Estudio de las propiedades físico mecánicas de la fibra de coco como refuerzo de Material Compuesto Matriz Polimérica (MCMP)

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(1)UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS. FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA. Departamento de Ingeniería Mecánica. Tesis de grado de Ingeniería Mecánica de 5to Año. Título: Estudio de las propiedades físico mecánicas de la fibra de coco como refuerzo de Material Compuesto Matriz Polimérica (MCMP).. Autor: Beatriz Menéndez Fernández. Tutores: Dr. Emilio A. Álvarez García. Dr. Ángel Machado Rodríguez.. Curso 2008-2009. Año del 50 aniversario del triunfo de la Revolución..

(2) Pensamiento. Todo va a un mismo lugar, todo es hecho del polvo, y todo volverá al mismo polvo.. Rey Salomón (Eclesiastés 3:20).

(3) Resumen. En el presente se realiza la caracterización de la fibra de coco en base al comportamiento de sus propiedades físico mecánicas para su utilización como refuerzo de material compuesto matriz polimérica. Se establece una comparación entre las fibras obtenidas en la zona cocotera de Santo Domingo y de Cayo las Vacas. A partir de los resultados del comportamiento de la fibra de coco introduce la misma en la resina de poliéster y se realizan ensayos a las muestras para determinar propiedades tales como la resistencia a la tracción, el modulo de elasticidad y el coeficiente de poisson. Como resultados fundamentales se tiene que la resistencia a la tracción de la fibra de coco de Cayo las Vacas varía entre 21 y 23MPa al igual que en Santo Domingo, el por ciento de humedad se encuentra en el rango de 0 a 10 en Santo Domingo y de 0 a 0.25 en Cayo las Vacas. El espesor oscila entre 2 a 5 mm en ambos lugares. Al añadir los diferentes tipos de fibras en la resina de poliester se tiene que para el caso de la fibra de coco las propiedades estudiadas varían en el rango de los 270 MPa para el vidrio en forma de robing 800, 131MPa para forma mat 600, en el coco es de 32MPa. Con el modulo de elasticidad el coco tiene como media 570MPa mientras la fibra de vidrio varia de1903 hasta 2402 MPa en sus dos formas. Y el coeficiente de poison no varía mucho y para el coco es de 0.075 y para el vidrio 0.15.. 1.

(4) Abtract. Presently he/she is carried out the characterization of the coconut fibre based on the behaviour of their properties physique mechanics for their use like reinforcement of material compound main polymeric. A comparison settles down among the fibres obtained in Sacred Domingo's area cocotte and of Key the Cows. Starting from the results of the behaviour of the coconut fibres it introduces the same one in the polyester resin and they are carried out rehearsals to the samples to determine such properties as the resistance to the traction, the one modulates of elasticity and the Poisson coefficient. As fundamental results one has that the resistance to the traction of the fibre of coconut of Key the Cows vary between 21 and 23MPa the same as in Sacred Domingo, the percent of humidity it is in the range from 0 to 10 in Sacred Domingo and of 0 at 0.25 in Key the Cows. The thickness oscillates among 2 to 5 mm in both places. When adding the different types of fibbers in the polyester resin one has that for the case of the coconut fibre the studied properties vary in the range of the 270 MPa for the glass in robing form 800, 131MPa for form mat 600, in the coconut are of 32MPa. With the I modulate of elasticity the coconut he/she has like he/she mediates 570MPa while the glass fibre varies de1903 up to 2402 MPa in its two forms. And the poison coefficient doesn't vary a lot and for the coconut it is of 0.075 and for the glass 0.15.. 2.

(5) Índice Introducción. 5. Capitulo 1 Estado del arte de los Materiales Compuestos de Matriz Polimérica. 8. 1.1 Introducción. 8. 1.2 Materiales Compuestos. 8. 1.3 Fibras. 12. 1.4 Fibras Naturales. 14. 1.5 Fibra de Coco. 17. 1.6 Características para su aplicación Industrial. 18. 1.7 Comportamiento Mecánico de los Materiales Plásticos. 18. 1.8 Adhesión en la interfase formada por la matriz y la fibra. 20. 1.8.1 Adhesión Mecánica. 20. 1.8.2 Adhesión y Humectación. 20. 1.9 Salud y Riesgo para el entorno. Plástico como problema. 21. 1.9.1 El plástico como problema. 21. Conclusiones Parciales. 22. Capitulo 2 Estudio del Comportamiento de las propiedades mecánicas de la 23 fibra de coco procedentes de Cayo las Vacas en la zona norte de Villa Clara 2.1 Introducción. 23. 2.2 Propiedades físico mecánicas de los Compuestos desarrollados. 23. 2.3 Preparación para los ensayos. 23. 2.4 Elaboración de probetas. 24. 2.5 Descripción de los ensayos. Conceptos Fundamentales. 25. 2.5.1 Ensayo de Tracción. 25. 2.5.2 Determinación de absorción de humedad. 27. 2.6 El espesor de las probetas. 30. Conclusiones Parciales. 34. 3.

(6) Capitulo 3 Planificación y realización de los ensayos del material compuesto 35 Matriz Polimérica reforzado con fibras de vidrio y fibras Naturales 3.1 Introducción. 35. 3.2 Materiales a ensayar. 35. 3.3 Elaboración de las probetas. 36. 3.4 Descripción de los ensayos. Conceptos Fundamentales. 37. 3.4.1 Ensayo de tracción. 37. 3.4.2 Modulo de Elasticidad. Coeficiente de Poisson. 39. 3.5 Análisis Estadísticos Para los resultados experimentales de ensayos de 40 laboratorio 3.6 Análisis de los Resultados. 45. 3.7 Efecto económico provocado por la sustitución parcial de la fibra de vidrio por la 48 fibra de coco Conclusiones Parciales. 50. Conclusiones. 51. Recomendaciones. 52. Bibliografía. 53. Anexos. 56. 4.

(7) Introducción. En la actualidad hay una tendencia global a la minimización en todos los sentidos y la Ingeniería no se queda atrás, en el campo de los materiales se vigencia la utilización de materiales compuestos reforzados con fibras como respuesta a la necesidad de mejorar las prestaciones de los materiales tradicionales y además de lograr una reducción de su peso. Por esto desde varias décadas se trabaja incesantemente en el desarrollo de nuevos materiales que sean capaces de sustituir total o parcialmente los existentes y que tengan características iguales o superiores a estos. En estos momentos es totalmente posible desarrollar nuevos materiales compuestos, combinando diferentes recursos. Es factible combinar, mezclar o alear agro-fibras con materiales como el vidrio, el plástico, metales etc, con un único objetivo, el de obtener nuevos compuestos con mejores propiedades físico mecánicas, estéticas etc, que los ya existentes en su forma simple. Para poder utilizar estos materiales, es necesario conocer mejor su comportamiento, especialmente cuando se pretende dar una mayor respuesta al gasto de energía para su producción,. costo,. relación. resistencia/peso,. etcétera,. lo. que. permitirá. un. mejor. aprovechamiento y por ende un aumento en la vida útil de los elementos de máquina y estructuras donde serán aplicados tales compuestos. Alcanzar este desarrollo nos puede introducir en la aplicabilidad de estos productos en una poderosa y renovadora industria como la que sirve de soporte al desarrollo de la automoción. De esta manera se ve reflejada la necesidad de continuar desarrollando nuevos materiales, así como el conocimiento de su comportamiento. El mejoramiento de los polímeros con diferentes tipos de reforzamiento para formar materiales compuestos, es una de las formas que se ha desarrollado para mejorar las propiedades mecánicas de estos materiales y crea las bases para estudiar el empleo de materiales biodegradables más estables en el tiempo, como una de las vías más seguras para propiciar un entorno amigable. Cuba, no esta exenta de esta problemática. Nuestra actual industria de los materiales se encuentra enfrascada en una rehabilitación de sus potencialidades, para superar los problemas que surgen por el recrudecimiento del bloqueo impuesto por el gobierno de los Estados Unidos, y los provocados por los fenómenos naturales. Una tendencia actual ha sido la obtención de fibras sintéticas a partir del vidrio o carbono, para utilizarla como refuerzo en los materiales plásticos y con esto mejorar sus propiedades. Trabajando sobre esta línea y teniendo en cuenta las potencialidades que en nuestro país existen, en cuanto a la producción de las fibras naturales con que contamos, en este trabajo abordaremos el uso de las fibras de coco como refuerzo en un material. 5.

