respecta a tratamientos y modificaciones que se realiza a la matriz para la
adhesion en el compuesto se destaca el tratamiento mediante anhıdrido maleico mas
conocido como MAPE para polietileno y MAPP para polipropileno [79].
A estos procedimientos es necesario caracterizarlos por propiedades como: Utili-
zacion a nivel productivo, Costos del procedimiento, Dificultad de utilizacion, Acceso a los
materiales y reactivos. Se asignaron valores de ponderacion que se resumen en la tabla 2.6.
La tabla 2.7 muestra la interrelacion para la seleccion del proceso.
Tabla 2.6: Propiedades de polımeros termoplasticos mas utilizados
Ponderacion Significado
9 Facil6 Medio3 Dıficil2 Costoso4 Economico
36
Tabla 2.7: Tabla de interrelacion
MetodoKraft
Anhıdridoacetico
Hidroxidode sodio
Plasma Anhıdridomaleico
Utilizacion a ni-vel productivo
9 3 9 3 6
Costos de proce-dimiento
2 4 4 2 4
Dificultad de uti-lizacion
6 6 9 6 9
Acceso a los ma-teriales y reacti-vos
6 6 6 3 3
Total 23 19 28 14 22
2.3.3 Resultados
En la tala 2.7 se observa la interrelacion entre los metodos de modificacion superficial
para la adhesion de materiales compuestos de matriz polimerica y reforzados con fibras
naturales de los cuales el mas destacado por cuestiones de utilizacion, costo, dificultad y
acceso es el hidroxido de sodio que resulta el idoneo para este proceso.
El hidroxido de sodio o sosa caustica (NaOH) que es utilizado en proporciones del
5% y 10% de concentracion. Este elemento es una base que realiza la limpieza de lignina y
remocion de algunos componentes de naturaleza lipıdica [51].
2.4 Seleccion del proceso de manufactura para obtenerel material compuesto
El proceso final de manufactura utilizado para la obtencion del nuevo material compuesto
se dio por la combinacion de varios procesos estandar a nivel industrial. En la siguiente
clasificacion se destacan los procesos utilizados y las dificultades que presentaron hasta
lograr el compuesto con mejores propiedades morfologicas y de resistencia tension.
2.4.1 Compresion en caliente
Es un proceso ampliamente empleado para la produccion de compuestos polimericos [80].
Este metodo se emplea mucho con matrices termoestables [81], debido a que posee ventajas
como: no generar desperdicio de material , se puede efectuar elementos de grandes
dimensiones y el proceso posee elementos economicos tambien presenta inconvenientes o
37
desventajas como: no se aconseja para figuras con formas complejas por la mala distribucion
de material y requiere de presiones elevadas [82].
2.4.2 Extrusion - inyeccion manual
Este es un proceso experimental ya que a nivel industrial se ocupa de manera individual
cada uno. La extrusion es un proceso de un material fundido que es forzado a pasar por
un una boquilla para generar un producto de seccion transversal constante y de longitud
indefinida [83]. Para el proceso de formacion de un material compuesto es necesario realizar
un pelletizado a la extrusion de manera que se permita crear el nuevo material con una
mejor distribucion del refuerzo [84] para concluir el procedimiento se realiza una inyeccion
manual el cual permite la formacion del producto con material compuesto [85].
2.4.3 Calandrado - inyeccion manual
Este de igual manera es un proceso experimental el cual inicia con un calandrado que un
medio de conformado cuya finalidad es formar una lamina de material polimerico al ser
pasado por una serie de rodillos en el caso de materiales compuestos la finalidad de este
proceso es realizar una mezcla uniforme de sus componentes [86]. La conclusion de este
proceso es similar a la anterior la cual genera un producto mediante inyeccion manual [85].
2.4.4 Extrusion - inyeccion automatica
Este es un proceso experimental que se puede implementar a nivel industrial el cual inicia
con un moldeo por extrusion el cual funde el material y cual es forzado a pasar por un
una boquilla para generar un producto de seccion transversal constante y de longitud
indefinida [83]. Para el proceso de formacion de un material compuesto es necesario realizar
un pelletizado a la extrusion de manera que se permita crear el nuevo material con una
mejor distribucion del refuerzo [84] para luego pasar a un moldeo por inyeccion automatica
generando un proceso en serie del producto, este proceso puede generar geometricas unicas
con gran precision [87].
2.5 Conclusion
• El bambu que en el Ecuador cuya mayor representante es la especie Guadua Angustifo-
lia Kunt; esta fibra es la mejor reforzante debido a que presenta: una alta produccion,
38
elevada tasa de crecimiento diaria, buenas propiedades mecanicas quımicas y fısicas.
• De los grupos de matrices polimericas se destaca que las matrices termoestables
son difıcilmente re procesables y con un proceso de transformacion muy elevado en
costos y tiempos las caracterısticas contrarias a las matrices termoplasticas por lo
que se hace decisiva la utilizacion de las mismas.
• La ocupacion del metodo de hidroxido de sodio para la modificacion superficial de
las fibras se dio por la facilidad de aplicacion y la facilidad de conseguir los reactivos
a ocupar de ahı que su costo es reducido.
• En este capıtulo se realizaron los cuatro modelos de modelado planteados con el fin
de evaluar el mas idoneo para obtener el material compuesto con mejores propiedades
y caracterısticas.
39
3 OBTENCION DE UN PROTOTIPO DELMATERIAL COMPUESTO POLIMERICOREFORZADO CON FIBRA NATURAL Y MATRIZPOLIMERICA
Introduccion
En este capıtulo se detalla el metodo experimental empleado para desarrollar los
diferentes procesos de obtencion del nuevo compuesto. Los procesos fueron realizados
en los laboratorios de la Universidad Politecnica Salesiana sede Cuenca Ecuador y en
la Universidad Pontificia Bolivariana Medellın Colombia bajo convenio de cooperacion
interinstitucional del grupo de investigacion en Materiales GIMA y el GINUMA de Ecuador
y Colombia respectivamente.
3.1 Recopilacion de materia prima y obtencion de fibranatural
La fibra natural empleada fue una variedad de bambu llamada “Guadua Angustifolia
Kunth” de alta disponibilidad en el Ecuador. La materia prima se obtuvo de la zona de
Bucay, provincia de Guayas donde el crecimiento es de 13.5 cm diarios y cuya cosecha se
da en promedio de 3.5 a 4.5 anos [88].
Se trabajo con canas de 10 cm de diametro, de 6 meses de edad, las canas fueron
tomadas del culmo ya que es la zona de mayor uso de la planta. En la tabla 3.1 se observa
las dimensiones caracterısticas de la guadua.
3.2 Caracterizacion de la matriz polimerica
Las matrices termoplasticas empleadas para la elaboracion de los compuestos polimericos
fueron polietileno de baja densidad [LDPE], polietileno de alta densidad [HDPE] y poli-
40
Tabla 3.1: Dimensiones del culmo de la cana Guadua [39]
Factor Rango general
Longitud total 15 - 30 cmDiametro de culmo 10 - 20 cmLongitud entrenudo 20 - 30 cm
Grosor de pared 2 - 5 cm
propileno [PP], se escogieron estas matrices por la elevada disponibilidad en el medio y
por ser las que mayor demanda de reforzamiento presentan.
El polipropileno fue provisto por Braskem de tipo H-306. El polietileno de baja
densidad lineal fue provisto por Dow de tipo DNDB - 7147 y el polietileno de alta densidad
de productos Dow de HDPE DMDA - 8920 de los cuales podemos mencionar las siguientes
caracterısticas:
3.2.1 PP Braskem H - 306
Homopolımero usado para procesos de extrusion e inyeccion de filamentos, posee una
adecuada estabilidad de fundido e impermeabilidad al olor y sabor [89]. En la tabla 3.2 se
pueden observar algunas propiedades.
Tabla 3.2: Propiedades del polipropileno Braskem H - 306. Datos extraıdos de [89]
Propiedades Unidades Valor
Indice de fluidez (230 ◦C / 2.16 kg) g/10 min 15Densidad g/cm3 0.905Resistencia a la traccion MPa 33Modulo de flexion GPa 1.55Temperatura de deflexion termica a 455 KPa ◦C 94Temperatura de deflexion termica a 1820 KPa ◦C 53Temperatura de reblandecimiento ◦C 153
3.2.2 Dow LLDPE DNDB - 7147
Es un polietileno de baja densidad lineal se usa principalmente para inyeccion y en
aplicaciones como contenedores de comida y presenta propiedades balanceadas de resistencia
al impacto, rigidez entre las mas importantes [90]. En la tabla 3.3 se observa algunas
propiedades.
41
Tabla 3.3: Propiedades del polietileno de baja densidad lineal Dow DNDB - 7147. Datosextraıdos de [90]
Propiedades Unidades Valor
Indice de fluidez (190 ◦C / 2.16 kg) g/10 min 50Densidad g/cm3 0.926Resistencia a la traccion maximo MPa 9.65Resistencia a la traccion ruptura MPa 7.68Modulo de flexion 2% secante MPa 421Temperatura de deflexion termica a 450 KPa ◦C 45Temperatura de fusion ◦C 124Temperatura de reblandecimiento ◦C 109
3.2.3 Dow HDPE DMDA - 8920
Es un polietileno de alta densidad principalmente usado para inyeccion en el cual se pueden
crear elementos como: recipientes para comida, juguetes en el cual destaca su resistencia a
las grietas y su facil procesamiento por la presencia de balance en los espesores [91]. En la
tabla 3.4 se observa algunas propiedades.
Tabla 3.4: Propiedades del polietileno de baja densidad lineal HDPE DMDA - 8920. Datosextraıdos de [91]
Propiedades Unidades Valor
Indice de fluidez (190 ◦C / 2.16 kg) g/10 min 20Densidad g/cm3 0.954Resistencia a la traccion maximo MPa 28.3Resistencia a la traccion ruptura MPa 13.8Modulo de flexion 2% secante MPa 1150Temperatura de deflexion termica a 450 KPa ◦C 76.1Temperatura de fusion ◦C 130Temperatura de reblandecimiento ◦C 127
3.3 Proceso de reduccion de fibras
El proceso inicio con el corte de la guadua en pedazos de 6 metros mostrado en la figura 3.1.
Luego se realizo un aplastamiento de la cana y un corte para lograr una fibra en forma de
cubierta como se observa en la figura 3.2 llamada tambien esterilla de guadua [92].
Para la obtencion de fibra mas limpia se realizo un corte de la epidermis de tal
manera que se utilizan todas las fibras de la parte central como se observa en la figura 3.3.
42
Figura 3.1: Corte inicial Guadua Angustifolia
Figura 3.2: Esterilla de Guadua [92]
Figura 3.3: Obtencion de listones de fibra
3.4 Proceso de extraccion de fibra corta
El proceso de obtencion de fibra natural se lo realizo mediante una sierra de disco DEWALT
DW715. La figura 3.4 muestra el equipo empleado.
La viruta triturada se utilizo para la obtencion del compuesto. Se determino una
longitud de fibra de entre 4 a 6 mm la figura 3.5 muestra una imagen microscopica de la
fibra obtenida.
43
Figura 3.4: Esquema de sierra circular para corte de GAK [93]
Figura 3.5: Fibra con tratamiento de NaOH 5X B) Fibra ST 5X
El siguiente proceso fue tamizar las fibras obtenidas de acuerdo a la norma ASTM
E - 11/95. La maquina empleada para el tamizado fue una tamizadora Dura Tap provista
por Advantech. La figura 3.6 muestra el sistema de tamizado empleado.
Figura 3.6: Proceso de tamizado de fibras de GAK
44
3.5 Proceso de seleccion de tamano de fibra
Las fibras obtenidas que pasaron por la malla N◦ 35 y se alojaron en la malla N◦ 45 con
respaldo en la norma ASTM E - 11/95 que senala una apertura para el tamiz N◦ 35 de
0.5 mm y para la el tamiz N◦ 45 de 0.355 mm. Se obtienen fibras que poseen un diametro
promedio de 0.2 mm y longitud de entre 4 y 5 mm. estos tamanos han sido utilizados en
estudios similares de materiales compuestos reforzados con haces de fibras cortas [94] la
figura 3.7 muestra la longitud promedio de las fibras obtenidas.
Figura 3.7: Longitud de la fibra obtenida
3.6 Tratamiento superficial realizado a la fibra
El tratamiento superficial realizado permite la eliminacion de elementos de naturaleza
lipıdica como grasas, aceites y lignina principalmente. Este es un tratamiento con hidroxido
de sodio (NaOH) mas conocido como tratamiento alcalino. Se probaron dos concentraciones
al 5% y 10 % por ser los porcentajes mas confiables que se han presentado en investigaciones
anteriores [51] [17]. Este tratamiento permite eliminar las impurezas superficiales y permite
una mejor adhesion a la matriz [95].
3.6.1 Desarrollo del tratamiento
En primera instancia se tamizo la materia prima obtenida por la trituracion de la guadua.
Para el presente estudio se utilizo el material alojado en la malla N◦ 45 segun ASTM
E-11/95.
45
Luego se preparo la sosa al 5%. Con una mezcla de 50 g de NaOH en un vaso de
precipitacion de 1000 ml y para sosa al 10% una mezcla de 100 g en un vaso de precipitacion
de 1000 ml, los dos a una temperatura constante de 30 ◦C mediante un agitador magnetico
HSC provisto por VELP. Se ajusto la cantidad de agua destilada mediante una pipeta.
En la figura 3.8 se observa el equipo empleado.
Figura 3.8: Agitado de solucion
Se peso el material triturado para agregarlo a la solucion, se emplearon en promedio
60 g, utilizando una balanza de precision de 0.01 g con una capacidad maxima de 1 kg
provisto por AE ADAM. La figura 3.9 muestra la el proceso de pesaje.
Figura 3.9: Pesaje de fibras GAK
Se vertio la solucion en un recipiente contenedor de la fibra de Guadua, donde
se utilizo un vaso de precipitacion de 1000 ml y con una varilla de vidrio, se realizo
manualmente la mezcla y el banado completo de la solucion en la fibra durante 30 minutos.
En la figura 3.10 se observa el procedimiento.
A continuacion se realizo el lavado de las fibras con agua destilada de pH neutro
46
Figura 3.10: Mezcla de solucion NaOH con fibra de GAK
para eliminar el excedente de solucion mediante un filtro. La figura 3.11 muestra el proceso
seguido.
Figura 3.11: Neutralizado de fibras con NaOH
Luego se coloco la fibra tratada en una bandeja para proceder al secado. Esta
operacion se realizo en un horno Memmert esterilizador SNB 400 a 105 ◦C como se puede
observar en la figura 3.12.
Figura 3.12: Secado de fibras GAK
Una vez realizado el procedimiento descrito, se obtuvo la fibra seca, lista para el
proceso de moldeo. La figura 3.13 muestra el resultado final de la fibra tratada con sosa.
