UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
ESTUDIO, DISEÑO Y ANÁLISIS PARA EL DESARROLLO DE
MATERIALES COMPUESTO CON FIBRA DE COCO PARA LA
ELABORACIÓN DE TABLEROS EN EL SISTEMA DE AIRBAG.
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
JUAN SEBASTIÁN HERNÁNDEZ VELASTEGUI
DIRECTOR: ING. MARIO GILBERTO CARVAJAL ORDÓÑEZ M.Sc.
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO
CÉDULA DE IDENTIDAD: 1004001184
APELLIDO Y NOMBRES: HERNÁNDEZ VELASTEGUI JUAN SEBASTIÁN
DIRECCIÓN: OTAVALO- ECUADOR
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 062925035
TELÉFONO MOVIL: 0958743403
DATOS DE LA OBRA
TITULO: ESTUDIO, DISEÑO Y ANÁLISIS PARA EL
DESARROLLO DE MATERIALES COMPUESTO CON FIBRA DE COCO PARA LA ELABORACIÓN DE TABLEROS
EN EL SISTEMA DE AIRBAG.
AUTOR O AUTORES: HERNÁNDEZ VELASTEGUI JUAN
SEBASTIÁN
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO
DE TITULACIÓN:
03/06/2016
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
ING. MARIO GILBERTO CARVAJAL ORDOÑEZ M.Sc.
PROGRAMA PREGRADO X POSGRADO
TITULO POR EL QUE OPTA: Ingeniero Automotriz
RESUMEN: Mínimo 250 palabras
Con el ʽʽEstudio, diseño y análisis para el
objetivo es la seguridad de los ocupantes en el momento de una colisión; sin dejar de lado los materiales utilizados en la actualidad en la manufactura de autopartes llamados polímeros y que se aplicaron en este proyecto. Como materia prima se escogió los desechos de los cocos, donde se extrajo la fibra de la corteza; aquí el material extraído se lo proceso en una mezcla con aditivos, con el objetivo de convertirlo en material compuesto, que fue utilizado como refuerzo en el diseño de probetas que estuvieron
sometidas a pruebas mecánicas de
laboratorio como fueron: resistencia a la tracción, ensayo de flexión y ensayo de
impacto, donde se consiguió datos
cuantitativos de las pruebas de laboratorio con este material compuesto.
Después de las pruebas se seleccionó la mezcla adecuada para la fabricación del prototipo, se tomó en cuenta aspecto y
propiedades del mismo, que fueron
PALABRAS CLAVES: Airbag, fibra de coco, ,material compuesto, nuevas tecnologías, polímeros
ABSTRACT: With the ''Study, design and analysis for the
development of materials made with coconut fiber for the elaboration of dashboards in the airbag system'', an alternative application
within the automotive industry was
determined, in a timely manner in the design and development of auto parts such as the airbag cover. It began with the importance involving passive safety in the car, whose objective is the safety of the driver and the accompanying at the time of a collision; without neglecting current materials in the manufacturing auto parts; as are the polymers that are analyzed in this study. For raw material the coconut waste was chosen, which underwent a manual process where the fiber of the upper crust was extracted; afterwards the extracted material is processed in a mixture with additives with the objective to convert a composite material, which was used as reinforcement in the design of specimens which were subjected to mechanical laboratory tests such as (tensile strength, flexural test and impact test) where indicative data was achieved of the characteristics that this new composite material has.
After testing the right mix for the manufacture of the design a prototype was selected, fundamental aspects were taken into account such as aesthetics, ergonomics and the same properties, which had reference in the designs of current airbag covers.
advantages that the airbag cover design made of a composite material has; All these results were interpreted by comparative graphs and tables which indicated its
resistance, hardness, and deformation
supported against different loads and stresses.
KEYWORDS Airbag, fiber coconut, material is
processed, new alternative, plastic.
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio Digital de la Institución.
f:__________________________________________
HERNÁNDEZ VELASTEGUI JUAN SEBASTIAN
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo, HERNÁNDEZ VELASTEGUI JUAN SEBASTIÁN, CI 1004001184 autor/a del proyecto
titulado: estudio, diseño y análisis para el desarrollo de materiales compuesto con fibra
de coco para la elaboración de tableros en el sistema de airbag previo a la obtención del
título de INGENIERO AUTOMOTRIZ en la Universidad Tecnológica Equinoccial.
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de generar un Repositorio que democratice la información, respetando las políticas de propiedad intelectual vigentes.
Quito, 03 de junio 2016
f:__________________________________________ HERNÁNDEZ VELASTEGUI JUAN SEBASTIÁN
DECLARACIÓN
Yo JUAN SEBASTIÁN HERNÁNDEZ VELASTEGUI, declaro que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
_________________________
Juan Sebastián Hernández Velastegui
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Estudio, diseño y análisis para el desarrollo de materiales compuesto con fibra de coco para la elaboración de tableros en el sistema de airbag” que, para aspirar al título de Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Juan Sebastián Hernández Velastegui, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19,27 y 28
___________________
ING. MARIO GILBERTO CARVAJAL ORDÓÑEZ
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
Esta tesis se la dedico a Dios quién supo guiarme por el buen camino, darme fuerzas para seguir adelante y no desmayar en los problemas que se presentaban, enseñándome a encarar las adversidades sin perder nunca la dignidad ni desfallecer en el intento.
Para mis padres por su apoyo, consejos, comprensión, amor, ayuda en los momentos difíciles, y por ayudarme con los recursos necesarios para estudiar. “La dicha de la vida consiste en tener siempre algo que hacer, alguien a quien amar y alguna cosa que esperar”.
AGRADECIMIENTO
Primero agradezco a Dios por darme la salud y sabiduría para culminar con éxito un paso más en mi vida profesional del cual me siento orgulloso.
La presente Tesis es un esfuerzo en el cual, directa o indirectamente, participaron varias personas leyendo, opinando, corrigiendo, teniéndome paciencia, dando ánimo, acompañando en los momentos de crisis y en los momentos de felicidad. Agradezco a todos aquellos que de una u otra forma apoyaron en la ejecución de este trabajo investigativo.
A mis padres que me acompañaron en esta aventura que significó la ingeniería y que, de forma incondicional, entendieron mis ausencias y mis malos momentos. A mi novia, que a pesar de la distancia siempre estuvo atenta para saber cómo iba mi proceso.
Gracias también a mis queridos compañeros, que me apoyaron y me permitieron entrar en su vida durante todo este tiempo que pude convivir con ellos y forjar una invalorable amistad que perdurara durante mi existencia Gracias a todos.