(8) Debido a todo lo antes planteado el objeto de nuestra investigación es:. El estudio del comportamiento de la fibra de coco como refuerzo en los materiales compuestos en sustitución parcial de la fibra de vidrio.. El problema científico de esta investigación se tiene: ¿Es la fibra de coco un material de refuerzo para la obtención de materiales compuestos de matriz polimérica?.. Para darle solución a este problema se parte de la hipótesis siguiente. Es posible desarrollar un material compuesto matriz polimérica, reforzado con fibras de coco en sustitución parcial de las fibras de vidrio, que sea capaz de cumplir con las exigencias desde el punto de vista de sus propiedades físico-mecánicas.. Para corroborar dicha hipótesis se planteó como objetivo general: Desarrollo y caracterización de Material Compuesto Matriz Polimérica (MCMP) reforzado con fibra natural del coco de Cayo las Vacas comparándolo con los resultados obtenidos de la zona de Santo Domingo.. Objetivos específicos: 1. Realizar un estudio bibliográfico sobre los materiales compuestos matriz polimérica, reforzados con fibras naturales, y fibras de vidrio referidos desde el punto de vista de sus propiedades físico – mecánicas, y sus costos en el mercado mundial. 2. Realizar un estudio del comportamiento de las propiedades físico – mecánicas, de las fibras del poblado de Cayo las Vacas en el municipio de Remedios y comparar los mismos con las muestras de la zona de Santo Domingo. 3. Obtener y caracterizar materiales compuestos a partir del empleo de la fibra de vidrio en forma de robing, y mat, así como de la fibra natural de coco y el yute.. La novedad científica definida por el autor de este trabajo está dada por: Desarrollo de un nuevo material Compuesto Matriz Polimérica (MCMP) reforzado con fibras de coco.. Valor teórico de la investigación: 6.

(9) Se obtienen las propiedades físico-mecánicas de la fibra de coco, y se evalúa su posibilidad de empleo como refuerzo en materiales compuestos matriz poliéster. Valor Práctico de la investigación: Considerable ahorro económico por concepto de sustitución parcial de las fibras convencionales por la fibra de coco.. Estructura del trabajo El presente trabajo contiene tres capítulos, conclusiones y recomendaciones. El primer capitulo se dedica al estado actual de la temática relacionada con los materiales compuestos matriz polimérica reforzados con fibras naturales, haciendo énfasis en los principales tipos de fibras que se utilizan como refuerzo, así como en sus propiedades mecánicas y sus costos . En el segundo capítulo se estudia el comportamiento de las propiedades fisco-mecánicas que son necesarias tener en cuenta para la resistencia de la fibra de coco como refuerzo de un material compuesto matriz polimérico y se establece una comparación en las propiedades de la fibra de coco procedente Cayo las Vacas en la zona norte de Villa Clara y los resultados que se conocen de la zona de Santo Domingo el tercer capitulo nos muestra los ensayos realizados a la muestras de fibras de coco para determinar la resistencias a la tracción el coeficiente de poisson y el modulo de elasticidad. 7.

(10) Capitulo 1 Estado del arte de los Materiales Compuestos de Matrices Poliméricas. 1.1 Introducción En los últimos años se ha incrementado la utilización de los materiales compuestos en todos los campos del diseño mecánico y en muchos otros. Esto se debe a la posibilidad de diseñar el material con ciertas propiedades especiales y con esto conseguir cualidades mecánicas y tribológicas superiores a los materiales tradicionales las que son principalmente: elevada rigidez y resistencia especifica, bajo peso, buena resistencia al desgaste y la corrosión, estabilidad, resistencia a fatiga, peso y propiedades. direccionales,. ofreciendo. claras. ventajas. sobre. los. materiales. convencionales como componentes resistentes o estructurales en un gran numero de aplicaciones. Entre las principales dificultades que se encuentran a la hora de utilizar materiales compuestos con fines estructurales está la falta de tecnología, para garantizar las uniones entre piezas y también la dificultad de realizar un diseño fiable, las técnicas analíticas convencionales utilizadas para el estudio de materiales tradicionales no resultan adecuadas para el análisis de materiales compuestos. Hay ciertas incertidumbres sobre la durabilidad y el envejecimiento de estos materiales que hace necesarios estudios que garanticen la integridad de los mismos al cabo de un largo período de trabajo.. 1.2 Materiales Compuestos. Se define como material compuesto todo sistema o combinación de materiales constituido a partir de una unión (no química, insolubles entre sí) de dos o más componentes, que da lugar a uno nuevo con propiedades características específicas, no siendo estas nuevas propiedades ninguna de las anteriores. Podemos identificar dos fases: una continua, constituida por la matriz, y otra fase discontinua denominada refuerzo. Los componentes de un material compuesto no deben disolverse ni fusionarse completamente unos con otros. La identificación de los materiales y la de su interfase debe ser posible de distinguir por medios físicos. Las propiedades del nuevo material dependen, entonces, del tipo de interfase y de las características de los componentes. Lo más frecuente suele ser que esté formado por dos fases: la matriz que es continua y rodea a la otra fase que se denomina dispersa. Las propiedades resultantes dependen. 8.

(11) de las proporciones en las que participan la matriz y la fase dispersa, además de la morfología de esta última. [28] El secreto de los materiales compuestos reside en la elección de un sistema de matriz adecuado y su asociación con fibras de refuerzo, obteniéndose como resultado un nuevo material con cualidades diferentes, que no son alcanzables por cada uno de los materiales predecesores de manera aislada. El reto actual de los materiales compuestos, en cualquiera de sus variantes, consiste en dar con las mejores asociaciones de fibra-matriz, para proporcionar cada vez materiales con mejores prestaciones para el fin que son concebidos. El desarrollo tecnológico de los materiales compuestos responde a la necesidad de mejorar las prestaciones de los materiales tradicionales y además de lograr una reducción de su peso estos se fabrican con la aportación de dos o más materiales simples. Al conjunto se le denomina material multifase. En este material destacan una o más propiedades características de las que aportan las fases constituyentes, de tal forma que del conjunto resulte la mejor combinación posible. Majó Joan A. Mayugo [38], Plantea de una forma más sintética, pero precisa y concordantemente con otros autores que los materiales compuestos son los constituidos por dos o más materiales cuyas propiedades son superiores a las que tienen ambos por separado. Los materiales compuestos pueden estar constituidos por cualquier combinación de dos o más materiales ya sean metálicos, orgánicos o cerámicos. Una forma de clasificar los materiales compuestos, es atendiendo a la naturaleza de la matriz, así se suele hablar de compuestos de matriz metálica (MMC), compuestos de matriz cerámica (CMC) y compuestos de matriz orgánica (CMO) Los compuestos que utilizan fibras como fase dispersa pretenden conseguir, entre otras, mayor rigidez, carga elevada y bajo peso específico. Si estas características se expresan como el cociente respecto a su peso específico, se habla entonces de las características especificas del material. [18] Los materiales plásticos permiten su transformación mediante diferentes procesos para la obtención de piezas logradas por inyección, o termo conformado. Estos materiales de naturaleza polimérica, permiten la dispersión de fibras en su masa dando lugar a materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras. Si la matriz pertenece al grupo de los termoplásticos darán lugar a materiales que pueden ser transformados varias veces con la ayuda de procesos térmicos. [32]. 9.

(12) Se. conoce. que. las. matrices. también. llamadas. resinas. son. compuestos. macromoleculares de origen orgánico que se encargan de: •. La fijación de las fibras en el ordenamiento geométrico deseado.. •. La transmisión de los esfuerzos a las fibras.. •. La protección de las fibras frente a los esfuerzos de comprensión.. •. La protección a las fibras de los medios externos.. Las resinas termoestables más utilizadas son las de poliéster, viniléster, fenólicas, epoxi y poliuterano [54]. Son resinas termoestables orgánicas de elevado peso molecular capaces de sufrir una serie de reacciones químicas, llamadas de curado o reticulación, que dan lugar a un producto de mayor o menor rigidez, insoluble e infusible Las resinas de poliéster representan aproximadamente el 75% del total de las resinas utilizadas en el mercado de los materiales compuestos de matriz termo estable. Las resinas de poliéster se dividen según la naturaleza de sus constituyentes base en: •. Ortoftálicas. •. Isoftálicas. •. Tereftálicas. •. Tetrahidroftálicas. •. Bisfenólicas. Siendo las más empleadas ortoftálicas, isoftálicas y bisfenólicas. Estas resinas se producen a partir de reacciones de policondensación entre dos monómeros, un diol y un ácido dicarboxílico, de los cuales uno debe contener al menos una insaturación. El ácido dicarboxólico insaturado más utilizado es el anhídrido maleico. Aunque no obstante, se pueden utilizar diferentes ácidos y alcoholes de partida, con lo que se obtendrán diferentes tipos de poliésteres, que presentarán diferentes propiedades.. Las fibras de refuerzo o fase dispersa en una matriz polimérica tienen como objeto soportar tanto como sea posible el esfuerzo aplicado al conjunto, mientras que a la matriz polimérica le corresponde transmitir de forma efectiva las solicitaciones al refuerzo. [54] [55] Está ampliamente documentado que se alcanza el mejor resultado del refuerzo cuando se cumple este principio general. [49] [43] [45]. Mientras que los principios generales son bien aceptados, es muy difícil efectuar un tratamiento teórico cuantitativo de las relaciones y mecanismos que lo comprenden,. 10.

