Marco teórico

MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ TERMOESTABLE

Figura 1 - Material compuestoLa necesidad de obtener materiales con combinaciones de propiedades que no se encuentran en los existentes en la naturaleza impulsa a combinar materiales para obtener materiales compuestos. Un material compuesto se forma cuando dos o más materiales se combinan, de manera que las propiedades de los compuestos sean diferentes y por lo general mejores, que las de los constituyentes individuales.

Los materiales compuestos están formados por medios continuos y discontinuos.

El medio continuo se denomina matriz. El medio discontinuo, denominado refuerzo, es más fuerte y resistente. Las propiedades de un material compuesto dependen de las propiedades de los materiales que lo constituyen, de su distribución e interacción. [Mahmood, 1991; Barghoorn, 1998]

Los materiales compuestos de matriz polimérica se dividen en compuestos: termoplásticos, termoestables y elastómeros. El presente trabajo de investigación se centra en los materiales compuestos de matriz termoestable, y por ello solo se profundizará en el estudio de los mismos.

En los polímeros termoestables, las resinas líquidas se convierten en sólidos duros y frágiles con enlaces covalentes, que llevan a la formación de una red tridimensional de átomos de carbono que forman un sólido rígido. Existen además átomos de nitrógeno, oxígeno, azufre u otros átomos formando parte de la red estructural. Las propiedades mecánicas dependen de las unidades moleculares que forman la red, y de la extensión y densidad de los enlaces cruzados. Lo primero está determinado por los productos químicos iniciales usados y lo segundo por el control de los procesos de unión reticular que están involucrados en el curado.

El término termoestable supone que el calor es necesario para el endurecimiento permanente del polímero. Sin embargo, muchos de estos polímeros pueden ser endurecidos a temperatura ambiente solamente por la reacción química llamada reticulación o curado.

1

Las resinas termoestables son normalmente isotrópicas, es decir que las propiedades son idénticas en todas las direcciones. Su propiedad más característica es su respuesta al calor ya que no se funden al calentarlas, pero pierden su rigidez a la temperatura de distorsión térmica, que define un límite superior efectivo para su uso en componentes estructurales. Esta característica es una desventaja puesto que los polímeros termoestables no pueden ser reciclados y reutilizados, ya que han sufrido modificaciones en su estructura química y a nivel molecular. [Hull, 2003; Smith, 2004]

Cabe señalar que los materiales compuestos se pueden reforzar utilizando materiales naturales y sintéticos. Los mismos que pueden tener diferentes formas tales como: fibras cortas, fibras continuas, láminas, tejidos, no tejidos, partículas.

Para cada tipo de refuerzo se presentan ventajas y desventajas, dependiendo del proceso de fabricación, la tasa de producción, costos y requisitos de una determinada aplicación. Además, cada tipo de refuerzo otorga diferentes propiedades al material compuesto.

Entre los refuerzos más utilizados están las fibras. Su ventaja radica en la facilidad de procesamiento que presentan y en que permiten obtener mejores propiedades mecánicas. Comúnmente las fibras más utilizadas con matrices termoestables son las fibras de vidrio.

Una gran variedad de resinas y sistemas de reacción están disponibles para aplicaciones en sectores como el automotriz, naval, construcción, deportivo, entre otros. En la tabla 1.1 se comparan varias propiedades de materiales compuestos de diferentes matrices termoestables reforzadas con fibra de vidrio. [Wallenberger, Bingham, 2010]

MATRIZ

CABUYA

Figura 2 - Planta de cabuyaNombre científico: furcraea andina

Familia: Agaváceas

Nombres comunes: cabuya, maguey, cardón, fique

2

La cabuya es una planta típica en países como Perú, Ecuador, Bolivia y

Argentina. Es una herbácea de hojas verdes largas y delgadas provistas de

espinas en sus bordes. De hojas carnosas, grandes y muy fibrosas, que se

reproduce por renuevos que brotan del contorno de sus raíces. De las fibras de

cabuya se elaboran hilos, de sus hojas papel, de sus espinas agujas y el

extracto jabonoso de sus hojas se utiliza como detergente. Las sociedades

prehispánicas las utilizaban para producir redes, sogas para puentes colgantes,

calzados, cestería, etc.