47
Figura 3.13: Fibra seca obtenida luego del proceso en el horno
3.7 Flujograma de la obtencion de fibra
Para la obtencion de la fibra ocupada como refuerzo en el compuesto se siguieron las
etapas mostradas en la figura 3.14.
Figura 3.14: Flujograma de proceso de obtencion de fibra
3.8 Proceso experimental de obtencion del material com-puesto
A continuacion se presenta el desarrollo experimental para la obtencion de probetas de
un nuevo material compuesto de matriz polimerica reforzado con fibras cortas de GAK,
segun las normas ASTM, se probaron cuatro procedimientos diferentes.
El primer procedimiento consistio en el diseno y construccion de un molde de
compresion en caliente con placas intercambiables para obtener probetas de traccion
48
ASTM D3039M - 08, flexion ASTM D7264M - 07 e impacto ASTM D - 256, el molde
multiproposito fue elaborado en la Universidad Politecnica Salesiana. Se utilizo un tiempo
de proceso de 50 min, 20 min para calentar el molde hasta una temperatura promedio de
180 ◦C, 20 min para enfriar el material a una temperatura promedio de 30 a 40 ◦C y diez
min para colocar materia prima y retirar el producto.
El segundo procedimiento consistio en la obtencion de probetas ASTM D638 - 10,
mediante dos fases. La primera fue un proceso de extrusion en una extrusora Dr. Collin
E 20 T para obtener pellets del material compuesto. Para inyectar probetas a partir de
pellets de compuesto en una maquina inyectora manual MALLAL. Esta segunda fase fue
desarrollada en la Universidad Pontificia Bolivariana en la ciudad de Medellın Colombia.
Se ocuparon perfiles de temperatura para la extrusora de 165 ◦C en la primera
fase, 175 ◦C en la segunda fase y 185 ◦C en la boquilla para polietileno de baja densidad
y de 185◦C en la primera fase, 195◦C en la segunda fase y 205◦C en la boquilla para
polipropileno con un tiempo de extrusion de 30 min en donde se ocupo 20 min para el
proceso y 10 min para cambio de proporciones y drenado de material anterior todos los
procesos se realizaron a una velocidad promedio de 60 rpm para la inyeccion manual
se ocupo una temperatura de 180 ◦C para polietileno de baja densidad y 200 ◦C para
polipropileno con un tiempo de inyeccion de 15 min para el calentamiento de las niquelinas
y un proceso de 5 minutos para el proceso por probeta.
El tercer proceso consistio en obtener probetas para traccion ASTM D638 - 10,
mediante dos fases. La primera fase de mezcla de la resina termoplastica con la fibra natural
en una calandra con dos cilindros rotativos para obtener una mezcla con mejor distribucion
de las fibras. Para en una segunda fase realizar la inyeccion del material mezclado en una
inyectora manual MALLAL. Las dos fases fueron realizadas en la Universidad Pontifica
Bolivariana. El tiempo de proceso para el calandrado fue de 40 min en promedio para
cada mezcla ya que se tardo 20 minutos en llegar a la temperatura, 10 min en lograr la
mezcla a una temperatura de 180 ◦C para polietileno de baja densidad y a 200 ◦C para
polipropileno con una velocidad de la calandra de 40 rpm y un tiempo de curado de 10 min
al aire libre, se concluyo con proceso igual al inyectado manual nombrado anteriormente.
El cuarto proceso consistio en obtener probetas para traccion ISO TIPO B - 527,
mediante dos fases. La primera fue un proceso de extrusion en una extrusora Dr. Collin E
20 T para obtener pellets del material. Para la segunda fase se realiza la inyeccion del
material extruido en una inyectora Automatica DR BOY 35E.
49
Las dos fases fueron realizadas en la Universidad Politecnica Salesiana sede Cuenca.
Se ocuparon perfiles similares a los ocupados en el proceso extrusion inyeccion manual
nombrado anteriormente la inyeccion automatica se dio con los parametros que se muestran
en la tabla 3.5 para el polietileno de alta densidad en la tabla 3.6 para el polipropileno.
Tabla 3.5: Parametros inyectora con polietileno de alta densidad
Parametros Valor
Fuerza de cierre (kN) 350Fuerza para abrir el molde (kN) 18.42857Tiempo de aseguramiento de molde (s) 90Velocidad de cierre de molde (mm/s) De 450 a 60Velocidad de desplazamiento boquilla haciadelante / atras (mm/s) 19Fuerza de apoyo de boquilla (kN) 36Valor nominal de tiempo de ciclo (s) 45Tiempo de plastificacion (s) 12Velocidad promedio de plastificacion (mm/s) 200Perfil de temperaturas (◦C) 160,162, 163, 165, 165Velocidad promedio de inyeccion (cm/s) 30Presion de inyeccion (bar) 510.95Presion del molde (bar) 600Contrapresion (bar) 50
Tabla 3.6: Parametros inyectora con polipropileno
Parametros Valor
Fuerza de cierre (kN) 350
Fuerza para abrir el molde (kN) 18.42857
Tiempo de aseguramiento de molde (s) 90
Velocidad de cierre de molde (mm/s) De 450 a 60
Velocidad de apertura de molde (mm/s) De 281.1 a 43.4
Velocidad de desplazamiento boquilla hacia
delante / atras (mm/s) 19
Fuerza de apoyo de boquilla (kN) 36
Valor nominal de tiempo de ciclo (s) 45
Tiempo de plastificacion (s) 12
Velocidad promedio de plastificacion (mm/s) 200
Perfil de temperaturas (◦C) 185,185, 185, 190, 195
Presion de inyeccion (bar) 510.95
Presion del molde (bar) 600
Contrapresion (bar) 50
50
3.8.1 Material compuesto mediante compresion en caliente
La fase inicial se realizo mediante un proceso de moldeo en caliente de acuerdo al procedi-
miento que se observa en la figura 3.15.
Para la compresion en caliente del material compuesto se diseno un molde mul-
tiproposito con placas intercambiables. Cada placa lleva la cavidad de una probeta
normalizada para ensayos de traccion flexion e impacto segun ASTM para materiales
compuestos.
Figura 3.15: Flujograma proceso para conformado por compresion en caliente
3.8.1.1 Experimentos realizados para probetas por moldeo de compresion caliente
Para la experimentacion se realizaron probetas que contenıan cantidades de 10 % y 20 % de
fibra en peso (w/w) con tratamientos superficiales quımicos al 5% de NaOH, 10% de NaOH
y sin tratamiento (ST) Para cada ensayo se realizo 6 probetas con las configuraciones
mostradas como se muestra en la tabla 3.7.
3.8.1.2 Experimentos realizados para probetas por moldeo de compresion caliente
Se diseno un molde de compresion en caliente multiproposito para obtener diferentes
probetas, las cavidades fueron construidas en placas intercambiables.
51
Tabla 3.7: Composicion de todas de las probetas moldeadas por compresion en caliente
Composicion % Fibra Tratamiento Quımico % NaOH N◦ de(w/w) ST (Sin tratamiento) 5% NaOH 10% NaOH probetas
1 Traccion 10 x 12 Traccion 10 x 13 Traccion 10 x 14 Traccion 20 x 15 Traccion 20 x 16 Traccion 20 x 17 Flexion 10 x 18 Flexion 10 x 19 Flexion 10 x 110 Flexion 20 x 111 Flexion 20 x 112 Flexion 20 x 113 Impacto 10 x 114 Impacto 10 x 115 Impacto 10 x 116 Impacto 20 x 117 Impacto 20 x 118 Impacto 20 x 1
N◦ Total 18
El sistema de guiado se realizo mediante bastidor con columnas y bujes. En la
placa base inferior se colocaron niquelinas calefactoras con un sistema digital de control
de temperatura. La figura 3.16 muestra la placa de moldeo para probeta de traccion y la
figura 3.17 muestra las dimensiones de la probeta a obtener.
Figura 3.16: Platina para probetas para ensayos de traccion
52
Figura 3.17: Probeta ASTM D3039M - 08 para traccion.
Platina para probetas de flexion
Para obtener probetas de flexion, la placa presenta una sobredimension en la
profundidad permitiendo que se aloje el macho de la placa base superior. La figura 3.18
muestra la placa de moldeo de probetas de flexion y la figura 3.19 la probeta de flexion a
obtener.
Figura 3.18: Platina para probetas para probetas de flexion
Figura 3.19: Probeta ASTM D7264M - 07 para flexion.
Platina para probetas de impacto
Para obtener probetas de impacto la placa presenta una sobredimension en la
profundidad permitiendo que se aloje el macho de la placa base superior ademas esta
dividida para una capacidad de 3 probetas por proceso a fin de evitar cortes posteriores.
La figura 3.20 muestra la placa de moldeo de probetas de impacto y la figura 3.21 la
probeta de impacto a obtener.
53
Figura 3.20: Platina para probetas para ensayo de impacto
Figura 3.21: Probeta ASTM D - 256 para impacto
Platina base superior
La base superior de compresion en caliente se diseno de forma unica para todos
los ensayos para trabajar sin realizar ningun cambio de elementos y permitir un mejor
cierre. En la figura 3.22 se observa la placa unica de moldeo superior.
Figura 3.22: Placa base superior para todos los ensayos
54
Platina base inferior
La base inferior de compresion en caliente se diseno de forma unica para todos los
ensayos donde se alojan las platinas intercambiables y los cartuchos calefactores. En la
figura 3.23 se observa la placa unica de moldeo inferior.
Figura 3.23: Placa base inferior para todos los ensayos
Bujes y columnas
Los bujes y columnas sirven para el guiado de las placas base y para alinear
el cierre entre el macho de la placa base superior con cada una de las platinas en la
figura 3.24A se observa el buje del diseno y en la figura 3.24B la columna.
Figura 3.24: A) Buje de la placa base inferior B) columna de la placa base superior.
Niquelinas de calefaccion
Se emplearon niquelinas cilındricas tipo cartucho de 10 mm x 102 mm de 300 W a
220 V insertadas en la placa base inferior. Estas permiten fundir el material termoplastico
consumiendo energıa electrica y transformandola en energıa termica. En la figura 3.25 se
55
observan las niquelinas insertadas en el molde y su controlador de temperatura Camsco
TC - 72 N.
Figura 3.25: Circuito para control de niquelinas
Prensa manual de tornillo
Se utilizo una presa manual de tornillo, en la figura 3.26 se observa la prensa
manual.
Figura 3.26: Circuito para control de niquelinas
Controlador de temperatura Camsco TC - 72 N
Este dispositivo permite controlar el accionamiento de las niquelinas al llegar a
la temperatura de operacion. Se apagan o se encienden de acuerdo a la configuracion
realizada. El controlador fue provisto por Camsco y de tipo TC - 72 N. La figura 3.27
muestra el controlador implementado.
56
Figura 3.27: Controlador de temperatura Camsco TC - 72 N
Mecanizado de molde de compresion en caliente
Con el objetivo de garantizar la calidad y precision de las probetas a obtener, se
mecanizaron las cavidades de moldeo en un centro de mecanizado CNC Leadwell de modelo
V-20i con control Fanuc series oi - MC provisto por Imocom Ecuador. La figura 3.28
muestra el centro de mecanizado utilizado.
Figura 3.28: Centro de mecanizado para placas
3.8.2 Material compuesto mediante extrusion e inyeccion manual ycalandrado inyeccion manual
El conformado de este compuesto se inicio con un proceso de pre extruido para la segunda
etapa experimental y un calandrado en la tercera etapa experimental y se culmino con
una inyeccion manual.
3.8.2.1 Diseno de experimentos extrusion e inyeccin manual y calandrado inyeccinmanual
El diseno experimental empleado tiene como objetivo comparar dos procesos (tratamientos)
de fabricacion de compuestos (extruido + inyeccion manual y calandrado + inyeccion
57
manual) sobre un factor (resistencia a la traccion) empleando tres niveles (% peso de fibra,
sin tratamiento quımico, con tratamiento quımico al 5% de sosa) El diseno experimental
seleccionado pertenece a los experimentos con un solo factor y es un Diseno Completamente
al Azar (DCA) y ANOVA. En la tabla 3.8 se resume el diseno experimental empleado
para polietileno de baja densidad (PELD) y para el polipropileno (PP) se muestra en la
tabla 3.9.
Tabla 3.8: Diseno completamente al azar DCA para PELD
Tratamiento Muest
ra
Fact
or
%p
eso
fibra
Sin
trata
mie
nto
NaO
H5%
1. Extruido + inyeccion manual
1 R. Traccion 10 X2 R. Traccion 10 X3 R. Traccion 5 X4 R. Traccion 0 X
2. Calandrado + inyeccion manual
5 R. Traccion 10 X6 R. Traccion 10 X7 R. Traccion 5 X8 R. Traccion 5 X
Tabla 3.9: Diseno completamente al azar DCA para PP
Tratamiento con PP Muest
ra
Fact
or
%p
eso
fibra
Sin
trata
mie
nto
NaO
H5%
1. Extruido + inyeccion manual1 R. Traccion 10 X2 R. Traccion 10 X
2. Calandrado + inyeccion manual 5 R. Traccion 10 X6 R. Traccion 5 X
3.8.2.2 Desarrollo experimental 2
El proceso de pre extruido se realizo mediante la extrusora Dr. Collin E-20 T en el
laboratorio de polımeros de la Universidad Politecnica Salesiana sede Cuenca en el cual se
58
obtuvo el material pelletizado en las siguientes proporciones como se ilustra en la tabla 3.8
de las cuales se formaron las correspondientes probetas en el sistema de inyeccion manual
mas conocido como Mallal de fabricacion Implejoy en los laboratorios de resistencia de
materiales de la Universidad Pontificia Bolivariana.
En la segunda fase experimental se efecto un proceso de pre extruido e inyeccion
manual en la figura 3.29 se observa el proceso de conformado del proceso mediante un
flujograma.
Figura 3.29: Flujograma de proceso para conformado por extrusion - inyecciion manual
Proceso de pre extruido
Este proceso se realizo mediante una extrusora Dr. Collin E-20 T. Se logro obtener
un material con mejor mezcla para ser utilizado con mayor eficiencia en el proceso de
inyeccion de probetas.
El primer paso fue pesar los materiales para 100 g de pellet con una concentracion
de 10% de fibra. Se peso 90 g de termoplastico sin procesar y 10 % de fibras con o sin
tratamiento. En la figura 3.30 se puede observar el polımero mezclado con la fibra para
ser ingresado en la tolva de la extrusora.
El siguiente paso fue controlar velocidades del tornillo y perfiles de temperatura
59
Figura 3.30: Mezcla polımero con fibra para ingresar en la extrusora
mediante un control por computador con el software e interfaz de la extrusora.
Se recomienda no exceder los 200 ◦C en las zonas de plastificacion con el fin de
evitar la degradacion de las fibras. La figura 3.31 muestra el control de la extrusora.
