Proyecto de grado Helen Herrera
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VAINA FOLIAR DE PALMA DE COCO COMO TEXTIL DE REFUERZO EN COMPUESTOS CON MATRIZ DE POLIÉSTER HELEN ELIZABETH HERRERA HUMPHRIES UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA BOGOTÁ 2008
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VAINA FOLIAR DE PALMA DE COCO COMO TEXTIL DE REFUERZO EN COMPUESTOS CON MATRIZ DE POLIÉSTER
HELEN ELIZABETH HERRERA HUMPHRIES
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ 2008
VAINA FOLIAR DE PALMA DE COCO COMO TEXTIL DE REFUERZO EN COMPUESTOS CON MATRIZ DE POLIÉSTER
HELEN ELIZABETH HERRERA HUMPHRIES
Trabajo de grado
Profesor asesor: Edgar Alejandro Marañón León
Ingeniero Mecánico, PhD
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ 2008
3
CONTENIDO
pág.
INTRODUCCIÓN 9
1. OBJETIVOS 11
1.1 OBJETIVOS GENERALES 11
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 11
2. MARCO TEÓRICO 12
3. METODOLOGÍA 16
4. CARACTERIZACIÓN DEL TEJIDO 19
4.1 PROPIEDADES FÍSICAS 19
4.2 PROPIEDADES MECÁNICAS 22
4.2.1 Pruebas de Tensión al Tejido 22
4.2.2 Pruebas de Tensión a las Fibras del Tejido 25
4.3 PROPIEDADES QUÍMICAS 30
4.4 ANÁLISIS DEL MECANISMO DE FALLA DE LAS FIBRAS 31
4
4.5 ANÁLISIS DEL MECANISMO DE FALLA DE LOS TEJIDOS 34
5. FABRICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DEL COMPUESTO 36
5.1 CONSTRUCCIÓN DE LOS MOLDES 42
5.2 CONSTRUCCIÓN DE LAS PROBETAS 43
6. ANÁLISIS DE LOS MECANISMOS DE FALLA DEL COMPUESTO 48
7. PRUEBAS DE COMPATIBILIDAD FIBRA-MATRIZ 51
8. CONCLUSIONES 58
9. RECOMENDACIONES 60
BIBLIOGRAFÍA 61
5
LISTA DE TABLAS
Pág.
Tabla 1. Propiedades físicas De la vaina foliar de la palma de coco 22
(Cocos Nucifera)
Tabla 2. Propiedades mecánicas de la vaina foliar de la palma de coco 24
Tabla 3. Dimensiones promedio de la urdimbre y la trama 26
Tabla 4. Propiedades mecánicas de la urdimbre y la trama de la vaina foliar 29
Tabla 5. Propiedades químicas de la vaina foliar de la palma de coco 30
Tabla 6. Propiedades mecánicas a tensión del compuesto 37
Tabla 7. Propiedades mecánicas a flexión del compuesto 39
Tabla 8. Propiedades mecánicas del compuesto 41
Tabla 9. Resultados de la prueba de Pull-Out de las fibras Tipo I y Tipo II 55
6
LISTA DE FIGURAS
Pág.
Figura 1. Ubicación de la vaina foliar en la palma de coco 13
Figura 2. Urdimbre bifurcada 17
Figura 3. Geometría de una típica probeta TIPO I 22
Figura 4. Montaje probeta de tensión en máquina Instron modelo 5586. 23
a) antes y b) después de ser sometida a tensión
Figura 5. Curva esfuerzo-deformación de probetas tejido a) TIPO I y 25
b) TIPO II
Figura 6. Imagen en estereoscopio a 40X de fibra a) Gruesa y b) delgada. 26
Cuarenta divisiones corresponden a un milímetro
Figura 7. Montaje de las probetas en las ventanas. a) Urdimbre o fibra 27
gruesa y b) Trama o fibra delgada
Figura 8. Curva esfuerzo-deformación de fibras a) Tipo I (Gruesas) y 28
b) Tipo II (delgadas)
Figura 9. Microscopia electrónica de barrido de la fibra delgada 31
después de la prueba de tensión. Magnificación de a,b) 400X y
c,d) 1000X
7
Figura 10. Microscopia electrónica de barrido de la fibra gruesa 33
después de la prueba de tensión. Magnificación 125X
Figura 11. Falla típica del tejido a) Tipo I y b) Tipo II 34
Figura 12. Montaje de las probetas de tensión en la máquina de ensayos 37
a) Con el extensómetro y b) sin el extensómetro
Figura 13. Curva de esfuerzo-deformación a tensión del compuesto 38
Figura 14. Montaje de una probeta de flexión en la máquina de ensayos. 39
a) Vista lateral y b) vista superior
Figura 15. Curva esfuerzo-deformación en flexión del compuesto 40
Figura 16. Montaje probeta de impacto 41
Figura 17. Imagen del molde utilizado para construir las probetas de 42
tensión del compuesto. a) pieza macho y b) pieza hembra
Figura 18. Molde de gelatina para construir probetas de flexión e 43
impacto del compuesto
Figura 19. Montaje de la fabricación de las probetas de tensión del 45
compuesto en moldes de aluminio
Figura 20. Probetas de a) Tensión, b) Flexión e c) Impacto utilizadas 45
en las pruebas
Figura 21. Flexibilidad del molde de gelatina industrial 46
8
Figura 22. Microscopia electrónica de barrido de las probetas de 48
Vaina foliar/poliéster después de la fractura por tensión
Figura 23. Fractografía del compuesto poliéster/vaina foliar. Magnificación 49
a a) 180X, b) 80X y c) 200X
Figura 24. Microscopia electrónica de barrido. Magnificación de 180X 50
Figura 25. Probetas del compuesto de poliéster/vaina foliar después de la 50
prueba de impacto
Figura 26. Esquema de montaje de prueba de Pull-Out 51
Figura 27. Comportamiento típico de las pruebas de Pull-Out 52
Figura 28. Construcción de las probetas de Pull-Out 53
Figura 29. Montaje de las probetas de Pull-Out para la fibra a) Tipo I
y b) Tipo II 54
Figura 30. Resultados de los ensayos de Pull-Out sobre fibras a) Tipo I 56
y b) Tipo II
9
INTRODUCCIÓN
Debido al progresivo aumento que ha tenido el precio del petróleo y a la tendencia
mundial por parte de la industria de utilizar productos ambientalmente amigables,
sostenibles y biodegradables, se han volcado los esfuerzos en retomar la
propuesta iniciada hacia los años cuarenta por la industria automotriz [1], de
trabajar con fibras naturales, como aquellas procedentes de la palma de coco.