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INDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN ... v i i i
ABSTRACT ... i x
1. INTRODUCCIÓN ... 1
2. MARCO TEÓRICO ... 3
2.1 TABLEROS AUTOMOTRICES ... 3
2.2 LOS TABLEROS EN LA ACTUALIDAD ... 4
2.3 TIPOS DE TABLEROS ... 5
2.3.1 TABLERO RÍGIDO ... 5
2.3.2 TABLERO FLEXIBLE ... 5
2.4 MATERIALES UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA ... 6
2.4.1 POLIPROPILENO... 7
2.4.2 POLIETILENO ... 8
2.4.3 MEZCLAS DE POLICARBONATOS... 9
2.5 SEGURIDAD PASIVA EN LOS AUTOMÓVILES ... 10
2.5.1 TAPAS DE LOS AIRBAGS ... 11
2.6 AVANCES TECNOLÓGICOS ... 12
2.6.1 MATERIALES COMPUESTOS ... 12
2.6.1.1 Teoría de la Resistencia de Materiales ... 14
2.6.1.2 Aplicación de Estadística para Ensayos ... 16
2.6.2 REDUCCIÓN DE TIEMPOS DE CICLO ... 17
2.6.3 USOS DE MATERIALES COMPUESTOS ... 17
2.6.3.1 Interior del vehículo ... 18
2.6.3.2 Exterior del vehículo ... 18
ii 2.6.4 APLICACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS
UTILIZANDO FIBRAS NATURALES EN LA INDUSTRIA
AUTOMOTRIZ ... 19
2.7 PLÁSTICOS REFORZADOS CON FIBRAS ... 19
2.7.1 PROCESOS DE MOLDE ABIERTO Y CERRADO PARA MATERIALES PLÁSTICOS REFORZADOS CON FIBRAS . 21 2.7.1.1 Proceso de unión manual ... 21
2.7.1.2 Proceso de pulverizado ... 21
2.7.1.3 Proceso de proyección simultanea ... 22
2.7.1.4 Inyección ... 22
2.7.1.5 Proceso de embolsado a vacío y autoclave ... 22
2.8 FIBRAS CELULÓSICAS NATURALES (FIBRAS VEGETALES) .. 23
2.8.1 ZONAS DE PLANTACIÓN Y COMERCIALIZACIÓN ... 24
2.8.1.1 Plantación ... 24
2.8.1.2 Estructura de las fibras ... 24
2.8.1.3 Recolección y obtención de las fibras ... 24
2.8.2 CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES DE LAS FIBRAS DE COCO ... 25
2.8.2.1 Longitud promedio de la fibra de coco ... 26
2.8.2.2 Finura de la fibra de coco ... 26
2.8.2.3 Densidad de la fibra de coco ... 26
2.8.2.4 Fracción Volumétrica ... 27
2.8.3 TIPOS DE FIBRAS ... 28
2.8.3.1 Fibras de tallos ... 28
2.8.3.2 La ortiga grande ... 28
2.8.3.3 La fibra cardoa... 28
2.9 MEZCLAS ... 29
2.9.1 AVANCES DESARROLLADOS EN BIO COMPUESTOS .... 29
2.9.1.1 Proceso de la obtención de fibra de coco para la utilización de vehículos ... 30
2.9.2 COMPOSICIÓN ... 31
iii
2.9.2.2 Matrices ... 32
2.9.2.3 Matrices termoestables ... 33
2.9.2.4 Matrices termoplásticas ... 33
3. METODOLOGÍA ... 35
4. RESULTADOS Y DISCUSÍON ... 38
4.1 ANÁLISIS DEL LABORATORIO PARA LA FIBRA DE COCO ... 38
4.1.1 CÁLCULO DE LONGITUD PROMEDIO ... 38
4.1.2 CÁLCULO DE LA FINURA DE LA FIBRA DE COCO... 39
4.1.3 CÁLCULO DE LA DENSIDAD DE LA FIBRA DE COCO (COCUS) ... 40
4.1.4 CÁLCULO DE FRACCIÓN DE VOLUMÉTRICA. ... 41
4.1.5 DENSIDAD DE LA RESINA DE POLIÉSTER ... 43
4.2 DATOS DE LAS PRUEBAS DE RESISTENCIA DE TRACCIÓN, FLEXIÓN A TRES PUNTOS E IMPACTO ... 43
4.2.1 CARACTERIZACIÓN MECÁNICA... 44
4.2.1.1 Caracterización de resistencia a la tracción ... 44
4.2.1.2 Caracterización del ensayo de flexión ... 44
4.2.1.3 Caracterización de resistencia al impacto ... 45
4.2.1.4 Pruebas de Resistencia a la tracción ... 45
4.2.1.5 Prueba de Flexión ... 47
4.2.1.6 Prueba de impacto ... 48
4.3 CALCULO DE ESFUERZOS TEÓRICOS ... 48
4.4 OBTENCIÓN DEL PROTOTIPO ... 49
4.4.1 ANÁLISIS ... 50
4.4.1.1 Estética del material ... 50
4.4.1.2 Costo ... 50
4.4.1.3 Método de procesamiento ... 50
iv
4.4.2.1 Pruebas Anteriores ... 51
4.4.2.2 Diseño de la tapa del airbag ... 52
4.5 EVALUACIÓN DEL PRODUCTO ... 52
4.5.1 COSTOS ESTIMADOS ... 53
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ... 54
5.1 CONCLUSIONES ... 54
5.2 RECOMENDACIONES ... 56
NOMENCLATURA O GLOSARIO ... 58
BIBLIOGRAFÍA ... 62
v
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Propiedades comparativas de fibras para el reforzamiento
de plásticos ... 13
Tabla 2. Propiedades de resina epoxi y poliéster coladas sin aditivos ... 20
Tabla 3. Tabla de las fibras celulósicas naturales (fibras vegetales) ... 23
Tabla 4. Características y propiedades de las fibras de coco (CK) ... 25
Tabla 5. Longitud promedio de la fibra de coco ... 39
Tabla 6. Finuras de la fibra de coco ... 40
Tabla 7. Densidad de la fibra de coco (cocus) ... 41
Tabla 8. Cálculo de fracción volumétrica ... 42
Tabla 9. Codificación de fibras ... 43
Tabla 10. Probetas para Tracción ... 44
Tabla 11. Probetas para Flexión ... 45
Tabla 12. Probetas para Impacto ... 45
Tabla 13. Calculo Teórico... 49
Tabla 14. Valoración total ... 51
Tabla 15. Fracción volumétrica,Aditivos y fibra de coco ... 51
Tabla 16. Análisis de costos ... 53
vi
ÍNDICE DE FIGURAS
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Figura 1. Tablero Rígido ... 5
Figura 2. Tablero Flexible ... 6
Figura 3. Tapa de airbag ... 11
Figura 4. Esquema de la obtención de fibra de coco. ... 30
Figura 5. Esquema de la fabricación de las probetas. ... 31
Figura 6. Esquema de la probeta utilizada ... 41
Figura 7. Prueba de Tracción (Esfuerzo (Pa)) ... 46
Figura 8. Prueba de Tracción (Módulo de Elasticidad). ... 46
Figura 9. Prueba de Flexión (Esfuerzo (Pa)) ... 47
Figura 10. Prueba de Flexión (Módulo de Elasticidad (Pa)) ... 48
Figura 11. Prototipo de tapa airbag ... 52
vii
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
Anexo 1.Obtención de la fibra de coco ... 64
Anexo 2. Disposición de fibras en las probetas ... 66
Anexo 3. Maquinaria utilizada en los ensayos ... 68
Anexo 4. Materiales para la fabricación del prototipo de la tapa
el airbag ... 69
viii
RESUMEN
Con el ʽʽEstudio, diseño y análisis para el desarrollo de materiales compuesto con fibra de coco para la elaboración de tableros en el sistema de airbag ʼʼ, se determinó una alternativa de aplicación dentro de la industria automotriz, de manera puntual en el modelo del prototipo y fabricación de autopartes dentro de las cuales se ha considerado la tapa del airbag. Se partió de la importancia que implica la seguridad pasiva en el automóvil, cuyo objetivo es la seguridad de los ocupantes en el momento de una colisión; sin dejar de lado los materiales utilizados en la actualidad en la manufactura de autopartes llamados polímeros y que se aplicaron en este proyecto. Como materia prima se escogió los desechos de los cocos, donde se extrajo la fibra de la corteza; aquí el material extraído se lo proceso en una mezcla con aditivos, con el objetivo de convertirlo en material compuesto, que fue utilizado como refuerzo en el diseño de probetas que estuvieron sometidas a pruebas mecánicas de laboratorio como fueron: resistencia a la tracción, ensayo de flexión y ensayo de impacto, donde se consiguió datos cuantitativos de las pruebas de laboratorio con este material compuesto.
ix
ABSTRACT
With the ''Study, design and analysis for the development of materials made with coconut fiber for the elaboration of dashboards in the airbag system'', an alternative application within the automotive industry was determined, in a timely manner in the design and development of auto parts such as the airbag cover. It began with the importance involving passive safety in the car, whose objective is the safety of the driver and the accompanying at the time of a collision; without neglecting current materials in the manufacturing auto parts; as are the polymers that are analyzed in this study. For raw material the coconut waste was chosen, which underwent a manual process where the fiber of the upper crust was extracted; afterwards the extracted material is processed in a mixture with additives with the objective to convert a composite material, which was used as reinforcement in the design of specimens which were subjected to mechanical laboratory tests such as: tensile strength, flexural test and impact test, where indicative data was achieved of the characteristics that this new composite material has.