(13) por la complejidad de los sistemas físicos que representan los materiales termoplásticos reforzados. Está generalmente aceptado que el principal efecto del refuerzo es aumentar la rigidez y la resistencia del polímero. [35] Los principales factores a considerar en cualquier tratamiento teórico sobre la estructura y comportamiento de los materiales termoplásticos reforzados con fibras son [58]: 1. Propiedades de la matriz 2. Características de las fibras 3. Contenido de matriz y fibras en el compuesto 4. Interfase entre la matriz y las fibras El contenido de las fibras de refuerzo se expresa como fracción del volumen o del peso. Para un determinado grado de condiciones en la interfase, el contenido del refuerzo determina el grado según el cual se desplazan las propiedades del compuesto, desde las de la matriz hacia las del refuerzo. [9] Cuando las fibras son de una longitud “infinita” se acepta que el esfuerzo se transmite de la matriz a las fibras por un mecanismo de cizallamiento. [42] De este planteamiento se llega al concepto de la mínima longitud que debe tener una fibra para que pueda aceptar que la carga en la fibra sea igual a la carga de rotura por tracción [44]. Una fibra “infinita” presenta una superficie “infinita” de anclaje con la matriz, en estas condiciones, difícilmente matriz y fibra se romperán antes de alcanzar la carga máxima de rotura de la fibra. Si la fibra no es “infinita”, se la denomina “corta”, la superficie de anclaje que ofrece es menor en esta situación, como la fibra soporta mayor carga que la matriz, casi siempre la matriz empieza a acusar los efectos de la carga antes que la fibra. En este caso, primero se agrietará la matriz e, inmediatamente después, romperá la fibra. A esta mínima longitud que siempre está relacionada con su propio diámetro se la conoce con el nombre de longitud crítica, y se la considera como la mínima longitud que debe tener la fibra para poder transmitir la carga desde la matriz. Si las fibras no pueden “anclarse de forma eficaz" a la matriz, ante las cargas se deslizaran y serán arrancadas de la matriz al romperse la pieza. [57] La longitud crítica se puede calcular con la siguiente expresión: Lfc = (Df x Tf) / 2 A. (mm). (1.1). Tf = resistencia a la rotura por tracción en MPa; Df = diámetro de la fibra en mm. A = resistencia de la unión entre la fibra y la matriz (MPa), o la resistencia de la matriz. 11.

(14) En diferentes citas bibliográficas se sugiere que, en el caso de fibras de carbono y de vidrio, la longitud óptima se sitúa alrededor de 1 a 2 mm. Se acepta que la eficacia del aprovechamiento de la rigidez de las fibras de refuerzo crece con el aumento de la relación que existe entre el módulo de la fibra y el de la matriz. También se acepta que una relación 50:1 es la óptima entre los módulos de fibra matriz. Se aconseja el uso de fibras de vidrio de unos 0,005 mm de diámetro para obtener la máxima resistencia del compuesto [34]. El rasgo más importante de la interfase es la adhesión del material de la matriz al refuerzo. [51] En ausencia de esta adhesión las fibras serán arrancadas de la matriz sin romperse, lo que anula el efecto del refuerzo. [15] [20] La utilización de las fibras cortas como refuerzo tiene una limitación mayor, su aplicación más importante es para la fabricación de piezas por inyección. [16] [7] Diferentes autores avalan la teoría de que se produce una orientación preferencial de las fibras en el sentido de quedar paralelas a la dirección del flujo en las capas exteriores del moldeado y una distribución más arbitraria en el núcleo. [28] El grado de orientación de las fibras y la caracterización de las capas que se desarrollen dependerá de: 1. De las dimensiones y forma del molde. 2. De la temperatura del molde 3. De la temperatura del material inyectado 4. De la presión de inyección 5. De las dimensiones de las fibras En el próximo apartado se consideran los principios básicos de la transmisión de fuerzas desde la matriz a la fibra y también la influencia que tiene la longitud de las fibras sobre este proceso. [2] [48] [27] [52]. Varios son los interesados en este tema por los beneficios que estos materiales traen, entre los artículos que se analizaron para este trabajo se encuentra este del Dr. Diego José Alcaraz Lorente. De la Universidad Politécnica de Cartagena, en el departamento de Ingeniería de Materiales y Fabricación, el cual debate acerca de materiales y sus propiedades. [1]. 1.3 Fibras. Una fibra es un sólido relativamente flexible, macroscópicamente homogéneo, con una pequeña sección transversal y una elevada relación longitud-anchura.. 12.

(15) Se clasifican en dos grandes grupos: las fibras naturales y las fibras químicas. La teoría clásica sobre el empleo de fibras cortas considera que cuando se aplica un esfuerzo de tracción, la unión fibra-matriz cesa en los extremos de la fibra y en la matriz se genera un patrón de deformación, en otras palabras, en los extremos de las fibras no hay transmisión de carga desde la matriz. [18] La mayor parte de las propiedades de los materiales poliméricos reforzados con fibras, están muy ligadas a la morfología característica de la fibra. Entre las características morfológicas de las fibras se encuentran [50]. 1. La longitud 2. El diámetro 3. Las distribuciones de longitudes y de diámetros en la fracción en volumen 4. Orientación y ordenamiento de las fibras en la matriz Las fibras de refuerzo se clasifican en función de su composición y de su tamaño, destacando por su importancia y aplicaciones industriales, las fibras de vidrio, las de carbono y las sintéticas. [46] [40] [11]. Las fibras de vidrio, fueron las primeras en emplearse como materiales de refuerzo. Están constituidas, en su mayor parte, por óxidos de silicio aunque pueden incorporarse otros tipos de óxidos como los de aluminio o magnesio con los cuales se modifican sus propiedades globales. Estas fibras se producen por medio de un proceso de hilado bajo fusión. Después de pasar por la hilera, el conjunto de los filamentos obtenidos se reúne formando una fibra. La más difundida es la fibra de vidrio E, desarrollada inicialmente para aplicaciones eléctricas. Los materiales compuestos con fibras de carbono y de aramida incluyen una amplia gama de fabricados. La mayoría de los métodos de fabricación de componentes con matrices poliméricas que contienen estas fibras son similares a los usados para fibras de vidrio. Por ejemplo las fibras de vidrio, por su bajo precio y versatilidad, son el esfuerzo más empleado en materiales compuestos de matriz polimérica (PMC, “Polymer-matrix composites”). Sin embargo, va aumentando la competencia que sobre ellas ejercen las fibras de carbono y de aramida. Estas fibras, de altas prestaciones, presentan un conjunto de propiedades que compensa sus costos y las convierte, para determinados usos, en una alternativa a la clásica fibra de vidrio. Además, en un PMC, consiguen que este material pueda reemplazar a otros utilizados tradicionalmente en diversas aplicaciones. Las fibras de carbono y de aramida presentan una combinación. 13.

(16) de propiedades que compensa sus precios y las convierten, para determinadas aplicaciones, en una alternativa al refuerzo con fibra de vidrio empleado en materiales compuestos con matriz polimérica. Por sus características, las fibras de carbono se pueden utilizar tanto en matrices metálicas como cerámicas. Las fibras de carbono sobresalen por poseer un excelente conjunto de propiedades mecánicas que superan, en general, a las presentadas por las fibras de aramida. Estas últimas destacan por su baja densidad, su resistencia al impacto y su comportamiento como aislantes térmicos.. Tabla 1.1 Características mecánicas y rango de precio, para diferentes tipos de fibras de vidrio. ρ. DF. CT. ET. ε. Precio. (g/cm ). (μm). (MPa). (GPa). (%). (€/Kg). Vidrio C. 2.55. 8 – 20. 3309. 69. 4.8. 1.8 – 2.4. Vidrio E. 2.60. – 10. 3447. 76. 4.8. 1.8 – 2.4. Vidrio R o S. 2.49. – 10. 3826. 97. 5.2. 14.5 – 19.3. Material. 3. Las fibras de vidrio permiten recibir diferentes tipos de ensimaje con lo cual se crean diferentes puntos de unión entre ellas y las matrices que la utilizan como refuerzo. Desde mediados de los años 70, hay una preocupación generalizada por los temas energéticos y medioambientales. En el ámbito de los materiales compuestos de base polimérica, se inicia una carrera para encontrar sustitutos a las fibras de vidrio que venían empleándose casi de forma exclusiva como elementos de refuerzo, por una amplia variedad de fibras de procedencia vegetal. [29] [17] [41] [59]. Como. las. fibras. naturales. de. procedencia. vegetal. tienen. una. composición. mayoritariamente constituida por celulosa y además existe una amplia trayectoria y experiencia en la utilización de este tipo de fibras en la fabricación de papel, este conocimiento deriva hacia la fabricación de materiales compuestos dando lugar a una amplia bibliografía sobre aplicaciones y estudios del uso de las fibras lignocelulósicas [12] [63] [60] [53] [22] [36].. 1.4 Fibras Naturales. -Son las extraídas de la naturaleza mediante procedimientos físicos o mecánicos.. 14.