Tabla 1 - Características fibra de Cabuya

DESFIBRADO

Esta operación consiste en macerar, golpear y raspar la hoja hasta dejar libre la

fibra.

Básicamente existen tres sistemas de extracción de fibras utilizadas tanto en la

parte artesanal como industrial y estas son: de forma manual y la utilización de

máquina.

3

Figura 3 - Fibra de cabuyaDESFIBRADO MANUAL

SISTEMA DE ENRIADOSe procede a realizar unos atados con 5 a 10 hojas amarradas

fuertemente, estas son introducidos en unos tanques con agua durante

un mes, o si se pudiere colocar en una quebrada con agua corriente se

la mantendría durante 8 a 12 días. El largo tiempo que permanecen en el

agua es con el fin de que la goma y la pulpa se descompongan y se

desprendan fácilmente con sucesivos golpes o sacudones. Esta tarea

resulta muy demorosa ya que se necesita mucho esfuerzo y su calidad

no es la ideal para trabajar.

TALLADOEste sistema se realiza utilizando una cuchilla de hueso o de metal, la

cual se utiliza para raspar la hoja a mano, teniendo un rendimiento

máximo de 6 libras diarias y gran porcentaje de desperdicio que

sobrepasa el 50%. Por tal razón este procedimiento tampoco es aplicado

en la actualidad ya que es ineficiente y los costos de producción serían

muy elevados.

MAQUINA DESFIBRADORAEste método de desfibrado con el empleo de una máquina, es el más

eficiente, apropiado y utilizado en la actualidad.

La máquina funciona con un motor de 3 a 6 HP. Y está provisto de un

tambor (30 a 40 cm de diámetro) con unas 15 a 20 cuchillas destinadas

a raspar, golpear y limpiar eliminando así las gomas y pulpa que

acompaña a la fibra.

4

El procedimiento inicia clasificando las hojas de acuerdo a su grosor,

para así regular la máquina para cada montón. El operario desfibrara

primero la mitad de la punta y enseguida la parte restante de la hoja.

Existe un procedimiento más eficiente utilizado en grandes plantaciones

y consiste en la utilización de dos máquinas desfibradoras, la una

desfibra la punta y la otra la base, esto tiene su explicación, ya que el

grosor de la punta no es el mismo que en la base por ende la regulación

de las cuchillas es diferente.

Los obreros encargados del manejo de la máquina deben estar provistos

de un delantal, botas de caucho, gafas y guantes adecuados que los

protejan contra la acción del jugo de la hoja, para evitar irritaciones en la

piel.

En producciones elevadas se suele utilizar desfibradoras de

alimentación continua que consiste de tres partes principales:

1. Una banda de alimentación de movimiento continuo.

2. Dos cadenas centrales con movimiento sincronizado y lento,

paralelas entre sí a la banda transportadora y perpendiculares a

los volantes.

3. Dos volantes raspadores que giran a gran velocidad y en sentido

contrario.

Figura 4 - Maquina extractora de fibra de cabuya

5

CARACTERISTICAS FISICAS DE LA FIBRA DE CABUYA

La cabuya se encuentra dentro del grupo de las fibras duras, ya que sus hojas

están constituidas de fibras elementales o fibrillas, unidas entre sí con una

goma o cera que le proporciona rigidez y aspereza a la misma (cemento

vegetal).

Las fibrillas elementales son relativamente muy cortas, pues solo miden entre 2

y 6 milímetros de longitud, y su unión, forman esos largos filamentos conocidas

en el mercado con el nombre de fibras o hebras.

La función fisiológica de estos ejes fibrosos es la de dar resistencia y rigidez a

las hojas y servir de base de sustentación a los vasos conductores de savia;

debido a estas funciones mecánicas, se les da también el nombre de "fibras

estructurales".

