ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA Y AGROINDUSTRIA
OBTENCIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS HÍBRIDOS DE MATRIZ POLIÉSTER REFORZADA CON FIBRA DE COCO Y FIBRA
DE VIDRIO PARA LA ELABORACIÓN DE TABLEROS
PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO QUÍMICO
FAVIO ROBERTO DELGADO ARCENTALES [email protected]
DIRECTOR: VÍCTOR GUERRERO, Ph.D. [email protected]
QUITO, noviembre 2012
©Escuela Politécnica Nacional 2012
Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN
Yo, Favio Roberto Delgado Arcentales, declaro que el trabajo aquí descrito es de
mi autoría, que no ha sido previamente presentado para ningún grado o
calificación profesional, y, que he consultado las referencias bibliográficas que se
incluyen en este documento.
La Escuela Politécnica Nacional puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad
Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
Favio Roberto Delgado Arcentales
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Favio Roberto Delgado
Arcentales bajo mi supervisión.
Víctor H. Guerrero, Ph.D.
DIRECTOR DE PROYECTO
AUSPICIO
La presente investigación contó con el auspicio financiero del proyecto PIC-08-
493, ‘’Desarrollo de Nuevos Materiales para Aplicaciones Estructurales e
Industriales’’ que se ejecutó en el Departamento de Ingeniería Mecánica de la
Escuela Politécnica Nacional.
.
AGRADECIMIENTOS
‘’Digno eres tú, Jehová nuestro Dios mismo, de recibir la gloria y la honra y el
poder, porque tú creaste todas las cosas, y a causa de tu voluntad existieron y
fueron creadas’’ Rev. 4:11.
i
DEDICATORIA A mis padres Mónica, Víctor y a mi abuelito César quienes con su amor y empeño
me han guiado con su ejemplo durante toda mi vida
ii
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN xvii INTRODUCCIÓN xix 1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA 1
1.1. Materiales compuestos reforzados con fibra natural 1
1.1.1. Matrices termoestables 2 1.1.1.1. Resinas de poliéster 3 1.1.1.2. Proceso de curado de las resinas 5
1.1.2. Matrices termoplásticas 8 1.1.3. Fibras naturales usadas como refuerzos 10
1.1.3.1. Ventajas y desventajas del uso de fibra natural como refuerzo 14 1.1.3.2. Fibras naturales en el Ecuador 14 1.1.3.3. Fibra de coco 18
1.1.4. Fibras de vidrio 20 1.1.4.1. Producción de fibras de vidrio 22 1.1.4.2. Mats de fibra de vidrio 24
1.1.5. Influencia de la longitud de fibra en las propiedades mecánicas de materiales compuestos 25
1.1.6. Influencia de la orientación de la fibra en las propiedades mecánicas de materiales compuestos 25
1.2. Materiales compuestos híbridos 26
1.2.1. Estructuras multicapa 32 1.2.2. Aplicaciones 33
1.3. Fabricación de materiales compuestos por estratificación 34
1.3.1. Mecanismos de adhesión entre la matriz y las fibras 34 1.3.1.1. Absorción y humedad 34 1.3.1.2. Interdifusión 34 1.3.1.3. Atracción electrostática 35 1.3.1.4. Enlace químico 35 1.3.1.5. Adhesión mecánica 35
1.3.2. Fracción volumétrica y distribución de las fibras en el material compuesto 36
1.3.3. Cantidad limitada de poros y defectos 37 1.3.4. Control dimensional de la pieza final 38 1.3.5. Procesamiento de materiales compuestos 38
1.3.5.1. Estratificación manual 38 1.3.5.2. Aspersión 40 1.3.5.3. Moldeo por compresión 41 1.3.5.4. Proceso del compuesto para moldeo de placas (CMP) 41
iii
2. PARTE EXPERIMENTAL 43 2.1. Materiales 43
2.1.1. Equipos evaluados en la extracción de fibra de coco 44 2.1.2. Equipos empleados en la fabricación de los compuestos híbridos 44 2.1.3. Equipos empleados en la caracterización mecánica 45
2.2. Métodos de ensayo 45 2.3. Ensayos preliminares 47 2.4. Selección del método de extracción de la fibra de coco 49
2.4.1. Métodos de extracción 50 2.4.1.1. Extracción manual 50 2.4.1.2. Extracción con grata 50 2.4.1.3. Extracción con trituradora 51
2.4.2. Facilidad de extracción de fibra 52 2.4.3. Cantidad de fibra, polvo y residuos sólidos generados 53 2.4.4. Tipo de fibra 53
2.5. Establecimiento de los parámetros de procesamiento de compuestos híbridos por estratificación 53
2.5.1. Dosificación 53 2.5.2. Presión 54 2.5.3. Tiempo de curado 54 2.5.4. Temperatura 54
2.6. Formulación de probetas de compuestos híbridos reforzados con fibras 55 2.7. Evaluación de las propiedades mecánicas del material compuesto 57
2.7.1. Ensayos de flexión 58 2.7.2. Ensayos de tracción 58 2.7.3. Selección de la fracción volumétrica y configuración de refuerzo
con mejores características físico-mecánicas 59 2.7.4. Ensayos de impacto 60
2.8. Elaboración de tableros y evaluación de sus propiedades mecánicas 61
2.8.1. Ensayo de flexión 64 2.8.2. Ensayo de tracción 65 2.8.3. Fabricación del prototipo 65
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 67
3.1. Ensayos preliminares 67
3.1.1. Determinación de las fracciones volumétricas de refuerzo 67 3.1.2. Determinación de la disposición del refuerzo híbrido 70
3.2. Selección del método de extracción de la fibra de coco 72
3.2.1. Facilidad de extracción de fibra 72 3.2.2. Cantidad de fibra, polvo y residuos sólidos generados 72
iv
3.2.3. Tipo de fibra 74 3.3. Establecimiento de los parámetros de procesamiento de compuestos híbridos por estratificación 77 3.4. Evaluación de las propiedades mecánicas del materiales compuestos 78
3.4.1. Ensayos de flexión 78 3.4.1.1. Módulo de flexión 82 3.4.1.2. Resistencia a la flexión 88 3.4.1.3. Deformación máxima 91
3.4.2. Ensayos de tracción 94 3.4.2.1. Módulo elástico de tracción 97 3.4.2.2. Resistencia a la tracción 101 3.4.2.3. Deformación a la rotura 104
3.4.3. Análisis de diferencias significativas entre las configuraciones 106 3.4.4. Selección de la fracción volumétrica y configuración de refuerzo
con mejores caracteristicas físico - mecánicas 109 3.4.5. Ensayos de impacto 113
3.5. Elaboración de tableros y evaluación de sus propiedades mecánicas 117
3.5.1. Fabricación del prototipo 121 3.5.2. Factibilidad técnica de fabricación de los compuestos híbridos 121
3.5.2.1. Pruebas de corte 122 3.5.2.2. Pruebas de agarre y perforación 123 3.5.2.3. Pruebas de lijado y ensamblaje 125
3.5.3. Selección del prototipo 127 3.5.4. Análisis económico 131
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 133
4.1. Conclusiones 133 4.2. Recomendaciones 135
BIBLIOGRAFÍA 136 ANEXOS 143
v
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1.1. Características de las matrices termoestables más comunes 2 Tabla 1.2. Propiedades mecánicas de matrices utilizadas en alta temperatura 2
Tabla 1.3. Propiedades mecánicas de resinas poliéster sin refuerzo 4
Tabla 1.4. Propiedades mecánicas de resinas de poliéster reforzadas con fibra
de vidrio 5
Tabla 1.5. Características de algunas matrices termoplásticas empleadas en
composites 8
Tabla 1.6. Propiedades mecánicas de matrices termoplásticas empleadas en
composites 9
Tabla 1.7. Características de las matrices empleadas en materiales compuestos 9
Tabla 1.8. Composición química y de contenido de humedad de algunas fibras
vegetales 11
Tabla 1.9. Propiedades físicas, mecánicas y ángulo microfibrilar de algunas
fibras naturales 11
Tabla 1.10. Propiedades mecánicas de materiales compuestos de matriz poliéster
reforzados con fibras naturales 12
Tabla 1.11. Propiedades a tracción de compuestos de matriz poliéster reforzados
con fibra de coco 12
Tabla 1.12. Propiedades mecánicas de materiales compuestos reforzados con
fibras naturales obtenidos en el proyecto PIC-08-493 ejecutado en la Escuela Politécnica Nacional 13
Tabla 1.13. Especies de plantas de las que se extraen fibras en el Ecuador 15
Tabla 1.14. Composición de la fibra de vidrio tipo E 21
Tabla 1.15. Propiedades mecánicas de la fibra de vidrio tipo E 21
Tabla 1.16. Propiedades mecánicas de compuestos de matriz poliéster
reforzados con diferentes tipos de fibra de vidrio 23
vi
Tabla 1.17. Eficiencia del reforzamiento de compuestos reforzados con fibras orientada en varias direcciones y esfuerzos aplicados en varias direcciones 26
Tabla 1.18. Algunas configuraciones del refuerzo híbrido 27
Tabla 1.19. Propiedades mecánicas de materiales híbridos de fibras de yute/ vidrio 28
Tabla 1.20. Propiedades mecánicas de compuestos híbridos de fibras de
lino/vidrio en una matriz de resina epoxi acrilada de aceite de soya (AESO) 28
Tabla 1.21. Propiedades mecánicas de compuestos híbridos obtenidos en
el proyecto PIC-08-493 ejecutado en la Escuela Politécnica Nacional 29
Tabla 1.22. Energías de impacto de algunos materiales compuestos según
la norma ASTM D 5628-07 31
Tabla 1.23. Propiedades mecánicas de tableros de matriz poliéster reforzados
de abacá y vidrio a una fracción volumétrica del 0,20 31
Tabla 1.24. Resultados de los ensayos de tracción norma ASTM D 3500 y flexión
norma ASTM D 3043en madera contrachapada de triplex 32
Tabla 2.1. Características de la resina Anderpol 859 44
Tabla 2.2. Formulación recomendada por el fabricante de la resina Anderpol 859 54
Tabla 2.3. Cantidad de probetas fabricadas en el proyecto 56
Tabla 3.1. Características de las probetas de tracción y flexión al incrementar
la fracción de fibra de coco en la matriz poliéster 68
Tabla 3.2. Efecto del incremento de la fracción de refuerzo en la facilidad de
manufactura de las probetas 69
Tabla 3.3. Propiedades mecánicas a flexión del compuesto Fc50-Fv50 de
acuerdo a la disposición del refuerzo 70
Tabla 3.4. Dimensiones de las probetas elaboradas 71
Tabla 3.5. Facilidad y rapidez de extracción de fibra de coco en los métodos de
extracción evaluados 72
Tabla 3.6. Cantidades de fibra y polvo de coco obtenidos con la extracción
manual 73
Tabla 3.7. Cantidades de fibra y polvo de coco extraídos con la trituradora
universal 73
vii
Tabla 3.8. Longitudes de fibra de coco observadas en la extracción manual 75
Tabla 3.9. Longitudes de fibra de coco observadas en la extracción con trituradora 75
Tabla 3.10. Ventajas y desventajas de los métodos de extracción propuestos 76
Tabla 3.11. Dosificación empleada en la elaboración del material híbrido 77
Tabla 3.12. Parámetros de procesamiento de compuestos híbridos fibra de
coco/vidrio 78
Tabla 3.13. Propiedades mecánicas a flexión de los compuestos de matriz
poliéster reforzados con fibra de coco/vidrio 79
Tabla 3.14. Módulos de trabajo a la flexión de los compuestos de matriz
poliéster reforzada con fibras de coco/vidrio 87
Tabla 3.15. Propiedades mecánicas a tracción de los compuestos de matriz
poliéster reforzada con fibra de coco/vidrio 95
Tabla 3.16. Formulaciones en las que no se observó diferencias significativas 106
Tabla 3.17. Ponderación obtenida por las configuraciones híbridas al 20 % de
refuerzo al considerar las propiedades mecánicas 109
Tabla 3.18. Ponderación de las mejores configuraciones al considerar la
cantidad de fibra de coco 112
Tabla 3.19. Parámetros para la selección de la configuración del refuerzo 113
Tabla 3.20. Resultados ensayos de impacto bajo la norma ASTM D 5628 113
Tabla 3.21. Resultados de los ensayos de tracción y flexión en tableros de
compuesto híbrido Fc50-Fv50 al 20 % de refuerzo 118
Tabla 3.22. Variación de las propiedades mecánicas de los tableros de
coco/vidrio respecto a los tableros de abacá/vidrio 120
Tabla 3.23. Comparación del desempeño post- maquinado de la madera vs.
tablero híbrido 127
Tabla 3.24. Resultados de la ponderación de las alternativas de fabricación de
un prototipo 128
Tabla 3.25. Costos de las materias primas empleadas en los tableros 131
Tabla 3.26. Costos de los servicios utilizados 131
viii
Tabla 3.27. Costos de los materiales indirectos 131
Tabla 3.28. Costo total de fabricación del prototipo 132
Tabla AII. 1. Dimensiones probetas y parámetros de ensayo a flexión según norma ASTM D 7264-07 147 Tabla AII. 2. Parámetros de ensayo a tracción según la norma ASTM D 3039-07 148 Tabla AII. 3. Dimensiones probetas de impacto según norma ASTM D 5628-07 149 Tabla AIII. 1. Propiedades mecánicas a tracción y flexión para la resina poliéster
Anderpol 859 152 Tabla AIII. 2. Resultados ensayos a tracción de compuestos híbridos según la norma ASTM D 3039 para una fracción volumétrica de 0,15 153 Tabla AIII. 3. Resultados ensayos a tracción de compuestos híbridos según la norma ASTM D 3039 para una fracción volumétrica de 0,20 154 Tabla AIII. 4. Resultados ensayos a flexión de compuestos híbridos según la norma ASTM D 7264 para una fracción volumétrica de 0,15 155 Tabla AIII. 5. Resultados ensayos a flexión de compuestos híbridos según la norma ASTM D 7264 para una fracción volumétrica de 0,20 156 Tabla AIII. 6. Resultados ensayos de impacto según norma ASTM D 5628
para la resina poliéster Anderpol 859 157 Tabla AIII. 7. Resultados ensayos de impacto según norma ASTM D 5628
para el compuesto híbrido al 20 % de refuerzo y configuración Fc50-Fv50 157
Tabla AIII. 8. Resultados ensayos de impacto resina según norma ASTM D 5628
para poliéster reforzada con el 20 % de fibra de vidrio 158 Tabla AIII. 9. Parámetros encontrados en cada ensayo de impacto 158 Tabla AIII. 10. Resultados ensayos de tracción y flexión según normas
ASTM D 3500 y ASTM D 3043, respectivamente para tableros de compuesto híbrido 158
Tabla AIV. 1. Establecimiento de los criterios a ponderarse en los ensayos a tracción 159 Tabla AIV. 2. Criterios de evaluación para las propiedades observadas en los ensayos de tracción 160
ix
Tabla AIV. 3. Comparación y ponderación de las propiedades a tracción de las formulaciones 160 Tabla AIV. 4. Ponderación alcanzada por las configuraciones en los ensayos a tracción 161 Tabla AIV. 5. Criterios de evaluación para las propiedades observadas en los ensayos de flexión 162 Tabla AIV. 6. Comparación y ponderación de las propiedades a flexión de las formulaciones 162 Tabla AIV. 7. Ponderación final alcanzada por las configuraciones en los ensayos a flexión 163 Tabla AIV. 8. Criterios de evaluación para las propiedades mecánicas 163 Tabla AIV. 9. Ponderación final obtenida por las configuraciones en los ensayos de tracción y flexión 164 Tabla AIV. 10. Criterios de evaluación para la selección de la configuración de refuerzo 164 Tabla AIV. 11. Comparación y ponderación de los criterios de evaluación en las formulaciones híbridas mejor puntuadas 165 Tabla AV. 1. Ponderación y evaluación de los criterios analizados en las alternativas 166
x
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1.1. Estructura molecular de anhídridos y diácidos utilizados en la síntesis de resinas poliéster; a) Anhídrido maleico; b) Ácido maleico; c) Ácido fumárico 3
Figura 1.2. Representación molecular de glicoles utilizados en la síntesis de
resinas poliéster; a) Etilen glicol; b) Propilen glicol ; c) Neo-pentil glicol 3 Figura 1.3. Reacciones de formación y curado de la resina poliéster 6 Figura 1.4. Curva exotérmica característica de una resina poliéster 7 Figura 1.5. Planta de cocotero 16 Figura 1.6. Producción de fruta de coco en el Ecuador 17 Figura 1.7. Partes del fruto de coco 18 Figura 1.8. Extracción de cáscaras de coco; a) Técnica de punta; b) Primera
inserción con cuchillo levantamiento de la cáscara y separación de las mechas 19
Figura 1.9. Cáscaras de coco 20 Figura 1.10. Producción de fibra de vidrio 22 Figura 1.11. Tipos de fibra de vidrio; a) Hilo de fibra de vidrio; b) Mats de fibra
de vidrio, c) Tela tejida con hilo de fibra de vidrio; d) Roving tejido 23 Figura 1.12. Mats de fibra de vidrio 24 Figura 1.13. Patrón de deformación en una matriz que rodea a una fibra sometida
a un esfuerzo de tracción 25 Figura 1.14. Orientación de las fibras; a) Unidireccional; b) Tejido bidireccional;
c) Tejido multidireccional; d) Mat de hilos continuos e) Fibras cortas orientadas al azar 26
Figura 1.15. Curvas de esfuerzo vs. deformación de una matriz poliéster
reforzada con fibras de abacá y vidrio; a) Ensayos de flexión, b) Ensayos de tracción 30
Figura 1.16. Estructura tipo emparedado 32
xi
Figura 1.17. Métodos de modificación de superficie 36 Figura 1.18. Distribución de las fibras en una matriz; a) Longitudinalmente;
b) Al azar 37 Figura 1.19. Proceso de estratificación manual 39 Figura 1.20. Proceso de aspersión 40 Figura 1.21. Moldeo por compresión 41 Figura 1.22. Proceso de moldeo por placas 42 Figura 2.1. Esquema del procedimiento experimental 46 Figura 2.2. Estrategia metodológica seguida en los ensayos preliminares 48 Figura 2.3. Disposición de las fibras en el refuerzo híbrido 49 Figura 2.4. Extracción de la fibra de coco con un cepillo metálico 50 Figura 2.5. Extracción de la fibra de coco con una grata metálica 50 Figura 2.6. Trituradora universal 51 Figura 2.7. Comparación de los anchos de cáscara que ingresa a la trituradora,
parte superior cáscaras de 5-6 cm, parte inferior cáscaras de 2-3 cm 51 Figura 2.8. Tamizado de las fibras a la salida de la trituradora 52 Figura 2.9. Selección de la fibra idónea a emplear en los ensayos 52 Figura 2.10. Diseño experimental propuesto para la formulación de materiales
compuestos híbridos 55 Figura 2.11. Pasos del proceso de elaboración de probetas de material compuesto
híbrido 57 Figura 2.12. Esquema de la estrategia metodológica seguida en la caracterización
mecánica de los compuestos híbridos 57 Figura 2.13. Ensayos mecánicos; a) Ensayo de tracción; b) Ensayo de flexión
a tres puntos 59 Figura 2.14. Vista frontal y lateral de las probetas empleadas en los ensayos;
a) Flexión según norma ASTM D 7264-07; b) Tracción según norma ASTM D 3039-07 59
xii
Figura 2.15. Probetas para el ensayo de impacto de acuerdo a las dimensiones especificadas en la norma ASTM D 5628 61
Figura 2.16. Estrategia metodológica seguida en la elaboración de tableros 62 Figura 2.17. Método de elaboración de tableros de 70 cm × 70 cm del compuesto
híbrido fibra de coco/vidrio 63 Figura 2.18. Tablero de compuesto híbrido fibra de coco/vidrio obtenido 64 Figura 2.19. Vista frontal y lateral de las probetas empleadas en los ensayos;
a) Flexión norma ASTM D 3034; b) Tracción norma ASTM D 3500 65 Figura 3.1. a) Probetas de tracción a 0; 15; 20 y 33 % de fibra de coco de refuerzo;
b) Dificultad de ingreso de las fibras al incrementar el porcentaje de refuerzo 68
Figura 3.2. Fibra de coco extraída en el proceso mediante trituradora universal 74 Figura 3.3. Fibra de coco extraída observada al microscopio con aumento 20x;
a) Extracción con trituradora; b) Extracción manual 74 Figura 3.4. Efecto en la densidad de los compuestos del incremento de la fracción
en el refuerzo de 0,15 a 0,20 80 Figura 3.5. Curvas esfuerzo vs. deformación a la flexión para compuestos de
matriz poliéster reforzada con fibra de coco/vidrio a una fracción volumétrica de 0,15 81
Figura 3.6. Curvas esfuerzo vs. deformación a la flexión para compuestos de
matriz poliéster reforzada con fibra de coco/vidrio a una fracción volumétrica de 0,20 81
Figura 3.7. Incremento del módulo elástico a la flexión de los compuestos
conforme aumenta en 25 % la concentración de fibra de vidrio en el refuerzo 83
Figura 3.8. Efecto del incremento de fibra de vidrio en el módulo de young de
algunos compuestos híbridos reforzados al 20 % 84 Figura 3.9. Efecto del incremento de la fracción volumétrica de refuerzo de 0,15
a 0,20 en los módulos elásticos a flexión de los materiales compuestos 85 Figura 3.10. Tramos de la curva esfuerzo vs. deformación a la flexión de un
compuesto híbrido en el que se calculó el módulo de young y el módulo de trabajo 86
Figura 3.11. Incremento de la resistencia a la flexión conforme aumenta en 25 %
la fracción de fibra de vidrio en el refuerzo 88
xiii
Figura 3.12. Efecto del incremento de fibra de vidrio en la resistencia a la flexión de algunos compuestos híbridos reforzados al 20 % 88
Figura 3.13. Efecto del incremento de la fracción volumétrica de 0,15 a 0,20 en la
resistencia a la flexión de los compuestos 89 Figura 3.14. Módulo de flexión específico vs. resistencia a la flexión específica de
algunos compuestos híbridos 90 Figura 3.15. Efecto del incremento de la fracción volumétrica de 0,15 a 0,20 en la
deformación máxima a la flexión de los compuestos 92 Figura 3.16. Probetas de flexión compuestos híbridos; a) Ensayadas;
b) Acercamiento a la fractura; c) Vista lateral 93 Figura 3.17. Acercamiento falla de una probeta a flexión de compuesto híbrido 93 Figura 3.18. Efecto del incremento de la fracción volumétrica de 0,15 a 0,20 en la
densidad de los compuestos 94 Figura 3.19. Curvas esfuerzo vs. deformación a la tracción para compuestos de
matriz poliéster reforzada con fibras de coco/vidrio a una fracción volumétrica de 0,15 96
Figura 3.20. Curvas esfuerzo vs. deformación a la tracción para compuestos de
matriz poliéster reforzada con fibras de coco/vidrio a una fracción volumétrica de 0,20 96
Figura 3.21. Incremento del módulo elástico a la tracción de los compuestos
conforme aumenta en 25 % la fracción de fibra de vidrio en el refuerzo 98 Figura 3.22. Efecto del incremento de fibra de vidrio en los módulos de young a
tracción de algunos compuestos híbridos reforzados al 20 % 98 Figura 3.23. Efecto del incremento de la fracción volumétrica de 0,15 a 0,20 en el
módulo elástico a la tracción de los compuestos 99 Figura 3.24. Variación del módulo elástico conforme se incrementa la fracción
de fibra de coco en una matriz poliéster 100 Figura 3.25. Incremento de la resistencia a la tracción conforme aumenta la
fracción de fibra de vidrio en el refuerzo híbrido fibra de coco/vidrio 100 Figura 3.26. Variación de la resistencia a la tracción conforme se incrementa la
fracción de refuerzo de fibra de coco en una matriz poliéster 101 Figura 3.27. Efecto del incremento de la fracción de refuerzo de 0,15 a 0,20 en la
resistencia a la tracción de los compuestos 102
xiv
Figura 3.28. Módulo a la tracción específico vs. resistencia a la tracción específica para algunos compuestos híbridos 103
Figura 3.29. Efecto del incremento en la fracción volumétrica de refuerzo de 0,15
a 0,20 en la deformación máxima de los compuestos 104 Figura 3.30. Probetas de tracción compuesto híbrido fibra de coco/vidrio;
a) Ensayadas; b) Acercamiento a la zona de fractura 105 Figura 3.31. Diferencias significativas presentes ; a) Módulo a la flexión;
b) Esfuerzo a la flexión 107 Figura 3.32. Diferencias significativas presentes; a) Módulo a la tracción;
b) Esfuerzo a la tracción 108 Figura 3.33. Gráfico multieje de las propiedades mecánicas exhibidas en las
configuraciones de refuerzo para una fracción volumétrica de 0,20 110 Figura 3.34. Resistencia específica a la tracción vs. módulo específico a la tracción
de las distintas configuraciones de refuerzo híbrido coco/vidrio 111 Figura 3.35. Resistencia específica a la flexión vs. módulo específico a la flexión
de las distintas configuraciones de refuerzo híbrido coco/vidrio 111 Figura 3.36. Desempeño de las formulaciones al ensayo de impacto 114 Figura 3.37. a) Probetas de matriz poliéster; b) Probetas de compuesto híbrido
Fc50-Fv50 al 20 % de refuerzo, antes y después del ensayo 115 Figura 3.38. Gráfico multieje de las propiedades mecánicas exhibidas en las
configuraciones de refuerzo para una fracción volumétrica de 0,20 116 Figura 3.39. Propiedades mecánicas exhibidas en el compuesto Fc50-Fv50 y otros
compuestos híbridos al 20 % de refuerzo y 50/50 fibra natural/ fibra de vidrio 117
Figura 3.40. Comparación de la resistencia máxima a la tracción alcanzada por
la madera contrachapada y el material híbrido Fc50-Fv50 reforzado al 20 % 118
Figura 3.41. Comparación de la resistencia máxima a la flexión alcanzada por
la madera contrachapada y el material híbrido Fc50-Fv50 reforzado al 20 % 119
Figura 3.42. Comparación del módulo a la flexión alcanzado por la madera
contrachapada y el material híbrido Fc50-Fv50 reforzado al 20 % 119 Figura 3.43. Serrucho con cuchillas gastadas al poco tiempo de uso en el tablero
híbrido 122
xv
Figura 3.44. Corte del tablero híbrido con una caladora 122 Figura 3.45. Corte del tablero híbrido en una mesa de corte 123 Figura 3.46. Taladrado frontal y lateral del tablero híbrido 124 Figura 3.47. Delaminaciones causadas por la perforación a la entrada y salida
de la broca 124 Figura 3.48. Ingreso tornillo auto-roscable 125 Figura 3.49. Análisis de perforación 125 Figura 3.50. Lijado filos del tablero híbrido 126 Figura 3.51. Pegado de piezas del tablero híbrido 126 Figura 3.52. Alternativas para fabricación de un prototipo 128 Figura 3.53. Mueble para dispositivos audiovisuales 130 Figura 3.54. Mueble terminado 130 Figura AV.1. Esquema y dimensiones usadas en la fabricación del prototipo 167
xvi
ÍNDICE DE ANEXOS PÁGINA ANEXO I Determinación de la densidad de las fibras y cantidad de refuerzo empleada en los compuestos 144 ANEXO II Fórmulas empleadas en los ensayos mecánicos 147 ANEXO III Resultados propiedades mecánicas de materiales compuestos híbridos 152 ANEXO IV Selección de la fracción volumétrica y configuración de refuerzo 159 ANEXO V Selección del prototipo 166
xvii
RESUMEN
El objetivo del presente trabajo es obtener, caracterizar y evaluar las propiedades
mecánicas de materiales compuestos híbridos de poliéster insaturado reforzado
con fibra de coco y fibra de vidrio, para seleccionar y utilizar los composites más
idóneos para elaborar tableros. Para ello, se fabricaron probetas de tracción,
flexión e impacto de acuerdo a lo descrito en las normas ASTM D 3039, ASTM D
7264 y ASTM D 5628, respectivamente. En la fabricación de probetas se utilizó la
técnica de estratificación manual y se colocó a las fibras de acuerdo a la
disposición tipo emparedado vidrio-coco-vidrio.
Posteriormente, se analizó la influencia de la variación de la fracción volumétrica
de las fibras de coco y vidrio dentro del refuerzo híbrido en las propiedades
mecánicas del compuesto. Para ello, se variaron las fracciones volumétricas en
25/75,50/50,75/25 y se compararon con las fracciones al 100 % de fibra de coco y
100 % de fibra de vidrio. De igual manera, se estudió la incidencia de la fracción
volumétrica del refuerzo híbrido en dichas propiedades y se consideró dos
fracciones volumétricas de refuerzo: 0,15 y 0,20.
Los ensayos mecánicos efectuados permitieron concluir que las propiedades
mecánicas fueron superiores con la fracción volumétrica de refuerzo de 0,20, y
que la configuración Fc50-Fv50, combinó características deseables en
aplicaciones estructurales, tales como las buenas propiedades mecánicas y baja
densidad. Así, con respecto a la matriz poliéster para los ensayos a tracción, su
módulo elástico (3 960 MPa) y resistencia (38,6 MPa) aumentaron en un 231 % y
40 % respectivamente.
En los ensayos de flexión el incremento de las propiedades fue de 104 % para el
módulo elástico (4 094 MPa) y 51 % para la resistencia (89,2 MPa). Por el
contrario, al comparar con el refuerzo al 100 % de fibra de vidrio se observaron
disminuciones del 26 % y 48 % en el módulo elástico y resistencia a la tracción y
en los ensayos de flexión disminuciones del módulo elástico y resistencia de 9 %
y 20 %, cada uno.
xviii
Los ensayos de impacto revelaron que el compuesto híbrido absorbió un 361 %
más energía que la matriz poliéster (0,07 J) y un 37 % menos que el compuesto
reforzado con fibra de vidrio a una fracción volumétrica de refuerzo de 0,20.
Consecutivamente, con la configuración Fc50-Fv50 y fracción de refuerzo de 0,20
se elaboraron tableros y se realizaron ensayos de tracción y flexión bajo las
normas ASTM D 3034 y ASTM D 3500, respectivamente. Los resultados
encontrados se compararon con las propiedades mecánicas de la madera
contrachapada. Se observó que los tableros de compuesto híbrido presentaron
resistencias a la tracción superiores en un 38,9 % y 10,9 % con respecto a la
madera de 12 mm y 18 mm, respectivamente. De igual manera con respecto a los
espesores mencionados, la resistencia a la flexión se incremento en 287 % y
113,91 % con relación a la madera con fibras paralelas y en 91 % y 229% con
respecto al contrachapado con fibras orientadas perpendicularmente. Finalmente,
al elaborar un prototipo del compuesto híbrido, se encontró facilidad en el post-
maquinado, sin embargo se requirió de materiales de corte más resistes y su
costo de fabricación fue superior ($ 90) en un 25% a un prototipo similar hecho
de madera ($ 72).
xix
INTRODUCCIÓN
La importancia de un material compuesto en aplicaciones de ingeniería radica en
que dos o más materiales distintos se pueden combinar para formar un nuevo
material, cuyas propiedades sean superiores en algún punto a las de sus
constituyentes (Smith, 2006, p. 648). La incorporación de las fibras naturales en
los materiales compuestos busca satisfacer las nuevas necesidades de la
sociedad actual, especialmente por las tendencias del uso de fuentes de recursos
renovables en lugar del uso de derivados del petróleo. La mayoría de materiales
compuestos reforzados con fibras se caracterizan por presentar mejores
resistencias a la fatiga, rigidez y una buena relación resistencia-peso (Askeland,
1998, p. 517).
En el presente proyecto de titulación se pretende combinar de manera sinérgica
las propiedades individuales de la fibra de coco y la fibra de vidrio en una matriz
de resina poliéster para obtener un material compuesto híbrido que posea una
alta versatilidad de aplicación. El propósito de los refuerzos en las matrices
poliméricas es mejorar su rigidez y resistencia mecánica. Se empleará a la fibra
de vidrio, ya que es muy utilizada para reforzar matrices plásticas y formar así
materiales compuestos estructurales y productos de moldeo. La fibra de vidrio es
un material que presenta una alta densidad y posee una alta transparencia,
fragilidad, dureza y elevada resistencia a la tracción. Por esto, con la utilización de
la fibra de vidrio se pretende lograr un material compuesto híbrido con mayor
resistencia mecánica en comparación a la que presentaría el material compuesto
elaborado únicamente al adicionar fibra de coco. Sin embargo, la fibra de vidrio
tiene como desventajas la alta densidad, sensibilidad a la abrasión durante su
manejo y una baja resistencia a la fatiga.
Estas desventajas se pueden mitigar al combinar a la fibra de vidrio con una fibra
natural que complemente sus propiedades. Se ha escogido a la fibra de coco
debido a su baja densidad, bajo costo (es considerada prácticamente un desecho
agroindustrial), carácter biodegradable y disponibilidad. No obstante, tiene como
desventajas la baja estabilidad dimensional y propiedades mecánicas inferiores
xx
con relación con las fibras sintéticas (Neto y Pardini, 2006, p. 98). En
consecuencia, se puede acotar que la gran resistencia de la fibra de vidrio con
relación a la fibra de coco, la mejor elasticidad y menor densidad de esta última
con relación a la primera, permite predecir que al combinar sus propiedades
físicas y mecánicas, se obtendrá un compuesto híbrido más liviano y resistente,
con características superiores a las de los materiales individuales. Por otra parte,
es importante indicar que la fibra de coco posee un potencial enorme de
explotación en el Ecuador. A nivel nacional la producción anual de fruta de coco
está alrededor de 50 886 t, en la que Esmeraldas es el mayor productor con 37
415 t, seguido de Manabí con 11 569 t, de acuerdo a la última investigación
realizada por el Ministerio de Agricultura y Ganadería (MAG, 2006).
Lamentablemente, en el Ecuador no se explotan los residuos sólidos generados,
por lo que se convierten en desechos que son destinados a botaderos de basura.