Figura 3.31: Control para perfiles de temperatura 3 zonas de calentamiento y boquilla A)Control manual B) Control Computarizado
Luego de salir del dado, la masa extruida pasa a una tina de refrigeracion para
enfriar el polımero y solidificarlo. La figura 3.32 muestra el proceso de solidificacion.
El ultimo paso consistio en pasar el perfil circular extruido en la pelletizadora y
60
Figura 3.32: Solidificacion del nuevo material
obteniendo ası el compuesto pelletizado. La figura 3.33 muestra los pellets de compuesto.
Figura 3.33: Pelletizadora complementaria de la extrusora Dr. Collin E-20 T
Proceso de inyeccion manual
Este proceso se realiza mediante una inyectora manual Mallal provista por Implejoy.
La maquina esta compuesta por un cilindro calefactor que es elevado conjuntamente con el
molde de inyeccion a un vastago superior fijo que presiona el material sobre un molde de
inyeccion generando el paso del material al molde. En la figura 3.34 se observa la maquina
empleada.
61
Figura 3.34: Inyectora manual
El primer paso fue encender el control de temperatura se realizio el establecimiento
de temperatura a 180 ◦C. Luego se colociel material pelletizado en el cilindro calefactor
para que logre fundirse y pueda ser inyectado en el molde para inyectar probetas segiun
la norma ASTM D - 638. La figura 3.35 muestra el control del sistema y el proceso de
colocaciion del material.
Figura 3.35: A) Control del equipo. B) Material colocado en el cilindro. C) Materialcomprimidos en el cilindro
Probetas normalizadas
Para las probetas normalizadas se utilizo la norma ASTM D - 638 tipo IV. La
figura 3.36 muestra el detalle de la probeta.
62
Figura 3.36: Probeta topo IV ASTM D - 638
3.8.2.3 Desarrollo experimental 3
En la tercera fase se experimento con un proceso de calandrado e inyeccion manual en la
figura 3.37 se muestra el proceso ilustrado en un flujograma. El proceso de pre laminado
que nos permite obtener una mezcla uniforme del polımero y la fibra el cual se obtuvo el
material que previo para utilizar en el en el sistema de inyeccion manual mas conocido
como Mallal de fabricacion Implejoy estas practicas se efectuaron en los laboratorios de
resistencia de materiales de la Universidad Pontificia Bolivariana.
Figura 3.37: Diagrama de proceso para conformado por calandrado - inyeccion manual
63
Proceso de pre laminado
Este proceso se realizo con el fin de obtener una distribucion de fibras mas uniforme
con la finalidad de obtener un material con mejor conformado para la produccion de las
probetas. La maquina fue provista por F.U. la figura 3.38 muestra el equipo empleado.
Figura 3.38: Calandra de polımerosl
El primer paso fue colocar los parametros de temperatura a fin de lograr la
fusion del material que fue de 180 ◦C para polietileno de baja densidad y 200 ◦C para
polipropileno. Luego se regulo la distancia entre los rodillos que fue de entre 5 a 10 mm lo
que permitio realizar la compresion del material y el calentamiento por friccion. Luego se
procedio a colocar la fibra en el porcentaje deseado y conformar todo el material logrando
uniformidad y distribucion de la fibra. El ultimo paso fue retirar el material mediante una
espatula. En la figura 3.39 se observa el proceso de mezcla.
Figura 3.39: Laminado y mezclado del material compuestol
En la figura 3.40 se observa el movimiento de las pestanas de la maquina para
concentrar el material y retirarlo con facilidad.
64
Figura 3.40: Extraccion del material laminado y mezclado
En la figura 4.1 se observa el material mezclado y extraıdo luego del proceso de
calandrado, listo para ser inyectado
Figura 3.41: Material laminado y mezclado
El proceso de inyeccion se da de igual manera como lo observado en la subseccion
anterior del presente trabajo de igual manera se ocupel mismo molde del cual se obtuvieron
las probetas con la norma ASTM D - 638.
3.8.3 Material compuesto obtenido mediante un pre extruido en ex-trusora Dr. Collin E-20 e inyectado mediante una inyectoraDR BOY 35E
En la cuarta fase experimental se realizo un proceso de extrusion inyeccion automatica,
cuyo proceso mostro el mejor conformado del material compuesto en la figura 4.2 se observa
65
el flujograma del proceso.
El proceso de pre extruido se realizo mediante la extrusora Dr. Collin E-20 T en
el cual se obtuvo el material pelletizado del cual se formaron las correspondientes probetas
en el sistema de inyeccion en una inyectora de fabricacion DR BOY 35E.
Figura 3.42: Flujograma de proceso para conformado por extrusion - inyeccion automatica
3.8.3.1 Experimentos realizados para probetas por moldeo por pre extruido e inyec-tadas en una inyectora Dr BOY 35
Se realizaron probetas con las siguientes composiciones mostradas en la tabla 3.11 las
cuales el porcentaje de fibra introducido fue en fraccion volumetrica (v/v) calculado con
la densidad relativa. Y tambien se realiza la comparacion con la densidad real en (v/v).
3.8.3.2 Desarrollo experimental 4
Este proceso esta hecho de acuerdo al punto 3.6.2.1 antes observado con la variacion de las
proporciones de fibra ya que en este caso se realizaron en funcion del volumen. Se realizo
una comparacion de densidades para cada material. Se calculo la densidad por metodo de
recipiente de comparacion de peso de agua y peso de la fibra en el mismo recipiente que
66
Tabla 3.10: Experimentos para el proceso extrusion - inyeccion automatica.
Composicion % Fibra % FibraTratamiento Quımico % NaOH
N de Material(v/v) dr (v/v) dre ST (Sin tratamiento) 5% NaOH probetas
1 Traccion 20 3.414 x 10 PEHD2 Traccion 30 6.088 x 10 PEHD3 Traccion 40 9.441 x 10 PEHD4 Traccion 20 4.076 x 10 PEHD5 Traccion 30 7.885 x 10 PEHD6 Traccion 40 12.78 x 10 PEHD7 Traccion 20 3.414 x 10 PP8 Traccion 30 6.088 x 10 PP9 Traccion 40 9.441 x 10 PP
10 Traccion 20 4.076 x 10 PP11 Traccion 30 7.885 x 10 PP12 Traccion 40 12.78 x 10 PP
N◦ Total 120
dr= Densidad relativa, dre = Densidad real.
posee la fibra sin tratamiento y con tratamiento de NaOH al 5% tamizada. Se obtuvo
una densidad de 0,17225049 gcm3 para la fibra sin tratamiento y 0,20677273 g
cm3 para la
fibra tratada mediante NaOH al 5% como se muestra en la figura 4.3. En la tabla 3.11 se
observa el calculo de densidades relativas.
Tambien se realizo el calculo de la densidad real la cual genero el resultado de
1.2165 gcm3 desarrollado en un equipo AccuPyc II 1340 en los laboratorios de UPB de
Medellın en Colombia.
Figura 3.43: Recipientes de agua y de fibra para el calculo de densidades
Para este proceso fue importante realizar un control de humedad de la fibra
mediante un aislamiento en recipientes pequenos de metal con silica gel. El proceso se
realizo con el menor porcentaje humedad posible estableciendo un promedio entre 2 y 3%
como se observa en la figura 4.4 con un analizador de humedad de modelo HB43-S de
fabricacion METTLER TOLEDO
Proceso de inyeccion
67
Tabla 3.11: Calculo de densidades
Propiedades ST NaOH 5%
Peso del recipiente con agua (g) 128.5528 128.5528Peso del recipiente (g) 9.9655 9.9655Peso de la muestra (g) 30.39222 34.48612
Volumen del recipiente (cm3) 118,5873 118.5873Masa de la fibra (g) 20.42672 24.52062
Densidad de la fibra (g/cm3) 0.17225049 0.20677273
Figura 3.44: A) Analizador de humedad B) Muestras esterilizadas y deshumidificadas
Este proceso se realizo en una inyectora automatica de fabricacion DR BOY
35E con 200 g de material pelletizado de polietileno de alta densidad y con 100 g de
polipropileno en una segunda etapa. La figura 4.5 presenta la inyectora
Figura 3.45: Inyectora Dr. Boy 35E
Probetas normalizadas
Para las probetas normalizadas se ocupo la norma ISO tipo B 527 en un molde
normalizado para ensayos generales de axxicon y equivalentes a la norma ASTM D - 628,
en la figura 4.6 se observa las dimensiones de la probeta.
68
Figura 3.46: Probeta Normalizada ISO tipo B 527 (ASTM D - 638)
3.9 Proceso y resultado
A continuacion se presenta el resultado obtenido para cada experimento para lograr el
conformado del material compuesto a fin de comparar sus resultados como se muestra en
la tabla 3.12.
Tabla 3.12: Procesos y resultados obtenidos
Proceso de conformado Resultado
Compresion en caliente
Extrusion - inyeccion manual
Calandrado - inyeccion manual
Extrusion - inyeccion automatica
3.10 Esquema final del proceso con mejor conformado
El proceso con mejores caracterısticas se obtuvo realizando una obtencion previa de la
fibra natural tratada con NaOH al 5% y sin tratar de la manera mas limpia, esterilizada y
con la menor humedad posible secandolo a 105 ◦ durante 12 horas para continuar se realizo
69
un proceso de extrusion que permitio unir de la mejor manera el refuerzo a la matriz este
compuesto tambien fue secado y esterilizado durante 4 horas para luego concluir con un
proceso de inyeccion automatica. En la figura 3.47 mediante un diagrama de procesos se
observa el desarrollo.
Figura 3.47: Diagrama proceso final
3.11 Conclusion
• El proceso de obtencion de la fibra natural presenta una dificultad media ya que
el material presenta gran resistencia a ser transformado por sus propiedades fısicas
quımicas y mecanicas.
• Los procesos para tratamiento quımico a las fibras es relativamente economico y de
baja dificultad.
70
• El proceso de modelado mas conveniente es el de extrusion e inyeccion automatica
ya que se obtienen en tiempos de ciclo de 45 segundos y el conformado no presenta
defectos aparentes.
71
4 RESULTADOS Y DISCUSION
Introduccion
En el presente capıtulo se presentan todos los ensayos realizados para la caracte-
rizacion del nuevo material compuesto con los parametros estipulados en las diferentes
normas a fin de que los resultados sean de mayor validez.
El capıtulo se divide en tres partes. La primera se enfoca en caracterizar la materia
prima desde el punto de vista fısico quımico. La segunda parte caracteriza al compuesto
desde el punto de vista del comportamiento mecanico. La tercera parte caracteriza al
compuesto desde el aspecto termico. El capıtulo termina con un anaslisis estadıstico de
los resultados obtenidos.
4.1 Caracterizacion quımica de las fibras de guadua an-gustifolia
Los procedimientos realizados en lo referido a ensayos quımicos se dieron en colaboracion
con la Universidad Pontificia Bolivariana y con la supervision del Ing. Luis M. Lopez L. y
el Dr. Robın Zuluaga Gallego.
4.1.1 Determinacion de elementos acuosos
El proceso se realiza para determinar la cantidad de elementos solubles en agua para la
limpieza del material. La practica a realizar consiste en los siguientes procedimientos
estipulados en la norma ASTM D 1110 - 84:
4.1.1.1 Equipo de laboratorio necesario
Para el proceso experimental se necesitaron los siguientes elementos:
72
1. Un balon de 500 ml previamente lavado y esterilizado a 105 ◦C.
2. 350 ml de agua destilada con base en la norma evitando que afecte la evaporacion
durante el proceso.
3. Trozos de ceramica (perlas de ebullicion), para producir una nucleacion en el agua,
es decir que no se produzcan burbujas grandes de agua en la ebullicion que puede
causar problemas en el condensador. Las ceramicas de pequeno tamano, producen
burbujas pequenas alrededor. (Energa libre superficial de un solido y un lıquido).
4. Esferas de cristal.
5. Equipo Soxhlet.
6. Cambrales (bolsas contenedoras que evitan la perdida de fibra en el proceso).
7. Horno de conveccion natural.
8. Desecador.
4.1.1.2 Obtencion de la muestra
Para la obtencion de la muestra es necesario realizar paso a paso los siguientes procedimi-
entos:
1. La figura 4.1 presenta una cierra circular manual de fabricacion DEWALT y modelo
DW715 de este proceso se obtiene viruta de fibra a la cual se la tamiza y se conserva
para la practica la que permaneces en la malla N◦ 45, esta muestra es pesada en una
balanza de precision junto con el cambral (bolsa contenedora de la fibra), para luego
realizar un proceso de eliminacion de humedad en un horno por 12 horas a 50 ◦C y
una hora a 105 ◦C.
Estabilizada la temperatura y totalmente secada se obtuvieron los valores presentados
en la tabla 4.1.
Tabla 4.1: Pesos iniciales
Muestra acuosos
Nudo Muestra Peso de fibra Peso de fibra + cambral1 Guadua 4.9989 g 10.8036 g
73
Figura 4.1: Muestra presente en el desecador para eliminar humedad y estabilizar temperatura
2. Se colocan los cambrales en el soxhlet, se presiona con esferas de cristal (Observar
figura 4.2), para colocar el equipo armado junto con el balon y el condensador en
la manta de calentamiento. (Las bolsas son de un material especial; previamente
fueron hervidas para desprender cualquier elemento soluble en el agua).
Figura 4.2: Montaje de las muestra en el soxhlet
3. El equipo es encendido y empieza el proceso correspondiente, se debe tener control
en el proceso para evitar problemas con demasiado burbujeo sin condensar, por lo
que puede ser necesario cambiar de agua destilada y ocasionar el fallo del ensayo.
4. Este proceso se realiza hasta observar en el soxhlet la transparencia del agua, teniendo
para las fibras naturales analizadas una duracion de 12 horas.
5. Una vez pasado por el soxhlet se sacan las bolsas, se las coloca en el horno a 50 ◦C
durante 12 horas y a 105 ◦C durante 1 hora (figura 4.3). Se coloca en el desecador
74
hasta estabilizar la temperatura y se procede a controlar su peso. La tabla 4.2
presenta los resultados obtenidos.
Figura 4.3: Muestra presente en el desecador para eliminar humedad y estabilizar temperatura.
4.1.1.3 Resultados obtenidos
Como se puede observar en los siguientes resultados se obtiene pesos de las muestras y se
las conserva con el mınimo porcentaje de humedad para evitar fallas en el calculo.
Tabla 4.2: Muestras con 12 horas a 50 ◦C y 1 hora a 105 ◦C despues del soxhlet
Muestra acuosos
Nudo Muestra Peso de fibra Peso de fibra + cambral1 Guadua 4.9989 g 10.6069 g
Una vez encontrado los resultados finales se calculo el porcentaje de elementos
acuosos o solubles en el agua como almidones, azucares, sales, gomas y materiales colorantes.
Para calcular el porcentaje se utilizo la siguiente formula:
% acuosos =Pi − Pf
Pi
× 100 (4.1)
Donde:
• Pi = Peso inicial de la fibra con el cambral
• Pf = Peso final de la fibra con el cambral
En la tabla 4.3 se muestra el resultado del ensayo realizado donde se puede ver el
porcentaje de acuosos disueltos.