Las fibras están constituidas por un agregado de células que forman los ejes

fibro-basculares y van asociados con los vasos conductores de savia; estos

haces corren longitudinalmente a lo largo de la hoja.

En un corte transversal se puede notar claramente que los ejes de fibras son

más numerosas en la periferia y en la base de la hoja, que en el centro y en su

extremo terminal.

El número total de fibra por hoja y su distribución en la misma, depende

considerablemente de la especie, y se puede distinguir claramente tres clases

de fibras como son:

FIBRAS MECANICAS.Son más numerosas en la periferia de la hoja, pero pueden estar

esparcidas en todo el parénquima foliar; raramente están asociadas con

el tejido conductor; su sección transversal presenta la forma de

herradura y su longitud varía desde unos pocos milímetros hasta varios

metros, las fibras tienen una gran finura a tal punto que se parten o

dividen longitudinalmente en el proceso de desfibrado.

6

FIBRAS SUELTASEstas fibras son más numerosas en la parte central, aunque también se

pueden hallar en otras partes de la hoja, su sección transversal presenta

la forma de luna creciente, estas se caracterizan por ser las más largas y

de tener buena resistencia, formando parte de la fibra comercial.

FIBRAS DEL XILEMASe encuentran en la línea media de la hoja, y su sección transversal

presenta forma de luna creciente irregular; su longitud es variable. Las

paredes de las células que componen estas fibras son muy finas y

frágiles, por lo cual se fragmentan durante el proceso de desfibrado y

pasan a constituir gran parte de residuo.

CARACTERÍSTICAS

La fibra de cabuya depende de los siguientes factores: tipo y calidad de

suelo, clima, humedad, región, la especie y los procesos mecánicos

sometidos. Todos estos van a determinar características como:

LONGITUD. De 50 A 300 cms. Longitud promedio de 127.30 cms

COLOR.- Crema.

BRILLO.- Fibra muy lustrosa.

TACTO.- Fibra áspero y tieso.

PRODUCCION.- Una planta produce anualmente cerca de 1 kg.

ELONGACION.- 0,3 a 0,4 %

Se argumenta que las fibras de climas fríos son menos resistentes y más

finas que la de los climas cálidos. Se añade también que la cabuya bien

lavada es más resistente, pero en cambio la cabuya sucia posee un gran

poder de elongación.

LAVADO

Consiste en preparar unos tanques con agua limpia y detergente de 5 a 7 Kg.

Por metro cúbico de agua, esta operación ayuda a blanquear y limpiar la fibra

aunque aumenta el costo de beneficio. Una vez preparado los tanques se

sumerge la cabuya donde permanecerá de 12 a 15 horas para luego lavarlas a

fondo en agua limpia o de ser posible en agua corriente; con la finalidad de

7

desprender las partículas de corteza, pulpa, lignina, espinas y detergente que

acompaña a la fibra.

SECADO

La cabuya puede ser secada artificialmente y naturalmente, lo cual se detalla a

continuación:

SECADO ARTIFICIALEste tipo de secado se lo puede poner en práctica en grandes empresas

ya que estas son las únicas que pueden justificar su inversión, debido a

su alto costo.

El equipo para el secado artificial de la fibra comprende de dos

máquinas: de una centrífuga que elimina el exceso de agua, y una

secadora automática. El secado resulta de la acción combinada de la

temperatura (100-200 °C) y la ventilación.

Este sistema tiene las siguientes ventajas:

1. No está sujeto a condiciones atmosféricas.

2. Ahorro de tiempo y mano de obra

3. La instalación ocupa un área reducida.

4. Casi no hay pérdidas de fibra.

5. La fibra toma mejor aspecto.

SECADO NATURAL

Este proceso es el más usado, y se lo realiza exponiendo la cabuya a

los rayos directos del sol sobre un prado natural, sin embargo presenta

las siguientes dificultades de que la fibra se enreda fácilmente y se

ensucia; también puede decolorarse por efecto de la humedad del suelo;

gasta más tiempo en secarse; y hay mayor desperdicio de fibra.