En el mejor de los casos las fibras, cáscaras y otros residuos sólidos del coco se
queman como combustible para producir vapor o se utiliza el cuesco para
elaborar carbón activado. Los residuos que no son empleados para este fin
ocupan un área representativa y son una fuente de proliferación de enfermedades
(Tapia, Paredes y Correa, 2009). En otros países la fibra corta y el polvillo del
cocotero tienen una alta demanda y potencial para la industria de los viveros e
invernaderos (Conacoco, 2010). En países como Brasil, esta fibra también es
utilizada como materia prima para la elaboración de partes de autos, materiales
de construcción, paneles de computadoras, entre otros (Revista acadêmica
Urutágua, 2004)
Existen pocos estudios al respecto de esta temática, razón por la cual este
proyecto aspira utilizar este desecho y convertirlo en un producto que alcance un
mayor valor agregado mediante la elaboración de materiales compuestos híbridos
en los que se incorpore a la fibra de coco como parte del refuerzo. Con el
aprovechamiento de este residuo se desea contribuir a una cultura ambiental en
la región, que posibilite sustituir materiales que son utilizados por mercados
nacionales e internacionales y que muchas veces por su composición química
constituyen un riesgo significativo para la sociedad y el medio ambiente.
xxi
La incorporación de fibras de coco permitirá reducir la concentración de la matriz
poliéster insaturada y cierta cantidad de fibra de vidrio. El empleo de los
materiales compuestos híbridos reforzados con fibra de coco y fibra de vidrio
tendría una amplia aplicación industrial en diversos campos como el automotriz y
el de la construcción, revestimientos internos de autos y elementos tales como
pedales, muebles y tableros el cual es uno de los objetivos del proyecto.
El proyecto, además de beneficiar a los productores de coco y contribuir en el
área ambiental, espera abrir campos de investigación para crear alternativas de
utilización de este recurso. Por ello, esta investigación se realizó con auspicio del
proyecto PIC-08-493 “Desarrollo de Nuevos Materiales para Aplicaciones
Estructurales e Industriales” cofinanciado por Senacyt y ejecutado en la E.P.N.
xxii
SIMBOLOGÍA
RX fracción volumétrica de cada constituyente del refuerzo
GX fracción volumétrica del refuerzo en la matriz
% v/v porcentaje en volumen
% w porcentaje en peso
peso de la probeta
masa de fibra de coco
masa de fibra de vidrio
densidad
densidad de la fibra
densidad de la matriz
75FLA/25Fv matriz poliéster reforzada al 20 % con el 75 % de fibra larga de abacá y 25 % de mats de fibra de vidrio
cps centipoises
Cv coeficiente de variación
Fc fibra de coco
Fc50-Fv50 refuerzo formado por el 50 % de fibra de coco y 50 % fibra de vidrio
Fc-Fv-Fc disposición con la fibra de vidrio en el centro y capas de fibra de coco en los extremos
Fv fibra de vidrio
Fv-Fc-Fv disposición con la fibra de coco en el centro y capas de fibra de vidrio en los extremos
GPa gigapascal
kJ kilojoule
L.E.15d.23 % matriz poliéster reforzada al 23 % con cabuya longitudinal
mm milímetro
mm/min milímetro por minuto
MPa megapascal
psi libra/pulgada2
T45°.E.15d.28 % matriz poliéster reforzada al 28 % con tejido a 45°
vp volumen de la probeta
1
1. REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA
En este capítulo se describe el uso de fibras naturales y fibras sintéticas como
refuerzo de materiales compuestos, sus características físicas y mecánicas. Se
analizan las matrices poliméricas empleadas así como los mecanismos de
interacción entre la matriz y el refuerzo. Por último, se mencionan los métodos de
fabricación de materiales compuestos existentes en la actualidad y se hace
hincapié en la técnica de estratificación manual.
1.1. MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRA
NATURAL
Los materiales compuestos son materiales multifases que conjugan las
propiedades de las fases constituyentes de manera que resulte la mejor
combinación posible. Un material compuesto está formado por dos fases
principales: la matriz y el refuerzo. La primera es el medio en el cual se encuentra
alojado el refuerzo y distinguible a simple vista por ser un medio continuo, esta
otorga al compuesto ductilidad, tenacidad y transmite los esfuerzos inducidos a
los refuerzos para que estos soporten la mayor parte de la fuerza aplicada. Se
suele adicionar refuerzos de otros materiales en forma de: fibras, whiskers (fibras
inorgánicas cortas muy delgadas), partículas, entre otros, con la finalidad de
elevar sus propiedades mecánicas. Los refuerzos determinan la estructura interna
de los materiales compuestos, por lo que deben estar fuertemente unidos a la
matriz (Mitchell, 2004, p.100; Newton, 2007, p. 21).
Por otra parte, los compuestos reforzados con fibras pueden ser clasificados de
acuerdo al tipo de matriz, estas pueden ser: metálicas, cerámicas y poliméricas.
La aplicación a la que se va a destinar el material compuesto dicta la selección.
La mayoría de compuestos poliméricos tradicionales emplean matrices
termoestables, razón por la cual, se profundizará en el estudio de las mismas
(Chung, 2010, p. 4).
2
1.1.1. MATRICES TERMOESTABLES
Las matrices termoestables son líquidos viscosos que por efecto de una reacción
de endurecimiento forman una gran red molecular integrada por una serie de
enlaces cruzados entre cadenas moleculares que dan forma a un sólido que no
puede ser reprocesado. El curado se da por el desprendimiento de calor interno
(reacción exotérmica) o por calor inducido. En la Tabla 1.1, se presentan algunas
de las resinas más comunes y en la Tabla 1.2, las propiedades mecánicas de tres
matrices usadas con altas temperaturas (Besednjak, 2005, p. 24; Campbell, 2004,
p. 10).
Tabla 1.1. Características de las matrices termoestables más comunes
(Campbell, 2004, p. 10; Miravete, 2007, p. 55)
Tabla 1.2. Propiedades mecánicas de matrices utilizadas en alta temperatura
Propiedades Epoxi Esteres cianato Bismaleimida
Densidad (kg/m3) 1 200-1 250 1 100-1 350 1 200-1 300
Resistencia a la tracción (MPa) 48-90 69-90 35-90
Módulo a tracción (MPa) 3 100-3 800 3 100-3 400 3 400-4 100
Deformación a la rotura (%) 1,5-8,0 2,0-5,0 1,5-3,0
Temperatura de curado (oC) 150-220 177-250 220-300
Absorción de agua (%) 2,0-6,0 1,3-2,5 4,0-4,5
(Miravete, 2007, p. 81)
Resinas Características
Poliéster Utilizado ampliamente en aplicaciones comerciales, de bajo costo y flexibilidad en el procesamiento. Empleada con bajas temperaturas.
Vinil éster Similar al poliéster pero con mejores propiedades mecánicas y mayor resistencia a la humedad y al fuego. Son de elevado costo.
Epóxicas Son costosas, de alto rendimiento, usadas primordialmente con compuestos de fibra continua. Tienen mejor rendimiento a temperaturas elevadas que el poliéster y el vinil.
Bismaleimida Usadas a temperaturas de 135-177 ºC. Requiere post-curado a elevada temperatura.
Poliamidas Resinas usadas a muy altas temperaturas en un rango de 280-316 ºC. Difíciles de procesar.
Fenólicas Resinas de alta temperatura, usadas en aeronaves. La resistencia al fuego es excelente. Son difíciles de procesar.
Esteres cianato
Son matrices versátiles que ofrecen elevada resistencia, dureza, propiedades eléctricas y muy baja absorción de humedad. Fueron creadas para competir con las bismaleimidas. Son empleadas en la fabricación de antenas, misiles y microelectrónica.
3
1.1.1.1. Resinas de poliéster
Son sustancias líquidas de baja viscosidad que se pueden mezclar con grandes
cantidades de cargas y refuerzos. Químicamente se forman por la reacción de un
diol con un diácido o un anhídrido que contiene dobles enlaces carbono-carbono
reactivo, a través de una reacción de polimerización por etapas (Smith, 2006, p.
527). Las resinas poliéster pueden presentar mezclas de diferentes dioles y
diácidos, como los que se muestran en la Figura 1.1 y en la Figura 1.2
respectivamente.
Estas combinaciones permiten obtener resinas con propiedades especiales y de
alta versatilidad. Entre las resinas de poliéster más utilizadas se encuentran las
siguientes:
Ortoftálicas. Son las resinas más utilizadas entre las resinas poliéster debido a
su bajo costo. Están formadas por la combinación de un anhídrido maleico y un
anhídrido ftálico con glicoles. Se utiliza en estratificados industriales, placas
onduladas y planas, barcos, etc. (Besednjak, 2005, p. 28 ;Miravete, 2007, p 63).
Figura 1.1. Estructura molecular de anhídridos y diácidos utilizados en la síntesis de resinas poliéster; a) Anhídrido maleico; b) Ácido maleico; c) Ácido fumárico
(Neto y Pardini, 2006, p. 17)
Figura 1.2. Representación molecular de glicoles utilizados en la síntesis de resinas poliéster; a) Etilen glicol; b) Propilen glicol; c) Neo-pentil glicol.
(Neto y Pardini, 2006, p. 18)
a b c
a b c
4
Isoftálicas. Presentan mejores propiedades mecánicas que las ortoftálicas y
menor absorción de humedad. Esto se logra gracias a la sustitución del anhídrido
ftálico por ácidos isoftálicos que potencian su resistencia química y resistencia al
agua. Se utiliza en depósitos, gel coats (cera utilizada para dar terminado de alta
calidad al material), entre otros (Besednjak, 2005, p. 28; Miravete, 2007, p. 63).
Isoftálicas/Neopentil glicol. ‘‘Son aquellas en las que se sustituye el propilen
glicol por el neopentil glicol, lo cual mejora la resistencia química de la resina
isoftálica’’ (Besednjak, 2005, p. 28).
Bisfenólicas. Son el producto de la combinación de un anhídrido fumárico y un
anhídrido ftálico con el bisfenol A. Presenta buenas propiedades mecánicas y
químicas, aunque su costo es elevado, son las resinas más idóneas para
ambientes corrosivos (Besednjak, 2005, p. 28; Miravete, 2007, p. 63).
Ácido HET. Resulta de la combinación de un anhídrido maleico y un ácido HET
(ácido cloréndico utilizado en la síntesis de retardantes de llama) con el
etilenglicol o dietilenglicol. Esta resina es utilizada en aplicaciones en la que se
requiera resistencia al fuego y a ambientes corrosivos (Miravete, 2007, p. 63). En
la Tabla 1.3, se presentan las propiedades mecánicas de las resinas de poliéster
descritas.
Tabla 1.3. Propiedades mecánicas de resinas de poliéster sin refuerzo
Tipo de resina poliéster
Resistencia a la flexión (MPa)
Resistencia a la tracción (MPa)
Módulo a la tracción (GPa)
Porcentaje de elongación
Ortoftálica 100 65-75 3,2 2,0-4,0
Isoftálica 140 70-85 3,5 3,5
Neopentil-glicol 130 70 3,4 2,4
Isoftálica / Neopentilenglicol
130 60 3,4 2,5
Ácido HET 80 40-50 3,2 1,3-4,0
Isoftálica /ácido HET 85 55 3,2 2,9
Bisfenol - A 130 60-75 3,2 2,5-4,0
( Miravete, 2007, p. 64)
5
En la Tabla 1.4 se observa que al reforzar con fibra de vidrio las diferentes
resinas de poliéster, estas mejoran sus propiedades mecánicas. Esto refleja la
buena adherencia de la fibra de vidrio con las matrices. Para la selección de la
resina se deberá considerar las propiedades que se desean en el producto a
fabricar y el costo que estas representarían en el mismo.
Tabla 1.4. Propiedades mecánicas de resinas de poliéster reforzadas con fibra de vidrio
Tipo de resina poliéster
Porcentaje de refuerzo con
fibra de vidrio
Resistencia a la flexión
(MPa)
Resistencia a la tracción
(MPa)
Módulo de tracción (GPa)
Ortoftálica 30 150 90 7
Isoftálica 30 230 120 8
Neopentil-glicol 30 170 90 7
Isoftálica / Neopentilenglicol
30 160 90 7
Ácido HET 30 150 85 7
Isoftálica/ácido HET 30 150 90 7
Bisfenol - A 30 170 90 7
(Miravete, 2007, p. 64)
1.1.1.2. Proceso de curado de las resinas
Se denomina curado al proceso por el cual la resina se transforma de un estado
líquido a un estado sólido. Para ello, es necesario adicionar a la resina diferentes
sustancias como un catalizador, activador y un agente de enlace molecular como
el monómero estireno. Los catalizadores y activadores, rompen los dobles
enlaces carbono-carbono presentes en el poliéster y el monómero estireno y
forman entrecruzamientos. Específicamente, el activador cumple con la función de
activar la reacción de polimerización a temperatura ambiente, sin embargo, no
logra por sí mismo una reacción completa. Entre los promotores más utilizados se
tiene al octoato de cobalto y al naftenato de cobalto. Su adición se hace en bajas
cantidades. El catalizador o agente de curado, aporta con radicales libres que
atacan a las insaturaciones de la resina poliéster y permiten la unión del
monómero de estireno a la resina, como se observa en la Figura 1.3. Esto da
inicio a una polimerización en cadena que genera un copolímero estireno-
6
poliéster, lo cual forma una red termorrígida (Neto y Pardini, 2006, pp. 14-18;
Smith, 2006, p. 527).
Figura 1.3. Reacciones de formación y curado de la resina poliéster (Smith, 2006, p. 528)
El catalizador más utilizado es el peróxido de metil-etil-cetona (MEKP, por sus
siglas en inglés). Las cantidades de activador y catalizador permiten alargar o
acortar el tiempo de la reacción (velocidad de reacción). Al momento que estas se
mezclan comienza la fase de endurecimiento. Como se observa en la Figura 1.4,
al inicio de la reacción no existe un incremento notable de la temperatura de la
mezcla, sin embargo su viscosidad incrementa hasta convertirse en un gel que
imposibilita el impregnado de los refuerzos. El tiempo desde el estado de líquido
viscoso a gel se conoce como tiempo de gelificación y determina los límites de
trabajo de la resina.
A partir de este tiempo comienza la fase de endurecimiento de la resina o
polimerización, en la que se dan entrecruzamientos moleculares que desprenden
calor de forma exotérmica, razón por la cual incrementa la temperatura de la
7
mezcla y llega a sobrepasar los 150 oC hasta alcanzar finalmente la temperatura
máxima (pico exotérmico).
Figura 1.4. Curva exotérmica característica de una resina poliéster (Miravete, 2007, p. 67)
Posteriormente, disminuyen las reacciones químicas y comienza a descender
lentamente la temperatura hasta alcanzar la temperatura ambiente, esta fase se
conoce como enfriamiento o curado final. En esta etapa la resina ya presenta un
estado sólido. El post-curado puede realizarse a temperatura ambiental, de
acuerdo al tipo de resina utilizada en el mismo. Como referencia se puede acotar
que una resina poliéster necesita al menos entre 24 y 48 horas a 20 oC para
alcanzar un grado de curado del 90 %. Sin embargo, el curado total se producirá a
lo largo de varias semanas.
Cada etapa del curado dependerá de las concentraciones de activador y
catalizador, la temperatura ambiental y el espesor que se requiera dar al
laminado. A espesores elevados como 30 mm se presentan grandes picos
exotérmicos, y debido a la mala conductividad térmica de las resinas no se logra
eliminar el calor generado, lo cual podría perjudicar la pieza con formaciones de
grietas y decoloración. Es por esta razón que se recomienda realizar laminados
en etapas, para favorecer la eliminación de calor generado (Besednjak, 2005, pp.
25-26).
8
1.1.2. MATRICES TERMOPLÁSTICAS
Las matrices termoplásticas son moléculas de cadena lineal o ramificada, con
enlaces intramoleculares fuertes y enlaces intermoleculares débiles. Presentan
estructuras amorfas o semicristalinas. Generalmente se encuentran en estado
sólido, y tienen que ser fundidos para obtener un producto final o ser combinados
con otros materiales. La fusión y solidificación de estos polímeros son procesos
reversibles y pueden ser reconformados con la aplicación de presión y calor.
Presentan gran importancia comercial por lo que están presentes en artículos
moldeados y extruidos, fibras, películas, láminas, materiales de empaque,
pinturas, entre otros (Sreekumar y Thomas, 2008, p. 69). En la Tabla 1.5, se
presentan algunas características de las matrices más empleadas en composites
y en la Tabla 1.6, sus propiedades mecánicas.
Tabla 1.5. Características de algunas matrices termoplásticas empleadas en composites
Matriz Características Aplicaciones
Poliéter éter cetona
(PEEK)
Buena resistencia a la abrasión y absorción de agua, baja inflamabilidad y excelentes propiedades a temperaturas elevadas
Productos de moldeo y extrusión, de polímeros de alto rendimiento, tuberías, aislamiento eléctrico, rodamientos de automoción, etc
Polisulfuro de fenileno
(PPS)
Es un termoplástico semicristalino, reforzado con fibra de vidrio demuestra excelentes propiedades mecánicas, estabilidad térmica y resistencia química
Es usado en refuerzos de fibra de vidrio, partes eléctricas y electrónicas como enchufes, interruptores, partes de automóviles de admisión de aire, válvulas
Polietileno de alta
densidad (HDPE)
Lineal de alta densidad con mayor cristalinidad, densidad y rigidez que el LDPE, buena resistencia química.
Es usado para producir botellas, tubos y artículos domésticos
Polipropileno (PP)
Puede ser sintetizado en cualquiera de sus tres estructuras isotáctica, sindiotáctica y atáctica, de estas la isotáctica es la más importante por su resistencia al peso. Son de bajo costo
En componentes que necesitan esterilizarse, moldeo por inyección de piezas de automóviles, aparatos domésticos, carcasas, etc
Poli éter-imida (PEI)
Es un termoplástico amorfo con alta resistencia al calor, susceptible a procesos de moldeo convencionales (inyección, compresión o moldeo por soplado)
Empleado en tarjetas de circuitos impresos y discos duros para ordenadores y en materiales compuestos reforzados para aplicaciones aeroespaciales
Poliamida imida (PAI)
Es procesable en fusión y moldeable por inyección ya sea en forma pura o con cargas de refuerzo
Es químicamente inerte, usado en ambientes calientes y corrosivos, es auto-lubricante
(Mark, 1999, p. 260, 466, 471; Miravete, 2007, p. 85)
9
Tabla 1.6. Propiedades mecánicas de matrices termoplásticas empleadas en composites
Matriz
Densidad Módulo a la tracción (MPa)
Resistencia a la tracción (MPa)
Módulo a la flexión (MPa)
Resistencia a la flexión
(MPa)
PEEK 1,26 3 560 92 3 700 -
PPS 1,44 2 600-3 900 65 3 860 96
PE 0,92-0,99 60-290 10-60 - -
PP 0,90 1 195 26 1 267 24
PEI 1,27 3 000 105 3 300 150
PAI* 1,38 4 900 192 5 000 244
(Mark, 1999, 260, 466, 471; *PAi marca Torton 4203L con 3 % de TiO2 y 0,5 % de fluorocarbono)
Cabe notar que para la selección adecuada del tipo de matriz a usar en materiales
compuestos se deben considerar factores como el costo, la facilidad de
procesamiento y otros aspectos importantes mencionados en la Tabla 1.7
Tabla 1.7. Características de las matrices empleadas en materiales compuestos
Propiedad Termoestable Termoplástico Observaciones
Costo
Bajo, medio y alto basado en los
requerimientos de la resina
De bajo a alto
Tiende a disminuir en los termoplásticos a medida que
aumenta el volumen de producción
Formulación Compleja Simple -
Grado de viscosidad Muy baja Alta Alta viscosidad interfiere con la impregnación de las fibras
Impregnación de la fibra Fácil Difícil -
Ciclos de procesamiento Largos Corto a largo Proceso largo degrada el
polímero
Costo de fabricación Bajo para
materiales con fibra de vidrio
Bajo a alto
Las matrices termoplásticas no necesitan un tiempo
determinado para su moldeo, lo cual reduce los costos
Propiedades mecánicas en un material compuesto
Regular a buena Buena -
Resistencia a fluidos y disolventes
Buena Pobre a excelente según se elija la
matriz -
Resistencia a la fluencia Buena No conocida -
Reciclaje No Si En los termoplásticos el
material empieza a degradarse
(Peters, 2004, p. 244)
10
1.1.3. FIBRAS NATURALES USADAS COMO REFUERZOS
Los materiales compuestos reforzados con fibras se diseñan con la finalidad de
aumentar las propiedades mecánicas de los materiales, tales como la resistencia
al esfuerzo, fatiga, rigidez y la relación resistencia-peso. Así, en los refuerzos con
fibras de baja densidad se pueden obtener módulos y resistencias específicas
excepcionalmente elevadas (Callister, 2002, p. 539). En esta sección se analizan
las fibras naturales y sintéticas empleadas como refuerzos en este proyecto de
titulación.
“Las fibras naturales son materiales compuestos, que constan básicamente de un
rígido refuerzo microfibrilar de celulosa cristalina, incrustado en una matriz de
hemicelulosa y lignina amorfa de composición variable” (Mohanty, Misra y Drzal,
2005, p.46). En la mayoría de fibras vegetales, la celulosa, hemicelulosa y lignina
son los mayores constituyentes. La hemicelulosa es un polisacárido de carácter
hidrofílico, soluble en álcalis y fácilmente hidrolizable en ácidos. Forma la matriz
de apoyo para las microfibrillas de celulosa, las cuales proporcionan la resistencia
mecánica a las fibras. Se ha observado que la resistencia a la tracción y el
módulo de Young son altos cuando se incrementa el contenido de celulosa. Por
otra parte, la lignina es el componente que da rigidez a las plantas, de carácter
hidrofóbico y promueve la resistencia a la degradación bacteriana (Mohanty et al.,
2005, p. 47).
Por lo tanto, las propiedades de la fibra están determinadas por la estructura de la
fibra, composición química y el ángulo microfibrillar. Las fibras de las plantas son
mucho más dúctiles si las microfibrillas tienen una orientación en espiral al eje de
las fibras y son inflexibles y rígidas con una alta resistencia a la tracción si las
microfibrillas tienen orientación paralela al eje. Así, se ha observado que la
resistencia a la tracción y el módulo de Young disminuyen con el incremento del
ángulo (Mukherjee y Satyanarayana, 1986, pp. 21, 55-57; Nishino, 2004, p. 65).
En la Tabla 1.8 y 1.9 se muestran la composición química, contenido de
humedad, propiedades físicas, mecánicas y el ángulo microfibrilar de algunas
fibras vegetales.
11
Tabla 1.8. Composición química y de contenido de humedad de algunas fibras vegetales
Fibra Celulosa (% w)
Hemicelulosa (% w)
Lignina (% w)
Pectina (% w)
Contenido de
humedad (% w)
Ceras (% w)
Lino 71 18,60-20,60 2,2 2,3 8,0-12,0 1,7
Cáñamo 70-74 17,90-22,40 3,7-5,7 0,9 6,2-12,0 0,8
Yute 61-72 13,60-20,40 12,0-13,0 0,2 12,5-13,7 0,5
Coco 32-43 0,15-0,25 40,0-45,0 3,0-4,0 8,0 -
Sisal 66-78 10,00-14,00 10,0-14,0 10,0 10,0-22,0 2,0
Abacá 56-63 - 12,0-13,0 1,0 5,0-10,0 -
Algodón 85-90 5,70 - 0,0-1,0 7,8-8,5 0,6
Ramio 68-76 13,10-16,70 0,6-0,7 2,0 7,5-17,0 0,3 (Mohanty et al., 2005, p. 46)
Tabla 1.9. Propiedades físicas, mecánicas y ángulo microfibrilar de algunas fibras naturales
Fibra Densidad (g/cm3)
Resistencia a la tracción (MPa)
Módulo de Young ( GPa)
Elongación a la ruptura (%)
Angulo Microfibrilar
(Grados)
Sisal 1,27-1,50 126-800 3,8-62,0 2,8-10,0 5,0-10,0
Coco 1,15-1,50 95-149 2,8-13,7 3,3-5,1 2,0-6,2
Yute 1,50 320-500 12,0-100,0 1,3-2,8 8,0
Malva 1,41 160 17,4 5,2 30,0-49,0
Ramio 1,51 393-900 7,3-25,0 1,8-5,3 10,0-22,0
Abacá 1,30 307 19,8 - -
(Neto y Pardini, 2006, p. 100)
En la actualidad se han desarrollado aplicaciones interesantes de las fibras como
refuerzos de compuestos poliméricos. En la Tabla 1.10 se observa el efecto que
producen ciertas fibras en las propiedades mecánicas de compuestos de matriz
poliéster.
12
Tabla 1.10. Propiedades mecánicas de materiales compuestos de matriz poliéster reforzados con fibras naturales
Fibra %
Peso
Resistencia a la tracción
(MPa)
Módulo de tracción (GPa)
Resistencia a la flexión
(MPa)
Módulo a la flexión (GPa)
Resistencia al impacto
(kj/m2)
Matriz Poliéster
0 37,0 4,1 69,0 4,8 -
Orientación de las fibras: Unidireccional
Sisal 40 129,0 8,5 192,0 7,5 98
Banana 30 121,0 8,0 - - 52
Coco 30 45,0 4,0 56,0 4,0 44
Orientación de las fibras: Picada al azar
Sisal 25 34,5 1,9 86,4 - 30
Banana 25 43,5 2,3 92,0 - 10
Coco 25 14,0 1,4 31,2 - 11
(Chand y Fahim, 2008, p. 46)
El reforzar matrices con fibras naturales puede provocar un aumento de la rigidez
y resistencia mecánica de éstas. Sin embargo, el refuerzo de matrices con estas
fibras no siempre incrementa las propiedades del compuesto, como se observa en
la Tabla 1.11.
Tabla 1.11. Propiedades a tracción de compuestos de matriz poliéster reforzados con fibra de coco
Fracción volumétrica de fibra de coco (%)
Módulo elástico (MPa)
Resistencia a la tracción (MPa)
Deformación a la tracción (%)
0 570 ± 100 27,91 ± 1,12 5,7
10 550 ± 160 30,91 ± 4,45 5,8
20 520 ± 90 25,92 ± 4,65 4,7
30 530 ± 110 21,50 ± 2,72 3,3
40 1 060 ± 40 29,39 ± 0,77 5,3
(Santa Fe, Lopes, Costa y Monteiro, 2010, p. 116)
Similares características se han observado en proyectos de titulación llevados a
cabo en la Escuela Politécnica Nacional, en los que se han caracterizado
mecánicamente a materiales compuestos reforzados con fibras naturales. En la
Tabla 1.12 se presentan los resultados de estos análisis.
13
13
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00)
14
1.1.3.1. Ventajas y desventajas del uso de fibra natural como refuerzo
Una de las principales ventajas del uso de las fibras naturales como refuerzo es el
carácter biodegradable y baja densidad que provee a los compuestos. Las fibras
naturales a pesar de presentar propiedades mecánicas modestas comparadas
con las fibras sintéticas tienen un costo bajo con relación a la manufactura de
estas últimas. No obstante, el uso de fibras naturales trae consigo inconvenientes
como:
· Alta sensibilidad de las fibras a efectos ambientales como variaciones de
temperatura y humedad.
· Carácter hidrofílico de las fibras.
· Baja resistencia microbiana y susceptibilidad a la putrefacción.
· Variabilidad de sus dimensiones y propiedades mecánicas de acuerdo a la
época de cosecha, procesamiento post-cosecha y localización relativa en el
cuerpo de la planta.
En los procesos de fabricación, se ha observado que debido a la baja estabilidad
térmica de las fibras, se trabaja con temperaturas menores a los 200 ºC y en
ciclos cortos, con el fin de evitar la degradación de estas. Esto restringe el empleo
de matrices moldeables a alta temperatura (Mohanty et al., 2005, p. 44; Neto y
Pardini, 2006, p. 99).
1.1.3.2. Fibras naturales en el Ecuador
‘’Ecuador posee cerca de 25 mil especies de plantas vasculares que lo convierten
en un paraíso natural y en la nación con el mayor número de plantas por unidad
de área en América Latina’’ (Pabón, 2000, p. 43). Alrededor de 25 especies
constituyen el sustento de vida para muchos sectores populares, como los
tejedores de esteras de totora y cestos de palma de Imbabura y Esmeraldas, los
fabricantes de sombreros de paja toquilla de Manabí, los productores de papel de
cabuya, de Lita entre otros. En la Tabla 1.13, se presentan a las especies usadas.
15
Tabla 1.13. Especies de plantas de las que se extraen fibras en el Ecuador
(Pabón, 2000, pp. 43- 45)
Las fibras con mayor demanda internacional son las fibras de cabuya, algodón y
abacá, sin embargo, se considera que existe una extensa variedad de fibras,
especialmente a nivel de especies exóticas de la Costa y Amazonía que no son
explotadas y que podrían atender los requerimientos de los mercados extranjeros
(Pabón, 2000, pp. 43 - 45). Este es el caso de la fibra encontrada en las cáscaras
de coco. Es por ello que en los siguientes enunciados se estudia a este recurso.
Producción de coco en el Ecuador. ‘‘En el Ecuador se tienen dos variedades de
palma de cocotero: Altas o criolla y bajas o manila. La producción de las palmas
criollas comienza entre 5 y 7 años después de ser trasplantadas, de acuerdo con
las condiciones y los cuidados que se prodiguen a la plantación.
El número de frutos por racimo es menor en las variedades altas que en las
variedades bajas, con una cantidad de 4 a 30 cocos por racimo y una producción
anual de 80 a 100 frutos por palmera en las variedades criollas como se observa
en la Figura 1.5.
Cabuya Matapalo
Totora Caucho
Abacá Rampira
Ceibo Anona
Palmas Batea
Paja toquilla Achiote
Algodón Majagua
Lufa Higuerón
Seda Ortiga
Bambú Mimbre
Bejucos Bejuco real
Pitigua Auro
Balsa
16
Figura 1.5. Planta de cocotero (Foale, 2003, p. 115)
En las plantas bajas el promedio de vida es más corto, el comienzo de su
producción es más temprano (3 años) con un mayor número de frutos por racimo
que llega de 6 a 40 y de 150 a 200 cocos por año. Estas variedades tienen como
ventaja que en el inicio de su producción la cosecha se puede realizar desde el
suelo, lo que no sucede con las palmas de variedades altas.
La cosecha es escalonada a lo largo de todo el año y varía de acuerdo con una
serie de factores entre los cuales se pueden citar: utilización del fruto, variedad,
condiciones de clima, suelo de la zona y estado de la plantación. El período entre
la fecundación de las flores y la madurez de los cocos es de 11 a 13 meses ”
(MAG, 2002).
En el Ecuador el mayor productor de fruta de coco es Esmeraldas con un 73 % de
la producción total anual estimada en 50 886 t. En la Figura 1.6 se presenta el
aporte porcentual de cada provincia en la producción nacional de esta fruta.
17
Figura 1.6. Producción de fruta de coco en el Ecuador (MAG, 2006)
Industrialización. El principal proceso industrial en el Ecuador relacionado con
los frutos del cocotero es la obtención de copra (pulpa seca del coco) y el
embotellamiento de agua de coco. Así, desde diciembre del 2002, en Portoviejo
está en funcionamiento la primera envasadora de agua de coco del país, con una
producción mensual de 30 mil litros de agua que son extraídos de unos 40 mil
cocos (Diario Hoy, 2002).
Residuos generados. Los residuos del proceso industrial antes mencionado
tales como las fibras, cáscaras y otros residuos sólidos se queman como
combustible para producir vapor. En otros países, como México, la fibra corta y
polvillo del cocotero tiene una alta demanda y potencial para la industria de los
viveros e invernaderos. Además, en países como Brasil se utiliza como materia
prima en la elaboración de autopartes, materiales de construcción entre otros.
Lamentablemente en el Ecuador no se explota a los residuos sólidos y se
convierten en un desecho. ‘‘Los comerciantes consideran a la estopa y el huesillo
como basura, por no saber manejarla y por los costos que ocasiona su
eliminación de las zonas urbanas’’ (Conacoco, 2006).
73,4%
22,7%
2,2%
0,5%
1,1%
ESMERALDAS MANABÍ GUAYAS ORELLANA ORO OTROS
18
1.1.3.3. Fibra de coco
Son obtenidas de la cáscara fibrosa (mesocarpo) que encierra al fruto como se
observa en la Figura 1.7. Las fibras de coco están constituidas principalmente por
lignina y un bajo contenido de celulosa con relación a otras fibras. Existen dos
tipos de fibra, la fibra blanca que es obtenida de cocos que no han alcanzado la
madurez y la fibra café que se extrae de cocos maduros. La principal diferencia
entre estas, es la menor cantidad de lignina y finura y flexibilidad que posee la
fibra blanca con relación a la fibra café (Pickering, 2008, p. 24).
Figura 1.7. Partes del fruto de coco
Uno de los aspectos relevantes en estas fibras es su carácter imputrescible e
incombustible, además de presentar baja conducción de calor, baja ignición, alta
absorción de sonido, así como resistencia a la acción de bacterias y el agua. El
rendimiento de fibra obtenida varía según el tamaño de los cocos, la madurez, la
variedad, entre otros factores, pero para cálculos generales puede considerarse
un promedio de 7,5 a 8,2 kg de fibra por 100 cáscaras. En una cáscara típica hay
casi unas tres veces más de fibra corta que de fibra larga. Las fibras tipo mats
presentan un rango de longitudes de 2 a 10 cm y diámetros entre 0,1 y 1,5 mm
(FAO, 2009; Mohanty et al., 2005, p. 92; Pickering, 2008, p. 24; Quintero y
González, 2006).
19
Extracción de la fibra de coco. La cáscara se extrae del fruto de forma manual
con una punta fija o un cuchillo. La técnica de punta se utiliza en el lugar de
cultivo del coco. Como se observa en la Figura 1.8, literal a, el operador sostiene
la fruta en sentido horizontal y empuja su extremo superior o tallo firmemente
hacia abajo sobre la espiga y obtiene la primera incisión en el lado de la cáscara,
luego se gira la fruta y se empuja sobre el pico con un movimiento que arrastre las
cáscaras.
Figura 1.8. Extracción cáscaras de coco; a) Técnica de Punta; b) Primera inserción con cuchillo, levantamiento de la cáscara y separación de las mechas.
(Foale, 2003, pp. 103-104)
Por otra, parte el cuchillo es una herramienta ideal de descascarado, ya que su
extremo plano y afilado se inserta fácilmente en la cáscara. Primero se inserta el
cuchillo profundamente en la cáscara cerca del extremo superior de la fruta y
luego se empuja hacia el otro extremo, lo cual crea una incisión en rodajas como
se indica en la Figura 1.8, literal b. Posteriormente, se gira el fruto y se hacen
varias incisiones. Luego se separan los mechones del endocarpo y se tiran de
ellos, hasta sacar la cáscara en su totalidad como se observa en la Figura 1.9.
