Evaluación y comparación de propiedades físicas y mecánicas entre material compuesto de fibra natural y material sin fibra

Evaluación y comparación de propiedades físicas y mecánicas entre material compuesto de fibra natural  y material sin fibra

Evaluation and comparison of physical and mechanical properties between natural fiber composite material and material without fiber.

Juanita Diazgranados Alvaradoa, Cristian David Moralesa, David Orozcoa y Robin Marcelo Rincóna aEstudiante de Ingeniería Industrial, Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales.

Resumen—En este trabajo nos enfocamos en la caracterización física y mecánica de los materiales compuestos, se estudian algunas propiedades de los materiales compuestos de matriz polimérica y como refuerzo fibras de pseudotallo de plátano. A partir de un molde de caucho de silicona, la resina poliéster pre-acelerada y con las fibras de plátano se obtuvieron probetas normalizadas producidas en los laboratorios de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales, las cuales fueron sometidas a ensayos de flexión en tres puntos y ensayos tensión normalizado, de acuerdo a los resultados que se obtuvieron en los ensayos se compararan algunas propiedades mecánicas como la resistencia a la flexión y resistencia máxima a tensión, siendo estos resultados comparados con otros materiales compuestos como la fibra de choclo.

Palabras clave: Materiales compuestos, fibras naturales, pseudotallo, resistencia, flexión, tensión.

Abstract— In This work we focus on the physical and mechanical characterization of composite materials, we study some properties of polymeric matrix composite materials and as reinforcement of banana pseudostem fibers. From a silicone rubber mold, the pre-accelerated polyester resin and the banana fibers were obtained standardized test specimens produced in the laboratories of the National University of Colombia, Manizales, which were tested by Three-point bending and normalised stress tests, according to the results obtained in the trials were compared some mechanical properties such as resistance to flexion and maximum resistance to tension, being these results compared with other Composite materials such as choclo fiber.

Key Word: Composite Materials, natural fibers, pseudostem, resistance, bending, tension.

1. INTRODUCCIÓN

Un material compuesto es aquel que se forma por la unión de dos o más materiales para conseguir la combinación de propiedades que no es posible obtener de los materiales originales. Mejorando propiedades como la rigidez, resistencia mecánica, peso, rendimiento a alta temperatura, resistencia a la corrosión, dureza o conductividad, por lo general estos materiales se conforman de dos componentes, una fase primaria o continúa denominada matriz y una fase secundaria o discontinua llamada refuerzo. (1)

Las  fibras  naturales tienen la ventaja de ser de menor costo, baja densidad, buenas propiedades mecánicas, son biodegradables y hay una amplia disponibilidad y variedad dependiendo de las regiones donde se produzcan. (2)

Algunas desventajas en el uso de fibras naturales en compuestos de matriz polimérica  son la absorción de agua (hidrofilia), la poca uniformidad, la calidad de las fibras es dependiente de las condiciones naturales, además el enlace entre polímeros  y  las fibras naturales, también depende de la necesidad de un control riguroso de la fabricación ya que las propiedades  del  material dependen del método empleado, lo que afecta en gran medida su comportamiento y propiedades (3).

En el presente se  realizan diferentes  investigaciones en este campo, las cuales arrojan una gran variedad de materiales con diferentes propiedades que ofrece en su diversidad las fibras naturales, y  llevando estos materiales a diferentes aplicaciones industriales; por otro lado, en la actualidad  las fábricas intentan ser más amigables con el ambiente, meta que se puede alcanzar mediante la  fabricación de productos a partir de  materiales compuestos  reforzados con fibras naturales.

El fin de este trabajo consiste en vincular los conocimientos adquiridos en el taller de ingeniería de materiales y llevarlos a la práctica mediante la realización de un material compuesto sometiéndolos a  pruebas mecánicas con el fin de observar su comportamiento, obtener y comparar algunas propiedades del material compuesto.

1. Materiales, procesos y caracterización.

2.1 Materiales.

La matriz fue conformada por resina poliéster (Resina Coalcat) pre-acelerada con el acelerante (Octoato De Cobalto) mezclada con catalizador Metil Etil Cetona(MEK), reforzadas con fibras naturales extraídas de la parte externa del pseudotallo del plátano Dominico Harton (Musa AAB Simmonds).