El estrado en triangulo o caballete

Consta de una serie de postes de madera de 1.20 metros de altura, que

tiene colocado una cruceta de 50 cm., a los 25 cm. a partir del extremo

8

superior del poste. Por las puntas de las crucetas se colocan templan

alambres.

Figura 5 - Secado por caballeteEl estrado plano o barbacoa.

Consta de una serie de armazones en forma de T o U invertida, distanciados de 4 a 6 metros; la anchura varía entre 0.80 y 1 metro dependiendo de la longitud media de la cabuya; la altura es de 1 metro.

Encima se coloca de 4 a 6 alambres galvanizados distanciados de 20 a 25 cm. Luego se procede a tender el material uniformemente sobre todo el estrado esperando su secado.

Figura 6 - Estrado plano

9

CLASIFICACION

Considerando las exigencias y costumbres del mercado internacional de fibras duras, se

propone la siguiente clasificación, la cual comprende cinco clases o calidades como son:

PRIMERA CALIDAD

Color de fibra blanca hasta crema.

Longitud superior a 120 centímetros.

Bien sacudida, libre de residuos de hojas y materiales extraños.

Correctamente desfibrada.

Un 2 % máximo de pulpa adherida a la fibra.

Completamente despuntada.

Libre de enredos y motas.

Bien empacado.

SEGUNDA CALIDAD

Fibras de color claro o ligeramente oscuro.

Longitud superior a 1 metro.

Porcentaje mínimo de residuos de hoja y materiales extraños.

Bien desfibrado.

Un 2 a 5 % de pulpa sobre la fibra

Normalmente sacudida.

Bajo porcentaje de enredo y mota.

Empacado aceptable.

Despuntada.

TERCERA CALIDAD

Color de fibra ligeramente oscuro.

Longitud inferior a 80 centímetros.

Tiene ases de fibras pegados (tiesas).

Con residuos sueltos del desfibrado (polvo).

Medianamente desfibrada, con más de un 5% de penca adherida.

No bien despuntada.

Mal sacudidas.

Ligeramente enredada, con un poco de mota.

10

Empacado defectuoso.

CUARTA CALIDAD

Fibra de coloración muy oscura

Contiene mucho residuo suelto.

Mal desfibrada y despuntada.

Con residuos más del 8 % de penca.

Enredada y con motas.

Mal empacado.

APLICACION DE LA FIBRA DE CABUYA EN LA ELABORACION Y

DIVERSIFICACION DE PRODUCTOS ARTESANALES.

La investigación de nuestra tesis se basó siempre con el principal objetivo de tener

una fibra suave, dócil e hilable, para permitirnos elaborar una infinidad de artículos

artesanales, los mismos que ha más de ser novedosos, llamativos por sus diseños y

colores, darán un valor agregado al producto. Estamos convencidos que en la

actualidad existe una desmedida competencia de productos que reemplazarían a los

nuestros, con la gran diferencia que nuestro producto tendrá mayor aceptación por

ser biodegradable, a bajo costo y presentar una variada gama de artículos hechos a

mano por nuestros artesanos, reactivando así nuestras costumbres, tradición, y arte;

permitiendo mejorar los ingresos económicos de toda la gente dedicada a esta dura y

sacrificada labor, que hasta hace poco se ha estado perdiendo.

Aquí en nuestro país y esencialmente en nuestra provincia se está queriendo dar

importancia a las fibras duras y especialmente a la cabuya, lo que no ocurre en otros

países como Colombia que ya ha organizado el quinto Congreso Internacional de

FIBRAS NATURALES que año tras año están dedicando a mejorar e incrementar los

usos potenciales de la cabuya.

ELABORACION DE PRODUCTOS ARTESANALES.