La cáscara de coco se encuentra compuesta de un gran número de fibras de
diferente longitud y espesor, embebidos en una matriz de médula o corteza. Las
fibras pueden separarse de las cáscaras por un peinado posterior a un proceso de
molienda, que ablanda las cáscaras sin romper las fibras, o tradicionalmente por
el enriado (Foale, 2003, pp. 103-104). En el enriado, las cáscaras se sumergen en
agua de seis a nueve meses, para lo cual son colocadas en redes y lanzadas en
(a) (b)
20
ríos, lagos o en fuentes en las que el agua entra y sale. Esto favorece el lavado
de las cáscaras, desintegra la médula que mantiene unida a las fibras y solubiliza
a los taninos. Al sacar del agua las cáscaras se secan bajo sombra. La exposición
de las cáscaras al sol las vuelve frágiles y disminuye la calidad de la fibra.
Habitualmente la separación de las fibras se realiza mediante golpes con mazos
de madera.
Figura 1.9. Cáscaras de coco (Foale, 2003, p. 106)
A nivel industrial se han adoptado métodos de extracción mecánicos como el uso
de descortezadoras, en las que las cáscaras son primero trituradas para romper el
exocarpo y permitir el ingreso de agua. Luego son sumergidas en agua durante
dos semanas para posteriormente ser alimentadas manualmente al
descortezador. La principal desventaja de este método es la mezcla entre las
fibras cortas y largas. En general, las fibras obtenidas por medios mecánicos son
de baja calidad con relación a las obtenidas por enriamiento, debido a la mayor
fuerza empleada en la extracción, lo cual maltrata las fibras (Franck, 2005, pp.
277-280 ).
1.1.4. FIBRAS DE VIDRIO
Entre las fibras sintéticas de mayor aplicación en refuerzos se pueden citar a la
aramida, el carbono y el vidrio. Las fibras de aramida y carbono, a pesar de
21
poseer excelentes propiedades físicas y mecánicas, se usan en aplicaciones en
las que el rendimiento justifique su costo. Por otra parte, la fibra de vidrio presenta
buenas propiedades mecánicas a menor costo (Smith, 2006, p. 651).
La fibra de vidrio, es la fibra sintética más utilizada en compuestos con matriz
polimérica, principalmente por su alta resistencia a la tracción y gran inercia
química. Sin embargo, presenta como desventajas su elevada densidad y
sensibilidad a la abrasión al agregarse a materiales compuestos. Entre las
composiciones de vidrio, empleadas en su fabricación se encuentran los vidrios:
A, E, ECR y S.
El vidrio A y ECR son usados en aplicaciones que demandan buena resistencia
química. El vidrio S, se emplea en aplicaciones que requieren mayor resistencia a
la tracción y mayor estabilidad térmica como en la industria aeroespacial y
aeronáutica. El vidrio E es la fibra de vidrio de refuerzo de uso más extendido, ya
que presenta buena estabilidad dimensional, buena resistencia a la humedad y
menor costo con relaciones a las otras composiciones (Mangonon, 1999, p. 704;
Neto y Pardini, 2006, p. 61). En la Tabla 1.14 y en la Tabla 1.15 se presentan la
composición química y propiedades mecánicas de la fibra de vidrio tipo E.
Tabla 1.14. Composición de la fibra de vidrio tipo E
Constituyentes Concentración (%)
SiO2 52-56
Al2O3 12-16
CaO 16-25
B2O 8-13
(Smith, 2006, p. 651)
Tabla 1.15. Propiedades mecánicas de la fibra de vidrio tipo E
Propiedades Magnitud
Densidad (g/cm3) 2,54
Módulo de elasticidad (GPa) 70
Resistencia a la tracción (GPa) 2,40
(Neto y Pardini, 2006, p. 62)
22
1.1.4.1. Producción de fibras de vidrio
Se producen al extraer monofilamentos de vidrio de un horno de fundición, los
cuales son torcidos para formar hilos de fibra de vidrio de hasta 9 micras de
espesor, como se observa en la Figura 1.10.
Figura 1.10. Producción de fibra de vidrio
(Lyons, 2007, p. 293)
Después del proceso de hilado, las fibras pueden ser recubiertas con agentes
ligantes para promover la adhesión química entre la matriz polimérica y la
superficie de la fibra. Estos agentes son usualmente organosilanos que presentan
una estructura tipo X3SiR, en la cual R es susceptible a enlazarse con la matriz y
X son grupos de afinidad inorgánica.
Posteriormente, el pastel de fibra de vidrio ‘’devanado’’ puede utilizarse para la
confección de madejas, tejidos o colchonetas formadas con hilos cortados como
se ilustra en la Figura 1.11 (Lyons, 2007, p. 293; Neto y Pardini, 2006, p. 61;
Smith, 2006, p. 651).
23
Figura 1.11. Tipos de fibra de vidrio; a) Hilo de fibra de vidrio; b) Mats de fibra de vidrio, c) Tela tejida con hilo de fibra de vidrio; d) Roving tejido
En la Tabla 1.16 se presentan las propiedades mecánicas de algunos compuestos
reforzados con diferentes tipos de fibra de vidrio.
Tabla 1.16. Propiedades mecánicas de compuestos de matriz poliéster reforzados con diferentes tipos de fibra de vidrio
Características
Tipo de refuerzo Mats Tejido de hilados Tejido Satín
Matriz-resina poliéster Ortoftálica Isoftálica Isoftálica
Curado 16 h – 40 °C 16 h - 40°C 28 días a T= 20 °C
Fracción volumétrica fibra 0,17 0,32 0,37
Dirección del esfuerzo - 0°/90° 0°/90°
Propiedades mecánicas
Gravedad especifica 1,46 1,70 1,70
Resistencia a tracción (MPa)
110 220 260
Módulo de elasticidad (GPa)
8 14 17
Elongación a la ruptura (%) 1,6 1,7 -
Resistencia a la flexión (MPa)
190 270 480
Módulo de flexión (GPa) 7 14 17
(Hollaway, 1994, p. 27)
(a)
(c) (d)
(b)
24
1.1.4.2. Mats de fibra de vidrio
Los mats están constituidos por filamentos individuales de 5 a 10 cm de largo
aglutinados y distribuidos al azar, como se indica en la Figura 1.12. Son utilizados
ampliamente como refuerzo de plásticos y materiales compuestos. Usualmente
los mats son hechos con aglutinantes compatibles con la resina poliéster.
Figura 1.12. Mats de fibra de vidrio (Hoa, 2009, p. 120)
El estireno contenido en la resinas disuelve el apresto y permite que el mat
adquiera las formas más complejas en la matriz. Estas caracterísiticas limitan su
aplicación con otros tipo de resinas como la epoxi. Sin embargo, se ha observado
que los mats requieren más resina para llenar intersticios y el uso de mecanismos
como rodillos para eliminar el aire atrapado. A nivel comercial, se expenden como
colchonetas en gramos por metro cuadrado. Existen variedades de mats de 225
g/m2, 250 g/m2, 300 g/m2 y 600 g/m2 con precios menores a las telas tejidas
(Gay, Hoa y Tsai, 2003, p. 53; Hoa, 2009, p. 119; Hollaway, 1994, p. 36;
Polímeros compuestos, 2010).
En general, las propiedades de los plásticos reforzados con fibra de vidrio
dependen del contenido de fibra. Así, se ha observado que mientras más alto es
el porcentaje en peso de fibra, más resistente es el material reforzado. Por lo
tanto se puede acotar que propiedades como el módulo y resistencia a la tracción
son directamente proporcionales al contenido de fibra (Mitchell, 2004, p.493).
25
1.1.5. INFLUENCIA DE LA LONGITUD DE FIBRA EN LAS PROPIEDADES
MECÁNICAS DE MATERIALES COMPUESTOS
Las fibras de refuerzo pueden ser cortas o largas. La transmisión de carga de la
matriz a la fibra depende en gran medida de esta magnitud. Si se emplean fibras
cortas se ha observado que al inducir un esfuerzo de tracción, los extremos de la
fibra soportan menos carga que el resto, lo cual genera un patrón de deformación,
como se muestra en la Figura 1.13. Es decir, que a mayor cantidad de extremos
de fibra en la matriz se tendrá una menor transmisión de cargas. Así también, un
diámetro grande de fibra, multiplica los defectos superficiales de esta, lo cual
promueve la falla del material (Askeland, 1998, p. 521; Callister, 2002, p. 540).
Figura 1.13. Patrón de deformación en una matriz que rodea a una fibra sometida a un esfuerzo de tracción
(Callister, 2002, p. 540)
1.1.6. INFLUENCIA DE LA ORIENTACIÓN DE LA FIBRA EN LAS
PROPIEDADES MECÁNICAS DE MATERIALES COMPUESTOS
Las fibras de refuerzo se pueden incorporar en la matriz con distintas
orientaciones como se observa en la Figura 1.14. La orientación de las fibras
juega un papel significativo en la eficiencia del refuerzo y por ende en las
propiedades mecánicas de los compuestos. Así, fibras largas unidireccionales
paralelas a la dirección del esfuerzo presentan mejores propiedades mecánicas
que otras disposiciones. Sin embargo, si la carga es perpendicular a la dirección
de estas fibras, se obtienen propiedades pobres lo cual disminuye la eficiencia del
refuerzo como se indica en la Tabla 1.17. Estos compuestos son llamados
anisotrópicos. No obstante, a pesar de que las fibras orientadas al azar poseen
26
una baja eficiencia del refuerzo, el material presentaría las mismas propiedades
en cualquier dirección, esto se conoce como comportamiento isotrópico. La
fabricación de compuestos con esta disposición es de mayor facilidad y menor
costo que con fibras orientadas (Callister, 2002, p. 542).
(a) (b) (c) (d) (e) Figura 1.14. Orientación de las fibras; a) Unidireccional; b) Tejido bidireccional; c) Tejido
multidireccional; d) Mat de hilos continuos e) Fibras cortas orientadas al azar (Sheikh-Agmad, 2009, p. 4)
Tabla 1.17. Eficiencia del reforzamiento de compuestos reforzados con fibras orientadas en varias direcciones y esfuerzos aplicados en varias direcciones
Orientación de la fibra Dirección del esfuerzo Eficiencia de
reforzamiento
Todas las fibras paralelas Paralela a las fibras
Perpendicular a las fibras
1
0
Fibras orientadas al azar y uniformemente distribuidas en
un plano especifico
Cualquier dirección en el plano de las fibras
3/8
Fibras orientadas al azar y uniformemente distribuidas en el espacio de tres dimensiones
Cualquier dirección 1/5
( Calister, 2002 p. 548)
1.2. MATERIALES COMPUESTOS HÍBRIDOS
Los materiales compuestos híbridos son una mezcla de materiales diferentes,
obtenidos mediante el uso de dos o más refuerzos en una sola matriz. Estos
refuerzos híbridos pueden estar constituidos de fibras: cortas, largas y/o tejidas,
con distintas orientaciones y disposiciones. En la Tabla 1.18 se observan algunas
disposiciones de los refuerzos híbridos.
27
Tabla 1.18. Algunas configuraciones de refuerzo híbrido
Híbridos entre capas
Cada capa está compuesta por un solo tipo de fibra que puede presentar una secuencia requerida, relativa orientación y distinta longitud de fibra.
Híbridos entremezclados
Dos o más fibras se mezclan en una misma capa, o se forman paquetes de distintas fibras dentro de la misma capa.
Híbridos Inter laminados
Este híbrido consiste de capas externas de uno o más tipos de fibra laminada aplicada a un núcleo hecho de otra fibra laminada, embebidos en una matriz.
(Chou, 1992, p. 231; Fernando y Al-Khodairi, 2003, pp. 189-190)
A lo largo del tiempo se ha experimentado con refuerzos híbridos sintéticos
constituidos por fibra de vidrio y fibra de carbono, pero en la actualidad, debido a
las preocupaciones medioambientales y al alto costo de las fibras sintéticas,
algunos investigadores se han interesado en el estudio de refuerzos con fibras
naturales. En materiales compuestos reforzados con fibras naturales se ha
encontrado que para ciertas aplicaciones, sus propiedades mecánicas no son lo
suficientemente altas, debido a la baja resistencia de las fibras. Sin embargo, al
adicionar fibras sintéticas como el vidrio, se han incrementado estas propiedades.
Esta combinación ha arrojado buenas relaciones entre rendimiento y costo.
Así, en las investigaciones citadas por Friedrich, se estudiaron las propiedades de
impacto de compuestos de matriz de polipropileno reforzada con fibras cortas de
vidrio y lino, y observaron que con el 5 % de fibra de vidrio y 45 % de lino, las
propiedades al impacto mejoraron significativamente. Al aumentar el contenido
de vidrio al 20 % y reducir la fracción de lino al 30 % se observó un incremento del
doble en la resistencia al impacto (Friedrich, Fakirov y Zhang, 2005, pp. 314-316;
Wool y Sun, 2005, pp. 122-123). En las Tablas 1.19 y 1.20 se presenta el efecto
de algunos refuerzos híbridos en las propiedades mecánicas de los compuestos.
28
Tabla 1.19. Propiedades mecánicas de materiales híbridos de fibras de yute/vidrio
Matriz polimérica
Yute % w Vidrio % w Resistencia Tracción
(MPa)
Módulo a la tracción (GPa)
Resistencia a la flexión
(MPa)
Módulo a la flexión (GPa)
Epoxi 0 68,2 429 41,3 939 37,4
Epoxi 18,0 40,0 157 25,4 445 20,8
Epoxi 20,0 30,0 143 22,7 418 20,7
Epoxi 32,9 0,0 104 15,0 150 14,0
Poliéster 0,0 0,0 37 4,1 69 4,8
Poliéster 0,0 89,1 391 38,8 816 32,8
Poliéster 10,1 38,5 200 18,2 229 17,6
Poliéster 21,8 0,0 84 12,2 125 8,1
(Chand y Fahim, 2008, p. 114)
Tabla 1.20. Propiedades mecánicas de compuestos híbridos de fibras de lino/vidrio en una matriz de resina epoxi acrilada de aceite de soya (AESO)
Relación Lino/vidrio
Fracciones en Peso Módulo
de tracción (GPa)
Resistencia a la
tracción (MPa)
Resistencia a la
compresión (MPa)
Módulo a la flexión
(GPa)
Resistencia a la flexión
(MPa)
Energía absorbida
(J) Vidrio Lino
100/0 0,35 0,00 5,2 ± 0,1 128,8 ± 1,1 89,9 ± 3,2 9,0 ± 0,2 205,5 ± 4,5 16,5 ± 0,2
80/20 0,25 0,06 3,5 ± 0,1 123,3 ±1,2 71,6 ± 2,6 6,9 ± 0,2 130,3 ± 3,0 17,7 ± 1,9
60/40 0,23 0,16 3,2 ± 0,1 109,1 ±1,1 62,3 ± 3,1 6,0 ± 0,2 115,3 ± 2,5 18,1 ± 0,3
40/60 0,16 0,24 2,9 ± 0,2 82,6 ± 1,4 33,6 ± 0,8 5,8 ± 0,5 83,3 ± 5,4 18,5 ± 0,2
0/100 0,00 0,31 1,9 ± 0,1 26,10 ± 1,7 18,5 ± 2,4 3,8 ± 0,2 61,0 ± 3,4 1,4 ± 0,2
(Wool y Sun, 2005, p. 122)
Estudios realizados en el proyecto PIC-08-493 “Desarrollo de Nuevos Materiales
para Aplicaciones Estructurales e Industriales” que se ejecutó en la Escuela
Politécnica Nacional, arrojaron resultados interesantes para el análisis del
comportamiento mecánico de compuestos a base de matriz poliéster reforzada
con fibras naturales y vidrio. En la Tabla 1.21, y en los siguientes párrafos se
presentan algunos de los resultados observados. Estos análisis se tomarán como
referencia para comparaciones con el compuesto híbrido de fibra de coco y vidrio.
29
29
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la 1
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mm
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P
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- 1,
13
Fib
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de
20
mm
P
P
0,20
50
50
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45
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- 1,
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Fib
ra a
bacá
de
20
mm
P
P
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3,98
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- 1,
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bacá
de
20
mm
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P
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25
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417,
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8 -
4 27
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56
,77
- 1,
20
Fib
ra a
bacá
de
20
mm
P
P
0,25
50
50
8
429,
00
70,5
6 -
2 50
8,32
37
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- 1,
13
Fib
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bacá
de
20
mm
P
P
0,25
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25
5
224,
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77,9
8 -
5 28
8,40
52
,92
- 1,
04
30
De los compuestos híbridos presentados en la Tabla 1.21, se dió especial
atención a los compuestos de matriz poliéster reforzadas con fibras de abacá y
vidrio, por haberse realizado este estudio en conjunto con el presente proyecto de
titulación. Se usaron los mismos materiales y técnicas de fabricación y se varió
únicamente el tipo de fibra natural. Para estos compuestos en la Figura 1.15, se
presentan las curvas esfuerzo vs. deformación observadas durante los ensayos
de flexión y tracción respectivamente.
Figura 1.15. Curvas de esfuerzo vs. deformación de una matriz poliéster reforzada con fibras de abacá y vidrio; a) Ensayos de flexión; b) Ensayos de tracción
(Villacís, 2011, pp. 104, 127)
a
b
31
En la Tabla 1.22, se presentan los resultados de los ensayos de impacto
realizados al compuesto híbrido de abacá y vidrio “75FLA/25Fv” con mejores
propiedades mecánicas. Esta configuración de refuerzo evidenció gran absorción
de energía. Las probetas ensayadas presentaron fisuras y roturas pequeñas en la
matriz, lo cual demuestra la mejora en la resistencia al impacto de los materiales
(Villacís, 2011, p. 151).
Tabla 1.22. Energías de impacto de algunos materiales compuestos según la norma ASTM D 5628-07
Fibras de refuerzo Fracciones de refuerzo Fracción de
refuerzo Energía de impacto
(J)
Fibra de vidrio - 0,20 0,50
*Fibra larga abacá/vidrio 75/25 0,20 0,49
**Tejido de cabuya - 0,26 0,15
(*Villacís, 2011, p. 151;**Tamayo, 2012, p. 169)
Con esta formulación se fabricaron tableros de 70 × 70 cm2 y se caracterizaron
mecánicamente. En la Tabla 1.23 se comparan estos resultados con las
propiedades de la madera contrachapa comúnmente usada en la fabricación de
patinetas. Se observa un notable incremento de la mayoría de propiedades
mecánicas del compuesto híbrido (Villacís, 2011, pp. 95,100).
Tabla 1.23. Propiedades mecánicas de tableros de matriz poliéster reforzados de abacá y
vidrio a una fracción volumétrica del 0,20
Ensayos de flexión bajo la norma ASTM D 3500
Híbrido 75FLA/25Fv
Madera contrachapada Variación (%)
Módulo elástico (MPa) 8 071,4 8 898,9 -9,4
Resistencia (MPa) 110,3 73,4 50,3
Deformación máxima 0,027 0,012 125,0
Ensayos de tracción bajo la norma ASTM D 3034
Híbrido 75FLA/25Fv
Madera contrachapada Variación (%)
Módulo elástico (MPa) 2 139,8 1 020,8 109,6
Resistencia (MPa) 116,7 59,3 96,9
Deformación máxima 0,067 0,061 9,8
(Villacís, 2011, pp. 95,100)
32
Los resultados presentados sugirieron la posibilidad de emplear este compuesto
en aplicaciones en las que comúnmente se usan madera contrachapada. Para
fines comparativos se presentan en la Tabla 1.24, las propiedades mecánicas de
una madera contrachapa a dos espesores y dos disposiciones de fibra.
Tabla 1.24. Resultados de los ensayos de tracción norma ASTM D 3500 y flexión norma ASTM D 3043 en madera contrachapada de triplex
Material Disposición
fibra
Espesor Resistencia
flexión Módulo flexión
Resistencia tracción
Densidad
mm MPa MPa MPa g/cm3
Madera contrachapada
*FPA 12 29,0 3 802,9 26,4 0,55-0,66
**FPE 12 58,7 6 810,9
Madera contrachapada
FPA 18 52,7 6 881,4 32,3 0,55-0,66
FPE 18 34,0 5 017,6
(Información proporcionada por el Laboratorio de Analisis y Esfuerzos -E.P. N; * FPA fibra paralela;**
FPE fibra perpendicular)
1.2.1. ESTRUCTURAS MULTICAPA
La estructura de un material compuesto no solo depende de las propiedades de
sus constituyentes, sino también del diseño geométrico de los diferentes
elementos estructurales. Así, en diseños de ingeniería es muy común el uso de
materiales que se fabrican al intercalar un material entre dos capas externas
delgadas. Una clase de estos materiales son aquellos con estructura tipo
emparedado. Esta estructura, como se observa en la Figura 1.16, consta de tres
elementos: capas externas, núcleo del emparedado y la interfaz de unión entre
estos dos componentes.
Figura 1.16. Estructura tipo emparedado (Gay et al., 2003, p. 63)
Núcleo (materiales con propiedades mecánicas débiles)
Capas (materiales con propiedades mecánicas elevadas)
33
Las caras externas del material soportan la mayor cantidad de carga y esfuerzos
de flexión transversales. Son materiales de mejores propiedades que el resto y
han de ser resistentes a la acción medio ambiental. El núcleo es de baja densidad
y rigidez y ocupa la mayor parte del volumen de la estructura. Tiene como función
principal soportar las deformaciones perpendiculares a las caras y evitar que se
produzca un desplazamiento de las capas en sentido longitudinal, de manera que
el panel en su conjunto funcione como un conjunto resistente. Así, tanto el módulo
como el momento de inercia se incrementan con un ligero aumento de peso
(Callister, 2002, p. 557; Herreros, Suárez, Pinilla, Miguel, López y Ulzurrun, 2007;
Rodríguez, 2011).
1.2.2. APLICACIONES
Los materiales híbridos son usados en varios productos, debido a sus elevadas
características físico-mecánicas como la resistencia, fractura, rigidez, y baja
densidad. Estas características potencian su empleo en comparación con otros
materiales compuestos, en campos como la aviación, aeronáutica, construcción
naval, medicina y transporte. Entre algunos estudios destacados de aplicaciones
de materiales híbridos se pueden citar las investigaciones realizadas para
reemplazar el acero en tuberías y tanques. En estas, el uso de refuerzos de fibra
de vidrio y fibra de carbono han promovido la resistencia a la fluencia y corrosión.
De manera similar, se ha recomendado el uso de fibras de aramidas y fibra de
carbono, en tubos y perfiles automotrices debido a la excelente absorción de
energía (Friedrich et al., 2005, p. 316).
1.3. FABRICACIÓN DE MATERIALES COMPUESTOS POR
ESTRATIFICACIÓN
En la fabricación de materiales compuestos, se deben considerar los siguientes
aspectos:
34
• “Buena unión entre la matriz y las fibras.
• Adecuada fracción de volumen de fibras.
• Distribución uniforme de las fibras en la matriz.
• Cantidad limitada de huecos y defectos
• Buen control dimensional para la parte final’’ (Hoa, 2009, p. 13).
1.3.1. MECANISMOS DE ADHESIÓN ENTRE LA MATRIZ Y LAS FIBRAS
La zona de interfaz es la región en el cual se da la unión entre la matriz y el
refuerzo. Los esfuerzos que actúan sobre la matriz se transmiten a las fibras a
través de la interfaz, por lo que desempeña un rol importante en las propiedades
de los compuestos. Es de vital importancia el estudio de los siguientes
mecanismos de adhesión, ya que permiten explicar en parte la resistencia a la
unión entre estos constituyentes (Hull, 2003, p 39).
1.3.1.1. Absorción y humedad
Para la humectación efectiva de una fibra, la resina líquida debe cubrir todas las
rugosidades superficiales de esta, para eliminar el aire ocluido. La humectación
pude verse afectada si en las fibras hay presencia de gases atrapados o agua en
la superficie debido a las características hidrofílicas del refuerzo. Este mecanismo
depende de las tensiones superficiales de los componentes (Hull, 2003, p. 39).
1.3.1.2. Interdifusión
Es la formación de un enlace entre dos superficies poliméricas por difusión
molecular de una fase en otra. En materiales compuestos la difusión se promueve
cuando las fibras son pre-cubiertas con un polímero antes de ser incorporadas en
la matriz. La cantidad de difusión dependerá de la conformación molecular y la
facilidad de movimiento molecular (Kim y Mai, 1998, p.12).
35
1.3.1.3. Atracción electrostática
La diferencia de cargas electrostáticas entre los componentes en la interfaz puede
contribuir a la adhesión. El incorporar agentes de enlace como el silano en las
fibras de vidrio, puede mejorar la atracción. Aunque no es un mecanismo decisivo,
tiene gran importancia en algunos tipos de tratamiento superficial de refuerzos
(Kim y Mai, 1998, p.13).
1.3.1.4. Enlace químico
Es formado entre un grupo químico en la superficie de la fibra y un grupo
compatible en la matriz. Es la forma más eficiente de adhesión en materiales.
Ocurre cuando se aplican agentes de acoplamiento en la superficie de la carga,
los cuales sirven de puente entre el polímero y el refuerzo (Rabello, 2007, p. 180).
1.3.1.5. Adhesión mecánica
Es la formación de un enlace mediante el enclavamiento de la matriz en las
rugosidades superficiales de las fibras de refuerzo (Neto y Pardini 2006, p. 150).
Otro inconveniente que origina una pobre adhesión entre la fibra y la matriz es la
polaridad de los componentes. ‘’Las fibras son usualmente materiales fuertemente
polares y con una alta hidrofilidad en contraste con la mayoría de matrices
poliméricas que son no polares y mayoritariamente hidrofóbicas. Como resultado
hay problemas significativos de adhesión entre la fibra y la matriz, que conducen a
una débil interfaz y bajas propiedades mecánicas’’ (Pickering, 2008, p. 128).
Por ello, se han planteado métodos que mejoren la mojabilidad de la matriz en la
superficie de la fibra y promuevan la adhesión de enlaces químicos. Sin embargo,
la implementación de estos métodos incrementa el costo de fabricación por lo que
solo se cita algunos de los métodos más empleados en la Figura 1.18.
36
Modificación de superficies
Modificación física Modificación química
EsterificaciónAgentes de
acoplamientoCopolimerización
CoronaPlasma
MercerizaciónCalentamiento
Figura 1.17. Métodos de modificación de superficie
(Pickering, 2008, pp. 128-135)
Algunos investigadores analizaron el efecto del tratamiento alcalino de la fibra de
coco, en las propiedades mecánicas de compuestos de matriz poliéster
reforzados con fibra de coco y vidrio. Hallaron que al dar un tratamiento alcalino,
se logró un significativo incremento en la resistencia a la tracción, además de una
considerable disminución de la adsorción de humedad. Similar comportamiento
han observado otros investigadores al tratar con refuerzos constituidos de fibra de
bambú y fibra de vidrio en una matriz de PP así como también fibras de piña, sisal
y vidrio en una matriz poliéster (Friedrich et al., 2005, p. 316).
1.3.2. FRACCIÓN VOLUMÉTRICA Y DISTRIBUCIÓN DE LAS FIBRAS EN
EL MATERIAL COMPUESTO
En materiales compuestos, la cantidad de fibras en el compuesto se expresan en
términos de fracción volumétrica, para ello, se emplea la ecuación 1.1:
[1.1]
Donde
= Volumen de las fibras.
= Volumen del material compuesto.
37
Se ha observado que a valores mayores a la fracción volumétrica de 0,8 (80 %) la
matriz no rodea las fibras y se presentan dificultades en la manufactura. Por otro
lado, la uniformidad de dispersión de las fibras en la matriz es un parámetro
importante en la determinación de las propiedades mecánicas de los compuestos.
En la Figura 1.19, se muestra una matriz de polipropileno reforzada en la parte
superior con fibras abacá orientadas longitudinalmente y en la parte inferior con
fibras cortas distribuidas al azar. Las regiones en las que las fibras están
distribuidas uniformemente, incrementarán las propiedades del compuesto, no
así, las regiones en las que hay más cantidad de matriz que fibras o zonas ricas
en resina. La presencia de estas zonas, generan áreas débiles, las cuales bajo
carga fallan fácilmente (Askeland, 1998, p. 522; Hoa, 2009, p. 15; Severina,
Sadler y Maeva, 2011, p. 147).
Figura 1.18. Distribución de las fibras en una matriz; a) Longitudinalmente; b) Al azar (Cevallos y Tenesaca, 2012, p.139)
1.3.3. CANTIDAD LIMITADA DE POROS Y DEFECTOS
Defectos como delaminaciones, vacíos o porosidades, son producto de la
aplicación de una baja presión durante el curado de la resina, la cual no compacta
adecuadamente al refuerzo. La cantidad de vacíos aceptable es de alrededor del
1 % (Hoa, 2009, p. 16).
(a
(b)
(a)
38
1.3.4. CONTROL DIMENSIONAL DE LA PIEZA FINAL
Durante el curado, las resinas se contraen en alrededor de 5 a 8 %, de acuerdo al
tipo de resina. Esta contracción puede generar esfuerzos residuales e inducir
deformaciones que pueden hacerse significativas en piezas de gran tamaño.
Resinas con aditivos se utilizan generalmente para controlar este efecto (Hoa,
2009, p. 16).
1.3.5. PROCESAMIENTO DE MATERIALES COMPUESTOS
La procesabilidad de los materiales compuestos depende de la capacidad de
combinar y unir sus componentes para formar un material. En el mercado
comercial, cerca del 75 % de los compuestos están hechos a base de resinas
termoestables, razón por la cual los métodos de fabricación con esta matriz son
preponderantes. Entre los más importantes se tiene: moldeo manual, aspersión,
moldeo por compresión y compuesto para moldeo de placas. En los siguientes
acápites se describen estos procesos (Mazumdar, 2002, p. 115).
1.3.5.1. Estratificación manual
La estratificación manual es un proceso en el que el material de refuerzo se
posiciona manualmente en un molde abierto. Se vierte una resina de baja
viscosidad encima del refuerzo y se pasa un rodillo para mejorar la impregnación
de las fibras, como se observa en la Figura 1.20. El laminado, se construye capa
por capa de la mezcla fibra-resina hasta obtener el espesor deseado. En esta
etapa se dispone el refuerzo en ángulos deseados, orientación específica, o en
los lugares que se necesiten (Mazumdar , 2002, p. 116). En algunos casos es
necesario reducir la viscosidad de la resina poliéster para facilitar el flujo alrededor
de todas las fibras. Para ello se adiciona el monómero de estireno. Sin embargo,
su adición disminuye levemente algunas propiedades mecánicas de la matriz
como la resistencia a la tracción y flexión. Se recomienda no adicionar más del
39
Figura 1.19. Proceso de estratificación manual (Campbell, 2004, p. 401)
30 % (Anderpol, 2001). La cantidad máxima de refuerzo puede variar si se
considera la disposición de las fibras y el tipo de fibra, alcanzándose hasta el 80
% de refuerzo con fibras sintéticas (Smith, 2006, p. 658).
El uso de rodillos en la fase de laminado y de prensas durante el curado, mejoran
el contacto íntimo entre cada lámina o compactación, y eliminan el exceso de
resina y aire atrapado. En la Escuela Politécnica Nacional se han obtenido piezas
de compuestos por estratificación manual de excelente calidad sin la presencia de
vacíos, al emplear una presión de 1 000 psi (Guerrero y Pontón, 2010).
El curado de las resinas puede darse a temperatura ambiente en un tiempo
aproximado de 1h, lo cual reduce significativamente los costos de fabricación. El
tiempo de curado depende de las concentraciones del activador y catalizador
Finalmente, una vez obtenido el material se despegan las piezas del molde con
suma cautela, para evitar fallas superficiales. Cabe resaltar que las partes
obtenidas presentan un solo lado con acabado excelente, es decir la superficie de
contacto con el molde, mientras la otra superficie es un poco áspera. Así, se han
fabricado piezas grandes y pequeñas como cascos de embarcaciones, paneles
de construcción, paneles estructurales, partes de automóviles, etc.
Colocación del refuerzo Vertido e impregnación del refuerzo con la resina
Construcción del laminado capa por capa
Fase de curado
40
El proceso se puede mejorar al realizar un pre-impregnado del refuerzo antes de
colocarlo en el molde. Así también, se puede aplicar vacío para promover una
mejor consolidación, y obtener laminados con espesores más uniformes y
excelentes acabados superficiales (Campbell, 2004, p. 402).
1.3.5.2. Aspersión
Este proceso es similar al moldeo por estratificación, el cual emplea un molde
abierto, con la ventaja de conseguir piezas con formas, difíciles de obtener por el
método manual. Se usa una pistola en la que se carga las fibras y la resina
catalizada como se presenta en la Figura 1.21.
Figura 1.20. Proceso de aspersión (Campbell, 2004, p. 404)
Estas se depositan simultáneamente dentro del molde. Luego se aplican rodillos o
escurridores para sacar el aire atrapado y mejorar el remojo del refuerzo. Capas
adicionales pueden ser agregadas hasta obtener el espesor deseado. El curado
puede ser a temperatura ambiente o con aplicación de calor. El refuerzo máximo
alcanzado por este método es del 35 %. Una ventaja adicional del proceso de
aspersión es su facilidad de automatización, lo cual reduce los costos de mano de
obra y la exposición de los trabajadores a gases potencialmente peligrosos
(Campbell, 2004, p. 405; Smith, 2006, p. 667).
41
1.3.5.3. Moldeo por compresión
Es un método en el cual el material se coloca en el molde, se aplica presión y
calor para que adopte la forma del molde, como se indica en la Figura 1.22.
Figura 1.21. Moldeo por compresión (Campbell, 2004, p. 413)
Este proceso permite alcanzar un mayor volumen de producción, formas
complejas con excelentes acabados superficiales y buen control dimensional. En
general, con este método el contenido de fibra de refuerzo es bajo (20-30 %). El
moldeo por compresión de termoestables como la resina poliéster y la fibra de
vidrio se puede realizar mediante técnicas adicionales como moldeo de placas,
preformado (Campbell, 2004, p. 413).