La planta de plátano a utilizar fue seleccionada en predios de la finca La tribuna ubicada en la vereda Cuchilla del salado en el municipio de Manizales (Caldas), cuya temperatura ambiente oscila entre  17°C la mínima y 25°C la máxima.

El molde utilizado para la fabricación de las probetas fue hecho en silicona de PLATINO SMOOTH, SIL 935, y un catalizador PLAT-CAT.

2.2 Proceso de la obtención de las fibras

Se cortó el tronco de la planta de plátano denominado pseudatallo ver fig.1, este hace referencia  a las diferentes capas que  envuelven al tronco del falso tallo, se separaron algunas capas, estas se limpiaron y se quitaron los residuos con un cuchillo, secadas al sol por un tiempo de 15 días a temperatura promedio de 25º centígrados. Después del secado se procedió a extraer las fibras mediante un proceso manual en el cual se sometían a fuerzas de fricción con lo que se obtuvo fibras más finas, largas y de diferentes espesores; estas se cortan de forma vertical con longitud de 5 mm ver fig.1. Estas fibras se mantienen a una temperatura promedio de 18º centígrados y protegido de ambientes húmedos hasta su uso.

[pic 1][pic 2]

Fig. 1. Separación del falso tallo y fibras cortadas

2.3 Proceso obtención del material compuesto

Se utilizó un proceso de moldeo manual,  anticipadamente se fabricó un molde de silicona ver fig.2,  en las tablas 1 y 2 se encuentran los datos  de la probeta  empleada para un ensayo de flexión a tres puntos y la probeta  empleada en un ensayo a tensión las cuales se conformaron por una mezcla de fibra de pseudotallo de plátano  y resina poliéster  más un catalizador ver fig.2, después se procedió a ejercer presión con un vidrio para favorecer la homogeneidad de la misma, al tiempo que la reacción finalizaba.

[pic 3]

Fig.2 Molde de silicona, proceso de vaciado de resina y fibras, probeta I para ensayo de flexión y probeta III para ensayo de tracción.

Los datos de las probetas I y III con fibra de pseudotallo de plátano se compararan con las probetas II y IV sin fibra.

[pic 4]Tabla 1. Tabla comparativa entre las probetas sometidas a flexión, (III-sin % de fibra).

[pic 5]Tabla 2. Tabla comparativa entre las probetas sometidas a tensión, (IV-sin % de fibra).

Podemos observar en las tablas 1 y 2 que la densidad de las probetas I  y III  con fibra natural varían con respecto a las probetas II y IV  sin ningún tipo de refuerzos, con las cuales se comparara como varía las propiedades mecánicas de cada una con respecto a la otra.

2.4 Caracterización físico-mecánica.

La caracterización física se enfocó en establecer el porcentaje de volumen de las fibras naturales como de la resina utilizada en la fabricación de cada una de las probetas, con el fin de establecer una relación entre los porcentajes de volumen y las propiedades mecánicas del material compuesto. El proceso inicia con el cálculo del volumen que ocuparía el material compuesto en el molde de silicona previamente fabricado, proseguimos a calcular el porcentaje de volumen de fibras naturales y resina a utilizar en el material compuesto. Ver tabla 1 y tabla 2.

Para la caracterización mecánica de los materiales compuestos fabricados se sometieron a dos ensayos diferentes, de tensión o tracción bajo los parámetros establecidos en la norma D638 ASTM de ensayo de tracción, y el segundo ensayo de flexión a tres puntos bajo los parámetros establecidos por la norma NTC-1769, dichos ensayos se realizaron con el fin de establecer las propiedades mecánicas del material compuesto como la resistencia a flexión y la resistencia máxima a tensión o tracción. Para la realización de los ensayos fueron fabricadas probetas con las especificaciones establecidas en las respectivas normas.

El ensayo de flexión en tres puntos se realizó de acuerdo a la norma NTC-1769, este ensayo fue realizado en el laboratorio de resistencia de materiales de la Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales mediante la maquina universal disponible, la distancia entre apoyos fue de 6cm, y para realizar dicho ensayo fue utilizada la probeta I 

El ensayo de tensión o tracción fue realizado bajo los parámetros establecidos en la norma D638 ASTM, en las instalaciones del laboratorio de resistencia de materiales en el bloque L del campus la Nubia mediante una maquina universal, para este ensayo se utilizó la probeta II.

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