75
Tabla 4.3: Porcentaje de elementos acuosos disueltos
Muestra acuosos
Nudo Muestra Peso de fibra natural Porcentaje acuosos %1 Guadua 4.9989 g 1.8207
4.1.2 Determinacion de cenizas presentes en la muestra
Para el desarrollo de este ensayo se utilizaron los siguientes elementos:
• Mufla
• Horno
• Descecador
• Balanza de precision
• Crisol
4.1.2.1 Procedimiento y resultados a obtener
Para determinar el porcentaje de cenizas se utilizo la norma TAPPI 211. El contenido de
cenizas de la muestra puede poseer elementos como:
• Residuos de los productos quımicos utilizados en la obtencion de la fibra.
• Materia metalica a partir del corte de la fibra, medios de sujecion y embalaje.
• Materia mineral proveniente de pigmentos, recubrimientos.
• Elementos minerales propios de la fibra.
La cantidad y la composicion de la ceniza esta en funcion de la presencia o ausencia
de cualquiera de estos materiales (residuos inorganicos) u otros, solos o en combinacion. No
especıfica que mineral y en que cantidad se encuentra en la muestra, el termino ceniza como
indica la norma simplemente determina el porcentaje de minerales presentes. Cuando se
desea un examen cualitativo adicional de la ceniza este el analisis se puede complementar
con la norma TAPPI T 421. (Incluyendo microscopico optico) Analisis de carga mineral y
mineral de revestimiento de Papel (fibras naturales).
76
4.1.2.2 Preparacion del equipo y reactivos de laboratorio
Para la obtencion de la muestra es necesario realizar paso a paso los siguientes procedimi-
entos:
1. Se preparan 2 crisoles donde se realizan las pruebas correspondientes, se debe
de calentar a 500 ◦C por el lapso de una hora para eliminar cualquier posible
contaminacion, luego estabilizarlo en el desecador a temperatura ambiente sin
humedad.
2. Una vez pesado los crisoles, en los mismos pesamos la muestra de fibra, indicada en
la tabla 4.4 (Se coloca un filtro para determinar el porcentaje de cenizas, y tener
como referencia).
Tabla 4.4: Pesos iniciales
Muestra cenizas
Material Numero de crisol Peso inicialcrisol seco +material
Peso del material
Guadua 3 18.2015 g 1.0008 gFiltro 2A 14.5690 g 1.1890 g
3. Determinado el pesos seco del crisol y el peso de las fibras en el mismo, se procedio a
colocar en el horno y subir la temperatura lentamente hasta los 525 ◦C, y permanecer
en la misma durante 3 horas, posteriormente se sacaron los crisoles y se estabilizaron
en el desecador a temperatura ambiente. La tabla 4.5 presenta los pesos obtenidos
en una balanza analıtica ohaus adventurer pro de alta precision. En la figura 4.4se
observan los crisoles luego del proceso.
Figura 4.4: Recipientes con las muestras luego del proceso
4. Encontrado el peso de las cenizas junto con el crisol, matematicamente se procedio a
encontrar el peso de la ceniza correspondiente a cada material. La tabla 4.6 presenta
los resultados aplicando siguiente formula:
% Peso de cenizas = Pi − Pf (4.2)
77
Tabla 4.5: Pesos iniciales
Muestra cenizas
Material Numero de crisol Peso inicial crisol seco + materialluego proceso
Guadua 3 18.2320 gFiltro 2A 14.5707 g
Donde:
• Pi = Peso seco del crisol + material (cenizas).
• Pf = Peso seco del crisol.
Tabla 4.6: Resultados cenizas
Muestra cenizas
Material Peso (cenizas)Guadua 0.0305 gFiltro 1.7× 10−3g
4.1.2.3 Determinacion de resultados
Determinados los valores de la tabla 4.6, se procede a calcular el porcentaje de cenizas con
la siguiente formula y se muestran los resultados porcentuales en la tabla 4.7.
% cenizas =Pm − Pc
Pm
× 100 (4.3)
Donde:
• Pc = Peso de las cenizas.
• Pm = Peso seco del material.
Tabla 4.7: Porcentaje final de cenizas en el material
Muestra cenizas
Material Cenizas (%)Guadua 3.0475Filtro 0.1429
78
4.1.3 Determinacion de porcentaje de humedad en las fibras
Este ensayo se realizo para caracterizar la concentracion de humedad inicial de la fibra con
el metodo de obtencion escogido lo que se reflejara en el procesamiento posterior, referido
a la combinacion de este material con una matriz polimerica ya si es excesiva representara
la aparicion de porosidades en el compuesto. Para proceder al desarrollo de este ensayo
son necesarios los siguientes procedimientos:
4.1.3.1 Equipos necesarios para el desarrollo del ensayo
Los equipos necesarios para esta practica son los siguientes:
• Horno
• Descador
• Cajas o recipientes
4.1.3.2 Preparacion del equipo y reactivos de laboratorio
1. Se prepararon las cajas o recipientes (realizando un lavado para eliminar materiales
extranos y contaminantes) luego estos recipientes fueron colocados en el horno a
105 ◦C para eliminar la humedad del mismo y realizar un proceso de esterilizacion el
horno ocupado se lo observa en la figura 4.5.
Figura 4.5: Horno de secado
2. Posterior al horno se colocaron los recipientes o cajas en un envase cerrado con
silica gel (desecador) durante 1 hora, para mantener las muestras sin humedad y
estabilizar la temperatura de las muestras a temperatura ambiente. En la figura 4.6
se observan algunos componentes de laboratorio.
79
3. Se determino el peso seco de las cajas en una balanza de precision, obteniendo los
resultados presentados en la tabla 4.8.
Figura 4.6: Equipos de laboratorio
Tabla 4.8: Pesos iniciales de las muestras
Muestra cenizas
Numero de caja Peso1 43.3175 g3 46.0657 g4 43.7195 g5 46.4143 g
4. En cada uno de los recipientes o cajas se colocan 2 g de fibra de cana guadua, siendo
los pesos exactos los presentados en la tabla 4.9.
Tabla 4.9: Pesos Finales de las muestras con crisoles
MMuestras para % de humedad
Muestra Numero de caja Peso de la muestraGuadua sin tratar 1 1 2.0003 gGuadua con NaOH al 5% 1 3 2.0000 gGuadua sin tratar 2 4 2.0115 gGuadua con NaOH al 5% 2 5 2.0003 g
5. Una vez determinados los valores se colocan durante 2 horas a 105 ◦C. Luego se
sacan las muestras del horno y se las coloca en el desecador para mantener humedad
y temperatura. La tabla 4.10 muestra los resultados.
Tabla 4.10: Pesos de la muestra mas la caja contenedora
Muestras para % de humedad
Muestra Numero de caja Peso de la caja mas la fibra
Guadua sin tratar 1 1 45.2497 g
Guadua con NaOH al 5% 1 3 46.5165 g
Guadua sin tratar 2 4 45.6673 g
Guadua con NaOH al 5% 2 5 48.2917 g
80
6. Se realiza un proceso repetitivo colocando las muestras en el horno durante 1 hora,
y estabilizandolas en el desecador durante 30 minutos. En la tabla 4.11 se muestra
el resultado del primer proceso repetitivo.
Tabla 4.11: Pesos de la muestra mas la caja contenedora
Muestras para % de humedad
Muestra Numero de caja Peso de la caja mas la fibraGuadua sin tratar 1 1 45.2496 gGuadua con NaOH al 5% 1 3 46.5192 gGuadua sin tratar 2 4 45.6583 gGuadua con NaOH al 5% 2 5 48.2854 g
7. Se coloca nuevamente las demas muestras en el horno por 1 hora y a 105 ◦C,
obteniendo los resultados de la tabla 4.12 del segundo proceso repetitivo.
Tabla 4.12: Pesos de la muestra mas la caja contenedora
Muestras para % de humedad
Muestra Numero de caja Peso de la caja mas la fibraGuadua sin tratar 1 1 45.2499 gGuadua con NaOH al 5% 1 3 46.5116 gGuadua sin tratar 2 4 45.6603 gGuadua con NaOH al 5% 2 5 48.2776 g
8. Se coloca la muestra durante 1 hora a 105 ◦C, y se estabiliza la temperatura en el
desecador. La muestra de la caja 1 se ha colocado nuevamente en el horno, no es
necesario porque la norma indica que medidos los pesos dos veces consecutivos tiene
una variacion menor a dos milesimas se acepta el ensayo, por demora en el proceso
la muestra puede absorber humedad, los resultados se presentan en la tabla 4.13.
Tabla 4.13: Pesos de la muestra mas la caja contenedora
Muestras para % de humedad
Muestra Numero de caja Peso de la caja mas la fibraGuadua sin tratar 1 1 45.2508 gGuadua con NaOH al 5% 1 3 46.5116 gGuadua sin tratar 2 4 45.6585 gGuadua con NaOH al 5% 2 5 48.2773 g
4.1.3.3 Determinacion de resultados
Estabilizados los valores de la tabla 4.13, se calcula el porcentaje de humedad y se muestra
su comparacion en la tabla 4.14.
81
Tabla 4.14: Fibra de guadua comparacion de pesos
Muestras para % de humedad
Caja Peso caja Peso fibra Peso inicial (caja + fibra) Peso final (caja + fibra)1 43.3175 g 2.0003 g 45.3178 g 45.2499 g3 46.0657 g 2.0000 g 48.0657 g 47.9241 g4 43.7195 g 2.0115 g 45.7310 g 45.6685 g5 46.4143 g 2.0003 g 48.4146 g 48.2773 g
Una vez encontrado los resultados finales se procede a calcular el porcentaje de
humedad que contiene la fibra (ver tabla 4.15). En este proceso se ocupa la siguiente
formula:
% humedad =Pi − Pf
Pg
× 100 (4.4)
Donde:
• Pi = Peso inicial de la fibra con la caja.
• Pf = Peso final de la fibra con la caja.
• Pg = Peso de la fibra.
Tabla 4.15: Porcentaje final de cenizas en el material
Resultado humedad
Material Humedad (%)Guadua sin tratar 1 3.3944Guadua con NaOH al 5% 1 7.0800Guadua sin tratar 2 3.1071Guadua con NaOH al 5% 2 6.8639
4.1.4 Determinacion de porcentaje de elementos no solubles en aguau organicos
Esta practica se realiza para determinar el porcentaje de elementos no solubles en agua o
mas conocidos como elementos organicos por lo cual se ha tomado parametros conforme
a la norma ASTM D1107 - 96. El proceso se realiza para determinar la cantidad de
elementos no solubles en agua para la limpieza del material de naturaleza lipıdica y obtener
la mayor cantidad de celulosa. Para proceder al desarrollo de este ensayo son necesarios
los siguientes procedimientos:
82
4.1.4.1 Preparacion del equipo y reactivos de laboratorio
Para la obtencion de la muestra es necesario realizar paso a paso los siguientes procedimi-
entos:
1. Prepara un balon de 500 ml lavandolo y esterilizandolo a 105 ◦C
2. Generar una solucion con relacion de 2:1 utilizando 220 ml etanol y 110 ml de tolueno
para la obtencion de esta solucion es necesario que los recipientes se encuentren secos
y esterilizados.
3. Colocar trozos de ceramica (perlas de ebullicion), para producir una nucleacion en
el agua, es decir que no se produzcan burbujas grandes de agua en la ebullicion
que puede causar problemas en el condensador. Las ceramicas de pequeno tamano,
producen burbujas pequenas alrededor. (Energıa libre superficial de un solido y un
lıquido).
4. Secar y esterilizar Equipo Soxhlet.
5. Preparar cambrales ocupados en la obtencion de elementos acuosos secandolos y
esterilizandoles.
6. Colocar esferas de cristal para mantener presionados los cambrales y aumentar el
volumen del equipo Soxhlet.
7. Calibrar Horno para tener la temperatura controlada y realizar procesos de elimi-
nacion de humedad y esterilizacion.
8. Preparar desecador.
4.1.4.2 Procedimientos realizados para la obtencion de la muestra
1. Las bolsas del ensayo de elementos acuosos anterior se utilizan en la determinacion
del porcentaje de organicos. En la tabla 4.16 se presenta el valor inicial de la muestra.
Tabla 4.16: Peso inicial de la muestra
Muestra organicos
Nudo Muestra Peso de fibra + cambral1 Guadua sin tratar 10.6069 g
83
2. Una vez determinado el peso inicial se coloca el cambral en el soxhlet y se presiona
con las esferas de cristal, se arma el equipo y se enciende la manta de calentamiento
a una intensidad media. El proceso se realiza en un tiempo de 12 horas.
Figura 4.7: Colocacion de equipos en la manta de calentamiento
3. Se procede a colocar en el horno la bolsa a una temperatura de 50 ◦C durante 12
horas y luego a 105 ◦C por una hora, se estabiliza la temperatura y se procede a
determinar el peso que se presenta en la tabla 4.17.
Tabla 4.17: Peso finall de la muestra
Muestra acuosos
Nudo Muestra Peso de fibra + cambralinicial
Peso de fibra + cambralfinal
1 Guadua sin tratar 10.6069 g 10.6065 g
4.1.4.3 Determinacion de resultados
Los resultados como porcentaje de la materia soluble en etanol-tolueno esta dado por la
siguiente formula:
% organicos =W2
W1 · P× 100 (4.5)
Donde:
• W2 = Peso del extracto seco [peso final de la fibra + bolsa].
84
• W1 = peso de la muestra [peso inicial de la fibra + bolsa].
• P = Peso inicial de la de guadua st que es igual a 4.9989 g.
La tabla 4.18 presenta las proporciones de fibra libre de humedad (datos obtenidos
del ensayo de humedad).
Tabla 4.18: Proporciones de fibra
Fibras naturales
Material ProporcionesGuadua sin tratar 1 0.2004
Aplicada la formula nombrada se obtiene el resultado que se muestra en la
tabla 4.19.
Tabla 4.19: Proporciones de fibra
Fibras naturales
Material Organicos (%)Guadua sin tratar 1 20.004
4.2 Caracterizacion mecanica del material compuesto
Los procedimientos realizados en el siguiente literal en lo referido al ensayo mecanico de
traccion se efectuaron en los laboratorios de resistencia de materiales de la Universidad
Pontificia Bolivariana (UPB) y bajo la supervision del Ing. Luis M. Lopez L. y del PhD.
Santiago Betancourt P. Para los ensayos de tratamiento quımico con NaOH y pellletizado
del material se utilizaron los laboratorios de biotecnologıa y de transformacion de polımeros
de la Universidad Politecnica Salesiana (UPS).
4.2.1 Ensayo de traccion
Este ensayo se realizo en una maquina universal de ensayos Instron 5582 mostrada en la
figura 4.8 del laboratorio de resistencia de materiales de la UPB.