1.3.5.4. Proceso del compuesto para moldeo de placas (CMP)
Es uno de los procesos más empleados en la fabricación de paneles frontales y
capós en la industria automotriz. Permite un excelente control de la resina y
obtener buenas propiedades mecánicas, con productos uniformes y de altos
volúmenes de producción. El proceso es altamente automatizado como se
observa en la Figura 1.23. El roving (mechas) de fibra de vidrio de hilos continuos
se corta en longitudes pequeñas y se deposita en una capa de resina que se
desplaza sobre una película de polietileno. Otra capa de pasta con carga y resina
se deposita más tarde sobre la primera para formar un emparedado continuo de
Colocación de la carga
Cierre del molde
Curado bajo calor y presión
Desmolde
42
fibra de vidrio y resina con carga. El emparedado entre dos láminas delgadas de
polietileno se compacta y se enrolla al tamaño requerido.
Figura 1.22. Proceso de moldeo por placas (Smith, 2006, p. 672)
Luego los rollos se cortan de acuerdo a alguna dimensión especifica y se colocan
en un molde caliente. Este se prensa a 1 000 psi hasta que el material fluya y
pueda moldear el producto final (Smith, 2006, p. 672).
43
2. PARTE EXPERIMENTAL
En este capítulo se describen los materiales y equipos empleados en la
obtención, caracterización y evaluación de las propiedades mecánicas de los
compuestos híbridos. Así también, se detalla la metodología experimental seguida
durante la experimentación.
2.1. MATERIALES
Para la elaboración de compuestos de matriz poliéster reforzados con fibra de
coco y vidrio se emplearon los siguientes materiales:
· Cáscaras de coco maduro residual
· Mats de fibra de vidrio
· Resina poliéster
Las fibras de coco empleadas en el proyecto se extrajeron de cáscaras de coco
maduro residual recolectadas de mercados de la ciudad de Quito. Las cáscaras
presentaron una longitud aproximada de 19 cm y ancho promedio de 5 cm. Se
seleccionaron cáscaras sin presencia de mohos, y sin contaminación de residuos
externos como basura, plásticos, entre otros. Estas, se secaron al ambiente bajo
sombra y se almacenaron en un cuarto con buena ventilación.
Los mats de fibra de vidrio utilizados fueron de la marca Du Tanpro; constituidos
de filamentos individuales de 50 mm de largo, espesor de 0,56 mm y una relación
peso/área de 0,0338 g/cm2. La matriz poliéster que se usó fue una ortoftálica de
marca Anderpol 859 con las características presentadas en la Tabla 2.1.
Para el curado de la resina se emplearon como diluyente al monómero de
estireno, como activador de la reacción al octoato de cobalto al 6 % de Co y al
peróxido de metil etil cetona (MEKP) como catalizador.
44
Tabla 2.1. Características de la resina Anderpol 859
Características Valor
Viscosidad Brookfield a 25ºC, (Cps) 1 500-2 500
% Sólidos 68 a 72
Tiempo de gel a 25ºC, (min) 7-10
Temperatura de exotermia, (ºC) 130-145
Tiempo de exotermia, (min) 15-25
(Anderpol, 2010)
2.1.1. EQUIPOS EVALUADOS EN LA EXTRACCIÓN DE FIBRA DE COCO
Para la evaluación de la extracción de fibra de coco se usaron tres equipos:
· Trituradora universal modelo WCSJ 20A, con motor eléctrico de 960 rpm y
malla media con agujeros de 2,8 cm de diámetro.
· Cepillos metálicos.
· Grata metálica a la que se adicionó un regulador de frecuencia.
2.1.2. EQUIPOS EMPLEADOS EN LA FABRICACIÓN DE LOS
COMPUESTOS HÍBRIDOS
La elaboración de las probetas y tableros de compuestos híbridos se ejecutaron
en el Laboratorio de Nuevos Materiales de la Escuela Politécnica Nacional. Se
utilizaron los siguientes equipos:
· Prensa hidráulica manual de 30 t de capacidad, para la aplicación de
presión de moldeo a las probetas.
· Balanza digital Adam, Modelo PGL 6001 con apreciación de 0,1 g, para el
pesado de las fibras y otros materiales.
· Moldes de acero para obtener probetas de flexión y tracción según las
normas ASTM D 3039 y ASTM D 7264, respectivamente.
45
· Molde de armazón desarmable de 40 cm × 40 cm para la obtención de
probetas de impacto.
· Moldes de madera para la fabricación de tableros.
· Pesos de cemento de 345 kg y de 69 cm × 69 cm para suministrar la
presión de moldeo en la elaboración de tableros.
2.1.3. EQUIPOS EMPLEADOS EN LA CARACTERIZACIÓN MECÁNICA
La caracterización mecánica de los compuestos híbridos se llevo a cabo en el
Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones de la Facultad de Ingeniería
Mecánica. Los equipos utilizados fueron los siguientes:
· Máquina universal de ensayos Tinius Olsen modelo H25KS para ensayos
de tracción y flexión de probetas, según las normas ASTM D 3039 y ASTM
D 7264, respectivamente.
· Máquina universal de ensayos Tinius Olsen modelo Súper L para ensayos
de tracción y flexión de tableros, según las normas ASTM D 3500 y ASTM
D 3034, respectivamente.
· Máquina de impacto con caída de dardo para ensayos de impacto según la
norma ASTM D 5628.
Para el análisis de la factibilidad técnica de fabricación del compuesto híbrido, se
realizaron pruebas de: facilidad en el corte, perforación, clavado, lijado y pegado
de piezas. Para ello, se emplearon herramientas usadas en la fabricación de
estructuras de madera como: caladora, cepillo de madera, y taladro. Así, se
verificó la facilidad de manejo artesanal del compuesto.
2.2. MÉTODOS DE ENSAYO
En la Figura 2.1 se presenta un esquema del procedimiento experimental seguido
en el proyecto.
46
Establecimiento de unmétodo de extracción de la
fibra de coco
Definición de parámetrosde procesamiento de loscompuestos híbridos por
estratificación
Fabricación de probetas decompuesto híbrido
Caracterización mecánica
Selección de la mejorformulación
Tracción
Flexión
Ensayos deimpacto
Elaboración de tableros
Elaboración de unprototipo
Dosificación ytiempo de curado
Presión de moldeo
Temperatura
Flexión
Tracción
Caracterización mecánica
Ensayospreliminares
Determinación de lasfracciones volumétricas de
refuerzo
Disposición de las fibrasen el refuerzo
Definición de unadistribución de longitudes
de fibra de coco
Figura 2.1. Esquema del procedimiento experimental
Para obtener materiales compuestos híbridos primero se estableció un método de
extracción de la fibra de coco a partir del mesocarpo del fruto. El procedimiento
más apropiado fue definido con base en los siguientes factores: facilidad de
extracción de fibra, disponibilidad de equipo, tipo y cantidad de fibra extraída,
cantidad de polvo y residuos sólidos generados. En este punto se definió una
distribución de longitudes de fibra.
Como segunda fase se definieron los parámetros de procesamiento de materiales
compuestos híbridos por estratificación, tales como: presión de moldeo, cantidad
de catalizador, activador y tiempo de curado. Se fijó una presión de moldeo que
47
aseguró obtener probetas libres de imperfecciones superficiales e internas, con
una adecuada compactación del material y con dimensiones reproducibles de
acuerdo con las normas de la Sociedad Americana para Ensayos y Materiales
(ASTM). La cantidad de catalizador y activador de la reacción de curado se definió
de acuerdo a la facilidad de mezclado de la resina con las fibras y al tiempo de
gelificación de la misma. El tiempo de curado se estableció con base en la
facilidad de desmoldeo del material.
Posteriormente, se fabricaron probetas de material compuesto híbrido bajo los
parámetros de estratificación definidos. Se analizó la influencia de la variación de
la fracción volumétrica de las fibras de coco y vidrio en las propiedades
mecánicas del compuesto. De igual manera, se estudió la incidencia de la fracción
volumétrica del refuerzo híbrido en dichas propiedades. Así, se consideraron dos
fracciones volumétricas de refuerzo híbrido. Las probetas obtenidas fueron
caracterizadas mecánicamente mediante ensayos de resistencia a la tracción y
flexión de acuerdo con las normas ASTM D 3039-00 y ASTM D 7264-07,
respectivamente. El compuesto híbrido que presentó las mejores propiedades
mecánicas fue sometido a ensayos de impacto según la norma ASTM D 5628-07.
Finalmente, se elaboraron tableros con la formulación de material compuesto
híbrido que exhibió las mejores propiedades mecánicas. Estos fueron
caracterizados a través de ensayos de tracción y flexión de acuerdo a las normas
ASTM D 3500-R03 y ASTM D 3043-00. Adicionalmente, se fabricó un prototipo
con los tableros obtenidos.
2.3. ENSAYOS PRELIMINARES
Esta sección describe las pruebas realizadas para determinar las condiciones
adecuadas de manufactura de probetas para ensayos de tracción y flexión, las
fracciones volumétricas a emplearse y la disposición de las fibras en el refuerzo.
Para ello se siguió la estrategia metodológica mostrada en la Figura 2.2.
48
Determinación de lasfracciones volumétricas de
refuerzo
Establecimiento de ladisposición de las fibras
en el refuerzo
Ensayos preliminares
Fabricación de probetasde flexión
Disposición Fv-Fc-Fv
Disposición Fc-Fv-Fc
Caracterización mecánica
Selección de la disposición conmejores propiedades
Elaboración de probetasde tracción norma ASTM
D 3039
Elaboración de probetasde flexión norma ASTM
D 7264
Determinación de la máximafracción volumétrica
admisible en las probetas
Figura 2.2. Estrategia metodológica seguida en los ensayos preliminares
Las fracciones volumétricas a utilizarse se definieron sobre la base de la facilidad
de elaboración de probetas de tracción y flexión. Para la conformación del
refuerzo híbrido se evaluó la facilidad de ingreso de las fibras con el aumento
progresivo de la fracción volumétrica. Así, dentro de cada fracción volumétrica se
varió las proporciones de fibra de coco/vidrio en 25 %, es decir, en relaciones
coco/vidrio de 25/75, 50/50, 75/25 y se observó su efecto en la fabricación. Previo
a la formulación de las probetas se calculó la densidad de las fibras empleadas
como se muestra en el Anexo I.
Para la selección de la fracción volumétrica, en caso de encontrarse fracciones
adecuadas distintas para cada ensayo, sea el caso de 15 % para ensayos de
flexión y 20 % para ensayos de tracción, se escogió la menor fracción con el fin
de analizar las propiedades a una sola fracción y potenciar su comparación con
resultados bibliográficos. Finalmente, a la fracción volumétrica seleccionada se le
reducirá su fracción para analizar su incidencia en las propiedades mecánicas.
Posteriormente, se estableció el orden en que se debían colocar las fibras de
vidrio y coco en el refuerzo. Para la elección, se consideró la disposición de las
fibras que potenció las propiedades mecánicas. Se fabricaron probetas de flexión
y se colocaron las fibras en dos ubicaciones: Fibra de coco - Fibra de vidrio - Fibra
49
de coco (Fc-Fv-Fc) y Fibra de vidrio - Fibra de coco - Fibra de vidrio (Fv-Fc-Fv)
como se observa en la Figura 2.3. Se mantuvieron iguales condiciones de
manufactura y fracción volumétrica de refuerzo. Luego se evaluó su desempeño
mecánico mediante ensayos de flexión.
Figura 2.3. Disposición de las fibras en el refuerzo híbrido
2.4. SELECCIÓN DEL MÉTODO DE EXTRACCIÓN DE LA FIBRA
DE COCO
La selección del método de extracción, se definió con base en la disponibilidad de
los equipos del Laboratorio de Nuevos Materiales. Se propusieron tres métodos
de extracción: extracción manual, extracción con grata y extracción con
trituradora. Para cada método se realizaron análisis cuantitativos y cualitativos.
Para los análisis cuantitativos se pesó la cantidad de cáscara inicial, cantidad de
fibra, polvo y residuos generados, y se midió la longitud de la fibra obtenida. Para
el análisis cualitativo se empleó un microscopio para observar la estructura de la
fibra. Finalmente para confiabilidad y reproducibilidad de los resultados, se
realizaron algunas pruebas experimentales para cada caso. En los siguientes
acápites se describe cada método.
50
2.4.1. MÉTODOS DE EXTRACCIÓN
2.4.1.1. Extracción manual
Es la extracción de la fibra del mesocarpo del fruto por medio de cepillos
metálicos como se indica en la Figura 2.4.
Figura 2.4. Extracción de la fibra de coco con un cepillo metálico
El método consistió en friccionar el cepillo en la superficie interna de las cáscaras
para que se desprenda la fibra. Luego se tamizó a la fibra obtenida y se pesaron
las cantidades de polvo y fibra obtenidos. Finalmente se escogió la fibra de coco
libre de cáscaras pequeñas sin desfibrar.
2.4.1.2. Extracción con grata
Se aprovechó el movimiento circular de una grata metálica para facilitar el
desfibrado de las cáscaras, como se muestra en la Figura 2.5.
Figura 2.5. Extracción de la fibra de coco con una grata metálica
51
2.4.1.3. Extracción con trituradora
Al ingresar las cáscaras de coco al equipo de trituración, las cuchillas cortan las
cáscaras, extraen el polvo y liberan las fibras. El equipo utilizado se presenta en la
Figura 2.6.
Figura 2.6. Trituradora universal
El procedimiento se dividió en las siguientes etapas:
Separación manual previa. Se redujo el ancho de las cáscaras que ingresan a la
trituradora hasta alrededor de 2 a 3 cm, para facilitar la extracción de la fibra y
operación del equipo como se indica en la Figura 2.7.
Figura 2.7. Comparación de los anchos de cáscara que ingresa a la trituradora, parte superior cáscaras de 5-6 cm, parte inferior cáscaras de 2-3cm
Tamizado. A la salida de la trituración se separó el polvo de la fibra con un tamiz
como se indica en la Figura 2.8. La fibra tamizada se reingresó a la trituradora
hasta que el desprendimiento de polvo ya no fue considerable.
52
Figura 2.8. Tamizado de las fibras a la salida de la trituradora
Clasificación y selección de la fibra. Finalmente la fibra obtenida, presentó una
gran cantidad de partículas pequeñas de polvo y sólidos de cáscara sin desfibrar,
por lo que se realizó una última selección de la fibra para asegurar que sea la
idónea para los ensayos como se observa en la Figura 2.9.
Figura 2.9. Selección de la fibra idónea a emplear en los ensayos
Una vez descritos los métodos de extracción, se seleccionó el método con base
en los siguientes factores: Facilidad de extracción, cantidad de fibra, polvo,
residuos sólidos generados y el tipo de fibra.
2.4.2. FACILIDAD DE EXTRACCIÓN DE FIBRA
Consistió en evaluar a cada método la facilidad en el manejo de los equipos,
facilidad de extracción y tiempo de extracción.
53
2.4.3. CANTIDAD DE FIBRA, POLVO Y RESIDUOS SÓLIDOS GENERADOS
Durante el proceso se pesaron las cantidades de cáscara inicial, fibra extraída,
polvo y residuos generados, para ello se utilizó la balanza digital Adams. A los
datos colectados se aplicó la ecuación 1.2 y se encontró el porcentaje en peso:
W%WFibra
WInicial100 [1.2]
Donde:
W %= Porcentaje en peso de fibra extraída
WFibra= Peso de la fibra extraída en gramos WInicial= Peso inicial de las cáscaras de coco en gramos
2.4.4. TIPO DE FIBRA
Se evaluaron el aspecto y la longitud de las fibras extraídas mediante cada uno de
los métodos. El aspecto de la fibra se valoró por microscopía óptica, se observó
abrasión o presencia de roturas transversales y empalmes a los largo de la fibra.
Para la longitud se tomaron muestras representativas de las fibras y se midieron
sus longitudes con una regla. Se definió una distribución de longitudes y se
verificó su reproducibilidad.
2.5. ESTABLECIMIENTO DE LOS PARÁMETROS DE
PROCESAMIENTO DE COMPUESTOS HÍBRIDOS POR
ESTRATIFICACIÓN
2.5.1. DOSIFICACIÓN
Las cantidades de reactivos se establecieron de acuerdo con la ficha técnica de la
resina Anderpol 859. En la Tabla 2.2 se presentan estas características.
54
Tabla 2.2. Formulación recomendada por el fabricante de la resina Anderpol 859
Materiales Fórmula en partes por peso Rangos a evaluar en partes por
peso
ANDERPOL 859 100 100
Estireno 1 a 30 10
Octoato de cobalto (6 % Co)
0,2 a 0,5 0,25 ; 0,5
Mek- peróxido (9 % Ox. Activo) 0,5 a 2,5 0,5 ; 1,0
(Anderpol, 2010)
2.5.2. PRESIÓN
Se definió una presión de moldeo con base en estudios previos realizados en la
Escuela Politécnica Nacional en la obtención de materiales compuestos de matriz
poliéster reforzados con fibras naturales y vidrio. Estos autores emplearon la
técnica de estratificación manual para la obtención de probetas y experimentaron
con presiones de moldeo de 100, 500 y 1 000 psi. Esta última exhibió probetas
libres de imperfecciones superficiales e internas, con una adecuada compactación
del material (Guerrero y Pontón, 2010; Villacís, 2011, p.64).
2.5.3. TIEMPO DE CURADO
La determinación del tiempo de curado se fijó una vez definida la dosificación y de
acuerdo con la facilidad de desmolde de las probetas, y el tiempo de culminación
de las fases de curado.
2.5.4. TEMPERATURA
El curado de la resina se realizó a temperatura ambiente de 20 ºC, para minimizar
los costos y favorecer su aplicación a la pequeña industria.
55
2.6. FORMULACIÓN DE PROBETAS DE COMPUESTOS HÍBRIDOS
REFORZADOS CON FIBRAS
La elaboración de probetas para ensayos de tracción y flexión siguió la
metodología experimental propuesta en la Figura 2.10.
Formulaciónprobetas de
compuesto híbrido
Pesado fibras de coco y vidrio
Encerado de moldes
Preparación mezcla de resina+iniciador + catalizador
Curado delcompuesto
Desmolde
Colocación de lamatriz y las fibrasen el molde porestratificación
Post curado
Selección de lafracción volumétricay configuración de
refuerzo
Fc0-Fv100Fc25-Fv75Fc50-Fv50Fc75-Fv25Fc100-Fv0
Fracciónvolumétrica de
refuerzo
Preparación de losmateriales y
equipos
Prensado
Tiempo de curado
Temperatura decurado
1 capa de Fv +2 Capa Fc +3 Capa Fv
Orientación de las fibras al azar
Selección de las probetascon las dimensiones
especificadas y sin defectossuperficiales
Figura 2.10. Diseño experimental propuesto para la formulación de materiales compuestos
híbridos
Primero se seleccionó la fracción volumétrica y configuración de refuerzo a
emplearse. Se asignó a las configuraciones la siguiente nomenclatura: Fc50-
Fv50, que significa un refuerzo con el 50 % en volumen de fibra de coco “Fc’’ y 50
% en volumen de fibra de vidrio “Fv”. Para cada fracción volumétrica y
configuración de refuerzo se realizaron el número de probetas mostrado en la
Tabla 2.3.
56
Tabla 2.3. Cantidad de probetas fabricadas en el proyecto
Configuración del refuerzo
Fracción volumétrica de refuerzo
Probetas para ensayos de tracción
Probetas para ensayos de flexión
0,15 0,20 0,15 0,20
Fc0-Fv100 7 7 7 7
Fc25-Fv75 7 7 7 7
Fc50-Fv50 7 7 7 7
Fc75-Fv25 7 7 7 7
Fc100-Fv0 7 7 7 7
Total 35 35 35 35
Luego, se preparó la resina pre acelerada, con base en la dosificación a evaluar
en la Tabla 2.2. Experimentalmente, se adicionó a la resina poliéster el
monómero de estireno, se agitó la mezcla y se dejo reposar unos 5 min. Luego se
agregó el octoato de cobalto, se agitó y se dejó reposar para que desaparezcan
las burbujas de aire generadas en la agitación. Posteriormente, se pesaron las
cantidades de fibras de coco y vidrio necesarias para cada fracción y
configuración de refuerzo. El peso de fibra de vidrio se dividió en dos partes
iguales, que constituyeron las dos capas externas de acuerdo a la configuración
tipo emparedado. Las láminas de mat de fibra de vidrio se recortaron de acuerdo
a las dimensiones de las probetas para ensayos de tracción y flexión. Una vez
preparados los materiales se elaboraron las probetas, como se ilustra en la
Figura 2.11. Se siguieron los siguientes pasos:
a) Se adicionó catalizador a la resina pre acelerada y esta se colocó de tal
manera que cubriera toda la superficie interior del molde hembra.
b) Se incorporó la primera capa de fibra de vidrio al molde hembra y se presionó
con una paleta para asegurar el mojado de la fibra.
c) Posteriormente se remojaron las fibras de coco en la resina catalizada y se
distribuyeron en el molde sobre la primera capa de fibra de vidrio.
d) Se adicionó la última capa de fibra de vidrio, y se agregó la resina catalizada
restante en la superficie de ésta.
e) Finalmente, se incorporó el molde macho sobre el molde hembra y se prensó
57
Figura 2.11. Pasos del proceso de elaboración de probetas de material compuesto híbrido
2.7. EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL
MATERIAL COMPUESTO
Para la caracterización mecánica se siguió, la estrategia metodológica mostrada
en la Figura 2.12.
Caracterizaciónmecánica compuesto
híbrido
Ensayos de tracciónASTM D 3039
Ensayos de flexiónASTM D 7264
Selección de lamejor formulación
Ensayos de impactoASTM D 5628
Elaboración detableros
Ensayos de flexiónASTM D 3034
Ensayos de tracciónASTM D 3500
Figura 2.12. Esquema de la estrategia metodológica seguida en la caracterización mecánica de los compuestos híbridos
(a) (b) (c)
(d) (e)
58
A las probetas obtenidas, se las ensayó a tracción y flexión para determinar la
formulación con la mejor combinación de propiedades mecánicas. Con esta
formulación se realizaron probetas de impacto para profundizar en el desempeño
mecánico del compuesto. Así también, se elaboraron tableros los cuales fueron
evaluados mecánicamente mediante ensayos de tracción y flexión. En los
siguientes acápites se describen las características de los ensayos mecánicos
mencionados.
2.7.1. ENSAYOS DE FLEXIÓN
Para la caracterización mecánica a la flexión se empleó la norma ASTM D 7264 la
cual permite determinar las propiedades de resistencia y rigidez de materiales
compuestos de matriz polimérica.
Se empleó el sistema de flexión a tres puntos en el que una carga central se
aplica en el centro de una viga apoyada en dos soportes, como se observa en
Figura 2.13. Se fijó en el equipo la velocidad de ensayo de 1mm/min y se
registraron los valores de fuerza y deflexión generados. Los cálculos de las
propiedades mecánicas se presentan en el Anexo II.
2.7.2. ENSAYOS DE TRACCIÓN
Para este ensayo se empleó la norma ASTM D 3039-07, la cual determina las
propiedades a tracción de materiales compuestos de matriz polimérica reforzados
con fibras continuas o discontinuas.
Se empleó una velocidad de ensayo de 2 mm/min. Los cálculos de las
propiedades mecánicas se presentan en el Anexo II. En la Figura 2.13 se
observan los ensayos de tracción y flexión realizados y en la Figura 2.14, las
dimensiones de las probetas requeridas para cada ensayo.
59
Figura 2.13. Ensayos mecánicos; a) Ensayo de tracción; b) Ensayo de flexión a tres puntos
Figura 2.14. Vista frontal y lateral de las probetas empleadas en los ensayos; a) Flexión
norma ASTM D 7264-07; b) Tracción norma ASTM D 3039-07
2.7.3. SELECCIÓN DE LA FRACCIÓN VOLUMÉTRICA Y
CONFIGURACIÓN DE REFUERZO CON MEJORES
CARACTERÍSTICAS FÍSICO-MECÁNICAS
Una vez realizados los ensayos mecánicos se escogió la fracción volumétrica y
configuración de refuerzo, que potenció las propiedades mecánicas del material y
permitió mayor ingreso de fibra natural. Para ello, se empleó el método de
criterios ponderados, el cual consideró estas características en los compuestos y
las ponderó de acuerdo al orden de importancia.
Este método es una herramienta útil para la toma de decisiones. Evalúa las
alternativas de un proceso con base en criterios que a menudo implican juicios de
(a) (b)
(a)
(b)
60
valor. El método consiste en asignar una ponderación a las variables que afectan
al criterio de estudio, por ejemplo si se considera el criterio propiedades a
tracción. Las variables que le afectan son:
Propiedades a tracción = x Módulo elástico + y Resistencia + z Deformación
Estas variables se colocan en filas y columnas, se confrontan y se ponderan de
acuerdo al orden de importancia, así se asigna:
1,0 Si la variable de las filas es superior (o mejor; > ) que el de las columnas
0,5 Si la variable de las filas es equivalente ( = ) al de las columnas
0,0 Si la variable de las filas es inferior (o peor; <) que el de las columnas
Luego, para cada variable se suman los valores asignados y se obtienen los
valores ponderados (Romeva, 2002, p 59, 60). Un ejemplo de este análisis se
presenta en el Anexo IV.
2.7.4. ENSAYOS DE IMPACTO
Para los ensayos de impacto se empleó la norma ASTM D 5628-07, la cual
permite determinar la energía de falla al impacto necesaria para romper o agrietar
especímenes de plásticos rígidos. El método consiste en encontrar la altura inicial
de falla del material. Para ello, se empleó una masa fija de dardo y se varió la
altura de caída del mismo. Se adicionó un altura deltah ‘’dh’’ si el material no se
fracturó a la altura establecida y se disminuyó un ‘‘dh’’ si el material se fracturó.
Las probetas para los ensayos de impacto se fabricaron de acuerdo con las
dimensiones establecidas por la norma y se presentan en la Figura 2.15. El
cálculo de la energía de impacto se muestra en el Anexo II.
61
Figura 2.15. Probetas para el ensayo de impacto de acuerdo a las dimensiones
especificadas en la norma ASTM D 5628
2.8. ELABORACIÓN DE TABLEROS Y EVALUACIÓN DE SUS
PROPIEDADES MECÁNICAS
Para la elaboración de tableros, se empleó un molde macho-hembra de 70 cm ×
70 cm de longitud interna. La metodología a seguir en la fabricación de tableros
fue similar a la empleada en la obtención de probetas como se describe en la
Figura 2.16.
62
Elaboración detableros de compuesto
híbrido con la mejorformulación híbrida
Pesado fibras de coco y vidrio
Encerado de moldes demadera
Preparación mezcla de resina+iniciador + catalizador
Curado delcompuesto
Desmolde
Colocación de lamatriz y las fibrasen el molde porestratificación
Post-curado
Preparación de losmateriales y
equipos
Prensado
Tiempo de curado
Temperatura decurado
1 Capa de Fv +2 Capa Fc +3 Capa Fv
Orientación de las fibras al azar
Caracterizaciónmecánica
Elaboración delprototipo
Ensayos de tracción
Ensayos de flexión
Figura 2.16. Estrategia metodológica seguida en la elaboración de tableros
En la elaboración de tableros se empleó la mejor formulación hibrida encontrada.
Luego se procedió al preparado de la resina pre acelerada, encerado de los
moldes de madera y pesado de las fibras de refuerzo. Posteriormente se realizó el
proceso de estratificación como se indica en la Figura 2.17. Se siguieron los
siguientes pasos:
63
Figura 2.17. Método de elaboración de tableros de 70 cm × 70 cm del compuesto híbrido fibra de coco/vidrio
a) Colocación de la primera capa de fibra de vidrio.
b) Adición de la fibra de coco.
c) Remojo de las fibras con la resina catalizada.
d) Colocación de la segunda capa de fibra de vidrio.
e) Remojo de las fibras con la resina catalizada.
f) Aplicación de presión en el molde.
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
64
A diferencia de la presión y tiempo de curado usados en la elaboración de
probetas, en los tableros se empleó una presión menor debido a la limitación
tecnológica para proveer una presión a ese tamaño de especímenes. Por esta
razón, la presión de moldeo se suministró mediante pesos de cemento como se
muestra en la Figura 2.17, literal f. Por otro lado, el tiempo de curado aumentó
como consecuencia del aumento de dimensiones; la dosificación se modificó para
permitir mayor facilidad de fabricación.
Una vez fabricados los tableros que se observan en la Figura 2.18, se ejecutaron
los ensayos de tracción y flexión de acuerdo con las normas ASTM D 3500 y
ASTM D 3043 respectivamente.
Figura 2.18. Tablero de compuesto híbrido fibra de coco/vidrio obtenido
2.8.1. ENSAYO DE FLEXIÓN
Los ensayos de flexión se realizaron conforme a lo descrito en la norma ASTM D
3043, mediante la prueba de flexión a tres puntos. Este método determina las
propiedades a la flexión de paneles estructurales de materiales de madera,
madera contrachapada, madera por capas, etc. En la Figura 2.19, se describen
las características de las probetas para los ensayos. Los cálculos para la
determinación de las propiedades mecánicas del material se muestran en el
Anexo II.
65
2.8.2. ENSAYO DE TRACCIÓN
Estos ensayos se realizaron de acuerdo con la norma ASTM D 3500, que
determina las propiedades a tracción de paneles estructurales. Se utilizó el
método de prueba C, en el cual se empleó una velocidad de ensayo de 0,9
mm/min y probetas con las dimensiones presentadas en la Figura 2.19. Los
cálculos realizados para determinar las propiedades mecánicas fueron los mismos
empleados en la norma ASTM D 3039 y presentados en el Anexo II.
Figura 2.19. Vista frontal y lateral de las probetas empleadas en los ensayos; a) Flexión de norma ASTM D 3034; b) Tracción norma ASTM D 3500
2.8.3. FABRICACIÓN DEL PROTOTIPO
Para la selección del prototipo, las alternativas propuestas se basaron en los
resultados encontrados en la caracterización mecánica, lo cual sugirió una posible
aplicación. Las alternativas se evaluaron en tres aspectos importantes como son:
la factibilidad técnica, la disponibilidad de instrumentos, y los costos de
fabricación. A estos aspectos se aplicó el método de criterios ponderados y se
eligió la alternativa con mayor ponderación. Se consideró que las alternativas
debían aprovechar al máximo los equipos y herramientas disponibles en el
laboratorio. Se excluyeron algunas propuestas por la limitación tecnológica en su
66
fabricación, lo cual sugirió modificaciones en el método de elaboración que se
usaba, así como la adquisición de nueva instrumentación. Una vez definido el
prototipo se determinó el esquema y dimensiones del mismo y se construyó.
Finalmente, se analizaron los costos de producción y se compararon con los
costos de un diseño hecho en madera.
67
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En esta etapa del proyecto de titulación se presentan los resultados de los
ensayos preliminares concernientes a la determinación de la longitud de fibra de
coco, fracción volumétrica de refuerzo, disposición del refuerzo híbrido,
parámetros del proceso por estratificación y caracterización mecánica efectuada a
las probetas de compuesto híbrido. Para la caracterización mecánica se
realizaron ensayos de tracción, flexión e impacto, de acuerdo con las normas
ASTM D 3039, ASTM D 7264 y ASTM D 5628, respectivamente. Posteriormente
se seleccionó el porcentaje y la configuración de refuerzo (Fibra de coco/Fibra de
vidrio), que mejores características mecánicas exhibió. Con estos parámetros se
fabricaron tableros, los cuales se sometieron a ensayos de tracción y flexión de
acuerdo con las normas para paneles estructurales ASTM D 3500 y ASTM D
3034, respectivamente. Finalmente, se compararon estos resultados con las
propiedades mecánicas de la madera contrachapada y se fabricó un prototipo.
3.1. ENSAYOS PRELIMINARES
3.1.1. DETERMINACIÓN DE LAS FRACCIONES VOLUMÉTRICAS DE
REFUERZO
En la Tabla 3.1, se presentan las fracciones volumétricas obtenidas con el
incremento de fibra de coco en la matriz. En probetas de tracción se alcanzó un
refuerzo máximo de 48 % y en probetas de flexión hasta un 37 %. A partir del
40 % y 30 % de refuerzo en tracción y flexión respectivamente, se observó
dificultad en en el ingreso de las fibras. Al mismo tiempo, se observó que el
incremento de fibra de coco disminuyó la presencia de zonas no cubiertas por la
fibra, como se observa en la Figura 3.1. De igual manera, el peso del compuesto
disminuyó con el aumento de fibra natural debido a la baja densidad de ésta. En
la experimentación se observó que las densidades de fibra de vidrio, coco y resina
poliéster estuvieron en el orden de 2,02 g/cm3, 0,77 g/cm3 y 1,20 g/cm3.
68
Tabla 3.1. Características de las probetas de tracción y flexión al incrementar la fracción
de fibra de coco en la matriz poliéster
Tipo de probeta WF.Coco (g) Fracción
volumétrica WProbeta (g)
Densidad (g/cm3)
Probetas de tracción
2,50 0,20 17,2 1,10
3,00 0,24 16,9 1,08
4,00 0,33 16,7 1,07
5,00 0,40 16,4 1,05
6,00 0,48 16,2 1,04
Probetas de flexión
0,48 0,07 11,0 1,26
0,96 0,15 10,2 1,12
1,44 0,22 9,58 1,09
1,91 0,30 9,30 1,07
2,39 0,37 9,20 1,05
(n=1)
Figura 3.1. a) Probetas de tracción a 0; 15; 20 y 33 % de fibra de coco de refuerzo;
b) Dificultad de ingreso de las fibras al incrementar el porcentaje de refuerzo
(a)
(b)
69
Por otra parte, en la conformación del refuerzo híbrido se observó que la fibra de
coco condicionó la facilidad de elaboración de las probetas. Esta dificultad puede
atribuirse a las ondulaciones presentadas a lo largo de la fibra de coco extraída, lo
cual, al colocarlas una sobre otra en el refuerzo, hizo que ésta se esponje y ocupe
un mayor volumen en los moldes. Es así que, se decidió trabajar con la relación
coco/vidrio 75/25 (con mayor concentración de fibra natural) y evaluar el efecto en
la facilidad de fabricación al incrementar la fracción volumétrica global del
refuerzo. En la Tabla 3.2, se observa que en los moldes de tracción fue posible
incorporar hasta un 25 % de refuerzo coco/vidrio y en los moldes a flexión hasta
un 20 % en volumen. A fracciones mayores a las descritas, se observó dificultad
en el ingreso de las fibras, como se muestra en la Figura 3.1, literal b.