(17) -Se clasifican en 3 grupos: 1.- Fibras vegetales 2.-Fibras animales: 3.-Fibras minerales: Como fibras naturales, se entienden los materiales fibrosos que pueden extraerse de la naturaleza, principalmente están constituidos por celulosa y lignina, además de otros componentes en menor cantidad, por esta razón las fibras naturales también reciben el nombre de fibras lignocelulósicas. Estas fibras pueden proceder de plantas anuales o bien de plantas arbóreas madereras. Las fibras naturales presentan una serie de ventajas y desventajas cuando se pretende aplicarlas como materiales de refuerzo en matrices termoplásticas, como se refleja en la tabla 1.2.. Tabla 1.2 Ventajas y desventajas de las fibras lignocelulósicas Ventajas. Desventajas. Renovables. Baja estabilidad dimensional. Resistentes. Baja resistencia a microorganismos. Bajo peso específico. Poco termoplásticas. Biodegradables. Temperatura de procesado baja. Económicas. Naturaleza polar. Las fibras naturales, pueden clasificarse por su origen en herbáceas y cañas, como paja de trigo, paja de arroz, coco, bagazo de caña de azúcar; hojas fibrosas, como abacá, sisal, henequén; filamentos largos como por ejemplo: lino, cáñamo, coco, ramio, yute, etc. y finalmente fibras procedentes de madera, como las coníferas como por ejemplo: abeto y pino y frondosas como: el abedul, eucalipto y haya. En la tabla 1.3, se muestran algunas propiedades típicas de estas fibras naturales. 15.

(18) Tabla 1.3 Características mecánicas y rango de precio, para diferentes tipos de fibras ρ. DF. σT. ET. ε. Precio. (g/cm3). (μm). (MPa). (GPa). (%). (€/Kg). Lino. 1.40. 5 – 38. 80 – 150. 60 – 80. 1.2 – 1.6. 0.4 – 0.6. Cáñamo. 1.38. 10 – 51. 55 – 90. 70. 1.6. 0.4. Sisal. 1.33. 10 – 40. 60 – 70. 38. 2–3. 0.5 – 0.8. Albahaca. 1.5. 16 – 32. 98. –. –. 0.9 – 1.6. Yute. 1.46. 10 – 25. 40 – 80. 10 – 30. 1.5 – 1.8. 0.5. Ramio. 1.5. 11 – 80. 50. 44. 2. 1.7 – 2.8. Coco. 1.25. –. 22. 6. 15 – 25. 0.3 – 06. Algodón. 1.51. 7 - 14. 40. 12. 3 – 10. 1.7 – 2.5. Material. Fibras Químicas Estas se obtienen mediante procesos químicos y se clasifican según su modo de obtención: 1. Fibras de Polímero natural (o artificiales) fabricadas a partir de substancias poliméricas. 2. Fibras de polímero sintético (o sintético) fabricadas a partir de substancias poliméricas por síntesis química.. Las propiedades básicas deseables en una fibra son: 1. Alto punto de fusión, que la haga apta a tratamientos térmicos, ya sean de tintura o planchado. 2. Suficiente resistencia y elasticidad. 3. Tintabilidad, es decir, que se le pueda aplicar color de forma permanente. 4. Hidrifilidad moderada, que sea confortable al contacto con la piel. Pero todas estas propiedades dependen del campo de aplicación, así que atendiendo a éste campo (prendas de vestir), las propiedades más apreciadas son: -. Percepción; el tacto, aspecto visual. -. Capacidad de protección frente al calor, al frío o al agua.. -. Fácil cuidado de la prenda.. -. Confort.. -. Durabilidad y mantenimiento.. 16.

(19) En cambio, cuando se trata de usos más técnicos o industriales, las propiedades más apreciadas en una fibra son: -. Resistencia a la tracción y fatiga.. -. Resistencia a diferentes agentes.. -. Durabilidad al uso y mantenimiento.. -. Protección frente a agentes externos.. 1.5 Fibra de coco. La fibra de coco pertenece a la familia de las fibras duras, tales como el "sisal", el "henequén" y "abaca". Es una fibra multicelular que tiene como principales componentes la celulosa y el leño, lo que confiere elevados índices de rigidez y dureza. La baja conductividad al calor, la resistencia al impacto, a las bacterias y al agua, son algunas de sus características. La resistencia, durabilidad y resiliencia, convierten a la fibra de coco en un material versátil y perfectamente indicado para los mercados del aislamiento (térmico y acústico).. Fig. 1.1 Muestras del coco y su obtención para los experimentos en su forma original.. Ventajas: -. No electroestática. -. Inodora. -. Resistente a la humedad - amplia difusión. -. No atacable por roedores o termitas. -. Imputrescible, no produce hongos. -. Difusión del vapor de agua (DIN). -. Tolerancia de los espesores: +10% / - 0%. -. Conductividad térmica: 0,043 a 0,045 W/mk. 17.

(20) -. Reducción de los ruidos de percusión (de acuerdo con los espesores): 25 a 35 db (en forjado). -. Reducción de ruidos aéreos: 47 db (en media). -. Comportamiento al fuego: clase B2. 1.6 Características para su aplicación industrial. Una fibra se caracteriza por hilos o elementales agrupados entre sí, en algunos casos con algún tipo de torsión. Dichas fibras tienen que tener ciertas propiedades que garanticen que pueden soportar la manipulación y su inserción en tejidos o en otros materiales, unas de estas propiedades es el módulo de elasticidad a la tracción o de Young, se expresa en cN/tex [6]. Las fibras naturales pueden ser usadas para sustituir total o parcialmente las fibras de vidrio y de carbón como refuerzo en los polímeros, su principal potencial está en aquellos productos donde no se requiera tener en cuenta un valor elevado de la resistencia a la tracción para funcionar correctamente, tales como tuberías de grandes diámetros [31], cubiertas de equipos etc.. 1.7Comportamiento mecánico de los materiales plásticos. Los polímeros a lo largo de su vida sufren todo tipo de agresiones mecánicas que implican esfuerzos sobre su estructura. En forma liquida cuando son fundidos para ser extraídos o inyectados se ven sometidos a esfuerzos de cizalla importantes y cuando pasan a ser objetos puede ser estirados, comprimidos, flexionados, torcidos etc. La ley ideal que explica el comportamiento de los sólidos bajo un esfuerzo de debe a Hook, 1676 que establece que la deformación es proporcional a la fuerza. Las propiedades de los plásticos resultan de su propia estructura química y de la estructura física (cadenas moleculares lineales, ramificadas…) La longitud de la cadena es determinante del comportamiento de la molécula [30] Las moléculas filiformes están próximas entre si pero carecen de unión química, lo que permite la transformación de los termoplásticos amorfos por cualquiera de los procedimientos típicos “termoplásticos” como son la inyección, la extrusión o el termo conformado al vacío. Las propiedades de los termoplásticos dependen de la estructura química de los eslabones básicos, de la longitud de cadena, de la cristalinidad y de las fuerzas entre las cadenas moleculares (valencias secundarias). Los enlaces de valencia principal son los que más contribuyen a la resistencia mecánica de los plásticos. Su actuación más enérgica se da en los termoestables.. 18.

(21) Todos los procesos de transformación los enlaces de valencia principal permanecen inalterables, a menos de que ocurra un deterioro. Los enlaces de valencia principal no se destruyen hasta que se inicia la descomposición del plástico. El grado de polimerización es una magnitud característica de los termoplásticos. Si se aumenta el grado de polimerización, aumentan también: la viscosidad del material fundido, la resistencia a la tracción, la dureza, el alargamiento a la rotura y la resistencia al impacto. [30] En cambio disminuirán: la tendencia a la cristalización, el hinchamiento y las fisuras por tensión. Estructura de los termoplásticos: El estado normal de las moléculas lineales de los termoplásticos amorfos es un estado desordenado, ovillado PS. Durante la transformación, los termoplásticos pueden verse sometidos a un fuerte esfuerzo de cizalla y convertirse en una masa fundida viscosa, en la que las macromoléculas se hallan orientadas. Mediante un enfriamiento brusco (entrada al molde) esta orientación puede quedar fijada. [47] Estas orientaciones dependen de la temperatura de masa, de la velocidad de inyección y de la temperatura del molde. Las orientaciones pueden ser más o menos acusadas en las distintas secciones de una pieza inyectada. Donde más se acusa es en la entrada y en la capa más externa de la pieza. Las orientaciones repercuten en las propiedades sensibles a la orientación (anisotropía), de forma que se ocasiona una mayor resistencia a la tracción y al impacto en el sentido de la orientación. Las características de los materiales, de forma general, dependen de su estructura; en los Plásticos dependen de la estructura molecular y en los Metales dependen de su estructura atómica. [61] Los termoplásticos se vuelven quebradizos a bajas temperaturas. Si las temperaturas se aumentan, se produce inicialmente un descenso constante del módulo de elasticidad (disminuye la rigidez). Cuando se mezclan agentes de acoplamiento, fibras de coco, y poliéster en una proporción de 25/30/45 respectivamente por citar un ejemplo, la resistencia a la tracción que se obtiene resulta baja alrededor de los 26 – 27 MPa, sin embargo la resistencia a la flexión, el modulo de elasticidad y la deformación muestran valores que demuestran que esta fibra puede ser empleada en aplicaciones en las cuales no se requiera una resistencia a la tracción elevada. [5]. 19.