Nuestros productos que hemos obtenido, estarán clasificados de acuerdo a los

procesos que se necesitan para su elaboración:

11

En la actualidad la cabuya ha ganado espacio y ha prolongado sus usos

potenciales como indicamos en el siguiente cuadro:

12

REFUERZO

RESINA POLIÉSTER

La resina de poliéster insaturado, o simplemente resina poliéster, es el

termoestable más utilizado para la formulación de materiales compuestos en el

Ecuador. El poliéster se obtiene por la reacción de ácidos orgánicos

disfuncionales con un alcohol disfuncional. Los ácidos utilizados incluyen

maleico, fumárico, ftálicoby tereftálico. Los alcoholes son glicol etileno, glicol de

propileno, y el glicol halogenado.

Esta resina es muy versátil, de fácil manipulación, tiene amplia disponibilidad

en el mercado con un bajo costo y ofrece una excelente resistencia a la

corrosión. Por sí sola usualmente no tiene resistencia suficiente, por lo cual

13

necesita ser reforzada con materiales que mejoren sus propiedades

mecánicas. Para este propósito se utilizan varios tipos de fibras naturales y

sintéticas.

La resina se solidifica mediante una reacción química inducida por un agente

externo. A este proceso se denomina curado. Para iniciar el curado se necesita

la presencia de un catalizador (iniciador) y un acelerante. El acelerador

promueve la descomposición del iniciador por la ruptura del enlace de peróxido

para formar dos radicales libres. Cada uno de estos retiene un electrón del par

de electrones roto y es una especie altamente reactiva. Entonces se produce

una reacción en cadena, como radicales libres de peróxido de captura de

electrones a partir del monómero de vinilo, creando otro radical libre que

reacciona con la instauración de la cadena de poliéster.

El curado de una resina poliéster se inicia tan pronto como se añade el

iniciador.

La velocidad de la reacción depende de la temperatura y la reactividad de la

resina y el catalizador. Es esencial disponer de cantidades suficientes de

iniciador y acelerador para asegurar que se produzca adecuadamente el

proceso de curado.

La reacción que se produce es una reacción exotérmica que puede alcanzar

una temperatura de 160ºC aproximadamente. Durante este proceso se

presentan tres etapas:

En la gelificación, la resina pasa de un estado líquido viscoso a un gel

blando.

En el endurecimiento, la resina pasa de un gel blando a sólido.

En la maduración, la resina adquiere todas sus propiedades mecánicas

y químicas.

Las dos primeras etapas son relativamente cortas, al contrario de la última que

puede tardar varias horas si se utiliza una estufa calefactora o varios días si se

lo realiza a temperatura ambiente. [Maldonado y Paredes, 2010; Mazumdar,

2002]

14

Las características de las resinas de poliéster se pueden variar mediante la

alteración de las proporciones de sus componentes químicos durante el

proceso de producción. Como se mencionó anteriormente, el punto de partida

para la obtención de un sólido de poliéster es la utilización de ácidos orgánicos

(saturados e insaturados) y alcoholes. Los grupos éster se forman a través de

la eliminación de agua entre los ácidos y los glicoles, resultando en una

molécula de cadena larga conformada por unidades de ácido y glicol

alternadas. El control cuidadoso de la proporción de ácidos saturados a ácidos

insaturados resulta en la incorporación de sitios de entrecruzamiento (in

saturación, o enlaces dobles carbono-carbono) a intervalos regulares a lo largo

de la cadena.

La variación de la densidad de las zonas insaturadas en la cadena polimérica

tiene efectos fundamentales en la estructura de curado de la resina y sus

propiedades finales, aunque el impacto total de la alta in saturación solo se

logra con alta temperatura después del curado, cuando la reacción de

entrecruzamiento va a terminar. Considerando que los niveles de ácido

insaturado juegan un papel importante en la determinación de la densidad de

entrecruzamiento de una resina poliéster cuando se hace reaccionar con

monómeros (tales como estireno, MMA, vinil tolueno y estireno, alfa-metil),

otras propiedades como la resistencia química y resistencia al fuego se verán

influenciadas por el ácido saturado y el glicol utilizado. Por otro lado, los

poliésteres generalmente se clasifican según el material utilizado en su

fabricación (ortoftálico, isoftálico, ISO-NPG, bisfenol A).