Tabla 3.2. Efecto del incremento de la fracción de refuerzo en la facilidad de manufactura de las probetas
Probetas Fracción
volumétrica
Fracción dentro del refuerzo Fc75-Fv25 Facilidad de
manufactura Fibra de vidrio (g)
Fibra de coco (g)
Tracción
0,15 1,18 1,35 Si
0,20 1,58 1,80 Si
0,25 1,97 2,25 Si
0,30 2,37 2,71 No
Flexión
0,15 0,63 0,72 Si
0,20 0,84 0,96 Si
0,25 1,05 1,2 No
En vista de que las fracciones adecuadas para cada ensayo fueron distintas, se
escogió la menor de las fracciones es decir 0,20 con el fin de analizar las
propiedades a una sola fracción y potenciar su comparación con resultados
bibliográficos. Así también, se decidió disminuir en 5 % esta fracción de refuerzo
para analizar su incidencia en las propiedades mecánicas. Es así, que se
definieron dos fracciones volumétricas de refuerzo, 0,15 y 0,20 y se varió dentro
de cada fracción las fracciones volumétricas de coco y vidrio en relaciones
coco/vidrio de 25/75, 50/50, 75/25. El detalle del cálculo de la cantidad de fibra
70
para cada fracción de refuerzo, así como, la deducción de las densidades
empleadas en el proyecto se presenta en el Anexo I.
3.1.2. DETERMINACIÓN DE LA DISPOSICIÓN DEL REFUERZO HÍBRIDO
Para establecer la disposición adecuada de los refuerzos en la matriz, se evaluó
el desempeño mecánico del material a dos configuraciones de refuerzo: Coco -
vidrio – coco (Fc-Fv-Fc) y vidrio – coco – vidrio (Fv-Fc-Fv). Se ensayaron siete
probetas por cada disposición de refuerzo. La selección de la fracción volumétrica
de refuerzo fue arbitraria, en vista de que este análisis se enfocó en el efecto de
la disposición del refuerzo en las propiedades mecánicas a flexión del
compuesto, bajo las mismas condiciones de manufactura. Sin embargo, puede
acotarse que se esperó obtener mejores propiedades mecánicas con la fracción
de refuerzo de 0,20 que con 0,15, razón por la cual para complementar el estudio
fue adecuado ensayar a esta fracción. En la Tabla 3.3, se presentan los
resultados del ensayo descrito.
Tabla 3.3. Propiedades mecánicas a flexión del compuesto Fc50-Fv50 de acuerdo a la disposición del refuerzo
Fracción volumétrica
Configuración Propiedades mecánicas
Disposición del refuerzo
0,20 Fc50-Fv50
Fv-Fc-Fv Fc-Fv-Fc
Módulo elástico (MPa) 4 094,0 2 065,6
Resistencia (MPa) 89,23 49,15
Deformación máxima (mm/mm)
0,027 0,045
(n=5)
Al comparar la disposición Fv-Fc-Fv con respecto a la disposición Fc-Fv-Fc, el
módulo elástico y la resistencia a la flexión incrementaron en un 98 y 82 %
respectivamente, y la deformación disminuyó en un 64 %. Estos resultados
sugirieron que la configuración Fv-Fc-Fv era la más adecuada para aplicaciones
estructurales debido a sus elevadas propiedades y baja deformación, razón por la
cual se la seleccionó para continuar la investigación.
71
Estos resultados confirmaron la teoría del emparedado, la cual sostiene que las
propiedades mecánicas de un compuesto se potencian al colocar el material
ligero y con menores propiedades en el centro y en las caras externas el material
más resistente. Además, con esta configuración, al ubicar las fibras de vidrio en
los extremos se fortalece la resistencia química al ataque externo y se confiere un
excelente acabado superficial a las piezas (Callister, 2002, p. 557 ; Herreros et al,
2007 ).
Adicionalmente, previo a los ensayos mecánicos se tomaron las medidas de
largo, ancho y espesor en cinco puntos a lo largo de cada probeta. En la Tabla
3.4 se presentan los valores de ancho y espesor de cinco probetas tomadas al
azar para cada tipo de ensayo. Se calcularon las medias de cada parámetro y se
verificaron que estas medidas cumplan con los rangos de tolerancia presentados
en las normas. Para asegurar las medidas de las probetas se rectificó los moldes
de acero hasta asegurar probetas dentro de las dimensiones descritas.
Tabla 3.4. Dimensiones de las probetas elaboradas
# Probeta Probetas a tracción Probetas a flexión
Ancho Espesor Ancho Espesor
1 25,18 2,45 13,11 4,12
2 25,15 2,48 13,18 4,17
3 25,05 2,48 13,22 4,23
4 25,12 2,56 13,19 4,21
5 25,28 2,57 13,22 4,13
Promedio 25,16 2,51 13,18 4,17
Desviación 0,08 0,05 0,04 0,04
Tolerancia 25 ±0,25 2,5 ± 0,10 - -
Como se observa en la Tabla 3.4 para los ensayos de tracción las dimensiones de
las probetas se encontraron dentro del rango de tolerancia. En las probetas de
flexión, si bien no se especifican en la norma las tolerancias, se puede observar
que las dimensiones de las probetas están muy cerca del valor requerido de 13
mm para el ancho y 4 mm para el espesor.
72
3.2. SELECCIÓN DEL MÉTODO DE EXTRACCIÓN DE LA FIBRA
DE COCO
3.2.1. FACILIDAD DE EXTRACCIÓN DE FIBRA
Las fibras de coco fueron extraídas al emplear los tres equipos descritos en el
capítulo 2. En la Tabla 3.5, se indican los resultados al considerar la facilidad de
extracción en los tres métodos estudiados.
Tabla 3.5. Facilidad y rapidez de extracción de fibra de coco en los métodos de extracción evaluados
Método Manejo de equipos Facilidad de extracción
Tiempo de extracción
Manual fácil difícil 0,4 min./ g
Grata difícil no se da extracción --------
Trituradora fácil muy buena 0,075 min./ g
Como se observa en la Tabla 3.5 la mayor facilidad de extracción se obtuvo con la
trituradora, ya que liberó rápidamente las fibras de las cáscaras. Su tiempo de
extracción fue el más corto con 0,075 min/g. En la extracción manual la extracción
fue ardua y requirió un tiempo cinco veces mayor al de la extracción con
trituradora. En la extracción con grata las fibras saturaron el disco metálico, lo cual
dificultó e impidió la extracción.
3.2.2. CANTIDAD DE FIBRA, POLVO Y RESIDUOS SÓLIDOS GENERADOS
La Tabla 3.6 indica la cantidad de fibra, polvo y residuos sólidos encontrados al
ejecutar la extracción manual. Los porcentajes en peso de fibra y polvo extraídos
fueron del 41 % y 38 %, respectivamente. Dentro de este 41 % de fibra extraída,
se encontraron cáscaras sin desfibrar, pequeñas partículas sólidas de
conglomerados de polvo y fibras demasiado gruesas, que podrían convertirse en
concentradores de esfuerzo. Solo el 20 % del 41 % de la fibra extraída fue óptima
73
para el proyecto. Además, esta fibra exhibió gran cantidad de polvo adherido que
afectaría la interacción fibra-matriz. Las pérdidas en el proceso fueron de
alrededor del 20 %.
Tabla 3.6. Cantidades de fibra y polvo de coco obtenidos con la extracción manual
Nº Prueba
Cáscara de coco sin
desfibrar (g)
Fibra de coco
(g)
Polvo de coco
(g)
Fibra de coco
extraída (% w)
Polvo extraído (% w)
Pérdidas de polvo y fibra
(% w)
1 88 36,9 33,4 41,8 37,9 20,3
2 100 43,3 34,2 43,3 34,2 22,5
3 100 41,4 37,1 41,4 37,0 21,6
Para el caso de la extracción con la trituradora universal, la Tabla 3.7 muestra que
en el primer ingreso de las cáscaras, la extracción de fibra y polvo alcanzó un
44 % y 46 % respectivamente.
Tabla 3.7. Cantidades de fibra y polvo de coco extraídos con la trituradora universal
Reingresos a la trituradora
Peso inicial (g)
Peso fibra(g)
Peso polvo(g)
*Porcentaje en peso de fibra(%
w)
*Porcentaje en peso de polvo
(% w)
1 400,0 174,6 183,10 43,65 45,7
2 167,3 123,5 24,90 30,88 6,23
3 123,5 106,3 17,10 26,58 4,28 *Los porcentajes se han calculado con respecto a los 400 g de cáscara inicial.
A la salida de la trituradora se observó fibras sueltas y un alto porcentaje de
cáscaras sin desfibrar, razón por la cual, se reingreso este saliente a la misma. A
partir del segundo reingreso la extracción ya no fue considerable observándose
menor extracción de polvo y fibra. La fibra obtenida presentó cáscaras pequeñas
sin desfibrar, y conglomerados de polvo pegados a las fibras teniéndose que
realizar una selección adicional. Con este método se logró un 22 % de extracción
de fibra. Las fibras extraídas en el proceso son presentadas en la Figura 3.2.
74
Figura 3.2. Fibra de coco extraída en el proceso mediante trituradora universal
3.2.3. TIPO DE FIBRA
La Figura 3.3 indica las observaciones realizadas en microscopio a las fibras
extraídas por extracción manual y con trituradora. No se evidenciaron roturas
transversales, empalmes ni defectos superficiales que afecten a las propiedades
mecánicas de las fibras. Sin embargo, la superficie de estas presentó partículas
pequeñas de polvo, que pudieron disminuir la interacción entre la matriz y la fibra.
Figura 3.3. Fibra de coco extraída observada al microscopio con aumento 20 X; a) Extracción con trituradora; b) Extracción manual
Así también, las fibras obtenidas por los métodos de extracción propuestos
presentaron la distribución de longitudes mostradas en la Tabla 3.8 y la Tabla 3.9.
En la Tabla 3.8, con la extracción manual cerca del 60 % de las fibras alcanzaron
longitudes de 3-6 cm y alrededor del 33 % mayores a 6 cm. En la Tabla 3.9, se
observa que con la trituradora universal cerca del 82 % de las fibras presentaron
longitudes de 3 a 6 cm y alrededor del 8 % fueron mayores a 6 cm.
(b) (a)
75
Tabla 3.8. Longitudes de fibra de coco observadas en la extracción manual
Prueba 1 Prueba 2
Longitud (cm) # Fibra % # Fibra %
menor de 3 13 3,64 13 10,70
de 3 a 4 87 24,40 32 26,20
de 4 a 5 74 20,70 22 18,00
de 5 a 6 56 15,70 18 14,70
6 a 7 34 9,52 12 9,84
7 a 8 32 8,96 6 4,92
8 a 9 16 4,48 5 4,10
9 a 10 13 3,64 2 1,64
10 a 11 9 2,52 5 4,10
11 a 12 7 1,96 4 3,28
12 a 13 5 1,40 0 0,00
mayor a 13 11 3,08 3 2,46
Total de fibras 357 100 122 100
Tabla 3.9. Longitudes de fibra de coco observadas en la extracción con trituradora
Prueba 1 Prueba 2 Prueba 3 Prueba 4
Longitud (cm) # Fibras % # Fibras % # Fibras % # Fibras %
menores de 3 14 7,45 16 10,7 10 4,76 9 9,1
de 3 a 4 87 46,30 48 32,0 58 27,62 39 39,4
4 a 5 51 27,10 49 32,7 71 33,81 35 35,4
5 a 6 21 11,20 25 16,7 33 15,71 9 9,1
mayores de 6 15 7,98 12 8,0 38 18,09 7 7,1
Total de fibras 188 100 150 100 210 100 99 100
Finalmente, una vez analizados los métodos de extracción, en la Tabla 3.10, se
condensa y compara las ventajas y desventajas obtenidas por los métodos
propuestos
76
76
Tab
la 3
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77
3.3. ESTABLECIMIENTO DE LOS PARÁMETROS DE
PROCESAMIENTO DE COMPUESTOS HÍBRIDOS POR
ESTRATIFICACIÓN
La fase de curado se estableció mediante experimentación. Para ello se
consideró como referencia la dosificación recomendada por el fabricante de la
resina Anderpol 859 y mostrada en la Tabla 2.2. Se experimentó con fracciones
de estireno de 5 % y 10 %, encontrándose que con una fracción del 10 % se
obtuvo una viscosidad adecuada para el mojado de la fibra. No se evaluó con
concentraciones mayores de estireno ya que las propiedades mecánicas de la
resina disminuyen con el incremento de monómero (Anderpol, 2010). Para el
caso del activador se consideró las concentraciones de 0,25 % y 0,5 %, en
volumen y en cada caso se adicionó el 1,5 % de catalizador. Se observó que con
la combinación de activador 0,25 % y 1,5 % la reacción de polimerización se
demoró alrededor de 1:30 min. Al aumentar la cantidad de activador a 0,5 % el
curado tomó una hora. Este tiempo se definió como el adecuado para la
fabricación de las probetas para ensayos de tracción y flexión. En la Tabla 3.11
se muestra la dosificación definida y en los siguientes párrafos las etapas
observadas en el proceso.
Tabla 3.11. Dosificación empleada en la elaboración del material híbrido
Resina poliéster Monómero
estireno Octoacto de
cobalto Peróxido de metil
etil cetona
v 10 % v/v 0,5 % v/v 1,5 % v/v
• Gelificación. Duró de 10 a 15 min. Este fue el tiempo máximo permitido para
colocar las fibras en los moldes y remojarlas con resina.
• Fase de endurecimiento. Tomó alrededor de una hora, después del cual, se
encontró facilidad en el desmolde.
• Post-curado. Se determinó un tiempo de maduración mínimo de 15 días a
temperatura ambiente para obtener una reticulación superior a 90 %, ya que el
curado total se produce a lo largo de varias semanas (Besednjak, 2005, p. 26).
78
Así también, se estableció que la temperatura de curado sea la ambiental, con el
fin de reducir los costos de fabricación y favorecer la aplicación de los resultados
en productos que puedan ser fabricados por la pequeña industria. No obstante, el
tiempo de curado se puede reducir en el caso de que el material sea sometido a
una temperatura del orden de 40°C en una estufa (Tamayo, 2012, p. 61).
Finalmente, en la Tabla 3.12 se presentan los parámetros del proceso definidos.
Tabla 3.12. Parámetros de procesamiento de compuestos híbridos fibra de coco/vidrio
Presión de moldeo 1 000 psi
Temperatura de curado *20° C
Tiempo de gelificación 10 min.
Tiempo de endurecimiento 1 h
Tiempo de post - curado 15 días
* Promedio en el Distrito Metropolitano de Quito
3.4. EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS
MATERIALES COMPUESTOS
En los siguientes acápites se describen los resultados promedio de los ensayos
de flexión y tracción realizados a los compuestos híbridos. En el Anexo III, se
presentan las propiedades individuales de cada espécimen.
3.4.1. ENSAYOS DE FLEXIÓN
Se ensayaron a flexión probetas con fracciones volumétricas globales de refuerzo
de 0,15 y 0,20. En cada refuerzo se varió el porcentaje volumétrico de fibra de
vidrio y el de fibra de coco. Se registraron los datos de fuerza y deflexión de las
probetas, a partir de los cuales se calcularon propiedades mecánicas como el
módulo elástico, resistencia y deformación máxima. En todos los casos las
probetas se fracturaron durante el ensayo. Las características de los
especímenes, fracción volumétrica global, configuración del refuerzo y
propiedades mecánicas de los compuestos se presentan en la Tabla 3.13.
79
79
Tab
la 3
.13.
Pro
pied
ades
mec
ánic
as a
fle
xión
de
los
com
pues
tos
de m
atri
z po
liést
er r
efor
zado
s co
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de c
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Fra
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n vo
lum
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ca
Fra
cció
n vo
lum
étri
ca
real
F
orm
ula
ción
E
± σ
C
V
Tm
ax
± σ
C
V
ε
±σ
C
V
δ
MP
a M
Pa
%
MP
a M
Pa
%
mm
/mm
-
- (g
/cm
3 )
0,15
- R
.P 8
59
2 01
2,0
109,
1 5,
4 59
,55
4,65
7,
8 0,
0412
0,
0024
6
1,21
± 0
,031
0,16
Fc
100-
Fv0
1 79
7,6
104,
1 5,
8 43
,98
3,13
7,
1 0,
0360
0,
0054
15
1,
12 ±
0,0
14
0,14
Fc
75-F
v25
2 78
3,2
162,
6 5,
8 63
,79
5,13
8,
0 0,
0299
0,
0035
12
1,
18 ±
0,0
05
0,14
Fc
50-F
v50
3 04
2,2
201,
5 6,
6 72
,42
6,67
9,
2 0,
0312
0,
0054
17
1,
22 ±
0,0
09
0,14
Fc
25-F
v75
3 30
3,1
179,
9 5,
5 77
,56
7,19
9,
3 0,
0298
0,
0047
15
1,
25 ±
0,0
12
0,15
Fc
0-F
v100
3
673,
1 11
0,9
3,0
93,8
4 2,
59
2,8
0,03
56
0,00
25
7 1,
28 ±
0,0
16
0,20
0,22
Fc
100-
Fv0
2 01
1,1
100,
4 5,
0 44
,69
4,58
10
,0
0,02
82
0,00
39
14
1,09
± 0
,021
0,21
Fc
75-F
v25
3 11
8,4
63,
0 2,
0 63
,72
3,82
6,
0 0,
0253
0,
0018
7
1,17
± 0
,007
0,21
Fc
50-F
v50
4 09
4,9
255,
2 6,
2 89
,23
10,9
0 12
,0
0,02
74
0,00
40
14
1,23
± 0
,048
0,19
Fc
25-F
v75
4 48
4,4
229,
9 5,
1 11
0,30
7,
35
6,7
0,03
05
0,00
10
3 1,
28 ±
0,0
33
0,21
Fc
0-F
v100
4
482,
7 13
1,6
2,9
111,
05
9,18
8,
3 0,
0338
0,
0044
13
1,
33 ±
0,0
15
(
n=5)
80
Como se observa en la Tabla 3.13, las propiedades mecánicas encontradas en
cada configuración evidenciaron coeficientes de variación menores al 17 %, lo
cual demuestra una menor heterogeneidad en los resultados. Así también, las
fracciones volumétricas reales de refuerzo presentaron desviaciones menores al
6 % con relación a las nominales. Las variaciones se deben a pérdidas o
adiciones fortuitas de fibra en el mezclado, en el pesado u otra etapa del proceso.
Se observó que las densidades de los materiales aumentaron con el incremento
de la fracción de fibra de vidrio y disminuyeron al aumentar la cantidad de fibra de
coco. Así, con la configuración Fc0-Fv100, los materiales presentaron las
densidades más elevadas, debido a la alta densidad de la fibra sintética (2,02
g/cm3), mientras que con la configuración Fc100-Fv0 se obtuvieron las menores,
como consecuencia de la baja densidad de la fibra natural (0,77 g/cm3).
La Figura 3.4 permite observar el efecto del incremento de la fracción volumétrica
de refuerzo de 0,15 a 0,20 en la densidad de los compuestos. Se observa que
este incremento se tradujo en un aumento de la densidad de los materiales con
mayor concentración de fibra de vidrio y disminución con la adición de fibra de
coco al refuerzo.
Figura 3.4. Efecto en la densidad de los compuestos del incremento de la fracción en el refuerzo de 0,15 a 0,20
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
Fc0-Fv100 Fc25-Fv75 Fc50-Fv50 Fc75-Fv25 Fc100-Fv0
Var
iaci
ón
de
la d
ensi
dad
co
n e
l in
crem
ento
de
la la
fra
cció
n a
0,2
(%
)
Configuración del refuerzo
81
Para el análisis de las propiedades mecánicas se muestran en las Figura 3.5 y
3.6, las curvas de esfuerzo vs. deformación de las distintas formulaciones
propuestas para las fracciones volumétricas globales de refuerzo del 0,15 y 0,20.
Figura 3.5. Curvas esfuerzo vs. deformación a la flexión para compuestos de matriz poliéster reforzada con fibra de coco/vidrio a una fracción volumétrica de 0,15
Figura 3.6. Curvas esfuerzo vs. deformación a la flexión para compuestos de matriz poliéster reforzada con fibra de coco/vidrio a una fracción volumétrica de 0,20
En las figuras presentadas se observa el comportamiento mecánico a flexión de
las distintas formulaciones del material. La curva presenta un tramo inicial lineal
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 0,01 0,02 0,03 0,04
Esf
uer
zo (
MP
a)
Deformación (mm/mm)
Fc100-Fv0
Fc75-Fv25
Fc50-Fv50
Fc25-Fv75
Fc0-Fv100
Resina Anderpol 859
0
20
40
60
80
100
120
0 0,01 0,02 0,03 0,04
Esf
uer
zo (
MP
a)
Deformación (mm/mm)
Fc100-Fv0
Fv75-Fv25
Fc50-Fv50
Fc25-Fv75
Fc0-Fv100
Resina Anderpol 859
82
hasta aproximadamente la mitad del esfuerzo, en la que el material sufriría
deformaciones reversibles, seguido de un comportamiento no lineal hasta la
fractura del mismo. Para graficar las curvas se tomaron los datos de esfuerzo y
deformación de un espécimen representativo de cada configuración.
Al comparar las curvas obtenidas con las dos fracciones volumétricas del 0,15 y
0,20, se evidencia una tendencia similar en el comportamiento mecánico del
material, lo cual demuestra reproducibilidad en el procedimiento experimental
seguido, así como, el incremento de las propiedades mecánicas al aumentar la
fracción de refuerzo a 0,20.
Por otra parte, similares características presentaron las curvas de esfuerzo vs.
deformación en investigaciones realizadas a compuestos de matriz poliéster
reforzados con fibras de abacá y vidrio. Como se observó en la Figura 1.15, las
curvas demostraron porciones iniciales lineales hasta aproximadamente la mitad
del esfuerzo, seguido de un comportamiento no lineal y fractura del material. Así
también, se notó que el incremento de las fracciones de refuerzo potenció las
propiedades mecánicas de los compuestos, al igual que la orientación de las
fibras. Según dicha investigación, una orientación longitudinal o perpendicular
(tejido) de las fibras incrementó de gran manera las propiedades del compuesto
con relación a si se usa una orientación al azar con fibras cortas. Las curvas
esfuerzo vs. deformación permitieron obtener propiedades mecánicas importantes
de los compuestos híbridos, estas se analizan en los siguientes acápites.
3.4.1.1. Módulo de flexión
Una vez analizadas las curvas de esfuerzo vs. deformación y debido a la forma de
la curva, se determinaron dos módulos de flexión: el de Young y el de trabajo. La
manera en que se calculó los módulos se describe en el Anexo II. Los módulos de
Young, revelaron que el incremento en la concentración de fibra de vidrio generó
un aumento del módulo elástico de todas las configuraciones, como se indica en
la Figura 3.7. Esto es consecuencia de las elevadas propiedades mecánicas de la
83
fibra de vidrio y de su mejor adherencia a la matriz debido a los agentes ligantes
que esta posee en comparación con la fibra de coco (Neto y Pardini, 2006, p. 61);
esto significa que las cargas se transmitieron eficientemente de la matriz a la fibra
de vidrio.
Figura 3.7. Incremento del módulo elástico a la flexión de los compuestos conforme aumenta en 25 % la concentración de fibra de vidrio en el refuerzo
Un comportamiento similar se observó en estudios, en los que se combinaron
fibras de sisal y vidrio (Borges, Mondadore, Freire, Campos y Zattera, 2009), así
como en otros compuestos en los que se han empleado diferentes matrices y
refuerzos. En la Figura 3.8 se compara al compuesto Fc50-Fv50 al 20 % de
refuerzo, con matrices de polipropileno, poliéster y epóxica reforzadas con fibras
de yute, abacá y mats de fibra de vidrio.
En estas configuraciones al igual que con el compuesto híbrido de fibra de coco y
vidrio, el incremento de fibra sintética aumentó el módulo elástico de los
compuestos. Esto señala que a pesar de que algunas fibras naturales presenten
menores propiedades mecánicas o se empleen como fibras cortas como en el
caso del coco y el abacá, la adición al refuerzo de una fibra sintética de
excelentes propiedades como el vidrio, favorece el desempeño mecánico de los
compuestos.
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
5000
R.P. 859 0 25 50 75 100
Mó
du
lo e
last
ico
(M
Pa)
Fibra de vidrio (%V)
Fracción volumétrica de refuerzo de 0,15
Fracción volumétrica de refuerzo de 0,20
Resina Anderpol 859
84
Figura 3.8. Efecto del incremento de fibra de vidrio en el módulo de Young de algunos compuestos híbridos reforzados al 20 %.
(*Cevallos y Tenesaca, 2012, p. 139; **Chand y Fahim, 2008, p. 114)
En los materiales reforzados con una fracción volumétrica de 0,15, la Figura 3.7
muestra que el menor módulo elástico se encontró en la formulación Fc100-Fv0;
con un 10,7 % menor al módulo de la resina Anderpol 859. Esto puede atribuirse
al empleo de fibras cortas en el refuerzo, ya que existen zonas no cubiertas por la
fibra, en las que las cargas se trasmiten directamente a la matriz, lo cual
disminuye las propiedades mecánicas del compuesto (Callister, 2002, p. 540).
Por otra parte, al comparar en la Figura 3.7, para una fracción volumétrica de
0,15, el módulo de elasticidad de la formulación Fc0-Fv100 con la Fc25-Fv75, el
incremento del 25 % de fibra de coco en el refuerzo, disminuyó la media del
módulo elástico en un 11 %. Así también, para la configuración Fc25-Fv75 se
observó que con un 25 % más de fibra de vidrio con respecto a la formulación
Fc50-Fv50 se incrementó la media del módulo en un 8,5 %.
Para una fracción volumétrica global de refuerzo del 0,20 la Figura 3.7, muestra
que el módulo más elevado fue el de las formulaciones: Fc0-Fv100 y Fc25-Fv75.
En la configuración Fc100-Fv0, una mayor fracción volumétrica de fibra natural
hizo más rígido al compuesto, lo cual aumentó el módulo elástico e igualó su valor
33Y/0V
20Y/30V 18Y/40V
22Y/0V
10Y/39V
75A/25V 50A/50V 25A/75V
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
0 1 2 3
Mó
du
lo d
e Y
ou
ng
a a
la f
lexi
ón
(M
Pa)
Configuraciones de refuerzo
Epoxi+yute+vidrio
Poliéster+yute+vidrio
Polipropileno+abacá+vidrio
Poliéster+coco+vidrio
**
**
85
al de la resina poliéster. Esto sugiere que el refuerzo con fibra de coco en la
fracción de 0,20, no provocó cambios en las propiedades mecánicas de la matriz
sin reforzar. No obstante, con relación a las otras configuraciones presentó el
módulo más bajo. Al comparar los compuestos híbridos Fc50-Fv50 con respecto a
la formulación Fc25-Fv75 se observó una disminución del 8,7 % en la media del
módulo.
En adición a estos resultados, en la Figura 3.9, se ilustra el efecto del incremento
de la fracción volumétrica global de refuerzo en los módulos elásticos a flexión.
Este análisis permitió determinar las formulaciones en las que el incremento de la
fracción volumétrica mejoró o disminuyó las propiedades mecánicas del material
compuesto.
Figura 3.9. Efecto del incremento de la fracción volumétrica de refuerzo de 0,15 a 0,20 en
los módulos elásticos a flexión de los materiales compuestos
En la Figura 3.9 el incremento en la fracción de refuerzo aumentó el módulo
elástico en todas las formulaciones. Sin embargo, el aumento más notable se
observó en las configuraciones Fc50-Fv50 y Fc25-Fv75 con un 35 %. Para el
caso de esta última formulación, el incremento en la fracción de refuerzo, mejoró
notablemente su desempeño mecánico, el cual alcanzó al módulo del material
reforzado sólo con fibra de vidrio.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Fc100-Fv0 Fc75-Fv25 Fc50-Fv50 Fc25-Fv75 Fc0-Fv100
Var
iaci
ón
del
mó
du
lo c
on
el
incr
emen
to d
e la
fra
cció
n a
0,2
(%
)
Configuración del refuerzo
86
En aplicaciones estructurales es deseable que los materiales no se deformen ni
pierdan la relación lineal entre el esfuerzo y la deformación. Es por ello, que los
cálculos de diseño se basan en la zona elástica. Sin embargo, en las curvas
esfuerzo vs. deformación, se observó una inflexión seguida de una recta en la
cual podría trabajarse con el material. La pendiente a este tramo de la curva se le
llamó módulo de trabajo como se muestra en la Figura 3.10.
Figura 3.10. Tramos de la curva esfuerzo vs. deformación a la flexión de un compuesto híbrido en el que se calculó el módulo de Young y el módulo de trabajo
En esta zona con relación al módulo de Young se obtuvo una menor rigidez, ya
que la pendiente fue menor que la observada en el tramo inicial, sin embargo, en
esta franja se alcanzó una mayor resistencia del material. En la Tabla 3.14 se
presentan los módulos de trabajo encontrados en los compuestos híbridos. Los
detalles de los cálculos del módulo de Young y de trabajo se presentan en el
Anexo II.
0
20
40
60
80
100
120
140
0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05
Esf
uer
zo (
MP
a)
Deformación (mm/mm)
Módulo lineal
Módulo de trabajo
87
Tabla 3.14. Módulos de trabajo a la flexión de los compuestos de matriz poliéster reforzada con fibras de coco/vidrio
Módulo de trabajo correspondiente al porcentaje de fracción volumétrica de 0,15
Formulaciones Promedio
(MPa)
Desviación estándar
(MPa)
Coeficiente de variación (%)
Rango de esfuerzo en el que se encuentra el módulo de trabajo
(MPa)
Fc100-Fv0 1 418,1 180,6 12,7 24,58-35,97
Fc75-Fv25 2 059,2 232,4 11,3 34,58-49,71
Fc50-Fv50 2 273,8 271,1 11,9 38,33-53,14
Fc25-Fv75 2 601,5 194,9 7,5 43,50-62,67
Fc0-Fv100 3 103,7 129,7 4,2 50,22-72,74
Módulo de trabajo correspondiente al porcentaje de fracción volumétrica de 0,20
Formulaciones Promedio
(MPa)
Desviación estándar
(MPa)
Coeficiente de variación (%)
Rango de esfuerzo en el que se encuentra el módulo de trabajo
(MPa)
Fc100-Fv0 1 537,3 106,9 6,95 25,02-37,40
Fc75-Fv25 2 431,9 248,9 10,20 35,39-48,57
Fc50-Fv50 3 432,0 427,8 12,50 52,85-70,44
Fc25-Fv75 3 493,3 348,3 9,97 54,01-79,40
Fc0-Fv100 3 494,7 94,1 2,69 59,41-85,89 (n=5)
3.4.1.2. Resistencia a la flexión
Los esfuerzos máximos de cada fracción volumétrica y configuración de refuerzo
evidenciaron un comportamiento similar al encontrado en el módulo elástico. La
resistencia de los compuestos se incrementó con la adición de fibra de vidrio, y
disminuyó con el aumento de fibra de coco, como se puede constatar en la Figura
3.11. El incremento en la resistencia puede atribuirse a las elevadas propiedades
mecánicas de la fibra de vidrio, lo cual tiene un efecto positivo en la resistencia a
la flexión del material. Así también, los agentes ligantes de silano que mantienen
unidos a los mats de fibras de vidrio, pudieron favorecer la adherencia química de
la fibra con la matriz (Neto y Pardini, 2006, p. 61). Similares características se han
observado en algunos compuestos reforzados con fibras naturales y vidrio al 20 %
de refuerzo como se muestra Figura 3.12.
88
Figura 3.11. Incremento de la resistencia a la flexión conforme aumenta en 25 % la fracción de fibra de vidrio en el refuerzo
Figura 3.12. Efecto del incremento de fibra de vidrio en la resistencia a la flexión de algunos compuestos híbridos reforzados al 20 %
(*Cevallos y Tenesaca, 2012, p. 139; **Chand y Fahim, 2008, p. 114)
En la Figura 3.11, para una fracción volumétrica de refuerzo del 0,15, la mayor
resistencia a la flexión alcanzó la formulación Fc0-Fv100 y la menor, la
formulación Fc100-Fv0. Esta última presentó un esfuerzo menor en un 25 % con
respecto a la resina Anderpol 859 sin refuerzo. Este resultado es similar al
0
20
40
60
80
100
120
140
R.P. 859 0 25 50 75 100
Esf
uer
zo (
MP
a)
Fibra de vidrio(%V)
Fracción volumétrica de refuerzo de 0,15
Fracción volumétrica de refuerzo de 0,2
Resina Anderpol 859
33Y/0V
20Y/30V 18Y/40V
22Y/0V
10Y/39V
75A/25V 50A/50V 25A/75V
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
0 1 2 3
Res
iste
nci
á a
la f
lexi
ón
(M
Pa)
Configuraciones de refuerzo
Epoxi+yute+vidrio
Poliéster+yute+vidrio
Polipropileno+abacá+vidrio
Poliéster+coco+vidrio
**
**
*
89
observado en la Tabla 1.10. En esta el refuerzo de una matriz poliéster con el 25
% de fibra de coco orientada al azar disminuyó en más del 50 % su resistencia
a la flexión. Esta disminución puede explicarse si se analiza la falla del material. Al
someter al material bajo carga, se observó que la falla comenzó por las fibras y
luego se transmitió a la matriz. Esto ocurre en vista de que la fibra de coco posee
menores propiedades mecánicas que la matriz poliéster, lo cual atenúo las
propiedades mecánicas de los compuestos (Pickering, 2008, p. 41). Es así que,
en la formulación Fc75-Fv25, la presencia del 25 % de fibra de vidrio en el
refuerzo, no mejoró la resistencia con respecto a la matriz. De igual manera, para
la formulación Fc25-Fv75, el adicionar un 25 % de fibra de vidrio con relación a la
configuración Fc50-Fv50.
Al incrementar la fracción volumétrica de refuerzo a 0,20, las configuraciones Fc0-
Fv100 y Fc25-Fv75, presentaron la mayor resistencia a la flexión. Además, la
configuración Fc25-Fv75 con respecto a la formulación Fc50-Fv50, mejoró su
resistencia en 23,64 %. Adicionalmente, se presenta en la Figura 3.13 el efecto
del incremento de la fracción volumétrica de refuerzo en la resistencia de los
compuestos híbridos.