4.2.1.1 Configuraciones para los ensayos realizados a traccion
Para los ensayos correspondientes se ocupo la norma ASTM D - 638 para la cual se estipula
el uso de la probeta tipo 4 que se compara a la configuracion de materiales compuestos
85
Figura 4.8: Colocacion de equipos en la manta de calentamiento
mostrada en la figura 4.9 tambien se ocupo en un primer ensayo la norma y la norma
ASTM D - 3039 la cual es para ensayos de traccion en materiales compuestos que posee
las dimensiones mostradas en la figura 4.10 y un tercer ensayo en su equivalente en ISO -
527 como podemos observar en la figura 4.11.
Figura 4.9: Probeta ASTM D - 638 Tipo 4.
Figura 4.10: Probeta ASTM D - 3039.
Figura 4.11: Probeta ISO - 527.
86
1. Se realizo un proceso inicial del cual se crearon muestras para ensayarlas con la
norma ASTM D - 3039 en las configuraciones mostradas en la tabla 4.20 las cuales
fueron moldeadas mediante compresion en caliente.
Tabla 4.20: Experimentos para el proceso compresion en caliente
Composicion % Fibra Tratamiento Quımico % NaOH N◦ deen peso ST (Sin tratamiento) 5% NaOH 10% NaOH probetas
1 Traccion 10 x 12 Traccion 10 x 13 Traccion 10 x 14 Traccion 20 x 15 Traccion 20 x 16 Traccion 20 x 1
N◦ Total 6
2. En la tabla 4.21 se observa el diseno de experimentos para las probetas realizadas
con un pre extruido e inyectadas por un Mallal de fabricacion Implejoy.
Tabla 4.21: Experimentos para el proceso extrusion - inyeccion automatica.
Composicion % FibraTratamiento Quımico % NaOH
N de Materialen peso ST (Sin tratamiento) 5% NaOH probetas
1 Traccion 10 x 3 LDPE2 Traccion 10 x 5 LDPE3 Traccion 5 x 8 LDPE4 Traccion 10 x 6 PP5 Traccion 0 x 5 LDPE6 Traccion 0 x 5 PP
N◦ Total 32
3. En la tabla 4.22 se observa el diseno de experimentos para las probetas realizadas
con un laminado en una maquina de fabricacion F.U que permite una buena mezcla
entre los componentes e inyectadas por un Mallal de fabricacion Implejoy.
Tabla 4.22: Experimentos para el proceso extrusion - inyeccion
Composicion % FibraTratamiento Quımico % NaOH
N de Materialen peso ST (Sin tratamiento) 5% NaOH probetas
1 Traccion 10 x 8 PELD
2 Traccion 10 x 6 PELD
3 Traccion 5 x 9 PELD
4 Traccion 5 x 5 PELD
5 Traccion 5 x 7 PP
6 Traccion 5 x 4 PP
N◦ Total 39
87
4. En la tabla 4.23 se observa el diseno de experimentos para las probetas realizadas
con un pre extruido e inyectadas en una inyectora Dr. BOY 35.
Tabla 4.23: Experimentos para el proceso extrusion - inyeccion automatica.
Composicion % FibraTratamiento Quımico % NaOH
N de Materialen peso ST (Sin tratamiento) 5% NaOH probetas
1 Traccion 20 x 10 PEHD2 Traccion 30 x 10 PEHD3 Traccion 40 x 10 PEHD4 Traccion 20 x 10 PEHD5 Traccion 30 x 10 PEHD6 Traccion 40 x 10 PP7 Traccion 20 x 10 PP8 Traccion 30 x 10 PP9 Traccion 40 x 10 PP
10 Traccion 20 x 10 PP11 Traccion 30 x 10 PP12 Traccion 40 x 10 PP
N◦ Total 120
4.2.1.2 Resultados obtenidos de cada uno de los ensayos
1. Para la configuracion de probetas de moldeo por compresion se obtuvieron 6 probetas
en las cuales no se llego a obtener una distribucion de fibras homogenea ya que estas
probetas presentaron porosidades y aglomeracion de fibras como se observa en la
figura 4.12.
Figura 4.12: Probetas obtenidas segun ASTM D - 3039.
2. En la tabla 4.24 se observa las configuraciones para probetas del material compu-
esto obtenido mediante un pre extruido en extrusora Dr. Collin E-20 e inyectado
manualmente mediante Mallal de fabricacion Implejoy.
88
Tabla 4.24: Nomenclatura para cada probeta
Configuracionde las probe-tas
Numerode en-sayos
Nomenclatura
PB10F5NA 1 Polietileno de baja densidad con 10%de fibra y tratamiento quımico dehidroxido de sodio (NaOH) al 5%
PB10FST 2 Polietileno de baja densidad con 10%de fibra sin tratamiento quımico
PB5FST 3 Polietileno de baja densidad con 5% defibra sin tratamiento quımico
PP10F5NA 4 Polipropileno con 10% de fibra y trata-miento quımico de hidroxido de sodio(NaOH) al 5%
LDPE (Puro) 5 Polietileno de baja densidad puroPP (Puro) 6 Polipropileno puro
Resultado Ensayo N◦ 1
En la figura 4.13 se observa la curva caracterıstica de esfuerzo deformacion que
presenta la probeta numero 1 y sus resultados del ensayo a traccion.
Figura 4.13: Resultados probeta N◦1.
Resultado Ensayo N◦ 2
En la figura 4.14 se observa la curva caracterıstica de esfuerzo deformacion que
89
presenta la probeta numero 2 y sus resultados del ensayo a traccion.
Figura 4.14: Resultados probeta N◦2.
Resultado Ensayo N◦ 3
En la figura 4.15 se observa la curva caracterıstica de esfuerzo deformacion que
presenta la probeta numero 3 y sus resultados del ensayo a traccion.
Figura 4.15: Resultados probeta N◦3.
Resultado Ensayo N◦ 4
En la figura 4.16 se observa la curva caracterıstica de esfuerzo deformacion que
presenta la probeta numero 4 y sus resultados del ensayo a traccion.
90
Figura 4.16: Resultados probeta N◦4.
Resultado Ensayo N◦ 5
En la figura 4.17 se observa la curva caracterıstica de esfuerzo deformacion que
presenta la probeta numero 5 y sus resultados del ensayo a traccion.
Figura 4.17: Resultados probeta N◦5.
Resultado Ensayo N◦ 6
En la figura 4.18 se observa la curva caracterıstica de esfuerzo deformacion que
presenta la probeta numero 6 y sus resultados del ensayo a traccion.
91
Figura 4.18: Resultados probeta N◦6.
3. En la tabla 4.25 se las puede observar las configuraciones para probetas del material
compuesto obtenido mediante un laminado en la maquina de fabricacion FU e
inyectado manualmente mediante Mallal de fabricacion Implejoy.
Tabla 4.25: Nomenclatura para cada probeta
Configuracion
de las probe-
tas
Numero
de en-
sayos
Nomenclatura
PB10FST 7 Polietileno de baja densidad con 10%
de fibra sin tratamiento
PB10F5NA 8 Polietileno de baja densidad con 10%
de fibra con tratamiento quımico de
hidroxido de sodio (NaOH) al 5%
PB5FST 9 Polietileno de baja densidad con 5% de
fibra sin tratamiento
PB5F5NA 10 Polietileno de baja densidad con 5%
de fibra con tratamiento quımico de
hidroxido de sodio (NaOH) al 5%
PP5FST 11 Polipropileno con 5% de fibra sin trata-
miento
PP5FNA 12 Polipropileno con 5% de fibra con tra-
tamiento quımico de hidroxido de sodio
(NaOH) al 5%
92
Resultado Ensayo N◦ 7
En la figura 4.19 se observa la curva caracterıstica de esfuerzo deformacion que
presenta la probeta numero 7 y sus resultados del ensayo a traccion.
Figura 4.19: Resultados probeta N◦7.
Resultado Ensayo N◦ 8
En la figura 4.20 se observa la curva caracterıstica de esfuerzo deformacion que
presenta la probeta numero 8 y sus resultados del ensayo a traccion.
Figura 4.20: Resultados probeta N◦8.
93
Resultado Ensayo N◦ 9
En la figura 4.21 se observa la curva caracterıstica de esfuerzo deformacion que
presenta la probeta numero 9 y sus resultados del ensayo a traccion.
Figura 4.21: Resultados probeta N◦9.
Resultado Ensayo N◦ 10
En la figura 4.22 se observa la curva caracterıstica de esfuerzo deformacion que
presenta la probeta numero 10 y sus resultados del ensayo a traccion.
Figura 4.22: Resultados probeta N◦10.
94
Resultado Ensayo N◦ 11
En la figura 4.23 se observa la curva caracterıstica de esfuerzo deformacion que
presenta la probeta numero 11 y sus resultados del ensayo a traccion.
Figura 4.23: Resultados probeta N◦11.
Resultado Ensayo N◦ 12
En la figura 4.24 se observa la curva caracterıstica de esfuerzo deformacion que
presenta la probeta numero 12 y sus resultados del ensayo a traccion.
Figura 4.24: Resultados probeta N◦12.
4. Para la configuracion de probetas que se obtuvieron mediante un pre extruido y
95
moldeo por inyeccion se obtuvo 120 probetas 10 de cada una de las configuraciones
deseadas en las cuales se llego a una buena distribucion no presenta porosidades
y se da un excelente fundido del material sin afectar a las fibras se espera que la
misma presente las mejores propiedades de las antes mostradas. En la figura 4.25 se
observa las probetas inyectadas.
Figura 4.25: Probetas logadas con norma ISO B - 527
4.2.1.3 Analisis de resultados de ensayos mecanicos a traccion
En la tabla 4.26 se muestran los datos obtenidos a traccion en el proceso realizado por
laminado con las configuraciones deseadas e inyectadas manualmente en un mallal de los
cuales se obtuvo los mejores resultados en la configuracion de 5% de fibra y sin tratamiento
quımico de adhesion a la matriz ya que aumento aproximadamente un 43% su propiedad
de resistencia a la traccion y su modulo de elasticidad en un 173% comparado con el
material virgen procesado de la misma manera.
En las demas configuraciones se dio una estabilizacion del material a excepcion del
compuesto con fibra tratada quımicamente al 5% con NaOH con matriz de polietileno de
baja densidad la cual disminuyo un 18 % de las propiedades al compuesto de polipropileno
la resistencia a la traccion. Lo que nos quiere decir que el aumento y la disminucion de
resistencia a la traccion le otorga al material un aumento o una disminucion al resistirse en
la aplicacion de fuerzas, el aumento del modulo de elasticidad demuestra que el material se
torna mas rıgido y la disminucion de alargamiento demuestra que el materia ha disminuido
su caracterıstica de elasticidad.
En la tabla 4.27 se muestran los datos obtenidos a traccion en el proceso realizado
por laminado con las configuraciones deseadas e inyectadas manualmente en un mallal
de los cuales se obtuvo los mejores resultados en la configuracion de 5% de fibra y sin
tratamiento quımico de adhesion a la matriz ya que aumento aproximadamente un 30% su
propiedad de resistencia a la traccion y su modulo de elasticidad en un 105% comparado con
96
Tabla 4.26: Resultados para el proceso extrusion - inyeccion
ProbetaEsfuerzo de Modulo de Modulo Alargamieto Alargamiento de
traccion elasticidad secante permisible rupturaMPa GPa MPa (%) (%)
PB10F5NA 5.351 0.553 417.579 0.861 2.243PB10FST 7.148 0.683 523.56 0.879 2.676PB5FST 9.023 0.877 671.188 0.905 3.387PP10F5NA 21.422 2.145 1568.375 0.849 2.884LDPE (Puro) 6.297 0.321 378.04 1.756 16.792PP (Puro) 21.412 2.668 1912.921 0.898 1.445
el material virgen procesado de la misma manera. En las demas configuraciones se dio una
estabilizacion del material a excepcion del compuesto con fibra tratada quımicamente al
5% con NaOH la cual disminuyo un 36% de las propiedades al compuesto de polipropileno
la resistencia a la traccion. Lo que nos quiere decir que el aumento y la disminucion de
resistencia a la traccion le otorga al material un aumento o una disminucion al resistirse en
la aplicacion de fuerzas, el aumento del modulo de elasticidad demuestra que el material se
torna mas rıgido y la disminucion de alargamiento demuestra que el materia ha disminuido
su caracterıstica de elasticidad.
Tabla 4.27: Resultados para el proceso extrusion - inyeccion
ProbetaEsfuerzo de Modulo de Modulo Alargamieto Alargamiento de
traccion elasticidad secante permisible rupturaMPa GPa MPa (%) (%)
PB10FST 7.226 0.746 558.090 0.836 2.824PB10F5NA 7.544 0.899 624.270 0.784 2.256PB5FST 8.161 0.658 553.858 0.964 3.964PB5F5NA 6.543 0.658 504.733 0.861 3.133PP5FST 22.060 3.037 2033.795 0.805 1.3338PP5FNA 15.779 2.852 1783.830 0.689 0.915
4.2.1.4 Analisis probabilıstico en Minitab con probetas ensayadas a traccion conpolietileno de baja densidad
Para el analisis se debe generar una ponderacion que permite evaluar cada una de las
modificaciones realizadas al proceso como se observa en la tabla 4.28. Donde el 1 significa
proceso de extrusion con inyeccion manual mientras que el 2 es calandrado con inyeccion
manual, para el tratamiento que contiene la fibra el 4 significa que la fibra no contiene
tratamiento quımico y el 3 que la fibra posee tratamiento con NaOH al 5% por ultimo
para comparar el porcentaje de fibra cada numero sera el % en peso (w/w) de fibra que
posee.
97
Tabla 4.28: Ponderacion para analisis Minitab
N. ProbetaResistencia a Conformado Tratamiento quımico Porcentajela traccion a la fibra de fibra
MPa
1 7,148 1 4 102 5,351 1 3 103 9,023 1 4 54 6,297 1 4 05 7,226 2 4 106 7,544 2 3 107 8,161 2 4 58 6,543 2 3 5
1. Analisis con relacion en el metodo de conformado del compuesto con polietileno de
baja densidad.
Para el analisis probabilıstico de los datos obtenidos de resistencia a la traccion
relacionada con la columna de conformado se obtuvieron los siguientes resultados:
Probabilidad normal
Interpretacion: Si los puntos se ajustan a la recta quiere decir que existe una
distribucion normal de los datos.
Como se muestra en la figura 4.26 en el diagrama de probabilidad normal existe una
distribucion normal en la relacion esfuerzo a la traccion con metodo de conformado.
Figura 4.26: Grafica de probabilidad normal esfuerzo - conformado
Grafica de caja
Interpretacion: El tamano que presenta la caja demuestra la estabilidad de las
muestras ensayadas en comparacion con los resultados obtenidos y la variacion con
respecto a la resistencia a la traccion.