Cabe señalar, que la densidad de reticulación tiene una marcada influencia en

las propiedades; este efecto es más notable cuando se compara la misma

resina curada en frío y después de completado el curado.

En muchas aplicaciones se utilizan resinas curadas en frío, aun cuando estas

no alcancen las mejores propiedades. Sin embargo, es necesario indicar que

precisamente la posibilidad de curar en frío las resinas poliéster es lo que las

hace mucho más adecuadas que cualquier otro sistema de resina para la

manufactura de estructuras de gran tamaño.

15

De los resultados expuestos se puede notar que las propiedades mecánicas

mejoran cuando la resina poliéster está completamente curada. La resistencia

a la tracción mejoró aproximadamente en un 6% y el módulo de elasticidad en

un 20%. La resistencia a la compresión es muy superior a la resistencia a la

tracción, esto se debe a que los procesos de deformación plástica manifiestos

a compresión no se producen a tracción por la rotura prematura que está

relacionada con las grietas en el material y en las superficies de las muestras

de ensayo. [Hull, 2003]

Tabla 2 - Propiedades mecánicas y físicas de varios tipos de resinas poliéster Fuente: [Hollaway, 1994]

Tipo de poliéster

Ortoftálico de reactividad

Mediana BajaAlta 16 horas a 16 horas a

Completado 40ºC o 28 Completado 40ºC o 28

el curado días a el curado días a

temperatura temperatura

ambiente ambiente

Resistencia a la54 68 64 60 60

tracción [MPa]

Módulo de elasticidad 3,6 3,6 3 3,8 3,2

[GPa]

Deformación [%] 2 2,4 4,5 2 3

Resistencia a la130 134 - 137 -

compresión [MPa]

Módulo a la3,7 3,7 - 4,4 -

compresión [GPa]

Resistencia a la136 113 - 127 -

flexión [MPa]

Módulo a la flexión 3,9 3,7 - 4,2 -[GPa]

Máxima temperatura110 75 57 65 55

de uso [ºC]

16

Dureza Barcol 48 46 42 45 43

Gravedad específica 1,21 1,23 - 1,22 -

Adsorción de agua

durante 24 horas 30 20 16 16 15

[mg]

En la figura se muestra la curva esfuerzo-deformación de la resina poliéster. Se

observa que la resina tiene un comportamiento frágil, puesto la curva esfuerzo

deformación es lineal y no posee zona de deformación plástica. Cabe señalar

que las probetas de resina poliéster fueron ensayadas transcurridos 15 días

desde su elaboración.

Figura 7 - Curva esfuerzo-deformación de la resina poliéster Fuente: Tesis de grado EPN

La resistencia a la tracción y el módulo de elasticidad de la resina poliéster

utilizada en el presente proyecto de investigación es de 42 y 1051 MPa,

respectivamente. Mientras que su deformación es del 4,5% y la de las fibras de

abacá y vidrio son del 3,68% y 4,5%, respectivamente. [Páez, 2007; Internet 1].

Por esto, se espera que la fibra de abacá pueda rigidizar el compuesto híbrido,

especialmente cuando las fibras estén dispuestas en dirección de la carga de

ensayo.

17

BILIOGRAFÍA

Diego Ponce. (2011). Obtención de Materiales compuestos de matriz polimérica biodegradable reforzada con fibra natural. Quito, Ecuador, Proyecto previo a la obtención del título de Ingeniero Mecánico en la Escuela Politécnica Nacional.

Héctor Villacis. (2011). Obtención de Materiales compuestos híbridos de matriz poliéster reforzados con fibra de vidrio y abacá mediante estratificación. Quito, Ecuador, Proyecto previo a la obtención del título de Ingeniero Mecánico en la Escuela Politécnica Nacional.

Norma ASTM D 3039 / D 3039 M – 00 Estándar Test Method for Tensile Properties of Plymer Matrix Composite Materials

18