Figura 3.13. Efecto del incremento de la fracción volumétrica de 0,15 a 0,20 en la resistencia a la flexión de los compuestos
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Fc100-Fv0 Fc75-Fv25 Fc50-Fv50 Fc25-Fv75 Fc0-Fv100
Var
iaci
ón
del
esf
uer
zo c
on
el
incr
emen
to d
e la
fra
cció
n a
0,2
(%
)
Configuración del refuerzo
90
Las resistencias se incrementaron en un 15,5 % y 18,8 % para las formulaciones
Fc0-Fv100 y Fc50-Fv50, respectivamente. El incremento en la fracción
volumétrica de refuerzo favoreció a la configuración Fc25-Fv75, su resistencia
llegó a aumentar un 29,7 %, similar al esfuerzo obtenido al emplear solo fibra de
vidrio como refuerzo. Así también, se encontró un incremento poco significativo
del 1,5 % en la configuración Fc100-Fv0 y una disminución de 0,1 % en el
esfuerzo para la configuración Fc75-Fv25, respecto a la alcanzada con una
fracción volumétrica de 0,15.
Por otra parte, en la Figura 3.14 se presentan el módulo elástico y resistencia
específicos del compuesto Fc50-Fv50 al 20 % de refuerzo, comparado con otros
compuestos híbridos formados con el 50 % de fibra natural y 50 % de fibra de
vidrio al 20 % de refuerzo.
Figura 3.14. Módulo a la flexión específico vs. resistencia a la flexión específica de algunos compuestos híbridos
(*Cevallos y Tenesaca, 2012, p. 139; **Pompeo, 2010, p. 40;***Villacís, 2011, p. 100)
Como se observa en la Figura 3.14 el refuerzo de las distintas matrices con fibras
naturales mejoró el desempeño mecánico de los compuestos. No obstante, la
adición de una fibra sintética potenció estas propiedades. Así, se observan
900
1400
1900
2400
2900
3400
3900
4400
4900
5400
5900
6400
0 50 100
Mó
du
lo a
fle
xio
n e
spec
ífic
o (
m 2 /
s 2 )
Resistencia a la flexión específica (m 2/s 2)
*Matriz pp+20 mm abacá+vidrio
***Matriz poliéster+ 10 mm abacá+vidrio
Matriz poliéster+coco+vidrio
**Matriz poliéster +curauá+vidrio
*Matriz pp+ 20 mm abacá
Matriz poliéster+coco
Matriz poliéster+ vidrio
*Matriz pp+vidrio
*Matriz pp
Matriz poliéster
91
incrementos en los módulos y resistencias específicas de las diferentes matrices
reforzadas con fibras naturales y vidrio, con relación a sus matrices sin refuerzo y
a las matrices reforzadas con fibras naturales. Así, el compuesto con una fracción
volumétrica de refuerzo y configuración Fc50-Fv50, con respecto a los demás
compuestos presentó un elevado módulo y resistencia específica, solo
ligeramente por debajo en un 13 % de la resistencia alcanzada por la matriz
poliéster reforzada con fibra de vidrio y un 54% con relación al módulo a la flexión
alcanzado por la matriz poliéster reforzada con curauá y vidrio.
Por su parte, la matriz poliéster presentó mejores propiedades mecánicas a la
flexión con relación a la matriz de polipropileno. Así, con respecto a esta última su
módulo elástico y resistencia específica incrementaron en 25 y 70 %,
respectivamente. Por esta razón, el compuesto de matriz de polipropileno + abacá
+ vidrio, fue superado por el compuesto Fc50-Fv50.
Para el caso del compuesto de matriz poliéster con fibra de coco su módulo
disminuyó en un 32 % con relación al compuesto de matriz polipropileno con
abacá. Esto puede ser consecuencia de las mejores propiedades mecánicas de la
fibra de abacá con respecto a las de coco, tal como se observa en la Tabla 1.9.
3.4.1.3. Deformación máxima
De las curvas de esfuerzo vs. deformación se tomaron las deformaciones
máximas alcanzadas por cada fracción volumétrica y configuración de refuerzo.
La resina Anderpol 859, exhibió la mayor deformación en comparación con todas
las formulaciones, como lo muestran los datos presentados en la Tabla 3.13. Esto
es lo esperado en vista de que es una matriz sin refuerzo. Al adicionar un refuerzo
a la matriz, esta, además de mantener a las fibras juntas entre sí, tiene la
importante función de transmitir la carga aplicada a las fibras.
Las fibras ejercen su efecto al impedir la deformación de la matriz como se
observa en la Figura 1.13, (Callister, 2002). Es por ello, que los compuestos
híbridos presentaron deformaciones por debajo de la matriz poliéster.
92
Para una fracción volumétrica de refuerzo de 0,15 las deformaciones más bajas
fueron las de las configuraciones Fc25-Fv75, Fc50-Fv50 y Fc75-Fv25. Esto
evidencia que el refuerzo híbrido de fibra de coco y vidrio tiene un efecto positivo
en el material, ya que su combinación disminuye la deformación, lo cual es
adecuado para un material estructural. Las configuraciones Fc0-Fv100 y Fc100-
Fv0, presentaron iguales deformaciones y menores con relación a la resina
poliéster en un 13 %.
Al emplear una fracción volumétrica global de refuerzo de 0,20, las deformaciones
más bajas fueron las de las formulaciones Fc50-Fv50, Fc75-Fv25 y Fc100-Fv0. La
formulación Fc100-Fv0, presentó una disminución de 16,6 % en su deformación
con respecto a la formulación Fc0-Fv100. Esto sucede en vista de que la matriz
reforzada con fibra de vidrio tiene mayor resistencia a la carga con relación a los
compuestos reforzados con fibra de coco, lo cual incrementa su deformación.
Esto se comprueba en la Figura 3.15 al analizar el efecto del incremento de la
fracción volumétrica de refuerzo en la deformación de los compuestos.
Figura 3.15. Efecto del incremento de la fracción volumétrica de 0,15 a 0,20 en la deformación máxima a la flexión de los compuestos
La deformación disminuyó en todas las configuraciones con el incremento del
refuerzo. Esto puede relacionarse con los resultados obtenidos en los módulos de
-25
-20
-15
-10
-5
0 Fc100-Fv0 Fc75-Fv25 Fc50-Fv50 Fc25-Fv75 Fc0-Fv100
Var
iaci
ón
de
la d
efo
rmac
ión
co
n e
l in
crem
ento
de
la f
racc
ión
a 0
,20
(%
)
Configuración del refuerzo
93
flexión. La rigidez del material se incrementó con una fracción volumétrica de
refuerzo más alta; por lo tanto, al aumentar los módulos o pendientes de las
curvas esfuerzo vs. deformación es más difícil deformar el material. Finalmente,
en la Figura 3.16 se presentan las probetas a flexión ensayadas.
Figura 3.16. Probetas de flexión compuestos híbridos; a) Ensayadas; b) Acercamiento a la fractura; c) Vista lateral
En la Figura 3.17 se muestra un acercamiento de la fractura, observándose que la
falla del material híbrido se originó en la matriz y luego se trasladó a las fibras.
Así, a pesar de existir una rotura del material, las fibras que no se rompieron
unieron las dos mitades de la probeta fracturada.
Figura 3.17. Acercamiento a la falla de una probeta a flexión de compuesto híbrido
a
b
c
94
3.4.2. ENSAYOS DE TRACCIÓN
Para los ensayos de tracción se elaboraron probetas bajo las dimensiones
especificadas en la norma ASTM D 3039. Se variaron las fracciones volumétricas
de refuerzo en 0,15 y 0,20, y se evaluó su desempeño mecánico. En la Tabla 3.15
se presentan las características de las pobretas ensayadas y sus propiedades
mecánicas. Los valores encontrados evidenciaron coeficientes de variación
menores al 17 %, lo cual demuestra una menor heterogeneidad en los resultados.
Al analizar las densidades de los compuestos, se notó que el aumento en la
fracción volumétrica de refuerzo de 0,15 a 0,20 incrementó la densidad en los
compuestos con mayor concentración de fibra de vidrio y disminuyó en los
compuestos con mayor concentración de fibra de coco, como se observa en la
Figura 3.18. Esto es lo esperado si se considera que la densidad de la fibra de
vidrio (2,02 g/cm3) es 262 % mayor a la densidad de la fibra de coco (0,77 g/cm3).
Figura 3.18. Efecto del incremento de la fracción volumétrica de 0,15 a 0,20 en la densidad de los compuestos
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
Fc0-Fv100 Fc25-Fv75 Fc50-Fv50 Fc75-Fv25 Fc100-Fv0
Var
iaci
ón
de
la d
ensi
dad
co
n e
l in
crem
ento
de
la f
racc
ión
a 0
,20
(%
)
Configuración del refuerzo
95
T
abla
3.1
5. P
ropi
edad
es m
ecán
icas
a tr
acci
ón d
e lo
s co
mpu
esto
s de
mat
riz
polié
ster
ref
orza
da c
on f
ibra
de
coco
/vid
rio
Fra
cció
n
volu
mét
rica
Fra
cció
n
volu
mét
rica
real
For
mu
laci
ón
E
±σ
C
V
Tm
ax
±σ
C
V
ε
±σ
C
V
δ
MP
a M
Pa
%
MP
a M
Pa
%
- -
%
(g/c
m3 )
0,15
- R
.P 8
59
1 19
7,0
118,
8 9,
93
27,4
5 1,
0 3,
68
0,02
38
0,00
23
9,71
1,
17 ±
0,0
46
0,14
Fc
100-
Fv0
1 85
6,9
292,
3 15
,70
18,7
2 1,
2 6,
41
0,01
14
0,00
19
16,7
0 1,
15 ±
0,0
11
0,13
Fc
75-F
v25
3 28
5,3
180,
5 5,
50
25,9
5 3,
0 11
,50
0,00
85
0,00
24
28,2
0 1,
19 ±
0,0
18
0,13
Fc
50-F
v50
3 72
2,2
142,
5 3,
83
35,7
1 2,
7 7,
56
0,01
10
0,00
05
4,55
1,
24 ±
0,0
10
0,13
Fc
25-F
v75
4 23
2,3
579,
0 13
,70
38,2
7 3,
7 9,
72
0,00
92
0,00
09
10,7
0 1,
28 ±
0,0
07
0,13
Fc
0-F
v100
4
347,
5 68
5,7
15,8
0 60
,30
4,6
7,63
0,
0150
0,
0010
7,
23
1,33
± 0
,013
0,20
0,21
Fc
100-
Fv0
1 84
3,4
70,3
3,
82
17,1
9 1,
2 7,
10
0,00
99
0,00
08
8,59
1,
12 ±
0,0
28
0,22
Fc
75-F
v25
2 93
9,7
148,
2 5,
04
23,7
7 1,
5 6,
31
0,00
86
0,00
03
3,49
1,
16 ±
0,0
26
0,21
Fc
50-F
v50
3 96
0,0
124,
9 3,
16
38,5
6 6,
1 15
,80
0,01
05
0,00
16
15,2
0 1,
23 ±
0,0
18
0,18
Fc
25-F
v75
4 98
7,2
862,
4 17
,30
54,2
8 6,
1 11
,10
0,00
99
0,00
20
20,2
0 1,
32 ±
0,0
18
0,19
Fc
0-F
v100
5
330,
3 90
8,9
17,1
0 73
,97
4,3
5,79
0,
0150
0,
0007
4,
48
1,38
± 0
,020
(n=
5)
96
Para el análisis de las propiedades mecánicas, se construyeron las curvas de
esfuerzo vs. deformación presentadas en las Figura 3.19 y 3.20. En éstas se
observa el comportamiento mecánico del material y el efecto de las distintas
configuraciones de refuerzo. Para graficar las curvas se tomaron los datos de
esfuerzo y deformación de un espécimen representativo de cada configuración.
Figura 3.19. Curvas esfuerzo vs. deformación a la tracción para compuestos de matriz poliéster reforzada con fibras de coco/vidrio a una fracción volumétrica de 0,15
Figura 3.20. Curvas esfuerzo vs. deformación a la tracción para compuestos de matriz poliéster reforzada con fibras de coco/vidrio a una fracción volumétrica de 0,20
0
10
20
30
40
50
60
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025
Esf
uer
zo (
MP
a)
Deformación (mm/mm)
Fc100-Fv0
Fc75-Fv25
Fc50-Fv50
Fc25-Fv75
Fc0-Fv100
Resina Anderpol 859
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 0,005 0,01 0,015 0,02 0,025
Esf
uer
zo (
MP
a)
Deformación (mm/mm)
Fc100-Fv0
Fc75-Fv25
Fc50-Fv50
Fc25-Fv75
Fc0-Fv100
Resina Anderpol 859
97
Las curvas de esfuerzo vs. deformación demuestran que el comportamiento
mecánico del material fue similar en las dos fracciones volumétricas de refuerzo;
con aumentos del módulo elástico y resistencia conforme se incrementa la
fracción de fibra de vidrio y disminuciones en las propiedades al adicionar fibra de
coco. A diferencia de las curvas observadas en los ensayos de flexión, las curvas
a tracción presentaron linealidad a lo largo de toda la curva, lo cual sugirió el
cálculo de un solo módulo, el de Young.
Así también, se evidenciaron estas características en las curvas de esfuerzo vs
deformación a tracción de compuestos de matriz poliéster reforzada con fibras de
abacá y vidrio, presentadas en la Figura 1.15. Esta gráfica presentó similar
linealidad a lo largo de todas las curvas. En los siguientes acápites se analizan
propiedades mecánicas como el módulo de Young, resistencia y deformación a la
tracción de los compuestos en estudio.
3.4.2.1. Módulo elástico de tracción
Para determinar los módulos elásticos de tracción se calcularon las pendientes de
las curvas esfuerzo vs. deformación de cada fracción volumétrica y configuración
de refuerzo. Los valores de los módulos se detallan en la Tabla 3.15.
En la Figura 3.21, se observa que la adición de fibra de vidrio incrementó el
módulo elástico en todas las configuraciones. Así, las configuraciones con
Fc0-Fv100 y fracciones volumétricas de refuerzo del 0,15 y 0,20, presentaron
módulos de 263 y 345 % más elevados con respecto a la matriz poliéster,
respectivamente. De manera similar, con relación a la matriz poliéster, las
configuraciones con Fc100-Fv0, para ambos porcentajes de refuerzo,
incrementaron su módulo en 55 %.
98
Figura 3.21. Incremento del módulo elástico a la tracción de los compuestos conforme aumenta en 25 % la fracción de fibra de vidrio en el refuerzo
En la en la Figura 3.22, se compara el compuesto Fc50-Fv50 con el 20 % de
refuerzo, frente a otros compuestos híbridos en los que se han empleado fibras
naturales y vidrio en el refuerzo. Se observa que al igual que con el compuesto en
estudio, la adición de fibra de vidrio a los refuerzos incrementó los módulos a la
tracción de los compuestos reforzados con yute/vidrio y abacá/vidrio.
Figura 3.22. Efecto del incremento de fibra de vidrio en los módulos de Young a tracción de algunos compuestos híbridos reforzados al 20 %
(*Cevallos y Tenesaca, 2012, p. 139; **Chand y Fahim, 2008, p. 114)
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
R.P 859 0 25 50 75 100
Mo
du
lo e
lást
ico
(M
Pa)
Fibra de vidrio (% volúmen)
Fracción volumétrica de refuerzo de 0,15
Fracción volumétrica de refuerzo de 0,20
Resina Anderpol 859
33Y/0V
20Y/30V
18Y/40V
22Y/0V
10Y/39V
75A/25V 50A/50V 25A/75V
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
16000
18000
20000
22000
24000
26000
0 1 2 3
Mó
du
lo d
e Y
ou
ng
(M
Pa)
Configuraciones de refuerzo
Epoxi+yute+vidrio
Poliéster+yute+vidrio
Polipropileno+abacá+vidrio
Poliéster+coco+vidrio
** **
*
99
Como se muestra en la Figura 3.21, al comparar al compuesto Fc50-Fv50 con
respecto al compuesto Fc25-Fv75, un 25 % adicional de fibra de vidrio en este
último, mejoró el módulo en 13,7 % para la fracción volumétrica de refuerzo de
0,15 y un 26 % para una fracción de 0,20.
Al incrementar la fracción volumétrica de refuerzo, el módulo elástico de las
configuraciones Fc50-Fv50, Fc25-Fv75 y Fc0-Fv100, aumentó en 6,4 %, 17,8 % y
22,6 %, respectivamente, como se muestra en la Figura 3.23.
Figura 3.23. Efecto del incremento de la fracción volumétrica de 0,15 a 0,20 en el módulo
elástico a la tracción de los compuestos
Un comportamiento distinto se observó en las configuraciones Fc100-Fv0 y Fc75-
Fv25, en las cuales el módulo disminuyó en un 0,7 % y 10,5 % respectivamente.
Esto sucedió debido a las bajas propiedades de la fibra de coco a la tracción, así
como la pobre adherencia entre la fibra natural y la matriz, lo cual disminuyó la
resistencia mecánica de los materiales de poliéster con la incorporación de fibra
de coco. Similares observaciones realizó Santa Fe Junior et al. (2010) en estudios
realizados acerca de las propiedades mecánicas a tracción de compuestos de
matriz poliéster reforzados con fibras de coco. En estas investigaciones el módulo
a la tracción disminuyó por debajo del módulo de la matriz poliéster conforme se
incrementó el porcentaje de fibra de coco hasta el 30 % en el refuerzo, como se
observa en la Figura 3.24 (p. 115).
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
Fc100-Fv0 Fc75-Fv25 Fc50-Fv50 Fc25-Fv75 Fc0-Fv100
Var
iaci
ón
del
mó
du
lo c
on
el
incr
emen
to d
e la
fra
cció
n a
0,2
0 (%
)
Configuración del refuerzo
100
Figura 3.24. Variación del módulo elástico conforme se incrementa la fracción de fibra de coco en una matriz poliéster
(Santa Fe, et al, 2010, p. 115)
3.4.2.2. Resistencia a la tracción
De las curvas de esfuerzo vs. deformación se tomaron los esfuerzos máximos de
cada fracción volumétrica y sus respectivas configuraciones de refuerzo. Como
muestra la Figura 3.25, el aumento en la concentración de fibra de vidrio
incrementó la resistencia en todas las configuraciones.
Figura 3.25. Incremento de la resistencia a la tracción conforme aumenta la fracción de fibra de vidrio en el refuerzo híbrido fibra de coco/vidrio
0
200
400
600
800
1000
1200
0 10 20 30 40
Mo
du
lo e
lást
ico
a la
tra
cció
n
(MP
a)
Fracción volumétrica de fibra de coco (%)
Resina políester
Resina poliéster+ coco
0
10
20
30
40
50
60
70
80
R.P 859 0 25 50 75 100
Esf
uer
zo (
MP
a)
Fibra de vidrio (% Volúmen)
Fracción volumétrica de refuerzo de 0,15
Fracción volumétrica de refuerzo de 0,20
101
Así, en la Figura 3.25, se observó que al emplear una configuración Fc0-Fv100 y
fracciones volumétricas de refuerzo del 0,15 y 0,20, se mejoró la resistencia del
material con respecto a la resina en 119 y 169 %, respectivamente. Por el
contrario, la formulación Fc100-Fv0, presentó resistencias menores a la matriz
poliéster en 46,6 y 59,7 %, respectivamente, para las fracciones descritas.
Esto es equivalente a los resultados encontrados en las investigaciones de Santa
Fe Junior et al. (2010). Estos resultados sugirieron posibles problemas de
adhesión entre la matriz y el refuerzo, lo cual generó una baja distribución
homogénea de los esfuerzos a las fibras, así como, las bajas propiedades
mecánicas de la fibra con relación a la matriz poliéster (pp. 113-118). En la Figura
3.26, se observa que refuerzos del 10 al 30 % de fibra de coco promueven el fallo
prematuro y reducción de la resistencia de los compuestos. Sin embargo, al 40 %
de refuerzo, la cantidad de fibra de coco actúa como una barrera efectiva a la
propagación de grietas y mejora el rendimiento a tracción de los materiales. Por lo
que se sugeriría en investigaciones futuras emplear esta fracción de refuerzo.
Figura 3.26. Variación de la resistencia a la tracción conforme se incrementa la fracción
de refuerzo de fibra de coco en una matriz poliéster (Santa Fe, et al, 2010, p. 115)
En los compuestos híbridos en estudio, en la Figura 3.25, se observa que el
incremento del 25 % de fibra de vidrio en la formulación Fc25-Fv75 con respecto a
la configuración Fc50-Fv50, aumentó su resistencia en un 7,17 % con la fracción
0
5
10
15
20
25
30
35
0 10 20 30 40 Res
iste
nci
a a
la t
racc
ión
(M
Pa)
Fracción volumétrica de fibra de coco (%)
Resina poliéster+coco
Resina poliéster
102
volumétrica de 0,15 y un 40 % con la fracción volumétrica de 0,20. Esta última
fracción aduce, que a pesar de poseer la misma configuración Fc25-Fv75 en cada
fracción de refuerzo, el incremento del 5 % en el refuerzo potenció la unión de la
matriz a las fibras de vidrio y mejoró la resistencia del material. Así, en la Figura
3.27, se pudo observar un aumento en la resistencia de las configuraciones Fc50-
Fv50, Fc25-75Fv, y Fc0-Fv100 en un 8 %, 41,83 %, y 22,67 % respectivamente.
En las configuraciones Fc75-Fv25 y Fc100-Fv0 se observó un comportamiento
contrario, con una disminución del 8 % aproximadamente.
Figura 3.27. Efecto del incremento de la fracción de refuerzo de 0,15 a 0,20 en la resistencia a la tracción de los compuestos
Finalmente en la Figura 3.28, se compara al compuesto Fc50-Fv50 al 20 % de
refuerzo, con otros compuestos híbridos a base de fibras naturales y vidrio. Se
observa que las matrices sin refuerzo presentaron las más bajas propiedades
mecánicas. Al reforzar las matrices con fibras naturales se incrementaron estas
propiedades y aun más al adicionar la fibra de vidrio.
Las matrices de poliéster y de polipropileno reforzadas con fibra de vidrio,
presentaron buenas propiedades mecánicas, sin embargo, estos compuestos
resultaron con mayor densidad que los compuestos híbridos, lo cual hace más
-20
-10
0
10
20
30
40
50
Fc100-Fv0 Fc75-Fv25 Fc50-Fv50 Fc25-Fv75 Fc0-Fv100 Var
iaci
ón
del
esf
uer
zo c
on
el i
ncr
emen
to
de
la f
racc
ión
a 0
,20
(
%)
Configuración del refuerzo
103
atractivo el empleo de estos últimos en aplicaciones estructurales. En la Figura
3.28, se observa que el compuesto híbrido con fibra de coco/vidrio, presentó
propiedades mecánicas intermedias entre la resina poliéster sin refuerzo y la
matriz poliéster reforzada con fibra de vidrio. Por otra parte, la matriz poliéster
reforzada con sisal y vidrio exhibió la mejor resistencia a la tracción, lo cual
significó el doble de la resistencia lograda por la matriz poliéster reforzada con
fibra de vidrio. Esto es consecuencia de las excelentes propiedades de la fibra de
sisal a la tracción, como se observó en la Tabla 1.9.
Figura 3.28. Módulo a la tracción específico vs. resistencia a la tracción específica para algunos compuestos híbridos
(*Cevallos y Tenesaca, 2012, p. 139; **Pompeo, 2010, p. 40;***Villacís, 2011, p. 95,155)
Al comparar las matrices, se observa que la matriz de polipropileno demostró
mejores propiedades mecánicas a la tracción que la resina poliéster, con un
módulo elástico y resistencia superior en 33 y 28% respectivamente. Este
comportamiento fue contrario al observado en los ensayos de flexión. En este
caso el desempeño mecánico del material, de acuerdo al tipo de ensayo, sugiere
la aplicación futura del mismo. Para el caso del compuesto Fc50-Fv50, se podría
emplear en aplicaciones en las que se requiera soportar esfuerzos de flexión.
900
1400
1900
2400
2900
3400
3900
4400
4900
0 50 100 150
Mó
du
lo a
la t
racc
ión
esp
ecíf
ico
(
m2
/s2 )
Resistencia a la tracción específica (m2/s2)
*Matriz pp+20 mm abacá+vidrio
***Matriz poliéster+ 10 mm abacá+vidrio
**Matriz poliéster +curauá+vidrio
*Matriz poliéster +sisal+vidrio
Matriz poliéster+coco+vidrio
*Matriz pp+ 20 mm abacá
Matriz poliéster+coco
Matriz poliéster+vidrio
*Matriz pp+vidrio
*Matriz pp
Matriz poliéster
104
3.4.2.3. Deformación a la rotura
De las curvas de esfuerzo vs. deformación se tomaron las deformaciones
máximas alcanzadas por cada una de las fracciones volumétricas y sus
configuraciones de refuerzo. La Tabla 3.15 presenta los valores promedios
encontrados de deformación con cada formulación. Se observa que la mayor
deformación alcanzada en las dos fracciones volumétricas de refuerzo fue con la
resina poliéster. Por otra parte, los compuestos híbridos presentaron
deformaciones menores a las configuraciones Fc100-Fv0 y Fc0-Fv100. Cabe
señalar que para una aplicación estructural este efecto es positivo, ya que se
requiere menor deformación del material. La menor deformación de los
compuestos híbridos se encontró en la formulación Fc75-Fv25 para las dos
fracciones volumétricas de refuerzo.
Al analizar el efecto del incremento de la fracción volumétrica de refuerzo en la
deformación del compuesto, en la Figura 3.29, se observa que la formulación
Fc100-Fv0 disminuyó en un 13 % su deformación, a diferencia de las demás
configuraciones que aumentaron. Esto es consecuencia de la baja resistencia
máxima soportada por el material, lo cual hizo que este falle prematuramente e
impidió una mayor deformación.
Figura 3.29. Efecto del incremento en la fracción volumétrica de refuerzo de 0,15 a 0,20
en la deformación máxima de los compuestos
-15
-10
-5
0
5
10
Fc100-Fv0 Fc75-Fv25 Fc50-Fv50 Fc25-Fv75 Fc0-Fv100
Var
iaci
ón
de
la d
efo
rmac
ión
co
n e
l in
crem
ento
de
la f
racc
ión
a
0,20
(
%)
Configuración del refuerzo
105
Finalmente, en la Figura 3.30 se presentan, las probetas ensayadas a tracción.
Figura 3.30. Probetas de tracción del compuesto híbrido fibra de coco/vidrio; a) Ensayadas; b) Acercamiento a la zona de fractura
Al analizar las fracturas de las probetas para las distintas configuraciones se
observó que el material sin refuerzo, se fragmentó completamente. Sin embargo,
para los materiales reforzados con fibras de coco y vidrio, se notó que la falla
comenzó por la matriz y se transmitió a las fibras. Así, las fibras que no fallaron
mantuvieron unido al material e impidieron una fractura en pedazos del mismo.
Este fenómeno se acentuó conforme se incrementó la cantidad de fibra de coco al
refuerzo.
a
b
106
3.4.3. ANÁLISIS DE DIFERENCIAS SIGNIFICATIVAS ENTRE LAS
CONFIGURACIONES
En el siguiente apartado se detallan las diferencias significativas observadas al
comparar las propiedades mecánicas a flexión y tracción de las configuraciones
evaluadas. Para ello, se utilizó el programa estadístico Statgraphics 5.1, y la
opción gráfica de medias, la cual empleó, el método de intervalos LSD de Fisher.
Se consideró en las muestras una distribución normal y un nivel de significancia
de 5 %. En la Tabla 3.16, se identifican con la letra “x” del mismo color y paralelas
entre sí a lo largo de cada columna, a los grupos que no presentaron diferencias
significativas. En cada propiedad mecánica analizada se encontraron alrededor de
5 grupos de formulaciones que no presentaron diferencias significativas.
Tabla 3.16. Formulaciones en las que no se observó diferencias significativas
Id. Fracción
Volumétrica Formulaciones
Grupos Homogéneos de acuerdo a cada propiedad
Módulo Flexión
Esfuerzo Flexión
Módulo Tracción
Esfuerzo Tracción
M1
0,15
R.P 859 x x x
M2 Fc100 –Fv0 x x x x
M3 Fc75 -Fv25 x x x x
M4 Fc50 - Fv50 x x x x
M5 Fc25 - Fv75 x x x xx
M6 Fc0 - Fv100 x x xx x
M7
0,2
Fc100 -Fv0 x x x x
M8 Fc75 -Fv25 xx x x x
M9 Fc50 - Fv50 x x x x
M10 Fc25 - Fv75 x
x x x
M11 Fc0 - Fv100 x x x
x
Las diferencias significativas entre las disposiciones se hicieron notables con el
incremento de la fracción volumétrica de refuerzo. Sin embargo, existieron
algunas configuraciones tanto al 15 % como al 20 % de refuerzo en las que no se
presentaron diferencias significativas. En las siguientes figuras se evidencia una
107
diferencia significativa si entre las formulaciones, los intervalos de incertidumbre
(líneas verticales) no se traslapan. En la Figura 3.31, para los ensayos de flexión
se observó, que el compuesto con Fc50-Fv50 al 20 % de refuerzo (M9), presentó
propiedades equivalentes o superiores a las observadas al 15 % de refuerzo en
las configuraciones Fc25-Fv75 (M5) y Fc0-Fv100 (M6).
Figura 3.31. Diferencias significativas presentes; a) Módulo a la flexión; b) Esfuerzo a la flexión
Por otra parte en los ensayos a tracción, al aumentar el porcentaje de refuerzo al
20 %, el módulo de tracción se diferenció levemente con relación al 15 % de
M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11
Formulaciones
Mó
du
lo F
lexi
ón
MP
a
1600
2100
2600
3100
3600
4100
4600
M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11
Formulaciones
Esf
ue
rzo
Fle
xió
n M
Pa
39
59
79
99
119
(a)
(b)
108
refuerzo. No así, en la resistencia a la tracción, ya que los compuestos
demostraron una notable mejoría en sus propiedades, lo cual aumentó las
diferencias significativas como se muestra en la Figura 3.32.
Figura 3.32. Diferencias significativas presentes; a) Módulo a la tracción; b) Esfuerzo a la
tracción
Así también, se observó en la Figura 3.32, que en las configuraciones Fc25-Fv75
(M10) y Fc0-Fv100 (M11) al 20 % de refuerzo, prácticamente no existieron
diferencias significativas en sus propiedades, salvo en la resistencia a la tracción,
en la que la configuración Fc0-Fv100 superó a la configuración Fc25-Fv75.
(a) (b)
M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11
Formulaciones
Mó
du
lo T
racció
n
MP
a
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
M1 M2 M3 M4 M5 M6 M7 M8 M9 M10 M11
Formulaciones
Esf
uerz
o T
racc
ión
MP
a
0
20
40
60
80
(b)
(a)
109
3.4.4. SELECCIÓN DE LA FRACCIÓN VOLUMÉTRICA Y
CONFIGURACIÓN DE REFUERZO CON MEJORES
CARACTERISTICAS FÍSICO - MECÁNICAS
Para la selección de la fracción y configuración de refuerzo con mejores
características físicas y mecánicas se consideraron dos aspectos: la cantidad de
fibra natural presente en el refuerzo y el desempeño mecánico. Con base en los
resultados anteriormente analizados, cabe señalar que propiedades mecánicas
como la rigidez y la resistencia aumentaron considerablemente al adicionar un
refuerzo con una fracción volumétrica de 0,20. Al mismo tiempo, el aumento de la
fracción de fibra de coco se tradujo en una reducción de la densidad de los
materiales compuestos. Por lo cual, se escogió a esta fracción volumétrica.
Posteriormente, para elegir la mejor configuración de refuerzo se evaluó las
propiedades mecánicas alcanzadas por las configuraciones. Para ello se utilizó el
método de criterios ponderados. En la Tabla 3.17, se muestra la ponderación
obtenida por cada configuración de refuerzo. Se observa que los híbridos con las
configuraciones Fc50-Fv50 y Fc25-Fv75 alcanzaron los mejores resultados.
Tabla 3.17. Ponderación obtenida por las configuraciones híbridas al 20 % de refuerzo al considerar las propiedades mecánicas
Configuración
Ponderación de las variables
Módulo elástico tracción
Resistencia tracción
Deformación tracción
Módulo flexión
Resistencia flexión
Deformación flexión
Suma
R.P 859 0,010 0,028 0,004 0,015 0,020 0,004 0,081
Fc100-Fv0 0,020 0,009 0,020 0,015 0,010 0,016 0,089
Fc75-Fv25 0,030 0,028 0,024 0,029 0,030 0,024 0,165
Fc50-Fv50 0,040 0,038 0,016 0,039 0,040 0,020 0,192
Fc25-Fv75 0,050 0,047 0,012 0,053 0,055 0,012 0,229
Fc0-Fv100 0,060 0,057 0,008 0,058 0,055 0,008 0,245
Así también, se observó al graficar todas las propiedades mecánicas encontradas
en las configuraciones al 20 % de refuerzo. En la Figura 3.33, se observa una
110
disminución gradual en las propiedades a la flexión y tracción conforme se redujo
la concentración de fibra de vidrio. La configuración Fc0-Fv100, junto con la
configuración Fc25-Fv75 presentaron excelentes propiedades, sin embargo, en
comparación con las demás configuraciones exhibieron mayores deformaciones.
Por su parte, la configuración Fc50-Fv50 presentó propiedades mecánicas
intermedias.
Al comparar las propiedades mecánicas obtenidas en los dos ensayos, cabe
resaltar que las configuraciones Fc25-Fv75 y Fc50-Fv50 presentaron mejores
propiedades a la flexión que a la tracción, como se observa en la Figura 3.33.
Esto sugiere la utilización del compuesto híbrido en aplicaciones en las que se
requieran elevadas propiedades a la flexión, como es el caso de los paneles
estructurales.
Figura 3.33. Gráfico multieje de las propiedades mecánicas exhibidas en las configuraciones de refuerzo para una fracción volumétrica de 0,20
0 15 30 45 60 75 90
105
Módulo Flexión (MPa/100)
Esfuerzo Flexión (MPa)
Deformación flexión
(× 1000)
Módulo Tracción (MPa/100)
Esfuerzo Tracción (MPa)
Deformación Tracción (× 1000)
Fc100-Fv0
Fc75-Fv25
Fc50-Fv50
Fc25-Fv75
Fc0-Fv100
111
De igual manera, al relacionar las propiedades mecánicas con la densidad se
obtuvieron resultados similares como se observa en las Figuras 3.34 y 3.35.