1
1.
INTRODUCCIÓN
Históricamente para la fabricación de tableros automotrices las alternativas más viables, han sido espuma de poliuretano rígida, o láminas plásticas termo formadas (podría ser poliestireno de alto impacto).El Estudio, diseño y análisis del desarrollo de materiales compuesto de fibra de coco, para la elaboración de tableros de instrumentos incluido el espacio para el sistema de airbag, conlleva una alta importancia porque para todos es conocido que a largo plazo se debe buscar materia prima de fácil acceso, considerando que el petróleo, al ser un recurso no renovable en algún momento desaparecerá.
Actualmente los centros de pruebas en Estados Unidos de Ford en sociedad con institutos de polímeros, están analizando la fibra del coco la cual puede ser usada como un refuerzo para los distintos materiales de plástico, usando el material que es desechado por otras industrias lo usan para aumentarla sostenibilidad para sus autos (Onrubia, 2011).
En este contexto surgen los siguientes objetivos planteados:
Realizar un estudio sobre el diseño análisis de muestras de material compuesto en base a fibra de coco y someter a pruebas en una máquina de ensayos universal, para seleccionar el material con la composición más óptima para un airbag de vehículo.
Desarrollar un estudio investigativo sobre el uso actual de la fibra de coco en la industria automotriz.
Realizar un análisis y estudio de materiales que constituyan materia prima de los airbag en la actualidad.
Experimentar preparando matrices para definir el material termoplástico y termoestable compuesto con resina y de fibra de coco.
Elaborar un prototipo de una tapa de airbag luego de los ensayos, seleccionando el más resistente.
Comparar cálculos de la teoría de diseño con datos entregados por los ensayos en equipos pertinentes.
2 El primer bloque hace referencia donde se explica los la teoría básica del diseño de materiales y demás conceptos sobre la seguridad pasiva del automóvil, la cual nos describe la importancia que tiene este elemento en brindar protección al conductor y a sus acompañantes en el momento de una colisión. Otro punto que se presenta en este bloque son los materiales actuales con los que trabaja la industria automotriz, los mismos que pretenden ser reemplazados con las nuevas tecnologías, como son los materiales compuestos entre ellos con la fibra de coco que es nuestro pilar en este trabajo investigativo.
El segundo bloque explica todos los procedimientos seguidos en la elaboración de nuestro prototipo, partiendo desde la extracción de la fibra de coco (Bonete), con la obtención de mezclas alternativas que cumplan los parámetros establecidos por las normas ASTM (American Society for Testing Materials) para lo cual nos respaldamos con el método inductivo.
3
2.
MARCO TEÓRICO
2.1 TABLEROS AUTOMOTRICES
En la construcción de auto partes de vehículos existen varios factores a ser tomados en cuenta como son: la seguridad tanto activa como pasiva del pasajero; siendo los tableros y volantes de dirección dispositivos de seguridad pasiva del automotor; es por eso que estos elementos deben brindar seguridad y confiabilidad tanto al conductor como a su acompañante, frente a posibles colisiones que puedan suscitarse.
Otro aspecto importante que se debe considerar es la calidad, ya que ante una excelente confiabilidad de la misma, se verá reflejada en el incremento de los costos de producción.
Si resaltamos que gran parte del tiempo, el automóvil se verá expuesto a los rayos UV, los mismos que ocasionan desgastes en su tonalidad, como en la resistencia. Todos estos factores se verán reflejados en el deterioro de sus autopartes, por tal motivo los tableros y volantes de dirección, deben estar hechos por fibra de poliuretano integral con apariencia compacta, dura y con un recubrimiento de textura en su superficie.
4
2.2 LOS TABLEROS EN LA ACTUALIDAD
El panel de instrumentos es una de las partes del vehículo que juega un papel preponderante en la estética del mismo, su diseño y construcción se realiza cumpliendo los requisitos legales vigentes, mismas que son diferentes en cada país. En el diseño de éste elemento se debe tomar en cuenta que al subir a un vehículo, las miradas de los usuarios se dirigen inevitablemente hacia su tablero, lo cual puede incidir en el cliente la aceptación o rechazo al momento de adquirir un vehículo aun cuando el rendimiento mecánico sea excelente, entonces, los constructores comprendieron la necesidad de hacer que sus autos también fueran atractivos por dentro, requería un trabajo de diseño interior que les confiriera una identidad propia.
A lo largo del tiempo, la evolución en modelos de vehículos se ha visto relacionada con las políticas medioambientales; especialmente con la reutilización de materiales, los cuales han sido por largo tiempo producidos con polímeros tomando protagonismo en la industria automotriz. En las colisiones de los vehículos, son las piezas plásticas las más afectadas y por consiguiente generan un excesivo consumo de estos, lo cual trae consigo altos niveles de contaminación por lo que se vuelve una necesidad el sustituirlas. Debido a la procedencia de la materia prima, se observa mejores resultados gracias a la utilización de materiales amigables al medio ambiente Los materiales de fabricación de tableros son: espuma de poliuretano rígida, o láminas plásticas de poliestireno de alto impacto. Estos van presionados en la pared de fuego y sujetos a los refuerzos delanteros mediante tornillos y tuercas.
5
2.3 TIPOS DE TABLEROS
Los tableros de instrumentos pueden clasificarse en rígidos y flexibles. Si bien esta división no tiene una influencia en las operaciones de sustitución sí se las tendrá por su estructura constructiva y propiedades de fabricación como es el uso de polímeros provenientes del petróleo.
2.3.1 TABLERO RÍGIDO
En un inicio estos tableros fueron adoptados por fabricantes de vehículos que los construyeron mediante la técnica de inyección de polímeros, esto quiere decir que se cuenta con la ayuda de moldes facilitan el proceso de construcción ya que es necesario inyectar un solo tipo de material como es el ABS (Acrilonitrilo Butadieno Estireno) como se indica en la figura 1.
2.3.2 TABLERO FLEXIBLE
En la actualidad la tendencia seguida por los fabricantes, orientada a brindar una mayor seguridad pasiva, particularmente dentro del habitáculo del vehículo. Los tableros flexibles en corto tiempo han llegado a sustituir a los tableros rígidos; ya que brindan la mejor protección contra lesiones, no solo para los ocupantes del vehículo, sino también para terceras personas.
6 Los componentes de los tableros flexibles son: su recubrimiento exterior que sea de fino acabado, soporte y en la parte media el relleno, estas partes son tomadas en cuenta al momento de su diseño para mejorar el confort.
El recubrimiento exterior tiene como función principal cuidar a la parte media y también le da la estética al tablero, está conformado por una lámina de PVC, podemos ver un ejemplo de este tablero en la figura 2.
Figura 2. Tablero Flexible
El soporte es elemento del tablero flexible que le hace rígido y su función es de mantener sujetos a los siguientes elementos: conductos de calefacción y aire acondicionado, este soporte viene fijado al chasis o cabina dependiendo el vehículo; su función principal es la de tener espacio para las protecciones del vehículo ofreciendo una buena resistencia al momento de impactos. El relleno es la parte del tablero flexible más importante de las ya mencionadas anteriormente, amortigua los posibles impactos del conductor y acompañantes hacia el tablero, está conformado por una capa de espuma de poliuretano.
2.4 MATERIALES UTILIZADOS EN LA INDUSTRIA
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2.4.1 POLIPROPILENO
Dentro de la fabricación para autopartes están los materiales fabricados con plásticos, como el polipropileno que se obtiene por la polimerización del propileno, es un subproducto de la refinación del petróleo. La clasificación del polipropileno está conformada de las siguiente manera: los Homopolímeros, Copolímeros rándom y Copolímeros de alto impacto, los cuales pueden ser modificados y adaptados para diferentes aplicaciones.