(22) 1.8 Adhesión en la interfase formada por la matriz y las fibras. Un concepto fundamental a la hora de plantearse el empleo de las fibras naturales como refuerzo de un material polimérico es la compatibilidad existente entre estos dos materiales. Esta compatibilidad normalmente se caracterizan por tener un cierto grado de antagonismo, ya que las fibras tiene un marcado carácter hidrofílico, mientras que los polímeros lo tiene de carácter antagonista como hidrófobo. Esta situación hace que una parte importante de las investigaciones de los materiales compuestos a las que nos estamos refiriendo se centre en como mejorar esta compatibilidad por la vía de modificar el carácter hidrofilito de las fibras para lograr la mejor unión fibras- matriz en su zona de interfase ya que si queremos aprovechar la gran resistencia y rigidez de la fibras, esta deben estar fuertemente unidas a la matriz. [51] [56] [3] [33] [62].. 1.8.1 Adhesión mecánica. Diversos autores estudiaron la adhesión mecánica de las fibras de refuerzo hacía la matriz polimérica entre ellos destacan: [10] [14] [26] La longitud critica de la fibra y su papel en la adhesión desde el punto de vista del proceso de moldeado y la resina que se emplee, se han realizado estudios [1] en los cuales se ha demostrado que cuando la fibra de coco por citar un ejemplo esta por debajo de la longitud critica, y se utiliza como resina el poliéster. y se utiliza la. inyección como proceso de moldeado ocurre un agotamiento de la fibra que perjudica las propiedades mecánicas de resistencia a la tracción, lo cual no ocurre cundo esta longitud está por encima del valor crítico. 1.8.2 Absorción y humectación. Si dos superficies eléctricamente neutras se ponen una junto a otra, se da una cierta fuerza de atracción entre ellas. Si además entre las dos superficies hay una cierto grado de humedad, se entiende mejor esta fuerza de atracción. Aunque de ambas superficie se haya eliminado la contaminación y suciedad se puede lograr un grado de unión entre las dos superficies solo en algunos puntos de contacto, no obstante la adhesión lograda será de carácter débil. [23]. 20.

(23) 1.9 Salud y riesgos para el entorno. Plásticos como problema. Los plásticos en su totalidad son relativamente inertes, los artículos terminados no ofrecen ningún peligro para el fabricante o el usuario. Sin embargo, estudios recientes han demostrado que algunos monómeros utilizados en la fabricación de plásticos producen enfermedades como el cáncer. También el benceno, una de las materias primas utilizadas en la elaboración del nylon, es carcinógeno. Por lo que podemos plantear que los problemas de la industria del plástico son similares a los de la industria química en general. Muchos artículos elaborados de plástico en la actualidad son un problema para degradación, principalmente los construidos de plásticos sintéticos que no pueden ser degradados por el entorno a diferencia de la madera, el papel, las fibras naturales o incluso el metal y el vidrio, estos no se oxidan ni se descomponen con el tiempo. Para enfrentar este problema se han desarrollado algunos plásticos degradables, pero no han resultado muy eficientes. Por lo que la eliminación de los plásticos representa un problema para el medio ambiente, unos de los métodos más eficientes para solucionar este problema es el reciclaje, el cual es muy empleado en la actualidad, por ejemplo, en la recogida de las botellas fabricadas con tereftalato de polietileno. En nuestros días se siguen desarrollando soluciones más complejas para el tratamiento de los plásticos mezclados con la basura, que si se viene haber constituyen una parte muy visible, pero relativamente pequeña comparado con otros residuos sólidos.. 1.9.1 El plástico como problema. Muchas de las ventajas de los artículos que se fabrican de plásticos más adelante se convierten en una desventaja, en el momento en que se desechan dichos artículos porque se rompen o por que cumplen la función para lo que fueron creados. En la actualidad los plásticos son reutilizados o reciclados en su gran mayoría, pero no se cumple con toda la demanda trayendo consigo un problema de difícil solución, fundamentalmente en las grandes ciudades .Por lo que es una tarea muy costosa y compleja para los municipios encargados de la recolección y disposición final de dicho material. Por esto podemos plantear que los plásticos por sus características generan problemas en su recolección, traslado y disposición final.. 21.

(24) Conclusiones Parciales 1. El desarrollo y caracterización de los materiales compuestos matriz poliméricas se han estudiado ampliamente y es objetivo principal de los investigadores de este tema. Las principales fibras utilizadas como refuerzos y las resinas empleadas como matriz en los materiales plásticos compuestos son: •. La fibras de vidrio tipo E que es la más comercializada en el mundo y posee buenas propiedades mecánicas.. •. Dentro de las fibras naturales, las fibras de: kenaf, sisal, madera, lino, cáñamo, etc.. •. Matriz de polipropileno, poliestireno y poliéster.. 2. Los investigadores de este tema están de acuerdo en que las fibras naturales pueden sustituir parcial o totalmente las fibras convencionales de vidrio en dependencia de la aplicación para la cual se conciban. 3. En Cuba no se reporta el uso de fibras naturales en la fabricación de materiales compuestos matriz polimérica (M.C.M.P.). 4. El costo de las fibras naturales es inferior al costo de las fibras artificiales.. 22.

(25) Capitulo 2 Estudio del comportamiento de las propiedades mecánicas de la fibra de coco procedente de Cayo las Vacas en la zona norte de Villa Clara. 2.1 Introducción. Basándonos en los resultados del estudio bibliográfico sobre los materiales compuestos y sus características en el presente capítulo se da respuesta al objetivo esencial de la investigación, la comparación de las propiedades físico - mecánica de la fibra de coco, las cuales deben satisfacer determinados requisitos de resistencia mecánica de la zona de Santo Domingo y Cayo las Vacas. La determinación de las propiedades de la fibra de coco en este último lugar dará pruebas de confiabilidad de la propia fibra bajo condiciones ambientales diferentes.. 2.2. Propiedades físico – mecánicas de los compuestos desarrollados. La definición de las propiedades mecánicas de los materiales juega un papel importante en la determinación de la habilidad de los materiales para resistir las cargas externas a que están sometidos los elementos. Su determinación guarda especial significación para el diseño de los sistemas mecánicos por cuando la determinación de las formas y las dimensiones, así como la propia selección del material, están íntimamente relacionadas con las propiedades físico- mecánicas de los materiales.. 2.3 Preparación para los ensayos. Para la realización de las pruebas, se estableció un diseño de experimento factorial 2∧k, para el cual se tomaron como factores de la matriz experimental, la influencia de la presión, la temperatura y el tiempo en las propiedades de la fibra de coco a evaluar y caracterizar Para evaluar si los resultados de los ensayos experimentales son válidos, se determino la influencia de las variables y las leyes de variación de las propiedades físicomecánicas, se empleó el paquete profesional StatGraphics Plus 5.1 para el procesamiento estadístico. A continuación se podrán observar las matrices experimentales de los materiales a evaluar en la tabla 2.1. 23.

(26) Tabla 2.1. Matriz experimental. Nº T (ºC). Presión. Tiempo. (Atm). (min). 1. 80. 25. 5. 2. 120. 25. 5. 3. 80. 100. 5. 4. 120. 100. 5. 5. 80. 25. 20. 6. 120. 25. 20. 7. 80. 100. 20. 8. 120. 100. 20. 2.4. Elaboración de las probetas. Todo ensayo ha de seguir normas comunes a todos los investigadores a fin de que éstos puedan comparar sus resultados. Por tanto, es lógica la aparición de organismos internacionales que velen por la adecuación de los experimentos a los objetivos de investigación y verificación de metodologías de ensayo. Todo lo relativo a la determinación de propiedades de materiales provoca un seguimiento exhaustivo por parte de estos organismos internacionales ya que sea de capital importancia verificar la calidad de los productos y la seguridad de su explotación. Los ensayos experimentales fueron realizados con arreglo a las normas ASTM para cada propiedad, en cada caso se indican las formas y dimensiones de las muestras, así como el proceder experimental. Para la obtención de las probetas de los diferentes ensayos se obtuvo primeramente un colchón de fibra, elaborada por desmenuzamiento de la corteza del coco (Anexo 1). Para su Obtención se siguieron los siguientes pasos: 1. Extracción de la capa externa del coco. 2. Untar las superficies de trabajo del molde con desmoldante para garantizar la extracción de la plancha de material compuesto. 3. Macerar el coco en una superficie limpia de contaminantes hasta lograr la separación inicial de la fibra 4. Extraer la fibra, utilizando un esmeril provisto de un cepillo, el cual arrojaba la fibra limpia. (Anexo 2).. 24.