Figura 3.34. Resistencia específica a la tracción vs. módulo específico a la tracción de las distintas configuraciones de refuerzo híbrido coco/vidrio
Figura 3.35. Resistencia específica a la flexión vs. módulo específico a la flexión de las distintas configuraciones de refuerzo híbrido coco/vidrio
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
0 20 40 60
Mó
du
lo e
soec
ífic
o a
la t
racc
ión
(m
2 /s2 )
Resistencia específica a la tracción (m2/s2)
Resina Anderpol 859
Fc100-Fv0
Fc75-Fv25
Fc50-Fv50
Fc25-Fv25
Fc0-Fv100
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
0 20 40 60 80 100
Mó
du
lo e
soec
ífic
o a
la f
lexi
ón
(m
2 /s2 )
Resistencia específica a la flexión (m2/s2)
Resina Anderpol 859
Fc100-Fv0
Fc75-Fv25
Fc50-Fv50
Fc25-Fv25
Fc0-Fv100
112
En estas figuras se comparan la resistencia y rigidez específicas para las
diferentes configuraciones de refuerzos. Tanto en las propiedades de tracción
como en las de flexión la configuración Fc25-Fv75 exhibió las mejores
propiedades mecánicas, seguida de la configuración Fc50-Fv50. Cabe señalar
que la configuración Fc25-Fv75 presenta elevadas propiedades mecánicas ya que
contiene mayor concentración de fibra de vidrio; esto sin embargo, es una
desventaja si se considera la densidad del material.
Así también, al emplear una menor fracción de fibra natural hace menos atractivo
al material y se desvía de los objetivos de aplicabilidad de este recurso y carácter
biodegradable de los materiales. Por el contrario, las formulaciones Fc100-Fv0 y
Fc75-Fv25 presentaron bajas propiedades mecánicas incluso por debajo de la
resina poliéster sin refuerzo, razón por la cual, se descartó emplear estas
formulaciones.
Por otra parte, la configuración Fc50-Fv50 presentó buenas propiedades
mecánicas, con resistencia y rigidez por encima de la matriz sin refuerzo. La
densidad fue menor que la configuración Fc25-Fv75 ya que permitió el ingreso de
un 25 % más de fibra natural. Si se considera esta característica la configuración
Fc50-Fv50 fue la que obtuvo mejor ponderación como se muestra en la Tabla
3.18.
Tabla 3.18. Ponderación de las mejores configuraciones al considerar la cantidad de fibra de coco
Configuraciones Ponderación
Fc50-Fv50 0,66
Fc25-Fv75 0,33
Por último, en la Tabla 3.19 se condensan, los resultados alcanzados por la suma
individual de los parámetros de selección. Cabe resaltar, se seleccionó al material
compuesto que contenía la mayor cantidad de fibra natural posible, a la vez que
mantuvo buenas propiedades mecánicas.
113
Tabla 3.19. Parámetros para la selección de la configuración del refuerzo
Configuración Cantidad de fibra de coco
Propiedades mecánicas
Ponderación global
Factor de ponderación 50 % 50 % 100 %
Fc50-Fv50 0,33 0,23 0,56
Fc25-Fv75 0,17 0,27 0,44
Así, la configuración Fc50-Fv50 exhibió la mejor relación entre propiedades
mecánicas y cantidad de fibra natural (baja densidad). Estas características son
deseables en aplicaciones estructurales, razón por la cual se seleccionó a esta
configuración para las siguientes etapas del proceso, que son los ensayos de
impacto y la fabricación de un prototipo. El análisis completo del método de
criterios ponderados se presenta en el Anexo IV.
3.4.5. ENSAYOS DE IMPACTO
Se realizaron ensayos de impacto a la formulación Fc50-Fv50 con la fracción
volumétrica de refuerzo del 0,20. Las probetas fueron elaboradas según la
metodología experimental detallada en el capítulo 2. Los resultados de los
ensayos fueron comparados con las mejores formulaciones obtenidas en la
elaboración de compuestos de matriz poliéster reforzados con fibras de
abacá/vidrio y de materiales compuestos de matriz poliéster reforzados con fibra
de cabuya, cuyos trabajos fueron parte del proyecto PIC-0843, que se ejecutó en
la Escuela Politécnica Nacional. Los resultados se presentan en la Tabla 3.20.
Tabla 3.20. Resultados de los ensayos de impacto bajo la norma ASTM D 5628
Fracción volumétrica Formulaciones Resistencia al impacto (J) Desviación estándar (J)
0 Matriz poliéster 0,07 no disponible
0,20 Fc50-Fv50 0,323 0,019
*0,20 Fibra de vidrio 0,508 0,016
*0,20 75FLA/25Fv 0,492 no disponible
**0,26 Tejido de cabuya 0,15 no disponible
(*Villacís, 2011, p. 151;**Tamayo, 2012, p. 169); (n=20)
114
En la Figura 3.36, se observa que la configuración 75FLA/25Fv con fibras
longitudinales de abacá y mats de fibra de vidrio presentó la mayor absorción de
energía con relación a las demás configuraciones, debido al empleó de fibras
largas en el refuerzo.
Figura 3.36. Desempeño de las formulaciones al ensayo de impacto (*Villacís, 2011, p, 151; **Tamayo, 2012, p. 169)
Por el contrario, la configuración con tejido alternado de fibra de cabuya presentó
la menor energía de impacto con relación a las configuraciones en las que se
adicionó mats de fibra vidrio. Esto destaca lo beneficioso en la resistencia al
impacto de la adición de una fibra sintética al refuerzo.
Experimentalmente, se observó que a pequeñas alturas de caída de dardo las
superficies de las probetas no presentaron visualmente ninguna señal de daño.
Sin embargo, a partir de los 72 cm al incrementar la altura de caída se notó en el
punto opuesto al impacto, desde la aparición de microfisuras hasta la rotura total
de la probeta. En la Figura 3.37, (a) se muestra una probeta de matriz poliéster
antes y después del ensayo de impacto. Para este último se puede apreciar la
rotura total de las probetas, debido a la fragilidad del material.
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
Formulaciones
En
erg
ía d
e fa
lla (
J)
Resina Anderpol 859
Fracción volumétrica de refuerzo 0,26 (T. cabuya)
Fracción volumétrica de refuerzo 0,20 (Fc50-Fv50)
Fracción volumetrica de refuerzo 0,20 (75FLA/25Fv)
Fracción volumétrica de refuerzo 0,20 (100%Fv)
**
*
115
Figura 3.37. a) Probetas de matriz poliéster; b) Probetas de compuesto híbrido Fc50-Fv50 al 20 % de refuerzo, antes y después del ensayo
Para el compuesto híbrido Fc50-Fv50, se encontró un comportamiento contrario al
de la matriz poliéster. Al impactar las probetas, se observó la presencia de
microfisuras y emblanquecimientos en la zona opuesta al impacto. A impactos
más severos el material presentó agrietamientos y separación de la capa de fibra
de vidrio en la zona de impacto. A pesar de esto, el refuerzo impidió la
fragmentación del material, ya que las fibras que no fallaron mantuvieron unido al
mismo. Este comportamiento fue similar al encontrado en los ensayos de flexión y
tracción, al igual que en otros compuestos híbridos como el de abacá y vidrio.
Finalmente, para concluir con la caracterización mecánica de las probetas en la
Figura 3.38, se presentan todas las propiedades mecánicas del compuesto
híbrido Fc50-Fv50 y se comparan con las propiedades de la matriz poliéster y la
configuración Fc0-Fv100. Se observa que la configuración Fc50-Fv50 es muy
superior en todas las propiedades a la matriz sin refuerzo. Con relación a la
configuración Fc0-Fv100, el compuesto Fc50-Fv50, presentó menores
propiedades mecánicas, sin embargo, el material adquirió menor densidad, lo cual
lo hace adecuado para una aplicación estructural.
(a)
(b)
Después Antes
Antes Después
116
Figura 3.38. Gráfico multieje de las propiedades mecánicas exhibidas en las configuraciones de refuerzo para una fracción volumétrica de 0,20
Así también, en la Figura 3.39, al comparar el compuesto con otros materiales
híbridos obtenidos en la Escuela Politécnica Nacional, se observa que la
configuración Fc50-Fv50 es un material bastante competitivo, principalmente en
las propiedades a la flexión. Por otro lado, es indudable el efecto que causa una
mayor longitud de fibra en las propiedades del compuesto, como se puede
observar en las propiedades obtenidas con la matriz poliéster reforzada con fibras
largas de abacá +vidrio.
De igual manera, al emplear otro tipo de matrices, como el polipropileno se
observa que a pesar de que las propiedades a flexión de la matriz polipropileno +
abacá 10 mm + vidrio son bajas con relación a los demás compuestos, estas
presentan excelentes propiedades a la tracción. Es por ello que se abren las
puertas para una investigación futura en el uso de refuerzos con fibras largas de
coco y de su aplicación en otras matrices como la de polipropileno, para potenciar
las propiedades de compuestos de coco-vidrio a la tracción.
0
2
4
6
8
10
12
Módulo Tracción (GPa)
Esfuerzo Tracción (MPa/100)
Energía de impacto (J ×10)
Módulo Flexión (GPa) Esfuerzo Flexión
(MPa/100)
Deformación Flexión (× 100)
Deformación Tracción (× 100)
Resina Poliester
Fc50-Fv50
Fc0-Fv100
117
Figura 3.39. Propiedades mecánicas exhibidas en el compuesto Fc50-Fv50 y otros compuestos híbridos al 20 % de refuerzo y 50/50 fibra natural/ fibra de vidrio
(**Cevallos y Tenesaca, 2012, p. 139, *Villacís, 2011, p. 95, 100)
3.5. ELABORACIÓN DE TABLEROS Y EVALUACIÓN DE SUS
PROPIEDADES MECÁNICAS
Los ensayos de tracción y flexión se realizaron de acuerdo con las normas para
paneles estructurales ASTM D 3043 y ASTM D 3500, respectivamente. En la
Tabla 3.21 se resumen los resultados de estos ensayos y se comparan en la
Figura 3.40 con la resistencia a la tracción de la madera contrachapada a dos
espesores. Las propiedades mecánicas de la madera contrachapada se
presentaron en la Tabla 1.24.
0
20
40
60
80
100
120
Esfuerzo Tracción
(MPa)
Módulo Tracción
(MPa/100)
Deformación Tracción (× 1000)
Esfuerzo Flexión (MPa)
Módulo Flexión
(MPa/100)
Deformación Flexión (×
1000)
*Matriz Poliéster + Abacá 250 mm + Vidrio
*Matriz Poliéster + Abacá 10 mm + Vidrio
**Polipropileno + Abacá 10 mm + Vidrio
Fc50-Fv50
118
Tabla 3.21. Resultados de los ensayos de tracción y flexión en tableros de compuesto híbrido Fc50-Fv50 al 20 % de refuerzo
Espesor Módulo a tracción
Resistencia a tracción
Deformación máxima a tracción
Módulo a flexión
Resistencia a flexión
Deformación máxima a
flexión
mm MPa MPa mm/mm MPa MPa mm/mm
10 4 277,2 35,83 0,010 6 048,5 112,12 0,021
(n=5)
Figura 3.40. Comparación de la resistencia máxima a la tracción alcanzada por la madera contrachapada y el material híbrido Fc50-Fv50 reforzado al 20 %
Como se puede apreciar en la Figura 3.40 el compuesto híbrido presentó
excelentes propiedades incluso por encima de las presentadas por la madera
contrachapada; con una resistencia a la tracción superior a la madera de 12 mm
en 35,8 % y un 10,9 % con respecto a la madera de 18 mm.
En los ensayos a flexión el compuesto híbrido presentó una resistencia a la flexión
mayor en 286,6; 112,5; 91 y 229,3 % con respecto a la madera con FPA (Fibra
paralela) 12 mm, FPA 18 mm, FPE (Fibra perpendicular) 12 mm, y FPE 18 mm,
respectivamente, como se muestra en la Figura 3.41. Así también, la orientación
de la fibra condicionó el desempeño mecánico de la madera, no así, en el material
híbrido, ya que al presentar distribuidas las fibras aleatoriamente, se favoreció el
isotropismo de las propiedades mecánicas en el material.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Madera 12 mm Madera 18 mm Hibrido 10 mm
Res
iste
nci
a a
la t
racc
ión
(M
Pa)
Materiales
119
Figura 3.41. Comparación de la resistencia máxima a la flexión alcanzada por la madera contrachapada y el material híbrido Fc50-Fv50 reforzado al 20 %
En la Figura 3.42 se observa que el módulo elástico a la flexión del híbrido fue
mayor en un 59 % a la madera con FPA 12 mm y en un 20,5 % a la madera FPE
18 mm. Por otra parte, con respecto a la madera con FPA 18 mm y FPE 12 mm
disminuyó en 12,1 y 11,2 % respectivamente.
Figura 3.42. Comparación del módulo a la flexión alcanzcado por la madera contrachapada y el material híbrido Fc50-Fv50 reforzado al 20 %
0
20
40
60
80
100
120
FPA 12 mm FPA 18 mm FPE 12 mm FPE 18 mm Hibrido 10 mm
Res
iste
nci
a a
la f
lexi
ón
(M
Pa)
Materiales
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
FPA 12 mm FPA 18 mm FPE 12 mm FPE 18 mm Hibrido 10 mm
Mó
du
lo a
la f
lexi
ón
(M
Pa)
Materiales
120
Similar comportamiento se observó en la caracterización mecánica a tracción y
flexión de tableros de matriz poliéster reforzada con abacá y vidrio. En esta
investigación se evaluaron las propiedades mecánicas de tableros con el objetivo
de emplear este material en la fabricación de patinetas. En la Tabla 3.22 se
analiza la variación de las propiedades mecánicas de los tableros de coco/vidrio
con respecto a las propiedades de los tableros de abacá/vidrio.
Tabla 3.22. Variación de las propiedades mecánicas de los tableros de coco/vidrio respecto a los tableros de abacá/vidrio
Propiedades mecánicas Ensayos de flexión Ensayos de tracción
Módulo elástico (MPa) -33,45 % 99,88 %
Resistencia (MPa) 1,65 % -69,30 %
Deformación máxima -22,22 % -85,07 %
En la Tabla 3.22 se puede apreciar que los tableros de coco/vidrio presentaron
menores deformaciones, seguido de incrementos y disminuciones en los módulos
y resistencias, lo cual es consecuencia, de las diferentes fracciones y tipo de
refuerzo usado en los tableros de abacá/vidrio.
Por otro lado, a pesar de que el material híbrido con Fc50-Fv50 presentó mejores
propiedades que la madera contrachapada, la densidad de este aumentó en un
rango de 86 – 124 % con relación a la madera de 12 y 18 mm. Esto se debe a la
alta cantidad de resina necesaria para remojar la fibra de coco y a la baja presión
de moldeo, lo cual impidió la salida de resina del molde. Además, se debe
considerar que la densidad de la resina poliéster de 1,2 g/cm3 es mayor que la de
la madera de 0,55-0,66 g/cm3, prácticamente el doble. Una alternativa a este
inconveniente sería emplear una presión más elevada que facilite la salida de la
resina mediante una mayor compactación del refuerzo, así como, moldes
adecuados para soportar presiones mayores.
Por otra parte, en la elaboración de tableros, se observó que el mantener la
formulación usada en la elaboración de probetas pequeñas, redujo
considerablemente el tiempo necesario para la elaboración del material. Es por
121
ello, que se disminuyó en 50 % la concentración de octoato de cobalto y MEKP,
para prolongar el tiempo de gelificación y facilitar la fabricación. Es así, que el
tiempo de curado aumentó a aproximadamente 3h, bajo temperatura ambiental.
Así también, el aumento en las dimensiones de los tableros, con llevó al empleó
de grandes cantidades de resina catalizada en la que se desprendió mayor
cantidad de calor. Este calor al mantenerse por un tiempo prolongado mantuvo
baja la viscosidad de la resina y facilitó el movimiento de los radicales libres
provenientes del peróxido para que reaccionen con las insaturaciones del
polímero y monómero. Esto formó cadenas poliméricas más largas que
incrementaron las propiedades mecánicas del compuesto (Neto y Pardiní, 2006,
pp.33-35). Así, se observó que en los tableros, propiedades mecánicas como la
resistencia y el módulo de flexión aumentaron con respecto a las observadas en
las probetas elaboradas según las normas ASTM D 3039 y ASTM D 7264
3.5.1. FABRICACIÓN DEL PROTOTIPO
Para fabricar el prototipo inicialmente se analizó la factibilidad técnica de trabajar
con tableros de compuesto híbrido, luego se evaluaron algunas alternativas de
aplicación del mismo mediante el método de criterios ponderados. Finalmente se
realizó el análisis económico de su producción.
3.5.2. FACTIBILIDAD TÉCNICA DE FABRICACIÓN DE LOS COMPUESTOS
HÍBRIDOS
Esta consistió en pruebas de corte, perforación, lijado y pegado de piezas. El
objetivo de este análisis fue el de crear características que no fueron posibles
obtener durante la fabricación del material, como por ejemplo, ranuras, agujeros,
etc. y observar el desempeño de las herramientas comúnmente usadas en la
elaboración de prototipos de madera. Los resultados de estas pruebas se
presentan en los siguientes acápites.
122
3.5.2.1. Pruebas de corte
Estas pruebas se realizaron para determinar la facilidad de corte del material en la
obtención de un producto de dimensiones deseadas. Se emplearon herramientas
manuales como el serrucho, caladora y finalmente una mesa de corte. Se observó
que el uso de serruchos y sierras, no fue apropiado en vista de la alta resistencia
del material, lo cual hizo que las cuchillas al poco tiempo de uso terminen por
destruirse como se observa en la Figura 3.43.
Figura 3.43. Serrucho con cuchillas gastadas al poco tiempo de uso en el tablero híbrido
Al emplear una caladora con cuchillas para madera como se muestra en la Figura
3.44, se observó que las cuchillas en madera, permitieron el maquinado de 15 a
20 cortes con longitudes de 50 cm. Para el material híbrido, se notó que a partir
de 2 cortes de 70 cm, se calentaron los dientes de las cuchillas y empezaron a
gastarse. Esto fue consecuencia de la abrasividad de la fibra de vidrio, la cual
generó resistencia al corte. Con cuchillas para cortar metales como el aluminio, la
Figura 3.44. Corte del tablero híbrido con una caladora
123
facilidad de corte mejoró y las cuchillas prolongaron su tiempo de vida, con un
promedio de 10 a 12 cortes de 50 cm. La obtención de piezas de cualquier forma
con la caladora no evidenció mayor dificultad.
A pesar de esto, se recomienda emplear velocidades de corte altas, ya que éstas
generan bajas fuerzas de corte perpendicular a la pieza de trabajo, lo cual reduce
la cantidad de daños por fabricación como las delaminaciones (Mazumdar, 2002,
p. 331). Por otra parte, se utilizó una mesa de corte con sierra circular como se
muestra en la Figura 3.45 por su facilidad de cortar piezas de madera de gran
tamaño con mayor rapidez. Este equipo usa discos de dientes gruesos o finos, de
acuerdo al tipo de material que se use.
Figura 3.45. Corte del tablero híbrido en una mesa de corte
Para el compuesto híbrido al igual que para la madera se empleó un disco de
dientes finos ya que éste no despostilló la superficie del material. Se observó
facilidad y rapidez en el corte.
3.5.2.2. Pruebas de agarre y perforación
La operación de perforación se realizó para crear agujeros, para fines de fijación
entre piezas, remaches, pernos, tornillos entre otros. Se realizaron perforaciones
mediante un taladro en las caras frontales y laterales del tablero como se indica
en la Figura 3.46. La perforación se dio con facilidad. No obstante, para una
mayor cantidad de perforaciones fue conveniente emplear herramientas a base de
carburo de tungsteno.
124
Figura 3.46. Taladrado frontal y lateral del tablero híbrido
Un inconveniente que puede generarse durante la perforación son las
delaminaciones. Como explica Mazumdar, la perforación crea delaminaciones al
ingreso de la broca al material y cuando sale del mismo, como se observa en la
Figura 3.47.
Figura 3.47. Delaminaciones causadas por la perforación a la entrada y salida de la broca (Mazumdar , 2002, p. 336)
Como solución a este problema se podría utilizar una broca más afiliada, la cual
crea una penetración gradual. Además se debería reducir la velocidad del taladro
a la salida de la broca, y usar soportes o bases en la parte trasera del material
(Mazumdar, 2002, p. 336).
Posteriormente, se aprovechó la perforación realizada con el taladro para
encaminar un tornillo auto-roscable como se observa en la Figura 3.48. Una vez
que ingresó completamente el tornillo se notó que la distribución al azar de las
fibras en el material, potenció el agarre de las roscas con el mismo.
125
Figura 3.48. Ingreso tornillo auto-roscable
También, se evaluó la factibilidad de emplear clavos, como se observa en la
Figura 3.49.
Figura 3.49. Análisis de perforación
En la madera el clavo no presentó dificultad de ingreso, sin embargo en el caso
del compuesto híbrido el clavo se arqueó al tratar de penetrar el material, debido a
su alta resistencia. Al forzar el ingreso del clavo en un vértice de unión del
compuesto, se notó que a nivel superficial la fibra de vidrio se desprendió, efecto
que no se observó con el uso de tornillos.
3.5.2.3. Pruebas de lijado y ensamblaje
Existió facilidad en el lijado del material, no se produjeron despostillamientos
superficiales en los filos del tablero, como se presenta en la Figura 3.50. Sin
embargo, el desprendimiento de polvo fue bastante alto, lo cual dificultó el
126
manejo. A diferencia de la madera, el lijado de las caras del tablero no mejoró la
apariencia por el contrario, le quitó brillo.
Figura 3.50. Lijado filos del tablero híbrido
En muebles de madera es muy común el uso de pegamento para unir piezas o
realizar ensambles. Se evaluó la unión de dos piezas de material híbrido y se
examinó el pegado, como se puede ver en la Figura 3.51. Una vez seca la pega,
se observó que al tirar de las piezas, estas no se separaron, lo cual sugirió un
buen pegado.
Figura 3.51. Pegado de piezas del tablero híbrido
Finalmente, en la Tabla 3.23 se comparan los resultados obtenidos por el material
híbrido con los de la madera.
127
Tabla 3.23. Comparación del desempeño post- maquinado de la madera vs.tablero híbrido
Parámetro Madera Material híbrido
Serrucho ü X
Caladora ü ü
Mesa de corte ü ü
Clavado ü X
Perforación taladro ü ü
Agarre rosca ü ü
Pegado ü ü
Lijado ü X
Estas pruebas no deben considerarse como referencia para fines industriales ya
que son pruebas sencillas y su finalidad es complementar el analisis descrito. Se
debería realizar un estudio detallado de las mismas, ya que el mecanizado
planteó varios desafíos tales como:
· Los cortes del material crean discontinuidad en las fibras y alteran el
rendimiento de la pieza. Pueden formarse delaminaciones.
· Expone las fibras a productos químicos y la humedad.
· La temperatura durante el corte puede exceder la temperatura de curado de la
resina (temperatura de exotermia) ya que se produce un calentamiento local y
podría degradar al material.
· La vida de las herramientas es más corta debido a la naturaleza abrasiva del
compuesto.
3.5.3. SELECCIÓN DEL PROTOTIPO
En vista de la amplia versatilidad de aplicación de los tableros estructurales, y una
vez comprobada la facilidad de post-maquinado, se propusieron tres alternativas
para la fabricación de un prototipo como se muestra en la Figura 3.52. Estas
alternativas se evaluaron al considerar los siguientes criterios:
128
Alternativas prototipo Prototipo
Mesa para escritorio
Mueble para dispositivos audiovisuales
Archivador aéreo con tapa curva
Figura 3.52. Alternativas para fabricación de un prototipo · Disponibilidad de instrumentos. Se refiere a la disponibilidad de equipos y
herramientas necesarios para la elaboración de los prototipos propuestos.
· Factibilidad técnica. Se analizó la facilidad de conformar una pieza, en lo
concerniente a moldeo, corte, pegado, clavado, etc.
· Costos. Se analizaron los costos de materias primas, mano de obra y otros
insumos empleados en la confección de cada propuesta.
La Tabla 3.24 resume los resultados encontrados al aplicar el método de criterios
ponderados. La evaluación de cada alternativa se presenta en detalle en el Anexo
V.
Tabla 3.24. Resultados de la ponderación de las alternativas de fabricación de un prototipo
Disponibilidad tecnológica Factibilidad técnica Costos Suman
Mesa escritorio 0,08 0,14 0,08 0,31
Mueble para D.A. 0,17 0,14 0,17 0,48
Archivador aéreo 0,08 0,06 0,08 0,22
*D.A dispositivos audiovisuales
129
Los análisis realizados determinaron como mejor alternativa al mueble para
dispositivos audiovisuales. Esta propuesta presentó los mejores resultados en
facilidad de fabricación, disponibilidad de equipos y bajo costo de fabricación.
Además de ser un prototipo muy llamativo para el mercado, podría estar fabricado
del compuesto híbrido al 100 %. Así también, es fácil compararlo con uno hecho
de madera.
Por otra parte, la mesa de escritorio, aunque técnicamente es de fácil fabricación
la limitación tecnológica a la hora de suministrar una presión uniforme para
dimensiones de gran tamaño fue determinante en la eliminación de esta
propuesta. Así también, la fabricación necesaria de nuevos moldes y la utilización
de material metálico para hacerlo más llamativo, incrementaría el costo de
fabricación.
Por último, el archivador aéreo con tapa curva, presentó alta dificultad de
fabricación en la etapa de moldeo. Este, al poseer una tapa curva necesitaría de
una breve interrupción de la fase de curado, para moldear la tapa. Según la
experiencia lograda en la fabricación de tableros, se observaron cambios
superficiales al interrumpir el curado, como el movimiento de la capa superficial de
fibra de vidrio, lo cual degradaría el acabado superficial y afectaría las
propiedades mecánicas. La fabricación de materiales curvos necesitaría emplear
otro proceso de fabricación, razón por la cual se eliminó a esta propuesta.
En vista de los resultados encontrados se fabricó un mueble para dispositivos
audiovisuales. Para ello, se tomó como referencia el mueble de la Figura 3.53.
130
Figura 3.53. Mueble para dispositivos audiovisuales
Se modificaron algunas partes de este modelo. Se sustituyeron los soportes
metálicos por un marco de compuesto híbrido y se adicionó un espaldar y una
puerta de vidrio en el frente. En la Figura 3.54, se presenta el mueble terminado.
Figura 3.54. Mueble terminado
Los tableros presentaron un lado con buen acabado que fue empleado para la
parte externa del mueble y el otro con acabados aceptables para la parte interna.
Se utilizaron tres planchas de compuesto de dimensiones 70 × 70 y 1 cm de
espesor. En el Anexo V se presentan los esquemas y dimensiones del prototipo.
131
3.5.4. ANÁLISIS ECONÓMICO
En esta etapa del proyecto se analizan los costos de fabricación del prototipo.
Para ello, se presentan en las Tablas 3.25, 3.26 y 3.27 los costos de las materias
primas, servicios y materiales indirectos utilizados.
Tabla 3.25. Costos de las materias primas empleadas en los tableros
Materias Primas Costo unitario Cantidad utilizada Costo ($)
Resina poliéster 2,870$/kg 13,96 kg 38,57
Monómero estireno 3,570$/kg 1,17 kg 4,18
Octoato de cobalto 0,025$/ml 33,00 ml 0,83
MEKP 0,010$/ml 65,00 ml 0,73
Mat Fibra de vidrio 2,350$/kg 2,65 kg 6,23
Fibra de coco 0,500$/kg 1,20 kg 0,60
- - Total 51,13
Tabla 3.26. Costos de los servicios utilizados
Servicios Costo unitario/día # Días Total ($)
Luz y agua 0,08 3 0,24
Alquiler local 5,00 15 15,00
Mano de obra 4,95 3 14,85
Suma 30,09
Tabla 3.27. Costos de los materiales indirectos
Suministros Costo ($)
Guantes 0,60
Tijeras 0,18
Espátulas 0,54
Recipientes 1,00
Cera 0,24
Vasos 0,48
Moldes 4,20
Otros 1,50
Total 8,74
132
Como se puede constatar en la Tabla 3.28 la suma de los materiales indirectos y
servicios representa el 43 % del costo. Así también, se observó que la matriz
poliéster incrementó notablemente el costo de las materias primas.
Si se utilizara una presión homogénea superior a la empleada se reduciría el
consumo de resina. Esto sugiere que si se automatiza el proceso, a su vez, que
se incrementan los volúmenes de producción se reduciría el costo de fabricación,
lo cual favorecería su competitividad en el mercado, ya que este prototipo
construido en madera llega a costar 72,00$.
Tabla 3.28. Costo total de fabricación prototipo
Materias Primas Materiales indirectos Servicios Costo total
51,13 8,74 30,09 89,96
Por otra parte, los artículos fabricados con el compuesto híbrido presentarían
algunas ventajas tales como:
· Innovación ya que es un producto nuevo y no tendría por el momento un
competidor directo.
· Facilidad de ingreso en el mercado, debido a la fibra de coco presente en el
material y las concurrentes campañas de gestión ambiental.
· Reducción de la concentración de fibras sintéticas empleadas en la
elaboración de patinetas muebles, autopartes, paneles, etc.
· No requiere de un proceso posterior de terminado, como el lacado o la
aplicación de tintes, ya que su acabado superficial es excelente.
· Da valor agregado a la fibra de coco, ya que es considerada un desecho.
· Aplicación para la pequeña industria.
133
4. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
4.1. CONCLUSIONES
· La extracción de la fibra de coco del mesocarpo del fruto se realizó mediante
la trituradora universal WCSJ-20 y se obtuvieron fibras de longitudes de 3 a 5
cm en el 82 % de las muestras.
· Los parámetros adecuados de procesamiento para la elaboración de probetas
fueron una presión de moldeo de 1 000 psi, concentraciones en volumen del
10,0 % de estireno, 0,5 % de octoato de cobalto y 1,0 % de MEKP; tiempo de
curado de una hora, temperatura de curado ambiental y tiempo de post-curado
de 15 días. Para el caso de la elaboración de tableros se redujeron las
concentraciones de octoato de cobalto y MEKP en 50 % y se aumentó el
tiempo de curado a 3 h.
· El porcentaje de refuerzo se estableció en un máximo de 20 %. Así, por
facilidad de fabricación se emplearon porcentajes volumétricos de refuerzo de
15 y 20 %.
· Las fibras que conformaron el refuerzo, se dispusieron de acuerdo a la
configuración tipo emparedado Fv-Fc-Fv, la cual potenció las propiedades
mecánicas del material e hicieron del compuesto híbrido adecuado para
aplicaciones estructurales.
· La caracterización mecánica mostró que las fracciones volumétricas del 0,15 y
0,20 de refuerzo demostraron efectos similares en las propiedades mecánicas
del material con incrementos del módulo elástico, resistencia y densidad al
aumentar la fracción de fibra de vidrio y disminución de éstas con el
incremento de fibra de coco. Se eligió la fracción volumétrica del 0,20 por
demostrar propiedades mecánicas superiores a la fracción de 0,15.
134
Para el caso de los compuestos híbridos para una fracción volumétrica de
refuerzo del 0,20, se concluyó lo siguiente:
· La mejor formulación de refuerzo fue la configuración Fc50-Fv50. Esta logró
combinar características deseables en aplicaciones estructurales, tales como
las buenas propiedades mecánicas y la baja densidad, razón por la cual se
seleccionó a esta configuración para los ensayos de impacto y la fabricación
de tableros.
· En la configuración Fc50-Fv50, el módulo elástico (3 960 MPa) y resistencia a
la tracción (38,56 MPa) aumentaron en un 231 y 40 % con respecto a la matriz
poliéster. En los ensayos de flexión, el incremento de las propiedades con
respecto a la matriz fue de 104 % para el módulo elástico (4 094 MPa) y 51 %
para la resistencia (89,23 MPa).
· El refuerzo híbrido tuvo un efecto positivo en el material, ya que para la
configuración Fc50-Fv50, la deformación (0,027 mm/mm) a la flexión y la
tracción (0,0105 mm/mm) disminuyeron con relación a la matriz poliéster en un
33,5 y 56,0 %, respectivamente. También se observó que la fibra de vidrio con
relación a la fibra de coco aumentó la deformación de los compuestos
híbridos.
· En los ensayos de impacto el compuesto Fc50-Fv50 evidenció con relación a
la matriz poliéster un aumento de 361 % en la absorción de energía. Por el
contrario, al compararlo con una matriz reforzada al 20 % con fibra de vidrio
se observó una disminución de 37 % en la resistencia al impacto.
· Tanto para los ensayos de tracción, flexión e impacto el compuesto híbrido
una vez ensayado, no presentó fragmentación como lo hizo la matriz poliéster.
El análisis de fractura reveló, que la falla del material comenzó por la matriz y
se transmitió a las fibras. Las fibras que no se rompieron mantuvieron unida la
zona de fractura.
135
· Con relación a la madera contrachapada los tableros de compuesto híbrido
presentaron resistencias a la tracción, superiores en un 38,9 % y 10,9 % con
respecto a la madera de 12 mm y 18 mm, respectivamente. De igual manera la
resistencia a la flexión se incremento en 287,00 % y 113,91 % con respecto a
la madera con fibras paralelas de 12 y 18 mm. Con relación a tableros de
madera con fibras perpendiculares y espesores de 12 y 18 mm el incremento
fue de 91 % y 229 %, respectivamente.
· La densidad del material Fc50-Fv50 fue de 1,23 g/cm3 y representó un
aumento del 86 % con respecto a la densidad de la madera 0,66 g/cm3.
· El post-maquinado reveló facilidad en el manejo y conformado de piezas. Sin
embargo, al compararlo con la madera, el material híbrido requirió de
materiales de corte más resistentes. Adicionalmente, se observó un elevado
desprendimiento de polvo, que puede ser altamente peligroso para la salud.
· Aunque la fabricación del prototipo fue pensada para la pequeña industria, si
se realiza una automatización del proceso, a la vez, que se incrementan los
volúmenes de producción se podría reducir el costo de fabricación, lo cual
favorecería su competitividad en el mercado.
4.2. RECOMENDACIONES
· Analizar el efecto en las propiedades mecánicas del compuesto, dell
tratamiento alcalino de las fibras y la variación del diámetro de fibra natural.
· Realizar un estudio acerca de la biodegradabilidad del compuesto para
observar la incidencia de la fibra de coco en la descomposición del material.
· Investigar el efecto del curado y post curado a diferentes temperaturas en las
propiedades mecánicas del compuesto.