Características:
Es compatible con la mayoría de las técnicas de procesamiento existentes y usado en la industria automotriz, es decir es muy versátil.
Para la fabricación de un producto se requiere de una menor cantidad gracias a su peso específico (0,9 g/cm3), esto se debe a su buena procesabilidad. Es caracterizado por evitar el traspaso de humedad y tiene buenas propiedades de resistencia y trasparencia al momento de proteger diversos elementos o cosas.
Propiedades físicas:
Su densidad esta entre 0.90 y 0.93 gr/cm3.
Dentro de los termoplásticos es el material más rígido con una carga de 25.5 kg/cm2.
Gran capacidad de recuperación elástica.
Tiene una excelente compatibilidad con el medio. Posee una alta resistencia al impacto.
Propiedades mecánicas:
Tiene la posibilidad de ser empleado como material para elementos no lubricados.
Tiene buena resistencia superficial.
Excelente resistencia química al calor sin deformarse.
Su dureza superficial y estabilidad dimensional son muy buenas.
Tipos:
8 altas se mantiene rígido y frente al impacto tiende a quebrarse. Este tipo de material es usado ampliamente para tubería e inyección de rigidez alta, se recomienda para aplicaciones de llenado en caliente.
Copolímeros rándom.- Este copolímero se produce con la añadidura de un buteno y un hexeno durante la reacción de polimerización El etileno le da la característica de transparencia y que sea resistente al impacto, este material se recomienda para procesos de inyección como: inyecto soplado, inyecto estirado.
Copolímero de impacto.- Contiene un porcentaje mayor de etileno. En su producción se forma una fase bipolimérica de características gomosas. Es resistente al impacto se recomienda para volúmenes de hasta 20lt, ideal para artículos inyectados.
2.4.2 POLIETILENO
Es un material termoplástico fabricado en delgadas láminas blanquecinas translúcidas con apariencia de cera, Mediante el uso de pigmentos se puede obtener una gran variedad de productos coloreados.
Características:
El polietileno es un material de alto peso molecular que cuando se somete a temperaturas es flexible y tenaz. En secciones delgadas es casi del todo transparente. A las temperaturas ordinarias es tenaz y flexible, conforme se eleva la temperatura su contextura se va haciéndose más blando hasta llegar a fundirse a los 110 ºC, convirtiéndose en un líquido transparente.
Propiedades:
El polietileno es el polímero más simple, siendo un plástico inerte, tiene las siguientes propiedades:
9 Una propiedad que tiene este material es la permeabilidad al vapor de agua y al oxigeno La permeabilidad va creciendo conforme aumenta la temperatura. Tipos de Polietileno
Los tipos de polietileno son:
De baja densidad.
De alta densidad.
El polietileno es un termoplástico que está formado por moléculas unidas de etileno, los principales tipos de polietileno se encuentran clasificados como:
Polietileno de alta densidad aquí la distribución indica el número de moléculas de diferentes tamaños, describiendo una curva de distribución normal y sus propiedades son:
Moldeo por inyección que tiene tensiones internas mínimas y libres de distorsión, que no se fisuras cuando se somete a cargas mínimas.
Alta Permeabilidad a gases es decir a mayor densidad le da menor permeabilidad absorbiendo poca humedad.
La mayor densidad le da mayor rigidez y resistencia, con la presencia de cristales que le dan menor elongación.
Polipropileno baja densidad aquí la baja lo hace translucido y se resalta sus características:
Es Resistente al impacto y es por eso su utilización en aspas. No absorbe humedad
Excelente rango de elongación a la ruptura soporta cargas de 400 Kg/cm². Alta resistencia al calor continúo por lo que se empela en la inyección de acumuladores o baterías para autos.
2.4.3 MEZCLAS DE POLICARBONATOS
10 aplicaciones, ejemplo de las mezclas de este polímero se encuentran los tipos de mezcla PC+ASA y PC+PBT.
Propiedades del polímero PC+ASA:
La añadidura del Acrilonitrilo Estireno Acrilato al Policarbonato produce piezas con tenacidad y estabilidad dimensional sin dejar de mencionar la alta resistencia al calor que posee.
La estabilidad del hule acrílico del ASA es mayor que la del hule butadiénico del ABS de forma que los productos diseñados con la mezcla PC/ASA tendrán mayor resistencia que los fabricados con ABS combinado con PC.
Las partes hechas de las mezclas ya mencionadas pueden soportar como temperaturas de uso continuo de 120 °C y un HDT de 110°C, mencionando también la alta resistencia a la inflamabilidad que posee comprobadas ya por las pruebas U L 94 que es el estándar para la seguridad de la inflamabilidad de materiales hechos con polímeros.
2.5 SEGURIDAD PASIVA EN LOS AUTOMÓVILES
El airbag es un sistema complementario del cinturón de seguridad. Pese a ser complementario, está claro que es de máxima importancia, valoración que se pone de máximo manifiesto en el caso de un accidente grave. En los automóviles la seguridad pasiva actúa con el fin de proteger la vida del conductor frente a posibles colisiones, el cojín permanece plegado hasta el posible momento en que se produzca un choque frontal, en cuya situación se infla de una manera muy rápida hasta el punto de que le da tiempo de interponerse entre el cuerpo del conductor y del pasajero y las estructuras solidas del automóvil cuando el desplazamiento de los cuerpos, se está iniciando por consecuencia de la colisión.
11 Un sensor mecánico es el que mide la desaceleración que se está produciendo en la velocidad del vehículo; cuando este valor supera los límites ya establecidos se efectúa el disparo de dos detonadores, que hacen reaccionar el nitrógeno, y de esta forma el airbag se infla.
Este elemento se infla instantáneamente y su tejido sintético se expande, se interpone entre la cabeza y cuerpo del ocupante, y las estructuras del vehículo, dándole una inmejorable protección por la calidad de blandura que tiene el airbag (Gil, 2001).
2.5.1 TAPAS DE LOS AIRBAGS
En todos los casos cuando un volante va provisto de este dispositivo se anuncia en la tapa (airbag) que lo cubre como se visualiza en la figura 3.
En estudios sobre los materiales de las tapas de airbag, estos productos están fabricando con el elastómero copoliéster obteniendo buenas prestaciones como es el caso del Phantom de Rolls Royce. Para mantener el modulo del airbag en su sitio, es importante usar el elastómero copoliéster, porque es una ayuda idónea para la tapa de los airbags, gracias a su ductilidad. Utilizando este material se obtiene mayor libertad de diseño para los receptáculos de los airbag. La tapa tiene una función muy importante durante el despliegue pues retiene el mecanismo del airbag y mantiene la integridad del volante.
Continuando con la investigación el Volkswagen Golf A5 de la firma alemana con su sede en Wolfsburgo tiene tapas de elastómero copoliéster que es un
12 copolímero termoplástico; se abre de forma más segura gracias a las excelentes propiedades del material a temperaturas bajas como –35ºC. Este material conserva una resistencia importante a temperaturas tan altas como 85ºC y admite pinturas de gua que no dañan el medio ambiente.
El airbag deberá reaccionar a una colisión del vehículo en milisegundos, y con el elastómero copoliéster se puede diseñar una tapa de airbag para funcionar de manera segura: tanto en invierno como en verano, que además tiene un bello acabado, es suave al tacto y muy duradero.
Además de las tapas de airbag y otros componentes para interiores del vehículo, también se realizan otras aplicaciones de este material ya mencionado, como conductos de aire para automóviles, fuelles de transmisión y mangueras de combustible y de vacío (Thea Trilsbeek, 2004).