(27) 5. Secado natural de la fibra. 6. obtención de la probeta final: •. Hilos trenzados de 4 – 5.5 mm de diámetro. •. Colchones de fibra multidireccional de 15 x 15 x 7 (l x a x H). •. 2.5. Descripción de los ensayos. Conceptos fundamentales. Resistencia: Capacidad de soportar una carga externa sin romperse se denomina carga de rotura y puede producirse por tracción, por compresión, por torsión o por cizallamiento, habrá una resistencia a la rotura (N/mm²) para cada uno de estos esfuerzos.. σ =. F A. (2.1). Donde F -- la fuerza aplicada en el momento de la ruptura en N, A – área transversal en mm2, σ -- tensión de rotura en MPa.. 2.5.1. Ensayo de tracción. Se le llama resistencia a la tracción, a la resistencia que ofrece un material al ser extendido. Este ensayo se rige por la Norma ASTM D-638 y las probetas serán del Tipo II, porque según el diámetro del hilo torcido que están entre 4.6 y 5.4 mm se toman las dimensiones recomendadas por la norma para valores de espesores <7mm.. Tracción. Uno de los propiedades más importantes que se debe tener en cuenta en este tipo de material para evaluar si es factible su utilización como fibra de refuerzo en la matriz poliéster del material compuesto es la resistencia a la tracción, Los ensayos se realizaron en la máquina de tracción de hilo (Anexo 3), con un numero de replicas igual 10. Los resultados de los ensayos se muestran en la tabla 2.1. 25.

(28) Tabla 2.1 refleja los resultados de los ensayos de tracción. Ensayo de tracción Tensión de Nº replica. Diam. Probeta. Fuerza máx. rotura (Mpa). (mm). (N). Santo Domingo. Tensión de rotura (Mpa) Cayo las Vacas. 1. 3,85. 250. 21.55. 21.37. 2. 3,75. 245. 22.2. 22.75. 3. 3,64. 240. 23.07. 23.4. 4. 3,54. 235. 23.9. 21.77. 5. 4,30. 310. 21.9. 21.46. 6. 4,75. 380. 21.46. 21.25. 7. 3,66. 250. 23.8. 21.67. 8. 3,60. 240. 23.76. 22.93. 9. 3,55. 230. 23.25. 22.56. 10. 3,32. 210. 24.27. 21.88. 26.

(29) 23,5. 23. 22,5 Tension Sto D 22. tension C las V. 21,5. 21. Fig. 2.1 Comparación de las tensiones de rotura de la fibra de coco de Santo Domingo y Cayo las Vacas.. Las diferencias en la comparación de las tensiones de rotura entre las fibras no son significativas y se comportan en el rango de los 22 a los 23 MPa . (Anexo 4). 2.5.2. Determinación de absorción de humedad. La norma ASTM D 570 establece un método de ensayo para determinar la masa de agua absorbida por los materiales .Este ensayo se le aplica a todos los plásticos moldeados por inyección, compresión, o extrusión esta es una de las propiedades. Otra propiedad de extrema importancia a tener en cuenta en este estudio es la absorción de agua, por cuanto se trata de una fibra natural además influye en el proceso de anclaje de la fibra y la matriz polimérica, ya que para que se produzca una buena fijación entre ambas se requiere que la humedad de la fibra sea nula, En la tabla 2.2 se plotean los valores de humedad en porciento de cada una de las muestras analizadas, y en las curvas de la figura 2.1 se puede apreciar la disminución precipitada de esta en función del tiempo. Según se puede observar en los resultados experimentales, utilizando una temperatura de secado de 120 ºC y una presión de 100 atmósferas, la fibra de coco puede alcanzar su secado óptimo en un intervalo de 1 – 1.5 horas. Y que posee una humedad. 27.

(30) significativa de hasta un 10. 36% lo cual es un valor a tener en cuenta a la hora de utilizarlo como refuerzo. Los resultados de los ensayos de absorción de agua (Anexo 5) para la matriz con coco se presentan en la tabla 2.2.. %. [10 min y. humedad. 100 atm.]. del coco. 1 1,1. 35,70. 1,2. 32,00. 1,3. Peso (g). %. [10 min y. humedad. 100 atm.]. del coco. Corrida. Peso (g). Corrida. Corrida. Tabla 2.2 Por ciento de Humedad de la fibra de coco. 2 2,1. 20,20. 3,70. 2,2. 19,40. 31,90. 1,25. 2,3. 1,4. 31,50. 0,32. 1,5. 31,40. 1,6. Peso (g). %. [10 min y. humedad. 100 atm.]. del coco. 3 3,1. 26,80. 0,58. 3,2. 25,00. 1,80. 18,90. 0,42. 3,3. 24,80. 1,21. 2,4. 18,50. 0,54. 3,4. 24,50. 0,41. 0,06. 2,5. 18,40. 0,54. 3,5. 24,40. 0,25. 31,38. 0,06. 2,6. 18,30. 0,55. 3,6. 24,34. 0,08. 1,7. 31,36. 0,06. 2,7. 18,20. 0,55. 3,7. 24,32. 0,04. 1,8. 31,34. 0,06. 2,8. 18,10. 0,00. 3,8. 24,31. 0,04. 1,9. 31,32. 0,06. 2,9. 18,10. 0,00. 3,9. 24,30. 0,00. 1,10. 31,30. 0,00. 2,10. 18,10. 0,00. 3,10. 24,30. 0,00. 1,11. 31,30. 0,00. 2,11. 18,10. 0,00. 3,1. 24,30. 0,00. 28.

(31) % de Humedad de la fibra de Coco 12,00 10,00. Humedad (%). 8,00 6,00 4,00 2,00 0,00 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 100 110. -2,00 % Tiempo (min) Probe ta 1. Probeta 2. Probeta 3. Fig. 2.3 Curvas de %de humedad para las fibras de Santo Domingo.. Porciento de humedad del coco.. Humedad (%). 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 100. Tiempo (min) Probeta 1. Probeta 2. Probeta 3. Fig 2.4 Curvas de %de humedad para las fibras de Cayo las Vacas.. Se nota significativamente que en este ultimo caso el por ciento de humedad bajo considerablemente con respecto al anterior.. 29.

(32) 2.6. El espesor de las probetas El estudio de la variación del espesor en función de la presión, la temperatura y el tiempo se realizo para la fibra de coco procedente de Cayo las Vacas y se muestra en la tabla 2.6, comprándose los mismos con los resultados de la fibra de Santo Domingo para esto utilizamos una matriz Una tabla de los espesores en correspondencia con las corridas experimentales de las deformaciones de la fibra de coco (Anexo 6) Tabla 2.6 Espesor (mm) Corridas experimentales. 1. 2. 3. 4. 5. 6. media Santo Domingo. media Cayo las Vacas. 1,1. 3,09. 3.02. 1,2. 3,06. 3.15. 1,3. 2,98. 3.11. 2,1. 5,08. 4.98. 2,2. 5,06. 4.96. 2,3. 5,14. 4.86. 3,1. 2,36. 3.02. 3,2. 2,31. 2.15. 3,3. 2,16. 2.35. 4,1. 1,86. 2.11. 4,2. 2,00. 2.01. 4,3. 1,90. 2.05. 5,1. 4,26. 4.21. 5,2. 4,17. 4.24. 5,3. 3,95. 3.25. 6,1. 2,57. 2.73. 6,2. 4,76. 4.52. 6,3. 3,78. 3.54. 7,1. 1,95. 1.84. 7,2. 1,78. 1.91. 30.

(33) 7. 8. 7,3. 1,57. 1.36. 8,1. 1,46. 1.32. 8,2. 1,64. 1.28. 8,3. 1,52. 1.23. Gráfico de Pareto estandarizado para Espesor B:Presión. + -. :Temperatura AB C:Tiempo BC AC 0. 10. 20 30 Efectos estandarizados. 40. Fig. 2.5 Grafico de Pareto Estandarizado para espesor. Este mismo resultado los podemos observar en el gráfico de efectos principales que se muestra en la figura 2.4, donde se aprecia que un aumento de de la presión de 25 a 100 atmósferas, reduce el espesor de 3.3 – 1.8 mm aproximadamente, resultado que se acentúa con el aumento de la temperatura. 31.

(34) Gráfico de Efectos principales para Espesor 3,8 3,4 Espesor. 3 2,6 2,2 1,8 80,0 120,0 Temperatura. 25,0. 100,0. 5,0. 20,0 Tiempo. Presión. Fig. 2.6 Grafico de efectos principales para la deformación de la fibra de coco. En el grafico de la figura 2.5 podemos observar el mismo efecto que en el anterior, o sea que si nos movemos hacia la parte superior derecha del mismo, o sea aumentamos la temperatura y la presión, obtendremos valores más pequeños de espesores en los colchones de fibra Contornos de Superficie de la Respuesta Estimada Tiempo=12,5 Espesor 1,6 2,0. 105. Presión. 85. 2,4 2,8 3,2 3,6 4,0. 65. 45. 4,4 4,8. 25 80. 90. 100 Temperatura. 110. 120. Fig. 2.7 Contorno de superficies de respuesta para la deformación de las fibras de coco. La tabla de ANOVA (Anexo 7) divide la variabilidad en espesor en distintos segmentos separados para cada uno de los efectos. Después prueba la significación estadística de cada efecto comparando la media al cuadrado contra una estimación del error. 32.