136
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ANEXOS
144
ANEXO I
DETERMINACIÓN DE LA DENSIDAD DE LAS FIBRAS Y
CANTIDAD DE REFUERZO EMPLEADA EN LOS COMPUESTOS
La densidad de las fibras de refuerzo se determinó con las ecuaciones AI.1, AI.2,
AI.3.
[AI.1]
[AI.2]
[AI.3]
Donde:
mc = masa del material compuesto.
mr = masa del refuerzo.
mm = masa de la matriz.
mfc = masa de fibra de coco.
pc = densidad del compuesto.
pm = densidad de la matriz.
pfc = densidad de la fibra de coco.
Vp = volumen de la probeta.
Vm = volumen de la matriz.
Xvm = fracción volumétrica de la matriz.
Xr = fracción volumétrica del refuerzo.
145
Inicialmente se asumió una densidad de fibra de coco de 1,15 g/cm3 y una
fracción volumétrica de refuerzo de 0,15; así, si el volumen de una probeta es de
tracción, al utilizar la ecuación AI.3 se tendría:
Esta es la cantidad de refuerzo que se adicionó a la matriz. Una vez reticulado el
material se peso y se obtuvo la densidad del compuesto en 1,11 g/cm3. Con estos
datos se calculó la fracción volumétrica real del refuerzo, para ello se empleó la
ecuación AI.1.
Al despejar de la ecuación AI.2 se tiene:
1=+ XrXvm
22,0=Xr
Ahora en la ecuación AI.3, se despeja la densidad real de la fibra:
Los cálculos realizados determinaron una densidad media de fibra de coco de
0,77 g/cm3, 2,02 g/cm3 para la fibra de vidrio y de 1,20 g/cm3 para la resina. Así
para el cálculo de la cantidad de fibra en el refuerzo se empleó la ecuación AI.4
RfibraGfibra XVpXm ***= r [AI.4]
146
Donde:
fibram = Masa de fibra.
GX = Fracción volumétrica del refuerzo en la matriz.
Vp = Volumen de la probeta.
fibrar = Densidad de la fibra.
RX = Fracción volumétrica de cada constituyente del refuerzo.
Así, si se desea calcular la cantidad en gramos de cada constituyente para
probetas de tracción con un refuerzo del 20 % constituido por el 50 % de fibra de
coco y 50 % de fibra de vidrio en la ecuación AI.4 se tendría lo siguiente:
El volumen de la probeta para ensayos de tracción es:
gm
m
cocofibra
cocofibra
20,1
50,077,062,1520,0
=
***=
gm
m
vidriofibra
vidriofibra
16,3
50,002,262,1520,0
=
***=
362,15
25,0255,2
cmVp
Vp
=
**=
147
ANEXO II
FÓRMULAS EMPLEADAS EN LOS ENSAYOS MECÁNICOS
ENSAYOS A FLEXIÓN SEGÚN LA NORMA ASTM 7264-07
En la Tabla AII.1 se presentan las dimensiones de las probetas y parámetros
usados en los ensayos.
Tabla AII. 1. Dimensiones probetas y parámetros de ensayo a flexión según norma
ASTM D 7264-07
Dimensiones probetas ASTM D 7264 Tolerancia
Largo (mm) 160 No disponible
Ancho (mm) 13 No disponible
Espesor (mm) 4 No disponible
Parámetros de ensayo ASTM D 7264
Especímenes mínimo por prueba 5
Velocidad de ensayo 1 mm/min
Relación distancia entre apoyos y espesor *32:1, 16:1, 20:1
*Se empleó la relación 32:1
Los cálculos de las propiedades mecánicas a flexión se realizaron con las
ecuaciones AII.1 y AII.2.
22
3
bh
PLσ =
[AII.1]
26
L
hδε =
[AII.2]
Donde:
σ = Esfuerzo, MPa.
P = Fuerza, N.
b = Ancho probeta, mm.
148
h = Espesor probeta, mm.
ε = Deformación, mm/mm.
δ = Desplazamiento del extensómetro, mm.
En los ensayos en los que la curva esfuerzo vs deformación presentó una
inflexión como se muestra en la Figura 3.10, se vió necesario determinar dos
módulos elásticos: el de Young y el de trabajo. El módulo elástico de Young se
calculó si la primera porción de la curva esfuerzo vs. deformación fue lineal, para
ello se consideró el 50 % de los datos. En este caso el módulo de Young sería
igual al módulo tangente ya que presentan las mismas pendientes. El módulo de
trabajo se calculó a partir del 50 – 75 % de los datos restantes, en la franja en la
cual comienza la curvatura y cambia de pendiente la recta. En los casos en los
que las curvas no presentaron inflexión se calculó solamente el módulo de Young.
ENSAYOS DE TRACCIÓN SEGÚN LA NORMA ASTM D 3039- 07
En la Tabla AII.2 se presentan las dimensiones de las probetas y parámetros
usados en los ensayos.
Tabla AII. 2. Parámetros de ensayo a tracción según la norma ASTM D 3039-07
Parámetros Requerimientos
Especímenes mínimo por prueba 5
Velocidad de ensayo 2 mm/min
Extensómetro Requerido
Longitud calibración extensómetro 10 a 50 mm
Tabs No indispensable
Para los cálculos de las propiedades de tracción se emplearon las ecuaciones
AII.3 y AII.4.
149
A
F=s
[AII.3]
gL
de = [AII.4]
Donde:
σ:=Esfuerzo, MPa.
F= Fuerza, N.
A= Área de la sección reducida zona recta, mm2.
ε= Deformación, mm/mm.
Δ= Desplazamiento del extensómetro, mm.
El módulo elástico se encontró mediante la pendiente a la curva esfuerzo vs.
deformación. Estas curvas presentaron linealidad durante todo su tramo, razón
por la cual no fue necesario calcular módulos de trabajo. Por otra parte estas
mismas fórmulas fueron empleadas por la norma ASTM D 3500 para el ensayo a
tracción de tableros.
ENSAYOS DE IMPACTO SEGÚN LA NORMA ASTM D 5628-07
En la Tabla AII.3, se presentan las dimensiones y tolerancias permitidas en las
probetas
Tabla AII. 3. Dimensiones probetas de impacto según norma ASTM D 5628-07
Forma Dimensiones Espesor
Cuadrada 60 ±2 mm 2 mm
Para calcular la energía de impacto de los compuestos se emplearon las
ecuaciones AII.5, AII.6, AII.7 y AII.8.
150
÷ø
öçè
æ ±+= 5.0N
Adhh ho
[AII.5]
hhh dN
A
N
Bds 047.062.1
2
+úúû
ù
êêë
é÷ø
öçè
æ-=
[AII.6]
NsGs hh
/=-
[AII.7]
mghE = [AII.8]
Donde:
oh = Altura mínima en la cual ocurre la primera falla.
hd = Variación de altura.
h = Altura media de impacto para producir la falla.
m = Masa del dardo.
hs = Desviación estándar.
-h
s = Desviación estándar de la altura de impacto.
E = Energía absorbida por la probeta.
G = Constante en función de sh/dh.
Ng = N: Número de probetas que fallan.
A = Sumatoria del número de fallas por la posición de falla.
B = Sumatoria del número de fallas por la posición de falla al cuadrado.
ENSAYOS DE FLEXIÓN PARA TABLEROS SEGÚN LA NORMA ASTM D 3043
Se utilizaron las siguientes fórmulas para calcular las propiedades mecánicas del
compuesto híbrido en tableros.
Módulo de elasticidad X momento de inercia (mm) se definió mediante la ecuación
AII.9.
D**
=*48
3 PLIE
[AII.9]
151
Momento de Inercia se definió mediante la ecuación AII.10.
12
3hbI
*=
[AII.10]
Momento máximo se definió mediante la ecuación AII.11.
4
LP
C
ISb
*=*
[AII.11]
Distancia del eje neutral al extremo de la probeta “C”. se definió mediante la
ecuación AII.12.
2
hC =
[AII.12]
Resistencia a la flexión o módulo de rotura “Sb” se definió mediante la ecuación
AII.13.
I
CLPSb *
**=
4 o 22
3
hb
LPSb **
**=
[AII.13]
Donde
b = Ancho de la probeta en mm.
h = Espesor de la probeta en mm.
P = Fuerza o carga máxima en N.
L= Longitud del span en mm.
P/D = Pendiente de la curva fuerza – deflexión.
La velocidad de ensayo se definió mediante la ecuación AII.14.
d
LzN
**
=6
2
[AII.14]
Donde:
N = Rango de movimiento del cabezal.
Z = 0,0015 unidad de velocidad de deformación de fibra.
L = Longitud del span.
d = Espesor probeta.
152
ANEXO III
RESULTADOS PROPIEDADES MECÁNICAS MATERIALES
COMPUESTOS HÍBRIDOS
En las siguientes tablas se presentan los resultados de los ensayos de tracción,
flexión e impacto efectuados a las probetas de matriz poliéster y de los materiales
compuestos.
Tabla AIII. 1. Propiedades mecánicas a tracción y flexión para la resina poliéster Anderpol 859
# Probeta
Tracción Flexión
E Tmax e E Tmax e
MPa MPa mm/mm MPa MPa mm/mm
1 1 194,6 25,74 0,023 2 047,5 61,55 0,043
2 1 156,0 27,44 0,024 1 864,0 56,41 0,043
3 1 217,8 28,22 0,025 1 936,6 55,87 0,043
4 1 043,9 28,18 0,027 2 129,9 62,28 0,038
5 1 372,9 27,66 0,021 2 082,1 61,64 0,039
Promedio 1 197,0 27,45 0,024 2 012,0 59,55 0,041
Desviación 118,9 1,01 0,002 109,2 3,10 0,002
CV (%) 9,9 3,69 9,714 5,4 5,26 5,920
153
153
Tab
la A
III.
2. R
esul
tado
s en
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s a
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ción
de
com
pues
tos
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303
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m/m
m
MP
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Pa
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/mm
M
Pa
MP
a m
m/m
m
MP
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Pa
mm
/mm
1 4
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6 59
,34
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3 4
997,
3 36
,36
0,00
82
3 64
2,5
35,4
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011
3 44
6,6
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6 0,
0070
1
918,
8 19
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0,01
1
2 3
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1 60
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0,01
5 4
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9 34
,78
0,00
84
3 54
9,8
35,2
6 0,
011
3 42
7,2
29,2
8 0,
0080
1
479,
2 17
,13
0,01
1
3 5
787,
6 54
,30
0,01
0 3
556,
5 28
,21
0,00
82
3 90
4,8
32,1
8 0,
009
3 08
2,3
25,1
8 0,
0095
1
887,
6 19
,44
0,01
1
4 4
315,
2 67
,75
0,01
6 4
581,
1 42
,84
0,01
02
3 68
8,4
39,6
7 0,
011
3 37
3,0
26,8
3 0,
0086
1
722,
3 20
,08
0,01
5
5 5
205,
4 47
,14
0,01
1 3
336,
2 26
,44
0,00
80
3 82
5,7
35,9
8 0,
010
3 09
7,4
27,2
1 0,
0093
2
276,
8 18
,28
0,01
4
6 3
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6 65
,65
0,01
5 4
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2 35
,66
0,00
88
- -
- -
- -
- -
-
7 3
815,
0 55
,12
0,01
5 3
898,
2 37
,6
0,01
04
- -
- -
- -
- -
-
8 -
- -
4 52
0,7
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2 0,
0102
-
- -
- -
- -
- -
Pro
med
io
4 47
9,2
58,4
8 0,
014
4 23
2,4
35,4
5 0,
0090
3
722,
2 35
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0,01
0 3
285,
3 25
,95
0,00
86
1 85
6,9
18,8
0 0,
012
Des
viac
ión
75
2,0
7,05
0,
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1 5,
78
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10
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5 2,
67
0,00
1 18
0,5
3,00
0,
0012
29
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1,14
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002
CV
(%
) 16
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5 17
,71
13,7
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80
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7,
38
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11
,57
13,4
5 15
,70
6,06
15
,31
154
154
Tab
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III.
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m
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/mm
M
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m/m
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/mm
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0,00
91
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009
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,91
0,01
6 5
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0,00
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0,01
2 3
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5 22
,55
0,00
84
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17,7
7 0,
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3 4
498,
0 64
,69
0,01
5 6
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7 52
,82
0,00
9 3
812,
0 27
,94
0,00
8 3
083,
8 25
,07
0,00
84
1 79
7,0
16,0
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4 5
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0,00
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5 4
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4 3
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7 40
,49
0,01
1 3
299,
4 18
,99
0,00
60
1 74
7,0
17,5
4 0,
009
6 5
018,
1 68
,14
0,01
5 5
062,
4 59
,38
0,01
3 5
607,
2 42
,91
0,00
9 2
778,
0 21
,87
0,00
88
1 91
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16,3
0 0,
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7 5
138,
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6 4
751,
8 49
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0,01
1 3
785,
0 40
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2 2
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,70
0,00
70
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6 0,
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933,
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,57
0,01
6 4
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6 57
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- -
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1
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- -
- -
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,48
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- -
- -
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12
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0 54
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3 -
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13
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Pro
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4 17
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0,03
5 2
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0,03
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673,
5 39
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3 95
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3 47
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0
3 3
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9 92
,22
0,03
2 3
404,
0 89
,96
0,03
7 3
069,
7 73
,95
0,03
6 2
568,
4 59
,49
0,02
9 1
875,
4 49
,78
0,04
3
4 3
761,
0 96
,19
0,03
7 3
123,
8 74
,46
0,03
0 3
243,
1 73
,79
0,02
7 2
853,
7 57
,27
0,02
4 1
846,
2 42
,77
0,03
1
5 3
492,
2 90
,08
0,03
4 3
566,
4 75
,72
0,02
5 3
002,
2 73
,26
0,03
4 2
684,
9 65
,97
0,03
3 1
697,
7 39
,92
0,03
1
Pro
med
io
3 67
3,1
93,8
4 0,
036
3 30
3,0
77,5
6 0,
030
3 04
2,2
72,4
2 0,
031
2 78
3,2
63,8
0 0,
030
1 79
7,6
43,9
8 0,
036
Des
viac
ión
11
0,1
2,60
0,
003
179,
9 7,
19
0,00
5 20
1,5
6,67
0,
005
162,
6 5,
13
0,00
3 10
4,1
4,65
0,
005
CV
(%
) 3,
00
2,77
7,
15
5,40
9,
27
15,9
5 6,
63
9,21
17
,14
5,80
8,
05
11,6
6 5,
80
10,5
8 14
,95
156
156
T
abla
AII
I. 5
. Res
ulta
dos
ensa
yos
a fl
exió
n de
com
pues
tos
híbr
idos
seg
ún la
nor
ma
AST
M D
726
4 pa
ra u
na f
racc
ión
volu
mét
rica
de
0,20
# P
rob
eta
Fc0
-Fv1
00
Fc2
5-F
v75
Fc5
0-F
v50
Fc7
5-F
v25
Fc1
00-F
v0
E
Tm
ax
e E
T
max
e
E
Tm
ax
e E
T
max
e
E
Tm
ax
e
MP
a M
Pa
mm
/mm
M
Pa
MP
a m
m/m
m
MP
a M
Pa
mm
/mm
M
Pa
MP
a m
m/m
m
MP
a M
Pa
mm
/mm
1 4
412,
9 11
5,3
0,03
9 4
337,
3 10
7,4
0,03
2 4
343,
7 10
2,90
0,
031
3 09
3,5
58,0
1 0,
023
2 16
4,9
51,9
4 0,
034
2 4
333,
8 97
,94
0,02
8 4
256,
6 10
3,4
0,03
0 4
218,
4 91
,09
0,02
6 3
140,
2 63
,80
0,02
4 1
891,
5 40
,00
0,02
4
3 4
619,
8 12
2,9
0,03
6 4
848,
2 12
2,8
0,03
0 4
087,
3 94
,98
0,03
1 3
036,
2 63
,12
0,02
7 2
027,
2 45
,93
0,02
8
4 4
423,
5 10
9,5
0,03
2 4
437,
1 10
9,3
0,03
0 4
154,
2 75
,21
0,02
1 3
114,
3 65
,08
0,02
5 1
965,
1 42
,21
0,02
8
5 4
623,
7 10
9,5
0,03
4 4
542,
6 10
8,7
0,03
0 3
671,
0 81
,99
0,02
9 3
207,
9 68
,57
0,02
8 2
006,
7 43
,36
0,02
6
Pro
med
io
4 48
2,7
111,
1 0,
034
4 48
4,4
110,
3 0,
030
4 09
4,9
89,2
3 0,
027
3 11
8,4
63,7
2 0,
025
2 01
1,1
44,6
9 0,
028
Des
viac
ión
13
1,6
9,18
0,
004
229,
9 7,
4 0,
001
255,
2 10
,86
0,00
4 63
,0
3,82
0,
002
100,
4 4,
58
0,00
4
CV
(%
) 2,
90
8,27
12
,86
5,10
6,
66
2,94
6,
20
12,1
7 14
,79
2,00
6,
00
7,23
5,
00
10,2
5 13
,73
157
Tabla AIII. 6. Resultados ensayos de impacto según norma ASTM D 5628-07 para la resina poliéster Anderpol 859
X = FALLA O = NO FALLA
MARCA 20/05
h (cm)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 nx no i ni in1 i^2n1
12,00 x x 2 0 7 2 14 98
11,50 o o x 1 2 6 1 6 36
11,00 o 0 1 5 0 0 0
10,50 o 0 1 4 0 0 0
10,00 x o 1 1 3 1 3 9
9,50 x x o 2 1 2 2 4 8
9,00 x x x o 2 2 1 2 2 2
8,50 x o o 1 2 0 1 0 0
8,00 o 0 1
TOTALES 9 11 9 29 153
Ng No N A B
Tabla AIII. 7. Resultados ensayos de impacto según norma ASTM D 5628- para el compuesto híbrido al 20 % de refuerzo y configuración Fc50-Fv50
X = FALLA O = NO FALLA
MARCA 20/05
h (cm)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 nx no i ni in1 i^2n1
10,20 x 1 0 3 1 3 9
9,20 x o x 2 1 2 2 4 8
8,20 x x o x 3 1 1 3 3 3
7,20 x o x x x x o 5 2 0 5 0 0
6,20 o o o o o 0 5 0
TOTALES 11 9 11 10 20
Ng No N A B
158
Tabla AIII. 8. Resultados ensayos de impacto según norma ASTM D 5628- para la resina poliéster reforzada con el 20 % de fibra de vidrio
X = FALLA O = NO FALLA
MARCA 06/05
h (cm)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 nx no i ni in1 i^2n1
11,00 x 1 0 2 1 2 4
10,50 x x x x x x 6 0 1 6 6 6
10,00 o x x o o x o x o 4 5 0 4 0 0
9,50 o o o o 0 4
TOTALES 11 9 11 8 10
Ng No N A B
Tabla AIII. 9. Parámetros encontrados en cada ensayo de impacto
Resina poliéster Híbrido al 20 % (Fc50-Fv50) Resina reforzada con el 20 %
de fibra de vidrio
ho 85 72,0 100,0
dh 5 10,0 5,0
sh 54 16,5 3,3
Sh -- 4,7 1,0
H 101 ± 2,5 81,1 ± 5,0 103,6
E 0,070 0,323 ± 0,019 0,508 ± 0,016
Tabla AIII. 10. Resultados ensayos de tracción y flexión según norma ASTM D 3500 y ASTM D 3043, respectivamente para tableros de compuesto híbrido
# Probeta
Tracción Flexión Densidad (g/cm3) E Tmax e E Tmax e
MPa MPa mm/mm MPa MPa mm/mm
1 3 980,5 29,17 0,011 6 392,7 105,5 0,019
1,23
2 3 390,7 30,87 0,013 6 253,9 110,9 0,021
3 5 282,6 41,49 0,006 6 500,0 124,7 0,022
4 4 455,0 41,80 0,012 5 047,3 107,5 0,024
Promedio 4 277,2 35,83 0,010 6 048,5 112,1 0,021
Desviación 799,2 6,75 0,003 675,0 8,7 0,002
CV (%) 18,69 18,83 27,73 11,20 7,74 11,00
159
ANEXO IV
SELECCIÓN DE LA FRACCIÓN VOLUMÉTRICA Y
CONFIGURACIÓN DE REFUERZO
Este método permitió mediante ponderación determinar cuál es la configuración
más adecuada para la obtención de probetas para ensayos de impacto y la
elaboración de tableros, Se aplicó este método a los resultados de los ensayos de
tracción y flexión para una fracción volumétrica de refuerzo de 0,20.
Método de los criterios ponderados aplicado a los resultados de ensayos de tracción
Paso 1. Se establecieron los criterios de evaluación y se ponderó cada variable,
Se colocó en filas y columnas los criterios como se observa en la Tabla AIV.1.
Tabla AIV. 1. Establecimiento de los criterios a ponderarse en los ensayos a tracción
Módulo elástico Resistencia Deformación
Módulo elástico
Resistencia
Deformación
Paso 2. Se compararon los criterios y se estableció una ponderación de acuerdo
al grado de importancia de la siguiente forma:
Módulo elástico = Resistencia > Deformación
Luego se compararon las filas con las columnas. Así, en el caso de que el Módulo
elástico = Resistencia, se anotó una ponderación de 0,5 a cada una. Si el
Resistencia > Deformación se coloca 1 a la resistencia. Cuando la Deformación <
Módulo elástico se coloca un cero en la casilla de la Deformación, como se
observa en la Tabla AIV.2.
160
Tabla AIV. 2. Criterios de evaluación para las propiedades observadas en los ensayos de tracción
Tracción Módulo elástico
Resistencia Deformación +1 Suma Ponderación
Módulo elástico
0,5 1,0 1,0 2,5 0,42
Resistencia 0,5
1,0 1,0 2,5 0,42
Deformación 0,0 0,0
1,0 1,0 0,17
Suma total 6,0 1,00
Se adiciona el valor de un punto a todas las variables para evitar que ninguna
tenga una ponderación de cero, lo cual significaría que no tendría ninguna
importancia. Finalmente, se suman los valores encontrados y se obtiene la
ponderación alcanzada por cada variable, como se observa en la última columna
(Ponderación) de la Tabla AIV.2. Una vez establecidos los criterios de evaluación,
se realiza el mismo procedimiento para las distintas configuraciones, como se
muestra en la Tabla AIV.3.
Tabla AIV. 3. Comparación y ponderación de las propiedades a tracción de las formulaciones
Módulo elástico
R,P 859
Fc100-Fv0
Fc75-Fv25
Fc50-Fv50
Fc25-Fv75
Fc0-Fv100 Adiciona 1 Suma Ponderación
R,P 859 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 1,0 0,05
Fc100-Fv0 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 2,0 0,10
Fc75-Fv25 1,0 1,0
0,0 0,0 0,0 1,0 3,0 0,14
Fc50-Fv50 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 1,0 4,0 0,19
Fc25-Fv75 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 5,5 0,26
Fc0-Fv100 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 5,5 0,26
Suma total 21,0 1,00
Resistencia R,P 859
Fc100-Fv0
Fc75-Fv25
Fc50-Fv50
Fc25-Fv75
Fc0-Fv100 Adiciona 1 Suma Ponderación
R,P 859 1,0 1,0 0,0 0,0 0,0 1,0 3,0 0,14
Fc100-Fv0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 1,0 0,05
Fc75-Fv25 1,0 1,0 0,0 0,0 0,0 1,0 3,0 0,14
Fc50-Fv50 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 1,0 4,0 0,18
Fc25-Fv75 1,0 1,0 1,0 1,0 0,0 1,0 5,0 0,23
Fc0-Fv100 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 6,0 0,27
Suma total 22,0 1,00
161
Tabla AIV.3. Comparación y ponderación de las propiedades a tracción de las formulaciones (continuación..)
Deformación R,P 859
Fc100-Fv0
Fc75-Fv25
Fc50-Fv50
Fc25-Fv75
Fc0-Fv100
Adiciona 1 Suma Ponderación
R,P 859 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 1,0 0,05
Fc100-Fv0 1,0 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 4,5 0,21
Fc75-Fv25 1,0 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 4,5 0,21
Fc50-Fv50 1,0 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 4,5 0,21
Fc25-Fv75 1,0 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 4,5 0,21
Fc0-Fv100 1,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 2,0 0,10
Suma total 21,0 1,00
En esta tabla se compararon las magnitudes alcanzadas por cada configuración
en los ensayos mecánicos analizados en el capítulo 3. Se asignó el valor de cero
si la magnitud de la configuración la columna 1 fue menor a la configuración
comparada en la fila 1, caso contrario se colocó 1. Para el caso de las
deformaciones se consideró superior la configuración con menor deformación.
Así, al comparar la deformación de la resina poliéster con la configuración Fc50-
Fv50, se anotó cero.
Paso 3. La ponderación alcanzada por cada configuración en la Tabla AIV.3, se
multiplicó por el valor dado a cada criterio en Tabla AIV.2. Los resultados de este
cálculo se presentan en la Tabla AIV.4.
Tabla AIV. 4. Ponderación alcanzada por las configuraciones en los ensayos a tracción
Formulación Módulo elástico Resistencia Deformación Suma
R,P 859 0,020 0,057 0,008 0,085
Fc100-Fv0 0,040 0,019 0,036 0,094
Fc75-Fv25 0,060 0,057 0,036 0,152
Fc50-Fv50 0,079 0,076 0,036 0,191
Fc25-Fv75 0,109 0,095 0,036 0,240
Fv100-Fv0 0,109 0,114 0,016 0,239
162
Método de criterios ponderados aplicado a los resultados ensayos de flexión
En las Tablas AIV.5 y AIV.6 se procedió de manera similar a la descrita para los
ensayos de tracción.
Paso 1
Tabla AIV. 5. Criterios de evaluación para las propiedades observadas en los ensayos de flexión
Flexión Módulo flexión Resistencia Deformación Adiciona 1
Ponderación
Módulo flexión
0,5 1,0 1,0 2,5 0,42
Resistencia 0,5
1,0 1,0 2,5 0,42
Deformación 0,0 0,0
1,0 1,0 0,17
Suma total 6,0 1,00
Paso 2
Tabla AIV. 6. Comparación y ponderación de las propiedades a flexión de las formulaciones
Módulo flexión
R,P 859
Fc100-Fv0
Fc75-Fv25
Fc50-Fv50
Fc25-Fv75
Fc0-Fv100
Adiciona 1 Suma Ponderación
R,P 859 0,5 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 1,5 0,07
Fc100-Fv0 0,5 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 1,5 0,07
Fc75-Fv25 1,0 1,0 0,0 0,0 0,0 1,0 3,0 0,14
Fc50-Fv50 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 1,0 4,0 0,19
Fc25-Fv75 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 5,5 0,26
Fc0-Fv100 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 5,5 0,26
Suma total 21,0 1,00
Resistencia R,P 859
Fc100-Fv0
Fc75-Fv25
Fc50-Fv50
Fc25-Fv75
Fc0-Fv100
Adiciona 1 Suma Ponderación
R,P 859 1,0 0,0 0,0 0,5 0,0 1,0 2,5 0,12
Fc100-Fv0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 1,0 0,05
Fc75-Fv25 0,5 1,0 0,0 0,0 0,0 1,0 2,5 0,12
Fc50-Fv50 1,0 1,0 1,0 0,0 0,0 1,0 4,0 0,19
Fc25-Fv75 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 5,5 0,26
163
Tabla AIV.6. Comparación y ponderación de las propiedades a flexión de las formulaciones (continuación..)
Fc0-Fv100 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 1,0 5,5 0,26
Suma total 21,0 1,00
Deformación R,P 859
Fc100-Fv0
Fc75-Fv25
Fc50-Fv50
Fc25-Fv75
Fc0-Fv100
Adiciona 1 Suma Ponderación
R,P 859 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 1,0 1,0 0,05
Fc100-Fv0 1,0 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 4,5 0,21
Fc75-Fv25 1,0 0,5 0,5 1,0 1,0 1,0 5,0 0,24
Fc50-Fv50 1,0 0,5 0,5 0,5 1,0 1,0 4,5 0,21
Fc25-Fv75 1,0 0,5 0,0 0,5 0,5 1,0 3,5 0,17
Fc0-Fv100 1,0 0,0 0,0 0,0 0,5 1,0 2,5 0,12
Suma total 21,0 1,00
Paso 3
Tabla AIV. 7. Ponderación final alcanzada por las configuraciones en los ensayos a flexión
Módulo flexión Resistencias Deformación Suman
R,P 859 0,030 0,050 0,008 0,087
Fc100-Fv0 0,030 0,020 0,036 0,085
Fc75-Fv25 0,060 0,050 0,040 0,149
Fc50-Fv50 0,079 0,079 0,036 0,194
Fc25-Fv75 0,109 0,109 0,028 0,246
Fv100-Fv0 0,109 0,109 0,020 0,238
Suma total 1,000
Para complementar el efecto de los ensayos realizados se establecieron dos
nuevos criterios ‘’tracción y flexión’’. En la Tabla AIV.8 se presenta la ponderación
dada a cada criterio.
Tabla AIV. 8. Criterios de evaluación para las propiedades mecánicas
Tracción Flexión Adiciona Suma Ponderación
Tracción
0,5 1,0 1,5 0,5
Flexión 0,5
1,0 1,5 0,5
Suma total 3,0 1,0
164
Finalmente, se multiplicaron los factores de la Tabla AIV.8 a las columnas de las
Tablas AIV.4 y AIV.7. En la Tabla AIV.9 se condensan las puntuaciones
alcanzadas por todas las configuraciones de refuerzo en los ensayos de tracción y
flexión.
Tabla AIV. 9. Ponderación final obtenida por las configuraciones en los ensayos de tracción y flexión
Configuración Módulo tracción
Resistencia a la
tracción Deformación
Módulo flexión
Resistencia flexión
Deformación Suma
R,P 859 0,010 0,028 0,004 0,015 0,025 0,004 0,086
Fc100-Fv0 0,020 0,009 0,018 0,015 0,010 0,018 0,090
Fc75-Fv25 0,030 0,028 0,018 0,030 0,025 0,020 0,150
Fc50-Fv50 0,040 0,038 0,018 0,040 0,040 0,018 0,193
Fc25-Fv75 0,055 0,047 0,018 0,055 0,055 0,014 0,243
Fv100-Fv0 0,055 0,057 0,008 0,055 0,055 0,010 0,238
Suma total 1,000
Como se observa en la Tabla AIV.9 las configuraciones Fc50-Fv50 y Fc25-Fv75,
fueron las configuraciones híbridas mejor puntuadas. Para seleccionar la fracción
a emplearse para los ensayos de impacto y fabricación de un prototipo, se aplicó
nuevamente el método de criterios ponderados y se establecieron nuevos criterios
de evaluación como se muestra en la Tabla AIV.10, obteniéndose los resultados
presentados en la Tabla AIV.11.
Tabla AIV. 10. Criterios de evaluación para la selección de la configuración de refuerzo
Buenas propiedades mecánicas
Fibra natural +1 Suma Ponderación
*B.P.M
0,5 1,0 1,5 0,5
Fibra natural 0,5
1,0 1,5 0,5
*B.P.M significa buenas propiedades mecánicas
165
Tabla AIV. 11. Comparación y ponderación de los criterios de evaluación en las formulaciones híbridas mejor puntuadas
Fibra de coco Fc50-Fv50 Fc25-Fv75 +1 Suma Ponderación
Fc50-Fv50
1,0 1,0 2,0 0,67
Fc25-Fv75 0,0
1,0 1,0 0,33
Suma total 3,0 1,00
Posteriormente con las ponderaciones de las propiedades mecánicas de Tabla
AIV.9, se obtuvieron las fracciones y se multiplicaron por las columnas de la Tabla
AIV.10. Así, las fracciones fueron:
(Fc50-Fv50) 0,192+0,243 (Fc75-Fv25) = 0,436 (Suma de la Tabla AIV. 9)
De 0,436 las fracciones son: Fc50-Fv50 = 0,44 y Fc75-Fv25=0,56
0,44*0,5=0,22 (multiplicado por la Tabla AIV.
De esta manera, se encontró la ponderación final de cada configuración, descrita
en la Tabla 3.18.
166
ANEXO V
SELECCIÓN DEL PROTOTIPO
Para la selección del prototipo se empleó nuevamente el método de criterios
ponderados. Las alternativas de prototipo fueron evaluadas considerándose tres
criterios: Disponibilidad tecnológica, factibilidad técnica y costos. En la Tabla AV.1
se presentan los análisis realizados.
Tabla AV. 1. Ponderación y evaluación de los criterios analizados en las alternativas
Disponibilidad tecnológica
Factibilidad técnica Costos Suma 1 Total Porcentaje
Disponibilidad tecnológica
0,5 0,5 1,0 2,0 0,33
Factibilidad técnica
0,5
0,5 1,0 2,0 0,33
Costos 0,5 0,5
1,0 2,0 0,33
Total 6,0 1,00
Disponibilidad tecnológica
Mesa escritorio Mueble para D,A, Archivador Suma 1 Total Porcentaje
Mesa escritorio
0,0 0,5 1,0 1,5 0,25
Mueble para D,A, 1,0
1,0 1,0 3,0 0,50
Archivador aéreo 0,5 0,0
1,0 1,5 0,25
Total 6,0 1,00
Factibilidad técnica
Mesa escritorio Mueble para D,A, Archivador Suma 1 Total Porcentaje
Mesa escritorio
0,5 1,0 1,0 2,5 0,42
Mueble para D,A, 0,5
1,0 1,0 2,5 0,42
Archivador aéreo 0,0 0,0
1,0 1,0 0,17
Total 6,0 1,00
Costos Mesa
escritorio Mueble para D,A, Archivador Suma 1 Total Porcentaje
Mesa escritorio
0,0 0,5 1,0 1,5 0,25
Mueble para D,A, 1,0
1,0 1,0 3,0 0,50
Archivador aéreo 0,5 0,0
1,0 1,5 0,25
Total 6,0 1,00
167
Así, para el caso de la alternativa Mueble de para dispositivos audiovisuales, la
ponderación total se obtuvo de la siguiente manera:
Disponibilidad tecnológica: 0,33*0,5 =0,165
Factibilidad técnica: 0,33*0,42=0,14
Costos: 0,33*0,50=0,165
Total=0,165+0,14+0,165=0,47
Finalmente en la Figura AV.1, se presenta el esquema y las dimensiones del
prototipo,
Figura AV.1. Esquema y dimensiones usadas en la fabricación del prototipo
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