2.6 AVANCES TECNOLÓGICOS
Dentro de las nuevas propuestas que la sociedad actual propone en relación a la conservación del medio ambiente, específicamente en el uso de polímeros para la elaboración de varias partes del automóvil, la industria automotriz no puede quedar indiferente ante tal objetivo, con lo cual se debe cada vez aumentar el porcentaje de materiales renovables; y de esta forma poder en algún momento dejar de depender de la industria petroquímica. Las diferentes compañías de automóviles de alta gama están realizando estudios que permitan conseguir materiales reciclables para el empleo en sus procesos, sin dejar suelto las exigencias que estos deben brindar con relación a los diferentes parámetros que los automóviles.
2.6.1 MATERIALES COMPUESTOS
13 La principal característica de estos materiales reside en que un componente conforma una matriz que envuelve el resto de forma que los materiales trabajen como uno solo, pero ambos seguirán mantenido sus formatos originales por separado. Los dos componentes de un compuesto de polímeros son el refuerzo fibroso, basado en el carbono, vidrio o materiales naturales como el lino (palabra que viene del latín linum que significa línea), coco (palabra que viene del latín cocus que significa baya o grano), kenaf (su nombre científico Hibiscus cannabinus) entre otros, además de una matriz de polímeros. El refuerzo proporciona al compuesto su fortaleza y rigidez, mientras que la matriz mantiene el material unido, y evita posibles roturas. Los termoplásticos hacen referencia al conjunto de materiales que están formados por polímeros que se encuentran unidos mediante fuerzas intermoleculares formando estructuras ramificadas. Los termoplásticos (plásticos que se endurecen al disminuir su temperatura), pero estos mantienen su elasticidad; además pueden volver a fundirse y reformar mediante el recalentamiento por encima de su temperatura de procesamiento; a diferencia de los duro plastos (plásticos que en su proceso utilizan endurecedores que trabajan a altas temperaturas), lo cual indica que no se puede revertir la forma ya adquirida. Los termoplásticos ofrecen mayor resistencia al impacto, también se endurecen más rápido a temperaturas relativamente bajas, lo que significa que las piezas de termoplástico reforzado se pueden producir rápidamente en tiempos de ciclo reducidos.
Los materiales compuestos más usados en ingeniería, como los plásticos reforzados de fibra, constan en la siguiente tabla 1.
Tabla 1. Propiedades comparativas de fibras para el reforzamiento de plásticos
(Smith, 1993)
Propiedad Vidrio Carbono Aramida
Resistencia a la tensión. Ksi (Mpa).
350 (2410) 450 (3100) 525 (3617)
Módulo de tensión,
Msi (GPa). 10 (69) 32 (220) 18 (124)
% de elongación
para la ruptura. 3.5 1.40 2.51
14
2.6.1.1 Teoría de la Resistencia de Materiales
Dentro de la teoría de resistencia se materiales cabe resaltar conceptos básicos como:
Esfuerzo y resistencia: La gran mayoría de productos depende fundamentalmente de la forma en la que el diseño del esfuerzo es aplicado en la carga sea menor a la resistencia en dicho punto.
Factor de diseño y factor de seguridad: Es la carga permisible contra la carga de menor función se la considera como el método del diseño determinístico (Nisbett, 2014).
Se deben interpretar los modos de menor función como indica la siguiente ecuación.
𝑛𝑑:
𝑟𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑑𝑒 𝑝𝑒𝑟𝑑𝑖𝑑𝑎 𝑑𝑒 𝑙𝑎 𝑓𝑢𝑛𝑐𝑖𝑜𝑛
𝑒𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑖𝑠𝑖𝑏𝑙𝑒 :
𝑆
𝜎(𝑜 𝜏) [1]
Las propiedades mecánicas de un material describen el modo en que este responde a la aplicación de una fuerza o carga. Las pruebas mecánicas consideran estas fuerzas por separado o combinadas y son las siguientes:
Tracción: Es el esfuerzo interno en el que un cuerpo está sometido y dos fuerzas están siendo aplicadas en sentido opuesto, el cual las tensa.
El ensayo de tracción de un material consiste en someter a una probeta normalizada a un esfuerzo axial de tracción creciente hasta que se produce la rotura de la probeta. En la prueba de tracción el esfuerzo viene expresado con la siguiente ecuación.
𝜎 =𝐹
𝐴 [2]
Donde:
𝜎 :Esfuerzo de tracción (Mpa) 𝐹: Fuerza de tracción (N)
15 La deformación se mide aplicando la ecuación propuesta.
ℇ= 𝛿/ 𝐿g [3] Donde:
ℇ ∶Deformación en el punto
𝛿: Desplazamiento del extensómetro en el punto (mm)
𝐿g : Longitud inicial del extensómetro (mm)
El módulo de elasticidad es la razón de esfuerzo a deformación o esfuerzo por unidad de deformación medido dentro de los límites de la deformación reversible. El módulo de elasticidad se consigue con los datos de esfuerzo y deformación en la parte recta de la curva con la ayuda de la ecuación.
𝐸 = ∆𝜎/∆𝜀 [4]
Donde:
𝐸 : Módulo de elasticidad (GPa)
∆𝜎 : Diferencia de esfuerzo aplicado en puntos de deformación (MPa).
∆𝜀 : Diferencia de deformación entre puntos.
Flexión: Es considerada como deformación de la estructura en la que su dirección es perpendicular a la dirección de su eje.
El parámetro más importante que se obtiene de un ensayo de flexión es el módulo de elasticidad (también llamado módulo de flexión). En función del número de puntos de apoyo pueden realizarse varios tipos de ensayos de flexión: flexión en tres puntos, en cuatro puntos o incluso flexión de una viga en voladizo. La prueba de Flexión se mide el módulo de elasticidad y se obtiene los valores de esfuerzo y deformación en la parte recta de la curva con la ecuación.
𝐸f = Δσ/Δε [5]
Donde:
𝐸f : Modulo de elasticidad (GPa)
Δσ : Diferencia esfuerzo aplicado entre dos puntos (MPa)
16
La resistencia al impacto: Representa la resistencia o tenacidad de un material rígido a la repentina aplicación de una carga mecánica. Es determinado por medición de la energía requerida para fracturar una probeta bajo condiciones normalizadas.La prueba de impacto mide el módulo de elasticidad obteniendo los valores de esfuerzo y deformación en la parte recta de la curva, La altura media de impacto se mide con la ecuación.
ℎ =ℎ0 +𝑑h (A/N ± 0.5) [6]
Donde:
ℎ : Altura para que pase la rotura (mm)
ℎ0 : Altura mínima de la rotura (mm) 𝑑h : Variación de altura (mm)
𝐴 : Sumatoria de roturas
𝑁 : Número de roturas totales
La energía recibida por la probeta se tiene con la ecuación.
𝑀𝐹𝐸 = ℎ𝑤𝑓 [7]
Donde:
𝑀𝐹𝐸 : Energía que recibe la probeta (Joule)
𝐻 : Altura de impacto para producir las roturas a masa constante (mm)
𝐹 : Factor de conversión a Joule 9.8E -3.
2.6.1.2 Aplicación de Estadística para Ensayos
La desviación estándar: Es una medida de dispersión, que nos indica cuánto pueden alejarse los valores respecto al promedio (media).
La desviación estándar de la altura h se mide con la ecuación.
𝑆h= 1.62dh[𝐵𝑁 − (𝐴/𝑁)²] + 0,047dh [8]
Donde:
𝑆h : Desviación estándar (mm).
17 Para obtener la desviación estándar de la energía recibida por la probeta h se mide con la ecuación.
𝑆MFE= 𝑆hwf [9]
Donde:
𝑆MFE : Desviación estándar de la energía recibida (J)
2.6.2 REDUCCIÓN DE TIEMPOS DE CICLO
General Motors presenta una alternativa sobre procesos que permitan el formado con la prensa de componentes estructurales termoplásticos. El refuerzo de fibra continúa en tiempos de ciclo inferiores a un minuto. Lo que se está desarrollando de tres materiales intermedios como son: El primero, es un material unidireccional que ofrece una gran resistencia direccional. El segundo es un material intermedio isotrópico que ofrece un equilibrio entre forma El tercero es un material termoplástico reforzado con fibra fabricado a partir de fibra de carbono de gran resistencia.