(35) experimental.. En este caso, 6 de los efectos tienen los p-valores inferiores a 0,05,. indicando que son significativamente diferentes de cero al 95,0% de nivel de confianza. El estadístico R-cuadrado indica que el modelo así ajustado explica el 99,5454% de la variabilidad en Espesor. El estadístico R-cuadrado ajustado, el cual es más adecuado para la comparación de números diferentes de variables independientes, es 99,3635%. El error estándar de la estimación muestra la desviación normal de los residuos para ser 0,10674. El error absoluto de la media (MAE) de 0,0659091 es el promedio del valor de los residuos. El estadístico Durbin-Watson (DW) examina los residuos para determinar si hay cualquier correlación significativa basada en el orden en el que se suceden en el fichero de datos. Puesto que el p-valor es superior a 0.05, no hay indicios de correlación de serie en los residuos.. 33.

(36) Conclusiones Parciales 1. La caracterización de la fibra de coco mostró que las mismas poseen adecuados valores en sus propiedades físico mecánicas. No existiendo diferencias significativas entre la fibra procedente de Santo Domingo y Cayo Las Vacas. 2. Para el caso de la fibra procedente de Cayo Las Vacas se tiene que la resistencia a la tracción varía entre 21 y 23MPa al igual que en Santo Domingo, 3. El por ciento de humedad se encuentra en el rango de 0 a 10 en Santo Domingo y de 0 a 0.25 en Cayo las Vacas. 4. El espesor oscila entre 2 a 5 mm en los dos. 34.

(37) Capitulo 3. Planificación y realización de los ensayos del Material Compuesto Matriz Polimérica reforzado con fibra de vidrio y fibras naturales . 3.1 Introducción.. Este capítulo tiene como objetivo esencial la obtención y caracterización del material compuesto matriz resina de poliéster al añadir como refuerzo diferentes fibras naturales y artificiales tales como, el yute, la fibra de coco en forma de mat y la fibra de vidrio en forma de robing 800 y mat 600.. 3.2 Materiales a ensayar. Para la realización de las pruebas, se establecen mezclas en las que la resina de poliéster se le añade como material de refuerzo los siguientes componentes: •. Rovings 800.. •. Mats 600.. •. Fibras de Yute.. •. Fibras de Coco.. Para evaluar si los resultados de los ensayos experimentales son válidos y determinar la influencia de las variables y las leyes de variación de las propiedades físicomecánicas, se empleó el paquete profesional StatGraphics Plus 5.1 para el procesamiento estadístico. Tabla 3.1. Matriz de compuesto polimérico con refuerzo (Rovings 800, Mats 600, Yute, Coco) Muestra. Rovings 800 (%). Mats 600 (%). Yute (%). Coco (%). 1 2 3 4. 0 0 1 0. 0 1 0 0. 1 0 0 0. 0 0 0 1. 35.

(38) 3.3. Elaboración de las probetas. Todo ensayo ha de seguir unas normas comunes a todos los investigadores a fin de que éstos puedan comparar sus resultados. Por tanto, es lógica la aparición de organismos internacionales que velen por la adecuación de los experimentos a los objetivos de investigación y verificación de metodologías de ensayo. Todo lo relativo a la determinación de propiedades de materiales provoca un seguimiento exhaustivo por parte de estos organismos internacionales ya que es de capital importancia verificar la CALIDAD de los productos y la SEGURIDAD de su explotación. Los ensayos experimentales fueron realizados con arreglo a las normas ASTM para cada propiedad, en cada caso se indican las formas y dimensiones de las muestras, así como el proceder experimental. Para la obtención de las probetas de los diferentes ensayos se obtuvo primeramente una plancha de espesor 5 mm, elaborada por el método de moldeo por compresión en un molde de sección rectangular que permite obtener un semiproducto de (250 X 250 X 5) mm. Para su fabricación se siguieron los siguientes pasos: 1. Limpieza del molde con acetona. 2. Untar las superficies de trabajo del molde con desmoldante para garantizar la extracción de la plancha de material compuesto. 3. Preparación de la mezcla. a. Añadir a 400 ml de resina poliéster 60 gotas de cobalto (acelerador) y diluir. b. Añadir los rellenos en polvo (zeolita y grafito). c. Añadir 100 gotas de catalizador (peróxido). d. Disponer una capa de mezcla y el velo inicial. e. Disponer una nueva capa de mezcla e intercalarla con el tejido MAT o Rovings. f.. Finalmente disponer el velo final y cubrir con la mezcla.. 4. Desmoldar.. 36.

(39) 3.4 Descripción de los ensayos. Conceptos fundamentales. 3.4.1 Ensayo de tracción. Se le llama resistencia a la tracción la resistencia que ofrece un material al ser extendido. Este ensayo se rige por la Norma ASTM D-638 y las probetas serán del Tipo II, porque según el espesor de las planchas que están entre 4.6 y 5.4 mm se toman las dimensiones recomendadas por la norma para valores de espesores <7mm. Preparación de las probetas: Para la fabricación de las probetas se cortan tiras de la planchas con sobre medidas en una sierra de disco, para la posterior elaboración y acabado en una fresadora especializada Tensil KVT equipo que desarrolla 20000 rpm y su designación es para trabajar plásticos o materiales no metálicos, la forma a la probeta se la da un dispositivo normado con la forma de la probeta de tipo II Fig. (3.1). Estas probetas permanecen bajo condiciones establecidas por dicha norma de temperatura a (23±2)°C y humedad de (50±5)% durante 24 h antes de ser llevadas a la prueba.. 37.

(40) . 165. 50. 6. Fig.3.1. Probeta para ensayo de tracción.. Descripción del ensayo. •. Se coloca la probeta en las mordazas de la máquina de ensayo a la tracción, teniendo en cuidado que la probeta quede alineada según su eje longitudinal con respecto a la línea imaginaria que pasa por el centro de las mordazas, evitando todo esfuerzo de torsión.. •. Se aprietan las mordazas uniformemente para evitar que se resbale la probeta, sin que se afecte en el lugar de fijación.. •. Se coloca la máquina SZ –500- 1 con todos sus parámetros a punto para graficar y para medir.. •. Se van tomando mediciones intermedias de fuerza y alargamiento en condiciones especificas para la posterior determinación de otras propiedades.. •. Rompe la probeta y se lee el valor de la fuerza.. El valor de la resistencia a la tracción (σ) se calcula por la formula siguiente:. σ =. F S. Donde F es la fuerza tomada en la ruptura.. S es el área de la sección transversal de la probeta ensayada.. 38.

(41) 3.4.2. Módulo de elasticidad. Coeficiente de Poisson. Elasticidad: Capacidad de un material elástico para recobrar su forma al cesar la carga que lo ha deformado. Se llama límite elástico a la carga máxima que puede soportar un material sin sufrir una deformación permanente. Su determinación tiene gran importancia en el diseño de toda clase de elementos mecánicos, ya que se debe tener en cuenta que las piezas deben trabajar siempre por debajo del límite elástico. Se expresa en Kg/mm² o MPa. El Modulo de Elasticidad al igual que el Coeficiente de Poisson están totalmente relacionados con el ensayo de tracción debido a que el Coeficiente de Poisson no es más que la relación entre las deformaciones transversales y las relaciones longitudinales que experimenta la probeta cuando la misma está siendo traccionada y se expresa de las siguiente manera:. μ=. ε' ε. Donde ε ' =. Δa ai − a f = ai ai. y ε =. Δl li − l f = li l. ai – ancho inicial de la probeta antes de ser traccionada. af – ancho después del ensayo. li – longitud inicial de la probeta antes del ensayo. lf – longitud final de la probeta. El módulo de elasticidad se puede obtener del gráfico que se recoge de cada ensayo por probeta donde se relaciona la tensión de debido a la tracción y las deformaciones, por la siguiente ecuación:. σ = E *ε. 39.

(42) Donde se deduce que el módulo de elasticidad (E) es igual a la pendiente de la curva trazada en el ensayo. Para su obtención. se mide el ángulo entre la curva y las. coordenadas de las deformaciones y se busca la tangente del mismo, de manera que el resultado se expresará como Modulo de Elasticidad (MPa).. 3.5 Análisis estadístico para los resultados experimentales de ensayos de laboratorio. Durante los ensayos se obtienen datos experimentales a los cuales se les determina una serie de parámetros estadístico-matemáticos que son el principio del paquete profesional StatGraphis Plus 4.1. De estos se pueden mencionar: •. Media Aritmética de los Resultados (μ ) o ( y ). Ha de señalarse que estos parámetros representan la media de una propiedad evaluada durante los experimentos. n. y=∑ i =1. •. yi n. (3.1). Desviación Media Cuadrática o Desviación Estándar de la Media (S ) o (σ ) n. S=. S=. ∑(y − y). 2. i =1. n −1. R para número de ensayos (corridas) entre 1 y 10 d2. (3.2). (3.3). donde: n – Número de experimentos (corridas experimentales) n. ∑(y − y). 2. - Suma del cuadrado de las desviaciones. i =1. R – Diferencia entre el valor más alto y el más bajo de las medias en las corridas experimentales (n) d2 – Factor de desviación.. 40.