98
Como se muestra en la figura 4.27 la mayor estabilidad se da en el proceso realizado
mediante el conformado de lamiado e inyeccion manual ya que los residuos son
menores en este proceso tambien demuestra que los mejores resultados se dieron en
las probetas realizadas con material pelletizado.
Figura 4.27: Grafica de caja esfuerzo - conformado
2. Analisis con relacion en el tratamiento quımico realizado con polietileno de baja
densidad.
Para el analisis probabilıstico de los datos obtenidos de resistencia a la traccion
relacionada con la columna de tratamiento quımico realizado se obtuvieron los
siguientes resultados:
Probabilidad normal
Como se muestra en la figura 4.28 en el diagrama de probabilidad normal existe una
distribucion normal en la relacion esfuerzo a la traccion con el tratamiento quımico
realizado.
Figura 4.28: Grafica de probabilidad normal esfuerzo - tratamiento quımico
99
Grafica de caja
Como se muestra en la figura 4.29 los mejores resultados se obtuvieron con el
compuesto que contiene fibras sin tratamiento quımico.
Figura 4.29: Grafica de caja esfuerzo - tratamiento quımico
3. Analisis con relacion en la proporcion de fibra que posee polietileno de baja densidad.
Para el analisis probabilıstico de los datos obtenidos de resistencia a la traccion
relacionada con la columna de porcentaje de carga en fibra se obtuvieron los siguientes
resultados:
Probabilidad normal
Como se muestra en la figura 4.30 en el diagrama de probabilidad normal existe una
distribucion con una ligera desviacion por las probetas ensayadas sin carga en la
relacion esfuerzo a la traccion con el tratamiento quımico realizado.
Figura 4.30: Grafica de probabilidad normal esfuerzo - tratamiento quımico
Grafica de caja
Como se muestra en la figura 4.31 los mejores resultados se obtuvieron con el
compuesto que contiene el 5% de carga en peso (w/w) de fibra.
100
Figura 4.31: Grafica de caja esfuerzo - tratamiento quımico
4.2.1.5 Analisis probabilıstico en Minitab con probetas ensayadas a traccion conpolipropileno
Para el analisis se debe generar una ponderacion que permite evaluar cada una de las
modificaciones realizadas al proceso como se observa en la tabla 4.29. Donde el 1 significa
proceso de extrusion con inyeccion manual mientras que el 2 es calandrado con inyeccion
manual, para el tratamiento que contiene la fibra el 4 significa que la fibra no contiene
tratamiento quımico y el 3 que la fibra posee tratamiento con NaOH al 5% por ultimo
para comparar el porcentaje de fibra cada numero sera el % en peso (w/w) de fibra que
posee.
Tabla 4.29: Ponderacion para analisis Minitab
N. Probeta Resistencia a latraccion (MPa)
Conformado Tratamientoquımico a lafibra
Porcentajede fibra
1 21,422 1 3 102 21,412 1 4 03 22,06 2 4 54 15,779 2 3 5
1. Analisis con relacion en el metodo de conformado del compuesto con polipropileno.
Para el analisis probabilıstico de los datos obtenidos de resistencia a la traccion
relacionada con la columna de conformado se obtuvieron los siguientes resultados:
Probabilidad normal
Como se muestra en la figura 4.32 en el diagrama de probabilidad normal existe una
distribucion normal en la relacion esfuerzo a la traccion con metodo de conformado.
101
Figura 4.32: Grafica de probabilidad normal esfuerzo - conformado
Grafica de caja
Como se muestra en la figura 4.33 la mayor estabilidad se da en el proceso realizado
mediante el conformado por extrusion e inyectado manual ya que los residuos son
menores en este proceso tambien demuestra que los mejores resultados se dieron en
las probetas realizadas con material pelletizado ya que se mantienen en el valor de
resistencia a la traccion
Figura 4.33: Grafica de caja esfuerzo - conformado
2. Analisis con relacion en el tratamiento quımico realizado a la fibra y con matriz de
polipropileno.
Para el analisis probabilıstico de los datos obtenidos de resistencia a la traccion
relacionada con la columna de tratamiento quımico realizado se obtuvieron los
siguientes resultados:
Probabilidad normal
Como se muestra en la figura 4.34 en el diagrama de probabilidad normal existe una
distribucion normal en la relacion esfuerzo a la traccion con el tratamiento quımico
realizado.
102
Figura 4.34: Grafica de probabilidad normal esfuerzo - tratamiento quımico
Grafica de caja
Como se muestra en la figura 4.35 los mejores resultados se obtuvieron con el
compuesto que contiene fibras sin tratamiento quımico.
Figura 4.35: Grafica de caja esfuerzo - tratamiento quımico
3. Analisis con relacion en la proporcion de fibra que posee y con matriz de polipropileno.
Para el analisis probabilıstico de los datos obtenidos de resistencia a la traccion
relacionada con la columna de porcentaje de carga en fibra se obtuvieron los siguientes
resultados:
Probabilidad normal
Como se muestra en la figura 4.36 en el diagrama de probabilidad normal existe una
distribucion con una ligera desviacion por las probetas ensayadas sin carga en la
relacion esfuerzo a la traccion con el tratamiento quımico realizado.
Grafica de caja
Como se muestra en la figura 4.37 los mejores resultados se obtuvieron con el
compuesto que contiene el 5% de carga en peso (w/w) de fibra y similares resultados
con fibra al 10% y sin fibra.
103
Figura 4.36: Grafica de probabilidad normal esfuerzo - tratamiento quımico
Figura 4.37: Grafica de caja esfuerzo - tratamiento quımico
4.3 Caracterizacion fısica del material compuesto
Para la caracterizacion fısica del nuevo material compuesto se realizaron ensayos de
termogravimetrıa y colorimetrıa diferencial de barrido de las cuales nos permite obtener
los resultados presentados a continuacion.
4.3.1 Ensayo de termogravimetrıa (TGA)[96]
El ensayo de termogravimetrıa es un ensayo que nos permite observar la temperatura de
degradacion del material el cual fue realizado en los laboratorios de la UPB en un equipo
TGA/SDTA851 de la casa fabricante Mettler Toledo.
4.3.1.1 Analisis termico mediante termogravimetrıa (TGA)
En analisis termico es aquel que se realiza basado en el cambio de temperatura mediante
un programa con temperatura controlada mediante este ensayo se puede controlar procesos
de fabricacion de muchos nuevos materiales regido en la norma ASTM E-1582.
La definicion de TGA consiste en el registro de manera continua de la masa de
104
una muestra mediante una atmosfera controlada en funcion del tiempo o de la temperatura
y el DTGA que es el analisis termogravimetrico diferencial que es la medida del gradiente
en la variacion de masa con la temperatura o el tiempo.
En la siguiente figura 4.38 se observa un termograma tıpico en la curva a) Curva
primaria (TGA) y b) Curva Derivada (DTGA).
Figura 4.38: Termograma a) TGA b) DTGA
4.3.1.2 Procedimientos del ensayo
En la figura 4.39 podemos observar el equipo y los elementos necesarios para su correcto
funcionamiento.
Componentes
El equipo consta de una termobalanza, un horno, un sistema de gas de purga,
un sistema de refrigeracion y un procesador los cuales son necesarios q se encuentren
funcionando correctamente para una toma de datos adecuada.
Parametros
Ocupamos una elevacion de temperatura desde los 30 ◦C hasta los 900 ◦C con una
tasa de calentamiento de los 10 ◦C por minuto y por cuestion del tiempo en las ultimas
pruebas una tasa de 50 ◦C por minuto y se utilizo como gas de purga el nitrogeno.
Procedimientos
1. Encender los sistemas principales de la maquina como el sistema de refrigeracion
luego la valvula del aire de purga que se debe encontrar entre los 10 y los 100%
± 5 ml/min. Para la caracterizacion se realizo con nitrogeno y a 50 ml/min en la
figura 4.39 se observa los elementos para controlar el TGA.
105
Figura 4.39: A) Cooler del equipo B) Ingreso y control de presiones de gas de purga C) EquipoTGA
2. Preparar la muestra a ensayar que se realiza en primera instancia encerando el crisol
sin la muestra para luego colocar cantidades similares a 7 mg que se colocan en el
crisol y se los compacta mediante apisonador y en embudo como se muestra en la
figura 4.40.
Figura 4.40: A) Termobalanza B) Elementos para preparar la muestra
3. Colocar los parametros en el procesador y correr el ensayo como se muestra en la
figura 4.41.
Figura 4.41: Interfaz de Usuario
4.3.1.3 Curvas caracterısticas obtenidas para los materiales ensayados
Se realizaron 6 ensayos en total, de los cuales los dos iniciales se los realizaron a la fibra
en primera instancia a la que presenta el tratamiento quımico con NaOH al 5% para
poder compararla con el segundo ensayo que se realizo con fibra verde secada sin ningun
tratamiento quımico.
106
Los siguientes ensayos fueron realizados a los materiales obtenidos mediante
extrusion como se muestran la tabla 4.30.
Tabla 4.30: Nomenclatura para cada probeta
Configuracionde las probe-tas
Numerode en-sayos
Nomenclatura
Guadua NaOH 1 Guadua con tratamiento quımico de hidroxido desodio (NaOH) al 5%
Guadua ST 2 Guadua sin tratamiento quımicoPB10F5NA 3 Polietileno de baja densidad con 10% de fibra y
tratamiento quımico de hidroxido de sodio (NaOH)al 5%
PB10FST 4 Polietileno de baja densidad con 10% de fibra sintratamiento quımico
PB5FST 5 Polietileno de baja densidad con 10% de fibra sintratamiento quımico
PP10F5NA 6 Polipropileno con 10% de fibra y tratamientoquımico de hidroxido de sodio (NaOH) al 5%
1. Guadua NaOH (TGA) Como se puede observar en la figura 4.42 el punto de
degradacion de la Guadua que posee un tratamiento quımico de NaOH al 5% de
concentracion comienza su degradacion entre un rango de los 210 hasta los 220 ◦C lo
cual nos indica hasta que temperatura podemos llegar con este nuevo compuesto. Por
lo que se debe tener mucho cuidado cuando se realiza un proceso de transformacion
de polımeros y para saber tambien cual es la matriz adecuada para este refuerzo.
Figura 4.42: TGA Guadua con tratamiento quımico de NaOH al 5%
107
2. Guadua ST (TGA) Para la guadua sin tratamiento podemos observar que la
grafica es similar las caracterısticas no han variado notablemente con respecto a la
guadua que posee tratamiento quımico como se puede observar en la figura 4.43
su temperatura de degradacion inicia en los 210 ◦C hasta los 220 ◦C para luego
degradarse.
Figura 4.43: TGA Guadua sin tratamiento quımico
3. PB10F5NA (TGA) Para el polietileno de baja densidad reforzado con fibras
naturales al 10% con tratamiento quımico de NaOH al 5% como podemos observar
en la figura 4.44 se presenta al inicio una leve disminucion del peso que es generada por
la humedad presente en la muestra. Su inicio de degradacion se da aproximadamente
a los 410 ◦C.
Figura 4.44: TGA del compuesto PB10F5NA
108
4. PB10FST (TGA) Para el polietileno de baja densidad reforzado con fibras natu-
rales al 10% sin tratamientos quımico como podemos observar en la figura 4.45 se
presenta al inicio una leve disminucion del peso que es generada por la humedad
presente en la muestra. Su inicio de degradacion se da aproximadamente a los 370 ◦C.
Figura 4.45: TGA del compuesto PB10FST
5. PB5FST (TGA) Para el polietileno de baja densidad reforzado con fibras naturales
al 5% sin tratamientos quımico como podemos observar en la figura 4.46 se presenta
al inicio una leve disminucion del peso que es generada por la humedad presente en
la muestra. Su inicio de degradacion se da aproximadamente a los 440 ◦C.
Figura 4.46: TGA del compuesto PB5FST
109
6. PP10F5NA (TGA) Para el polipropileno reforzado con fibras naturales al 5% con
tratamiento quımico de NaOH al 5% como podemos observar en la figura 4.47 se
presenta al inicio una leve disminucion del peso que es generada por la humedad
presente en la muestra. Su inicio de degradacion se da aproximadamente a los 410 ◦C.
Figura 4.47: TGA del compuesto PP10F5NA
4.3.1.4 Analisis de resultados de ensayos TGA
1. El proceso de perdida de masa a medida que avanza el proceso termogravimetrico se
da por las siguientes causas que provoca el aumento de temperatura:
• Reaccion de descomposicion.
• Reaccion de oxidacion.
• Vaporizacion.
• Sublimacion.
2. El ensayo que se realiza es util para diferentes aplicaciones como:
• Control de calidad efecto de reforzantes.
• Estabilidad termica en atmosfera controlada.
• Oxidacion del aire.
• Degradacion termica.
110
3. Para los resultados obtenidos en las primeras dos muestras que son referidas a las
fibra naturales ocupadas en el proceso de obtencion del nuevo compuestos podemos
observar que el tratamiento quımico no afecta a la temperatura de degradacion.
4. En lo que respecta al polietileno de baja densidad ocupado como matriz del nuevo
compuesto observamos que se producen variaciones de temperatura que pueden ser
procedentes del reforzante como podemos observar en la figuras 4.44, 4.45 y 4.46.
4.3.2 Ensayo de calorimetrıa diferencial de barrido (DSC)
Para este ensayo de realizaron las mismas muestras que para el ensayo TGA el mismo
se realizo en los laboratorios de la UPB con un equipo DSC de la casa fabricante de TA
INSTRUMENTS y modelo Q2000 tambien la norma ocupada en la ASTM D3418 - 12.
4.3.2.1 Procedimientos del ensayo (DSC)[97]
La calorimetrıa diferencia de barrido es el proceso en el cual se produce una variacion
entalpica como puede ser la determinacion de:
• Calores especıficos.
• Puntos de ebullicion y cristalizacion.
• Pureza de compuestos cristalinos.
• Entalpias de redaccion.
El rango de trabajo del DSC con respecto a la temperatura va desde la temperatura
del nitrogeno lıquido hasta los 600 ◦C por lo cual es mas ocupado en polımeros ya que
estos presentan todas las transiciones termicas en esos intervalos.
El resultado del proceso de DSC es registrar la diferencia en el cambio de entalpia
que tiene lugar entre la muestra y el material inerte de referencia en funcion de la
temperatura o del tiempo.
Elementos que conforman el DSC
• Horno calorimetrico .
• Sistema de gas de purga.
111
• Procesador para control.
• Unidad de enfriamiento.
Es sistema DSC que se ocupo fue potencia compensada que posee la maquina
ocupada Q2000 de TA INSTRUMENTS es cual consiste que la muestra y el material
de referencia se calientan mediante calentadores separados aunque sus temperaturas se
mantienen iguales mientras las temperaturas se aumentan o disminuyen linealmente [98].
Existen dos tipos de ensayos que se realizan uno dinamico en el cual la muestra es
sometida a calentamiento y enfriamiento constantes para obtener la variacion de flujo de
calor en funcion de la temperatura. Existe otro isotermo en el cual la muestra es calentada
hasta una temperatura que se mantiene constante durante el resto del ensayo de la cual se
obtiene la variacion de flujo de calor en funcion del tiempo.