2.6.3 USOS DE MATERIALES COMPUESTOS
18 Los autos de alta gama son los favorecidos para emplear en ellos estas nuevas tecnologías debido que estos autos cada día buscan aligerar su peso es por eso su alto costo. Esto hace que aumente el interés en el reemplazo de las fibras de vidrio en los plásticos reforzados por fibras que pueden ser: lino (linus), coco (cocus) y cáñamo (cannabum) entre otras. Además de ser naturales poseen menor densidad que las fibras de vidrio por lo que podrían reducir más el peso.
A continuación se detalla cómo y de qué forma influiría el uso de estos materiales en la industria automotriz:
2.6.3.1 Interior del vehículo
Se ha intentado reemplazar el uso de las fibras de vidrio o carbono por fibras vegetales que son más económicas y livianas para reducir el peso del vehículo. En 1996 el gigante alemán Mercedes Benz empelo matriz epoxi con refuerzo de fibras de lino (linus) para tapicería de las puertas en vehículos clase E. Audi no se quedó atrás y utilizó poliuretano reforzado con fibras de lino (linus) y sisal (agave) para recubrimientos de puertas.
Toyota y Mitsubishi marcas japonesas por su parte, desde 2003 han experimentado con matrices de plásticos biodegradables combinándolos con fibras de kenaf y bambú (gramíneas).
2.6.3.2 Exterior del vehículo
19
2.6.3.3 Elementos que conforman el material compuesto
Un material compuesto tiene como elemento un refuerzo, la función principal de este componente se radica en trasmitir las cargas a la matriz, por lo tanto define la mayor parte de las características mecánicas del material como la resistencia y la rigidez; las fibras naturales son fibras cultivadas en campos de fácil acceso y pueden ser utilizadas como refuerzo en la elaboración de un material compuesto de la misma manera que se lo haría una fibra sintética, las ventajas que están brindan las han convertido en fibras muy utilizadas, ejemplos de ellas tenemos: coco (cocus), cáñamo (cannabum), lino (linus).
2.6.4 APLICACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS UTILIZANDO FIBRAS NATURALES EN LA INDUSTRIA AUTOMOTRIZ
Por su parte BMW, que utiliza el sistema epoxi Araldit LY 3585 Endurecedor XB 3458 para la producción del mono bloque CFRP del i3 declara: que la baja viscosidad del sistema es clave en todo el proceso, desde la dosificación y el mezclado a la impregnación y garantiza una buena extensión de la fibra en el molde. El sistema se puede endurecer en tan solo 5 minutos a 100°C.
2.7 PLÁSTICOS REFORZADOS CON FIBRAS
En el campo de los polímeros los materiales compuestos llevan en sus investigaciones muchos avances para ser una alternativa ecológica para la industria del automóvil. En los últimos años, los compuestos basados en polímeros con fibras naturales podrían reemplazar a algunos de los materiales utilizados actualmente, gracias a sus prestaciones que brindad.
20 Son tres tipos de fibras sintéticas que, fundamentalmente, se utilizan en América para reforzar plásticos: el vidrio, la aramida y el carbono. El vidrio es, con mucho, la fibra más extendida para el refuerzo de plásticos, siendo además la de más bajo precio. La aramida y el carbono son fibras muy consistentes y de baja densidad, por lo que tienen múltiples aplicaciones. Dos de las más importantes resinas plásticas para materiales plásticos reforzados con fibras son las resinas epoxi y poliéster insaturadas. Algunas de las propiedades de las resinas epoxi y poliéster rígidos, colados sin aditivos se recogen en la siguiente tabla 2.
Tabla 2. Propiedades de resina epoxi y poliéster coladas sin aditivos
(Smith, 1993)
Las resinas poliéster son más baratas, pero generalmente no son tan fuertes como las resinas epoxi los dos tipos son de amplia utilización en plásticos reforzados con fibras. Entre las aplicaciones que encuentran estos materiales tenemos su empleo en cascos de buques proporcionando mayor flexibilidad, mejor rendimiento y mayor rapidez. En la industria de la automoción, los materiales FRP proporcionan libertad en el diseño, bajo peso, resistencia mecánica y un sistema de costos reducidos aplicándose en diseño de paneles de puertas, tableros de instrumentos. Las resinas epoxi son más caras, pero tienen ventajas como buenas propiedades de resistencia a la tensión y más baja contracción después del curado, buena adhesividad por su estructura química rica en productos hidroxilos y éteres, que las resinas poliéster, las resinas epoxi son excelentes adhesivos, sin necesidad de grandes presiones, actualmente se utilizan como materiales matrices para materiales compuestos de fibra de carbono, usados en auto partes de vehículos de alta gama.
Propiedades Poliéster Epoxi
Resistencia a la tracción, ksi (Mpa)
6-13(40-90) 8-19(55-130)
Coeficiente de elasticidad, Msi (GPa)
0.38-064(2.0 – 4.4) 0.41-0.61(2.8-4.2)
Resistencia al esfuerzo de fluencia, ksi (Mpa)
8.5-23(60-160) 18.1(125)
Resistencia al impacto, pie.lb/pulg(J/m)
0.2-0.4(10.6-21.2) 0.1-1.0(5.3-53)
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2.7.1 PROCESOS DE MOLDE ABIERTO Y CERRADO PARA MATERIALES PLÁSTICOS REFORZADOS CON FIBRAS
De forma general, el moldeo de un material compuesto consta de tres fases, que pueden ser simultáneas o separadas en función del procedimiento que se elija: Impregnación del refuerzo por la resina, que corresponde a la constitución de un material compuesto exento de inclusiones de aire, adaptación de dicho material compuesto a las formas y dimensiones deseadas, con la ayuda de un molde y endurecimiento del material y desmolde de la pieza final.
2.7.1.1 Proceso de unión manual
El moldeado por contacto manual consiste en aplicar sucesivamente dentro del molde un agente desmoldante, una película o capa de gel, una capa de resina termoestable líquida, una capa de refuerzo (vidrio, aramida, carbono) en la forma de mat de hilos cortados o de tejido roving, e impregnar el refuerzo con la mano con el auxilio de un rodillo o una brocha. Esta operación se repite tantas veces como sea necesario, hasta obtener el espesor deseado de la estructura.
2.7.1.2 Proceso de pulverizado
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2.7.1.3 Proceso de proyección simultanea
El proceso consiste en proyectar simultáneamente en el molde hilos de fibra cortados, normalmente con 30 mm de largo, y la resina necesaria para su impregnación. Después se necesita arrodillar con la mano para compactar la mezcla resina y fibra en el molde y, si es posible, eliminar las burbujas de aire producidas por el sistema de proyección.
2.7.1.4 Inyección
Este proceso consiste en llenar la cavidad del molde, rígido y cerrado, inyectando la resina a través de uno o más puntos dependiendo del tamaño del componente. Los refuerzos son previamente depositados en el interior del molde, antes de cerrarlo y trabarlo firmemente. Normalmente se utilizan resinas de poliéster, epoxi, fenólicas y acrílicas, las cuales pueden ser cargadas si es necesario. Es posible utilizar diferentes tipos de moldes, y dependiendo del nivel de producción esperado puede ser aplicado calor al molde para disminuir el tiempo de polimerización y en algunos casos, pueden ser necesarios moldes de acero. Las resinas de baja retracción pueden ser utilizadas en esos moldes para mejorar el acabado de la superficie y la apariencia.
2.7.1.5 Proceso de embolsado a vacío y autoclave
23
2.8 FIBRAS CELULÓSICAS NATURALES (FIBRAS VEGETALES)
La Celulosa, es un polímero natural, constituido por una cadena de carbohidratos, tiene una estructura lineal, en la que se establecen puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo de distintas cadenas de glucosa, haciéndolas resistentes. De esta manera, se originan fibras compactas que constituyen la pared celular de las células vegetales, dándoles así la necesaria rigidez. La clasificación de las fibras vegetales están presentadas en tabla 3.