(43) •. Desigualdad Cuadrática o Variabilidad del Procedimiento de Ensayo (V ) A este parámetro también se le conoce como Coeficiente de Variación; se da en %.. V=. S ⋅100 y. (3.4). Es común señalar que para un número de ensayos (corridas experimentales) igual o superior a 30 ( y ) , (S ) o (V ) se pueden por método de las sumas o las multiplicaciones. Tabla 3.2. la estimada tamaño. Tamaño de la Muestra (n) 2 3 4 5 6 7 8 9 10. Factor de Desviación (d2). (1/d2). 1.128 1.693 2.059 2.326 2.534 2.704 2.847 2.970 3.078. 0.8865 0.5907 0.4857 0.4299 0.3946 0.3698 0.3512 0.3367 0.3249. .. Factor. de. desviacion. para. desviacion en el rango del de la muestra.. El tamaño de la muestra (n ) se puede determinar como: 2. V⎞ ⎛ n = ⎜1.96 ⋅ ⎟ Para un nivel del 95% de confianza e⎠ ⎝. (3.5). Donde: e – Error permisible de la muestra o muestreo. 41.

(44) Determinación del error permisible de la muestra (e ) absoluto. I.. La precisión de los ensayos se evalúa a través del error, para lo cual se consideran o analizan dos tipos fundamentales de error, el absoluto y el relativo, para cada uno de los estadígrafos anteriores. •. ( ). Error Absoluto de la Media Aritmética e y. ey =. t⋅S n −1. (3.6). Donde: t – Desviación normada, determinada durante una distribución normal en dependencia del número de ensayos o tamaño de la muestra Para un nivel de confianza del 95% y n = 20, t = 2.1; para n ≥ 30, t = 2 •. Error Absoluto de la Desviación Estándar (eS ). eS = •. •. 2⋅S 2⋅n. (3.8). Determinación del error relativo (er ). ( ). Para la Media Aritmética ery. ery =. ery = •. (3.7). Error Absoluto del Coeficiente de Variación (eV ). eV = II.. 2⋅S 2⋅n. ey y. ⋅100. t ⋅V ⋅100 n −1. (3.9). (3.10). Para la Desviación Estándar (erS ). erS = erS =. eS ⋅100 S 2 ⋅ 100 2⋅n. (3.11). (3.12). 42.

(45) •. Para el Coeficiente de Variación (erV ). erV = erS =. eV ⋅100 V. (3.13). 2 ⋅100 2⋅n. (3.14). Grado de precisión del ensayo Durante la realización de trabajos científicos de investigación el error relativo no debe sobrepasar de un 3 a 5%. A partir del valor de error relativo determinado (definido), se determina el tamaño de la muestra (número de réplicas) (n), necesario para garantizar la requerida precisión en los ensayos. •. Para la Media Aritmética ( y ). ⎛V n = 4⋅⎜ ⎜e ⎝ ry •. ⎞ ⎟ ⎟ ⎠. 2. (3.15). Para la Desviación Estándar (S ). n= •. 2. 2 ⎞ ⎛ ⎟ = 4 ⋅V = ⎜ 2 ⋅V 2 ⎟ ⎜ e e ry ⎠ ⎝ ry. 2 ⋅100 2 2 erS. (3.16). Para el Coeficiente de Variación (V ). 2 ⋅100 2 n= 2 erV. (3.17). Por otro lado, se tiene que desde el punto de vista práctico la precisión de los ensayos está caracterizada (definida) por la magnitud del error relativo. De este modo, para una probabilidad del 95% se tiene: Magnitud del error relativo (er ) er ≤ 2. Grado de precisión del ensayo Alto. 2 < er ≤ 5. Medio. 5 < er ≤ 10. Bajo. er > 10. Muy bajo. 43.

(46) La Tabla 2 se obtiene considerando la ecuación (5) o (15) y un 95% de nivel de confianza, lo que indica un 5% de probabilidad de que la diferencia entre la muestra estimada (media aritmética y ) y el valor obtenido del promedio de todos los valores, para un número elevado de pruebas (réplicas), exceda el error relativo permisible de la muestra. Por ejemplo: Si el coeficiente de variación (V) de múltiples pruebas (réplicas) es el 7%, el tamaño mínimo de muestras pudiera ser 8; todo esto con el objetivo de garantizar un 5% de error permisible. Es importante señalar que si el número de pruebas (réplicas) 8 no genera un coeficiente de varianza menor o igual al 7%, la prueba no se considera válida, por lo que se debe tomar una acción correctiva con los resultados.. Tabla 3.3. Tamaño minimo aceptable de la muestra para un 95% de confianza.. Coeficiente de Variación V (%) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10. Error Relativo permisible de la muestra erp (%) 1 4 16 35 62 96. 2 1 4 9 16 24 35 47 62 78 96. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 10. 2 4 7 11 16 21 28 35 43. 1 3 4 6 9 12 16 20 24. 2 3 4 6 8 10 13 16. 1 2 3 4 6 7 9 11. 2 2 3 4 5 7 8. 2 2 3 4 5 6. 1 2 2 3 4 4. 44.

(47) 3.6 Análisis de los resultados. Tabla 3.4. Media de los resultados para el ensayo de resistencia a la tracción.. ENSAYO DE TRACCION Robing 800. 270.53. Mat 600. 145.15. Yute. 51.51. Coco. 33.16. Después de realizar los ensayos para las diferentes fibras y dispuestas en forma de mat y de robing se obtienen valores de tensiones, con la media (Anexos 8 ) de los mismos se establece una comparación en la que se puede decir que la resistencia a la tracción en las fibras naturales es inferior con respecto a la fibra de vidrio.. 45.

(48) Resistencia a la Traccion. 300 250. Robing 800. 200. Mat 600 Yute. 150. Coco. 100. Yute. 50. Mat 600. Coco. Robing 800. 0. Fig. 3.2 Comportamiento de la resistencia a la tracción en las fibras.. Tabla 3.4. Media de los resultados para el ensayo de determinación del Modulo de Elasticidad. MODULO DE ELASTICIDAD Robing 800. 1882.33. Mat 600. 2374.67. Yute. 660. Coco. 582. Para obtener una comparación en cuanto al modulo de elasticidad y después de realizados los ensayos se tienen valores medios (Anexos 9) para cada una de las fibras y se comparan entre si obteniéndose los valores de la figura 3.3 en la que se puede decir que el modulo de elasticidad aumenta significativamente de una fibra natural a una artificial como la fibra de vidrio.. 46.

(49) Modulo de elasticidad. Robing800 2500. Mat600. 2000 (MPa). yute. Coco. 1500. Coco. yute. 1000. Mat600. 500. Robing800. 0. Fig. 3.3 Comportamiento de la modulo de elasticidad en las fibras.. Tabla 3.5. Media de los resultados para el ensayo de determinación del coeficiente de poisson.. COEFICIENTE DE POISON Robing 800. 0.111. Mat 600. 0.191. Yute. 0.075. Coco. 0.085. Después de realizar los ensayos para las diferentes fibras y dispuestas en forma de mat y de robing se muestran diferentes coeficientes, con la media (Anexos 10) de los mismos se establece una comparación en la que este valor se comporta en un rango cerca de 0.1 a 0.2 lo cual se toma como favorable.. 47.

(50) COEFICIENTE DE POISON. Robing800 0.2. Mat600 Coco. 0.15 yute. 0.1. Coco. Mat600. 0.05 0. yute. Robing800. Fig. 3.4 Comparación del coeficiente de poisson.. .. 3.7 Efecto económico provocado por la sustitución parcial de la fibra de vidrio por la fibra de Coco. Partiendo de la base de que es factible utilizar la fibra de coco en sustitución parcial de la fibra de vidrio en los materiales compuestos matriz poliéster, además teniendo en cuenta las propiedades mecánicas del coco como refuerzo, Procede realizar un sencillo cálculo económico, de lo que representaría utilizar la fibra de coco en lugar de la de vidrio para cualquier utilización.. -. Costo de la fibra de vidrio: 1.8 – 2.4 €/kg (ver tabla 1.1). -. Costo de la fibra de coco: 0.3 – 06€/kg (ver tabla 1.3). Tomando solamente como variable. El costo mínimo de ambos tipos de fibras, nos podemos dar cuenta de que por cada kilogramo de fibra de coco que se emplea en sustitución de cada kilogramo de fibra de vidrio, existe un ahorro de 1.5 euros. 48.