En el figura 4.48 se muestra de forma general un termograma de un polımero
semicristalino tıpico [99].
Figura 4.48: Termograma de un polımero semicristalino tıpico
Parametros de ensayo
Se tomo un modelo comun que se realiza para polımeros que es llamado potencia
compensada el cual es disminuir y elevar la temperatura con el fin de eliminar la memoria
del antiguo material y dar las caracterısticas del nuevo material.
Procedimiento de ensayo
1. El primer paso es encender los elementos principales de la maquina como lo son
el equipo en si el sistema de refrigeracion luego la valvula del aire de purga que
se debe encontrar entre los 10 y los 50% ± 5 ml/min con referencia en la norma
ASTM D3418- 12 que en nuestro caso se realizo con nitrogeno y a 50 ml/min estos
elementos los podemos observar en la figura 4.49.
112
Figura 4.49: A) Sistema de enfriamiento, B) Equipo DSC, C) Valvulas de aire de purga
2. El segundo paso fue la preparacion de muestras las cuales se realizaron en crisoles
descartables los cuales fueron pesados con y sin muestra en una balanza Kern ABT
220 - 5 DM como se muestra en las siguientes figuras para colocar dicho dato en el
software que se ocupado cuyo nombre es universal analysis 2000 en la figura 4.50 se
observa la balanza y los elementos para preparar las muestras.
Figura 4.50: A) Balanza B) Crisoles y prensa para cerrarlos
3. Luego se realizo un prensado de los crisoles con sus respectivas tapas para mantener
cerrada la muestra mediante la prensa antes mostrada y como se ve en la figura 4.51.
Figura 4.51: Proceso de sellado de los crisoles
4. Como cuarto paso se prenso todas las muestras se coloco los datos en el software
y para finalizar se insertaron en el auto alimentador que posee la maquina para
analizarlas continuamente en la figura 4.52 se muestra la rueda alimentadora de
probetas.
113
Figura 4.52: Rueda alimentadora de crisoles
4.3.2.2 Curvas obtenidas para los materiales ensayados
Se realizaron 6 ensayos en total, de los cuales los dos iniciales se los realizaron a la fibra
en primera instancia a la que presenta el tratamiento quımico con NaOH al 5% para
poder compararla con el segundo ensayo que se realizo con fibra verde secada sin ningun
tratamiento quımico las graficas mostradas estan en funcion del flujo de calor en el eje de
las y, por otro lado en el eje de las x esta presente las variante tiempo y temperatura.
Los siguientes ensayos fueron realizados a los materiales obtenidos mediante
extrusion como se muestran la tabla 4.31.
Tabla 4.31: Nomenclatura para cada probeta
Configuracionde las probe-tas
Numerode en-sayos
Nomenclatura
Guadua NaOH 1 Guadua con tratamiento quımico de hidroxido desodio (NaOH) al 5%
Guadua ST 2 Guadua sin tratamiento quımicoPB10F5NA 3 Polietileno de baja densidad con 10% de fibra y
tratamiento quımico de hidroxido de sodio (NaOH)al 5%
PB10FST 4 Polietileno de baja densidad con 10% de fibra sintratamiento quımico
PB5FST 5 Polietileno de baja densidad con 10% de fibra ytratamiento quımico de hidroxido de sodio (NaOH)al 5%
PP10F5NA 6 Polipropileno con 10% de fibra y tratamientoquımico de hidroxido de sodio (NaOH) al 5%
Es importante para el analisis de las graficas aplicar la ley de los signos para
interpretacion de la variacion de potencia ya que los cambios que se presentan hacia arriba
seran exotermicos y hacia abajo endotermicos o que absorben calor.
114
1. Guadua NaOH (DSC)
Como se puede observar en las figuras 4.53 y 4.54 el proceso endotermico en donde el
material absorbe calor por lo que genera una un punto de fusion en aproximadamente
a los 175 ◦C y una degradacion a partir de los 200 ◦C aproximadamente por su
cambio exotermico donde expulsa calor.
Figura 4.53: Ensayo DSC Guadua NaOH variacion de potencia vs temperatura
Figura 4.54: Ensayo DSC Guadua NaOH variacion de potencia vs tiempo
2. Guadua ST (DSC)
Como se puede observar en las figuras 4.55 y 4.56 el proceso endotermico en donde el
material absorbe calor por lo que genera una un punto de fusion en aproximadamente
115
a los 185 ◦C y una degradacion a partir de los 195 ◦C aproximadamente por su
cambio exotermico donde expulsa calor.
Figura 4.55: Ensayo DSC Guadua ST variacion de potencia vs temperatura
Figura 4.56: Ensayo DSC Guadua ST variacion de potencia vs tiempo
3. PB10F5NA (DSC)
Como podemos observar en las figuras 4.57 y 4.58 la temperatura de transicion vıtrea
se encuentra en aproximadamente los 105 ◦C, la temperatura de fusion en los 123 ◦C
y la temperatura de degradacion a partir de los 130 ◦C para esta combinacion de
materiales.
116
Figura 4.57: Ensayo DSC PB10F5NA variacion de potencia vs temperatura
Figura 4.58: Ensayo DSC PB10F5NA variacion de potencia vs tiempo
4. PB10FST (DSC)
Como podemos observar en las figuras 4.59 y 4.60 la temperatura de transicion vıtrea
se encuentra en aproximadamente los 98 ◦C, la temperatura de fusion en los 125 ◦C
y la temperatura de degradacion a partir de los 138 ◦C para esta combinacion de
materiales.
117
Figura 4.59: Ensayo DSC PB10FST variacion de potencia vs temperatura
Figura 4.60: Ensayo DSC PB10FST variacion de potencia vs tiempo
5. PB5FST (DSC)
Como podemos observar en las figuras 4.61 y 4.62 la temperatura de transicion vıtrea
se encuentra en aproximadamente los 100 ◦C, la temperatura de fusion en los 125 ◦C
y la temperatura de degradacion a partir de los 140 ◦C para esta combinacion de
118
materiales.
Figura 4.61: Ensayo DSC PB5FST variacion de potencia vs temperatura
Figura 4.62: Ensayo DSC PB5FST variacion de potencia vs tiempo
6. PP10F5NA (DSC)
Como podemos observar en las figuras 4.63 y 4.64 la temperatura de transicion vıtrea
se encuentra en aproximadamente los 137 ◦C, la temperatura de fusion en los 163 ◦C
y la temperatura de degradacion a partir de los 174 ◦C para esta combinacion de
materiales.
119
Figura 4.63: Ensayo DSC PP5F5NA variacion de potencia vs temperatura
Figura 4.64: Ensayo DSC PP5F5NA variacion de potencia vs tiempo
4.3.2.3 Resultados esperados
Lo que se espera analizar de cada uno de estos termogramas es la determinacion de:
• Temperatura de transicion vıtrea
120
• Temperatura de fusion
• Tiempo e induccion de oxidacion
• Descomposicion
4.4 Comparacion de resultados
4.4.1 Resultados obtenidos caracterizacion quımica de la fibra deguadua
• 1.8207 % solubles en agua.
• 20.0005% insolubles en agua (Organicos).
• 3.0475 % de cenizas que son elementos de origen mineral.
• Humedad presente en la guadua con tratamiento de NaOH al 5% y en la guadua sin
tratamientos donde obtuvimos un promedio de 3.25% para la guadua sin tratamiento
y un promedio de 6.97 % para la guadua con tratamientos. Este porcentaje fue
reducido en los ensayos realizados posteriores a este control hasta un nivel del 2 al 3
% para cada muestra.
Estos valores son comparativos con los analisis realizados en el capıtulo uno del
presente trabajo.
4.4.2 Analisis de conformacion del compuesto
Hay defectos que se presentaron en cada uno de los compuestos los cuales se presentan a
continuacion:
4.4.2.1 Compresion en caliente
Este proceso se dio como etapa inicial para la conformacion del nuevo material compuesto
del cual se obtuvo una probeta con varias deficiencias entre las que podemos destacar las
siguientes:
• Mala distribucion de la fibra.
121
• Falta de fundido de la matriz polimerica.
• Deficiente union matriz fibra.
• Problemas con la separacion compuesto molde.
4.4.2.2 Extrusion - inyeccion manual
Este proceso se realizo como segunda etapa de obtencion del nuevo compuesto en dos fases
la primera fue la obtencion del material extruido en los laboratorios de transformacion de
polımeros en la UPS sede Cuenca y la segunda fase fue la inyeccion manual del mismo
compuesto en los laboratorios de la UPB Medellın. Para este proceso se presentaron los
siguientes defectos:
• Falta de fundido de fundido del material compuesto.
• Puntos crıticos de falla en las probetas inyectadas.
• Humedad excesiva y falta de contrapresion en las probetas.
4.4.2.3 Calandrado - inyeccion manual
Este proceso se inicia con materia prima nueva la cual es mezclada mediante una laminadora
presente en el laboratorio de ensayo de materiales de la UPB la cual tiene como objetivo
final mezclar adecuadamente la matriz con el refuerzo. Esta mezcla es nuevamente utilizada
para ser inyectada manualmente para obtener las nuevas probetas de las cuales aparecieron
los siguientes defectos:
• Falta de fundido de fundido del material compuesto.
• Puntos crıticos de falla en las probetas inyectadas.
4.4.2.4 Extrusion - inyeccion automatica
Este es el ultimo proceso que se realizo en este proyecto donde se efectuaron cambios tanto
en la obtencion del material pelletizado en el cual se controla los parametros de velocidad
y perfiles de temperatura para evitar en lo absoluto la degradacion de la fibra, como el
tratamientos realizado a la fibra en el cual se realizo un secado y esterilizado de la misma
lo mismo se realizo para el material ya pelletizado a fin de evitar la humedad las probetas
inyectadas automaticamente.
122
4.4.3 Resultados obtenidos caracterizacion mecanica del compuesto
4.4.3.1 Ensayos de traccion compuesto pelletizado e inyectado
La mejor configuracion fue con 5% de fibra y sin tratamiento quımico cuyo compuesto
aumento un 43% su propiedad de esfuerzo a la traccion y 173% de su modulo de elasticidad
mientras que el compuesto 5% de fibra con NaOH la cual disminuyo un 18% de las
propiedades al compuesto de polietileno de baja densidad en el esfuerzo a traccion. Como
se puede observar el tratamiento quımico realizado a la fibra ocasiono el deterioro de la
fibra por lo que no presento refuerzo a la matriz.
4.4.3.2 Ensayos de traccion compuesto calandradado e inyectado
La mejor configuracion fue 5 % de fibra y sin tratamiento quımico a la fibra ya que
aumento aproximadamente un 30 % su propiedad de esfuerzo a la traccion y su modulo
de elasticidad un 105 % mientras que el compuesto 5% con NaOH disminuyo un 36 % de
las propiedades al compuesto de polipropileno en el esfuerzo a traccion. Como se puede
observar el tratamiento quımico realizado a la fibra ocasiono el deterioro de la fibra por lo
que no presento refuerzo a la matriz. Para los ensayos con polipropileno son comparables
los resultados de los ensayos mecanicos realizados a traccion con estudios realizados con
reforzante de fibras de lino mostrados en estudios realizados por la universidad de Perugia
[100]. Para los ensayos con polietileno podemos observar similares resultados comparados
con estudios realizados en la universidad tecnologica Owerri en Nigeria [101].
4.4.4 Resultados obtenidos caracterizacion fısica del compuesto
4.4.4.1 Ensayo TGA
La temperatura de degradacion como se puede observar en el ensayo para fibras se da
alrededor de los 210 ◦C en los que respecta a los polımeros de da los 370 y 440 ◦C.
4.4.4.2 Ensayo DSC
Para los ensayos realizados mediante calorimetrıa diferencial de barrido se muestran
temperaturas similares de temperatura de transicion vitrina para los ensayos realizados
con polietileno de baja densidad que se encuentran entre los 100 ◦C caso similar para la
temperatura de fusion que se encuentra entre los 125 ◦C y temperatura de degradacion de
los entre los 140 ◦C caso distinto al ensayo realizado con polipropileno que presenta una
123
temperatura de transicion vıtrea de 137 ◦C, una temperatura de fusion de 163 ◦C y una
temperatura de degradacion de 174 ◦C Caso contrario a los ensayos realizados a las fibras
donde la temperatura de fusion de la fibra si tratamiento es de 185 ◦C y la temperatura
de degradacion en los 195 ◦C lo cual no permite comparar con los resultados obtenidos
con la fibra tratada con NaOH al 5% cuya temperatura de fusion disminuye a 175 ◦C y su
temperatura de degradacion es similar a la fibra sin tratamiento con 200 ◦C.
4.5 Conclusiones
• Los analisis quımicos obtenidos presentan datos comparables con los estudiados en el
capıtulo 1 del presente trabajo por lo que presentan propiedades para ser utilizados
como reforzantes.
• El mejor conformado se dio mediante extrusion - inyeccion automatica con el cual se
obtuvo probetas que presentan una correcta distribucion de fibras y union de sus
componentes.
• En los ensayos a traccion los mejores resultados se obtuvieron en el compuesto
de polietileno de baja densidad que poseen una proporcion de 5% de fibra sin
tratamiento.
• Los peores resultados para los ensayos a traccion se mostraron en el compuesto
reforzado con fibra que posee 10% de fibra tratada con 5% de NaOH para el polietileno
de baja densidad conformado por extrusion - inyeccion manual y 5% de fibra tratada
con 5% de NaOH para el polipropileno conformado por calandrado - inyeccion
manual.
• Para el ensayo de TGA La temperatura de degradacion para las fibras es de alrededor
de los 210 ◦C y de 370 a 440 ◦C para los polımeros.
• Para los ensayos del DSC la temperatura de transicion vıtrea fue alrededor de los 100
◦C, 125 ◦C de temperatura de fusion y 140 ◦C de temperatura de degradacion para
PELD y para PP la temperatura de transicion vıtrea fue de 137 ◦C, temperatura
de fusion de 163 ◦C y una temperatura de degradacion de 174 ◦C, para las
fibras se presento una temperatura de fusion de 185 ◦C y 195 ◦C de temperatura
de degradacion para fibras ST y para fibras con NaOH al 5% es de 175 ◦C su
temperatura de fusion y 200 ◦C su temperatura de degradacion.
124
5 APLICACIONES, CONCLUSIONES YRECOMENDACIONES
Introduccion
La aplicacion de materiales compuestos rige su uso en la adaptabilidad a diferentes
ambientes por contener una combinacion de diversas familias de materiales que permiten
mejorar propiedades especıficas y mostrar propiedades buscadas [102].
El objetivo de estos materiales es mejorar diferentes propiedades, dependiendo
del tipo de matriz y del tipo de reforzante se pueden mejorar las propiedades mecanicas,
termicas, electricas, magneticas, reducir pesos y los costos de produccion [75].