Tabla 3. Tabla de las fibras celulósicas naturales (fibras vegetales)
(Theodor Erhardt, 1992)
Denominación General Simbología Descripción de las fibras
Fibras vegetales Procedentes del:
y el algodón CO Fibras de simiente de algodón
Capok ---- Fibras de la capsula Capok
Coco CK Fibras de la “carne” que recubre la semilla
Fibras liberianas Fibras del tallo:
Lino CL Fibras del liber tomadas de tallo del lino
Cáñamo CH Fibras del liber del tallo de cáñamo
Cáñamo de
Bengala --- ---
Yute CJ Fibras del liber de los tallos de yute
Kenaf --- Fibras del liber de los tallos de kenaf
Ramio CR Fibras del liber de ramio
Fibras de las hojas:
Caroa CN
Ortiga --- ---
Agave (Sisal) CS Fibras de las hojas de agave
Manilla (Abacá) --- Fibras de la capsula de la hoja de manila
Formio --- ---
Sansevieria --- ---
Esparto --- Fibras de las hojas de esparto
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2.8.1 ZONAS DE PLANTACIÓN Y COMERCIALIZACIÓN
Esta fruta está en los países tropicales, hay que resaltar los usos que le dan esta fruta por ejemplo: En la india, Indonesia se cuida más la extracción de las fibras, mientras que en otros países como Puerto Rico, Colombia, Brasil y Ecuador se trata más de obtener el fruto para su consumo.
Una madeja de hilo de coco contiene de 50 a 100 m de hilo. Un fardo de hilo de coco pesa aproximadamente 150kg (Theodor Erhardt, 1992).
2.8.1.1 Plantación
El árbol llega a una edad de 100 años y el tronco alcanza un diámetro de 30cm a 70 cm; su corona de hojas contiene de 10 a 12 hojas palmeadas, cada una de ellas de una longitud de 4 a 6 metros.
2.8.1.2 Estructura de las fibras
Las espigas de las flores se encuentran en las entradas de las hojas más bajas. En los arboles de coco hay flores y frutos al mismo tiempo, y la recolección se hace durante todo el año. En el racimo crecen hasta 20 cocos.
2.8.1.3 Recolección y obtención de las fibras
La recolección del fruto cocotero se la realiza mediante un proceso en la cual debemos obtener el bonote de la mejor calidad que esté listo para ser procesado como refuerzo fibroso, el tiempo necesario para la maduración del coco es 9 meses, la evolución empieza por color verde seguido de amarrillo hasta que este llega a tornarse color café indicando su finalización de la etapa; Después sigue su proceso hasta que este se golpea y se visualicen las finas fibras que posteriormente serán secadas para su uso.
25 los cepillos, llamadas cerdas, y fibras cortas, usadas como material de relleno y para almohadas, que reciben el nombre de matress. Las fibras cortas que se eliminan durante esa elaboración recibe el nombre de combings.
2.8.2 CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES DE LAS FIBRAS DE COCO
La fibra de coco tiene propiedades especiales, como la elasticidad de la fibra es muy grande, mayor que en otras fibras vegetales; la resistencia a la humedad y las condiciones climatológicas es también grande. La resistencia al desgaste es enorme. La capacidad de retención de agua permite establecer frecuencias. La fibra de coco retiene las soluciones nutritivas por capilaridad y en consecuencia son fácilmente asimilables por las plantas. Al mismo tiempo, por su estructura tiene una elevada aireación, característica que favorece el desarrollo radicular. La fibra de coco es un material muy rico en carbono C/N =100, lo que le otorga una gran resistencia a la degradación, así como una gran estabilidad.
A continuación se detalla las características y propiedades que tienen las fibras de coco, para su correcto uso en la parte de resultados y discusión del proyecto como lo indica la siguiente tabla 4.
Tabla 4. Características y propiedades de las fibras de coco (CK)
(Theodor Erhardt, 1992)
Longitud de la fibra 15 a 33 cm.
Diámetro de las fibras 0.05 a 0.04 cm.
Color Café claro a oscuro, café rojizo.
Textura Dura, bastante áspera.
Elongación (de rotura) Muy alta.
Resistencia En seco: fibra técnica, 8 a 20 km; hilo, de 8 a 12 km.
Con humedad: 93% de la resistencia en seco.
Densidad Muy reducida, porque la fibra tiene un gran espacio hueco.
Regían 13.00%.
Lignificación Fuerte.
Capacidad de teñido Muy buena; aunque solo con colores que permiten obtener
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2.8.2.1 Longitud promedio de la fibra de coco
Para obtener datos de la longitud de la fibra es necesario la utilización de la siguiente ecuación.
𝑥̅ =⅀𝑥𝑖
𝑛 [10]
Donde:
𝑥 ̅: Media aritmética
⅀𝑥𝑖 : Sumatoria de valores
𝑛 : Numero de datos
2.8.2.2 Finura de la fibra de coco
Para obtener datos de la finura de la fibra es necesario la utilización de la siguiente ecuación.
𝐹𝑖𝑛𝑢𝑟𝑎 =⅀𝑥𝑖
𝑛 [11]
Donde:
𝐹𝑖𝑛𝑢𝑟𝑎: Al diámetro de la fibra
⅀𝑥𝑖: Sumatoria de valores 𝑛 : Numero de datos
2.8.2.3 Densidad de la fibra de coco
Para obtener datos de la densidad de la fibra es necesario la utilización de la siguiente ecuación.
𝑑 = 𝑚
𝑣 [12]
Donde:
𝑑: Densidad de la fibra
𝑚 : Masa de la fibra
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2.8.2.4 Fracción Volumétrica
Dentro de los factores que deben tenerse en cuenta a la hora de seleccionar y diseñar con materiales compuestos reforzados con fibras esta la fracción volumétrica de fibras que aumenta la resistencia, situándose el límite superior en el 80%, por la posibilidad de rodear las fibras con el material que hace de matriz. Para obtener los datos de la fracción volumétrica primero es necesario conocer datos básicos como es el volumen de la fibra mediante la siguiente ecuación.
𝑉 = 𝜋𝑟2. ℎ [13]
Donde:
𝑉 : Volumen
𝑟 : Radio
ℎ : Altura
Se requiere los datos del volumen de la probeta que se obtiene mediante la ecuación.
𝑉 = 𝜋𝑟2. ℎ [14]
Donde:
𝑉 : Volumen
𝑟 : Radio
ℎ : Altura
Finalmente los datos de la fracción volumétrica se obtienen mediante la ecuación.
𝑓𝑣 = 𝑉𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎
𝑉𝑝𝑟𝑜𝑏𝑒𝑡𝑎 [15]
Donde:
𝑓𝑣: Fracción volumétrica
𝑉𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎: Volumen de fibra
28
2.8.3 TIPOS DE FIBRAS
En la actualidad existe una gran variedad de plantas que contienen fibra, se conoce alrededor de 2300 pero solo un mínimo número cumple con lo necesario y condiciones apropiadas para la satisfacción de su uso. Las fibras vegetales son aquellas fibras naturales extraídas del reino vegetal en sus más variadas formas: semillas, tallos, hojas, frutos y raíces.
2.8.3.1 Fibras de tallos
El yute, el kenaf (yute bastardo) o yute de Bimbipatan esta fibra encuentra en el comercio con los nombres de cáñamo de Bombay en la india y en Indonesia se conoce como yute de Java. La fibra de Bengala (fibra Sunn) se obtiene en la India se extrae de los tallos de la Crotolaria juncea. Se parece al cáñamo; pero su calidad y consistencia es menor. El cáñamo también es otro tipo es cultivado en gran variedad en la India con un fin diferente, el uso exclusivo para la producción de hachis.