5.1 Industria automotriz
En el campo de la ingenierıa automotriz continuamente se busca disminuir costos y pesos
en el vehıculo. Donde se necesita partes de gran tamano con buenos acabados [3].
En aplicaciones tenemos los siguientes ejemplos:
5.1.1 Paneles e injertos de puertas
El proceso se realiza para determinar la cantidad de elementos solubles en agua para la
limpieza del material. La practica a realizar consiste en los siguientes procedimientos
estipulados en la norma ASTM D 1110 - 84:
5.1.2 Equipo de laboratorio necesario
Son muy utilizados en gran variedad de vehıculos por su acabado y por su reduccion de
dano al medio ambiente generalmente se usa en proporciones 50% de fibra natural y 50%
de polipropileno [103] en la figura 5.1 se observa un ejemplo.
125
Figura 5.1: Paneles e injertos de puerta
5.1.3 Estantes de paqueterıa traseras
Son aquellos cobertores de puertas traseras que brindan proteccion a la parte metalica y
aıslan de ruidos exteriores del vehıculo. La figura 5.2 se muestra un ejemplo de estante de
paqueterıa [104].
Figura 5.2: Estantes de paqueterıa trasera [104]
5.1.4 Respaldos de asiento y asientos deportivos
Se realizan para lograr ergonomıa, disminuir pesos y ciclos de procesamiento en los asientos
vehiculares en la figura 5.3 podemos observar la formacion de un asiento deportivo con
material compuesto [105].
Figura 5.3: Asiento deportivo [105]
126
5.1.5 Cobertores de rueda
En la figura 5.4 se observa la parte del compartimiento donde aloja la rueda realizada con
resina termoplastica y reforzada con fibras de banano [104].
Figura 5.4: Cobertor de neumatico [104]
5.1.6 Vehıculo ultraliviano
Se ha experimentado con carrocerıas de vehıculos ultralivianos y de gran resistencia estas
son realizadas con resinas termofijas y fibras tejidas de altas prestaciones como: Kevlar,
Carbon, Aramida entre las mas nombradas [106] en las figuras 5.5 y 5.5 se observa un
vehıculo de fabricacion Koenigsegg fabricado con accesorios en fibras de carbono.
Figura 5.5: Carrocerıa con partes de fibra de carbono [106]
Figura 5.6: Multiple de escape fibra de carbono [106]
127
5.2 Industria de lınea blanca
En la industria blanca no se han generado aplicaciones reforzadas con fibras pues posee
cambios continuos de temperatura. Los compuestos mas ocupados a nivel de la industria
de lınea blanca son los compuestos ceramicos y aislantes termicos en lo correspondiente
a cocinas y hornos por otro lado en lo que respecta a refrigeracion se ocupa aislantes
termicos para mantener la temperatura del congelador o refrigerador los mas ocupados
son: polietileno expandido (EPS), poliuretano o un colchon de aire [107], [108], [109]
5.3 Industria de la construccion
En el campo de la construccion la aplicacion es [110] variada ya que existen compues-
tos ocupados para elementos constructivos estructurales como no estructurales por su
resistencia a la corrosion y bajo peso de donde se presentan las siguientes aplicaciones:
5.3.1 Tanques anticorrosion
Estos tanques son ocupados para sustancias que poseen caracterısticas corrosivas. Estos
tanques por ser construidos de materiales polimericos y reforzados con fibras ceramicas
poseen bajo peso permitiendo ser facilmente transportados [111]. En la figura 5.7 podemos
observar un ejemplo.
Figura 5.7: Tanques reforzados con fibra de vidrio [111]
5.3.2 Tableros para revestimientos y techos
Los tableros son generalmente formados por una combinacion de yeso y fibra natural
mayormente utilizados para la construccion. Se conocen como Estuco [112] y Gypsum la
128
figura 5.8 se observa un ejemplo de tableros con material compuesto para revestimientos.
Figura 5.8: Tableros de material compuesto [112]
5.3.3 Tableros para paredes, contornos de puertas y ventanas
Existen tableros para la construccion elaborados de materiales reforzados con fibras y
encapsulados en resinas amigables con el medio ambiente [113]. Tambien son ocupados
conglomerados con madera reciclada mas conocido como MDF (Medium-density fibreboard)
como podemos observar en la figura 5.9.
Figura 5.9: A),B) Tableros reforzados con fibra, C) MDF [113]
5.3.4 Tejas
Existen tejas formadas de fibra vegetal o celulosa cubiertas de brea que le otorgan
caracterısticas inoxidables, impermeables flexibles, resistentes y con bajo peso [114] en la
figura 5.10 podemos observar la presentacion.
129
Figura 5.10: Tejas onduladas con material compuesto [114]
5.3.5 Pisos madera plastica
Son productos generados de diversos materiales y combinaciones, de los cuales el que
garantiza mayor acabado, textura y mejor durabilidad es la combinacion de polımero con
madera. figura 5.11 podemos observar ejemplos de construcciones en pisos y maderas con
este material [18].
Figura 5.11: A) Paredes con madera plastica. B) Pisos con madera plastica [18]
5.4 Industria del equipo de seguridad
La seguridad es un campo variad puesto que se han desarrollado compuestos para ac-
tividades como: Empresariales e industriales, deportivas y personal entre los elementos
actualmente ocupados se encuentran los siguientes:
5.4.1 Cascos protectores
Estos cascos son muy utilizados para proteccion de accidentes laborales, deportivos o en
combate. Estos elementos estan reforzados por varias capas de fibras y encapsulados en
una matriz que generalmente es de naturaleza termoplastica [115], [116] en la figura 5.12
se muestra dos ejemplos
130
Figura 5.12: A) Casco deportivo. B) Casco militar [115], [116]
5.4.2 Punteras
Son elementos necesarios para evitar lesiones por accidentes laborales como caıda de
objetos pesados. Las punteras soportan y evitan lesiones en la zona de los pies, por ser
hechos de componentes polimericos evitan tambien la transferencia electrica protegiendo
al individuo que los usa de descargas electricas [117]. La figura 5.13 muestra una puntera
ocupada industrialmente.
Figura 5.13: Puntera [117]
5.4.3 Proteccion para robots
Se ha desarrollado elementos que permiten proteger los partes electronicas y metalicas
funcionales de los robots. Son hechos de material compuesto con refuerzo de fibra de
vidrio y de matriz epoxica [118]. La figura 5.14 muestra un brazo robotico protegido por
un aditamento en color naranja.
Figura 5.14: Proteccion brazo robotico [118]
131
5.4.4 Chalecos antibalas
Son compuestos realizados con fibra de Kevlar y Twaron que absorben la fuerza de
impacto evitando el dano al individuo protegido [119]. La figura 5.15 muestra las fibras
ocupadas [120].
Figura 5.15: Fibras Kevlar Twaron [119] [120]
5.4.5 Trajes resistentes
Estos trajes se realizan con aleaciones de fibra de kevlar, algodon y nylon como se
observa en la figura 5.16 los cuales tienen propiedades que dan al usuario ergonomıa y
proteccion [119], [120].
Figura 5.16: Fibras de kevlar, algodon y nylon [119] [120]
5.5 Industria Acuatica
Para la industria marina ha incursionado en generalmente en embarcaciones de todo tipo
como tambien de uso deportivos como botes que navegan a alta velocidad estas aplicaciones
nacieron de la utilizacion de materiales ligeros y resistentes a la corrosion salina [121].
Entre las mas importantes tenemos las siguientes:
5.5.1 Yates y Lanchas de competencia y comerciales
Muchos materiales compuestos son utilizados en yates de lujo, lanchas de alta velocidad
y comerciales donde la relacion peso, volumen y flotabilidad no pueden estar separadas
ya que permite que las embarcaciones naveguen con bajo peso y a alta velocidad. La
figura 5.17 muestra un yate y una lancha [121].
132
Figura 5.17: A) Yate. B) Lancha deportiva [121]
5.5.2 Bote de transporte
Son aquellos botes pequenos que permiten el traslado de personas en distancias cortas. La
figura 5.18 muestra ejemplos de botes de transporte [121].
Figura 5.18: A) bote de pasajeros. B) bote personal [121]
5.5.3 Domos del sonar en submarinos y submarinos resistentes abajas presiones
Los domos son capsulas ubicadas en los cascos de los submarinos donde se alojan elementos
electronicos [122]. Se usa tambien para submarinos disenados para navegar a bajas
presiones los cuales son construidos con fibras de carbon o de vidrio como reforzante. Son
ocupados de reconocimiento o de transporte. La figura 5.19 ilustra ejemplos.
Figura 5.19: A) Domo del sonar de submarino. B) submarino de reconocimiento C) narcosubmarino [122]
133
5.5.4 Tablas de surf y canas de pescar
Para elementos deportivos son muy ocupados compuestos reforzados con fibras naturales,
de vidrio y de carbono unidas con resinas tanto termoplasticas como termoestables a fin
de lograr elementos como los mostrados en la figura 5.20 que poseen altas prestaciones,
caracterısticas y propiedades [123].
Figura 5.20: A) Tabla de surf car bambu carbon. B) Canas de pescar bambu [123]
5.6 Industria aeronautica
Las aplicaciones aeroespaciales existen a pequena escala si se habla de produccion pero
han generado gran impacto para el desarrollo de materiales compuestos puesto que estas
maquinas necesitan un alto rendimiento a bajos [73]. Se pueden destacar las siguientes
aplicaciones.
Se usa generalmente en elementos aereos como: Timon, aleta, helice, superficie
exterior, subestructuras, bordes de ataque, estabilizadores verticales, carenados, gondolas
de motor, inversores de empuje, cupulas, puertas del tren de aterrizaje, puertas de acceso,
cabina interior, compartimentos de carga [73], [124]. En la figura 5.21 se muestran puntos
de aplicacion en aviones.
Figura 5.21: Ejemplos industria aeronautica [73] [124]
134
5.6.1 Helicopteros
Los materiales compuestos son ocupados en gran parte del helicoptero como lo son: helices y
cuerpo exterior. Son ocupados en estas partes por su bajo peso y facil moldeo. La figura 5.22
muestra partes de un helicoptero en donde intervienen materiales compuestos [110].
Figura 5.22: Ejemplos materiales compuestos en helicoptero [110]
5.6.2 Naves espaciales
En la industria de naves espaciales se ocupa materiales compuestos generalmente mezclando
elementos tanto metalicos como polimericos y ceramicos de alta gama los cuales unidos
generan excelentes prestaciones [125]. La figura 5.23 ilustra una imagen de una nave
espacial de los Estados Unidos.
Figura 5.23: Nave espacial [125]
5.6.3 Satelites
Los satelites son elementos que soportan presiones y temperaturas elevadas por lo que es
necesario que posean elementos que puedan soportar estas caracterısticas por lo que es
135
necesario utilizar materiales compuestos que por lo general combinaciones de materiales
metalicos, polimericos y fibras de altas prestaciones [126], [127]. La figura 5.24 muestra
un tanque propulsor para satelites.
Figura 5.24: Tanque propulsor para satelites en fibra de carbono con liner interior de tita-nio [126], [127].
5.7 Otras industrias
Se incursiona en el uso de materiales compuestos con nuevos usos cuya necesidad radica
en conseguir gran resistencia y bajos pesos. Donde las aplicaciones mas comunes son las
siguientes:
5.7.1 Instrumentos de musica
Se ha generado aplicaciones en instrumentos musicales donde el compuesto posee pro-
piedades acusticas y generan sonidos unicos por lo que se han creado gran variedad de
instrumentos [128]. La figura 5.25 muestra una guitarra conformada de material compuesto.
Figura 5.25: Instrumento musical con material compuesto [128].
136
5.7.2 Protesis
Se ocupan materiales compuestos para realizar tanto protesis dentales como biometricas [129],
[130]. La figura 5.26 ilustra una protesis dental en la parte A y una protesis de pie en la
parte B.
Figura 5.26: A) Protesis dental. B) Protesis de pie [129], [130].
5.7.3 Bicicletas, raquetas
Estos materiales son de gran utilidad en elementos deportivos donde se necesita flexibilidad,
resistencia y bajo peso por lo que se da en aplicaciones como bicicletas de alto desempeno
y raquetas de varios deportes. La figura 5.27 presenta varios ejemplos [131], [132].
Figura 5.27: A) Bicicleta disenada con fibra de carbono. B) raqueta de tenis con materialescompuestos [131], [132].
5.8 Conclusiones
• El bambu quien presenta en el Ecuador, su mayor exponente en la variedad de Guadua
Angustifolia Kunth; esta fibra es la mejor reforzante debido a que presenta: una
alta produccion, elevada tasa de crecimiento diaria, buenas propiedades mecanicas
quımicas y fısicas.
• De los grupos de matrices polimericas se destaca que las matrices termoestables
son difıcilmente re procesables y con un proceso de transformacion muy elevado en
137
costos y tiempos las caracterısticas contrarias a las matrices termoplasticas por lo
que se hace decisiva la utilizacion de las mismas.
• La ocupacion del metodo de hidroxido de sodio para la modificacion superficial de
las fibras se dio por la facilidad de aplicacion y la facilidad de conseguir los reactivos
a ocupar de ahı que su costo es reducido.
• El proceso de manufactura mas conveniente es el de extrusion pelletizado e inyeccion
automatica ya que se obtienen en tiempos de ciclo de 45 segundos garantizando
homogeneidad de propiedades, excelente dispersion de fibras, ausencia de fallas y
reproducibilidad de formas y dimensiones.
• Los principales beneficios del material compuesto con fibras naturales es su moderada
resistencia mecanica, su moderado modulo de elasticidad, su bajo peso y su bajo
costo.
• La mayor aplicacion en materiales compuestos con fibras cortas se ha desarrollado
principalmente en el campo automotriz y de la construccion ya que todos sus
elementos compuestos son conglomerados de madera y de fibras naturales en diferentes
proporciones.
5.9 Recomendaciones
• Mantener a las fibras libres de humedad para evitar burbujas en el proceso.
• Elegir el proceso adecuado de conformado para lograr una adecuada distribucion de
las fibras y obtener las mejores propiedades mecanicas.
• Al momento del pre extruido e inyectado del material se deben tomar muy en cuenta
los parametros a controlar a fin de evitar errores y danos tanto de la matriz como de
la fibra.
• Al realizar cambios en las variables del proceso controlar las mismas con ensayos a
fin de observar las variaciones que provocan.
5.10 Trabajos a futuro
• Estandarizar un proceso de obtencion de fibras naturales como reforzante para
materiales compuestos.
138
• Estandarizar el proceso de fabricacion de materiales compuestos con matriz polimerica
y reforzados con fibras naturales cortas.
• Realizar un tratamiento superficial aplicado a la matriz y aplicado a la fibra para
mejorar la interfaz.
• Generar un modelado por computador del material compuesto con fines de diseno
de nuevos elementos.
139
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