2.8.3.2 La ortiga grande
El porcentaje de la fibra de la ortiga que crece en selvas, es reducido. La obtención de fibras no compensa el trabajo. Un cultivo logro elevar el contenido de fibras de 8 a 9 %. Aun así el aprovechamiento económico de la fibra no es rentable, a pesar de sus buenas propiedades.
2.8.3.3 La fibra cardoa
29
2.9 MEZCLAS
2.9.1 AVANCES DESARROLLADOS EN BIO COMPUESTOS
Un estudio reciente determino que el tratamiento superficial de fibras de celulosa y polipropileno con ozono previo al mezclado de las fibras, a resultado óptimo en lo que se refiere un incremento en la adhesión de las fibras a la matriz con el uso de anhídrido maélico, mejorando la dispersión de las fibras de kenaf así como también el porcentaje de absorción de agua, en matriz de polipropileno. Obteniendo resultados de pruebas con 0.4 % en peso de anhídrido málico se incrementa el esfuerzo tensil y de flexión, la elongación a ruptura, y la resistencia al impacto, comparando con una muestra 100% polipropileno.
Otro estudio revela que el efecto de la longitud de las fibras de corteza de coco, su orientación y el tratamiento con estireno de sodio, se forma con estas fibras un compuesto con caucho. Concluyendo que las propiedades mecánicas en la dirección longitudinal de las fibras son mucho mayores que en sentido transversal, además que la longitud idónea para este fin es 10mm. Concluyendo con estos estudios hay uno en particular que es el tratamiento con álcali de las fibras de coco para formar compuestos poliéster y coco. Este tratamiento se realiza con la flotación y segregación de las fibras en la matriz de poliéster y sus resultados son un incremento del 16 % el esfuerzo tensil, 40 % el módulo de elasticidad y el 90 % la resistencia a la ruptura de la interface, con un tratamiento en 5% (en volumen) de álcali.
30 utilizado algodón y yute en la construcción de sus vehículos empleados el interior del mismo. Aprovechado de sus características es considerado como aislante acústico y la virtud de evitar astillarse en caso de un impacto directo en el interior del auto. Una tecnología exitosa usada para estos fines ha sido el de compresión con fibras como lino, sisal, algodón y una mezcla de lino y algodón; utilizando diversas matrices como polipropileno (termoplástico), epóxico, poliuretano y resinas fenólicas (termofijas), dependiendo de uso que se le vaya a dar al mismo para su respectiva aplicación.
2.9.1.1 Proceso de la obtención de fibra de coco para la utilización de vehículos
La producción comienza con la obtención de la cáscara o bonote de coco (cocus), la misma que es dura, y fibrosa; hay que someterle a procesos de lavado, enriado, batanado, cardado y secado de fibras ya que la fibra es muy muy compacta y con polvo que al principio se hace esponjosa, pero que luego se seca y se contrae hasta formar partículas que brindan la capacidad de absorber hasta 10 veces su peso en agua como lo indica la figura 4.
31 Para indicar de mejor manera el proceso de obtención de la fibra de coco. Ver Anexos 1.
Estas fibras son fuertes, rígidas y dúctiles, potencialmente pueden usarse para gran cantidad de fines ya que antes de ser sometidas al calor y la presión del moldeo por compresión, que les da la forma requerida, las fibras del bonote se combinan con una matriz termo plástica como es la resina un claro ejemplo es de un flujograma de obtención de probetas como indica la figura 5.
Figura 5. Esquema de la fabricación de las probetas.
Para visualizar de una mejor manera la disposición de las fibras en las probetas ver Anexos 2.
2.9.2 COMPOSICIÓN
32
2.9.2.1 Las fibras como materias primas
Un material compuesto presenta dos elementos principales: fibra y matriz. La combinación adecuada y correcta de estos componentes dan originen a materiales con mejores propiedades que las que se obtendrían por separado. Esto quiere decir que los materiales compuestos están formados por dos fases; una continua denominada matriz y otra dispersa denominada refuerzo, el refuerzo proporciona las propiedades mecánicas al material compuesto y la matriz la resistencia térmica y ambiental. Matriz y refuerzo se encuentran separadas por la interface.
Además de fibra y matriz existen otros tipos de componentes como cargas y aditivos que dotan a los materiales compuestos de características peculiares para cada tipo de fabricación y aplicación. En este capítulo se van a tratar las materias primas anteriormente citadas que forman parte de los materiales compuestos. Se estudiara y seleccionara las principales propiedades de estas materias primas, para obtener el material compuesto que mejor confiabilidad brinde.
La fibra es el componente de refuerzo del material compuesto. Aporta resistencia mecánica, rigidez y dureza y va a ser determinante para obtener las principales propiedades mecánicas. Las características más sobresalientes de las fibras de los materiales compuestos son su resistencia a la tracción específica y su elevado módulo específico.
2.9.2.2 Matrices
Por lo general las matrices poseen elevado peso molecular, producto de las reacciones de polimerización por condensación de diferentes; un polímero es una macromolécula sintética, existe una clasificación que vale resaltar como es la siguiente: el primer grupo podríamos incluir las lanas, celulosas, El segundo grupo los plásticos y el tercer grupo están los compuestos.
33 Proteger las fibras del medio externo y mantenerlas unidas. Las matrices poliméricas pueden ser termoestables o termoplásticas:
2.9.2.3 Matrices termoestables
Son aquellas que sufren una serie de reacciones químicas, llamadas de curado o reticulación, dando lugar a un producto rígido, insoluble e infusible. La obtención de matrices termoestables se da en dos etapas: primero se polimeriza parcialmente el monómero formando cadenas lineales y posteriormente se completa la reticulación bajo calor y presión.
Resina Poliéster
Las matrices termoestables más comunes son matrices poliméricas (resinas), de metal o de cerámica, este tipo de reina es la más utilizadas debido a su bajo costo y su excelente calidad para fusionarse con cualquier refuerzo, en este caso la fibra de coco (cocus).
Densidad de la Resina Poliéster
Para saber la densidad de la resina poliéster se obtiene mediante la ecuación.
𝑑 = 𝑚
𝑣 [16]
Donde:
𝑑 : Densidad de la resina
𝑚 : Masa de la resina
𝑣 : Volumen de la resina
2.9.2.4 Matrices termoplásticas
Están constituidas por moléculas lineales unidas por enlaces sencillos. Tienen una temperatura por encima de la cuál empiezan a fluir y al enfriarlos por debajo de esa temperatura vuelven a su estado sólido.
34 En general, las características mecánicas de los termoplásticos utilizados en estos materiales son tanto más elevadas que las de los termoestables alternativos que, si la influencia de estos últimos es muy baja a efectos de cálculo de resistencia, la de los termoplásticos se convierte en significativa. Sin embargo, los polímeros termoplásticos experimentan un fenómeno, la fluencia que es una degradación de mayor o menor importancia relacionada con el tiempo de exposición a los factores ambientales. Los termoestables no suelen degradarse por fluencia, sino por hidrólisis que, si están debidamente protegidos y permite una gran duración sin pérdida apreciable de características.
Los termoplásticos, por contra, pueden degradarse por otros factores como son la tensofisuración o la pérdida de aditivos extraíbles que, al tener una proporción mayor de superficie expuesta que en los productos termoplásticos masivos, tanto al exterior como en la zona de contacto con las fibras, los hace más sensitivos a la degradación.
Las matrices termoplásticas se caracterizan por presentar las siguientes propiedades mecánicas:
Ventajas:
Buena resistencia química.
Baja absorción de humedad.
Buenas propiedades mecánicas.
Velocidad de producción elevada debido a la menor duración del ciclo de moldeo
Las piezas se pueden reparar fácilmente al reblandecer las piezas por efecto del calor y unir las partes.
Se pueden reciclar. Inconvenientes:
Tendencia a la fluencia a temperaturas elevadas
Para tener buenas propiedades mecánicas el peso molecular debe ser elevado y por lo tanto, la viscosidad también. Esto da lugar a que la impregnación de las fibras sea difícil.