Las fibras y tejidos procedentes de la palma de coco resultan ser una excelente
opción como material de refuerzo en materiales compuestos, no solo por su bajo
costo frente a materiales como el poliuretano, sino también por la baja densidad,
la flexibilidad del proceso y el bajo requerimiento de equipos sofisticados que las
fibras de materiales lignocelulosos requieren.
Actualmente en Colombia los usos que se le dan a los productos derivados de la
palma de coco son variados en el área de lo artesanal y comestible; sin embargo
en el área de los materiales compuestos sus potenciales usos no se han
estudiado y explotado. Por lo tanto, con el desarrollo de este trabajo de grado se
pretende abrir la investigación y exploración de la vaina foliar procedente de la isla
de San Andrés (Colombia) como material de refuerzo en compuestos, determinar
sus propiedades mecánicas y diseñar un compuesto reforzado con este tejido, a
fin de determinar otras posibles aplicaciones además de las que ya se conocen en
el mercado automotriz para otras fibras del cocotero como el coco (Coir) para:
techo, apoya cabezas, y sillas.
10
Las motivaciones para la consecución del presente proyecto de grado fueron
dirigidas primero por el interés en el estudio de los materiales compuestos y
segundo por la creciente necesidad del mundo de hoy por la incorporación de
nuevos materiales que sean sostenibles y amigables con el medio ambiente,
sumado a las exigencias de las nuevas legislaciones ambientales.
11
1. OBJETIVOS
1.1 OBJETIVOS GENERALES
Explorar el potencial del tejido de coco como material de refuerzo
estructural en materiales compuestos.
Abrirle nuevas opciones al mercado colombiano en el campo de los
materiales a través de la utilización de un recurso natural propio como éste
que nos provee la palma de coco.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Caracterizar las propiedades mecánicas del tejido, las fibras y el
compuesto.
Determinar las direcciones bajo las cuales resulta de utilidad el tejido y el
compuesto sometido a diferentes pruebas mecánicas, y de esta forma
también establecer sus modos de falla.
Desarrollar un material compuesto con tejido de coco que sea competitivo
frente a otros materiales.
Determinar las aplicaciones que se pueden dar a este nuevo compuesto a
partir del conocimiento de sus propiedades mecánicas.
12
2. MARCO TEÓRICO
La utilización de fibras naturales como refuerzo en materiales compuestos es un
problema abierto de investigación. Continuamente, surgen nuevas propuestas de
fibras naturales a ser estudiadas, y en este proceso los avances en el estudio de
algunas fibras provenientes de la palma de coco son incipientes y en Colombia
aún no se han explorado y desarrollado.
2.1 ORIGEN DEL TEJIDO
El tejido empleado para el desarrollo de este proyecto de grado es proveniente de
algunos cocoteros originarios de la isla de San Andrés, Colombia. El nombre
científico de esta planta es Cocos Nucifera, Linn. Esta crece en climas tropicales
propio de regiones costeras e islas. Su versatilidad la hace llamarse la planta de la
vida, ya que su fruto, sus hojas y su tallo aportan una fuente de alimentos,
materiales de construcción y artesanías. En Colombia, el cocotero se presenta
principalmente en las costas del Litoral Atlántico, el Archipiélago de San Andrés,
Providencia y Santa Catalina, y en algunas franjas del pacífico.
Dentro de su estructura el cocotero presenta un tejido que crece en la base de las
hojas envolviendo algunos órganos de la planta, como se ve en la figura 1. Su
nombre científico es Vaina Foliar y durante las diversas etapas del crecimiento del
cocotero esta estructura soporta esfuerzos axiales y longitudinales como los
sufridos por un barril sometido a presión en su interior. Estos esfuerzos se deben
principalmente al peso de la hoja, el cual incrementa con el tiempo; a la expansión
del tallo localizado en la base de la vaina foliar y a los órganos jóvenes que
encierra la misma [2].
13
La vaina foliar es un tejido denso entrecruzado compuesto por trama y urdimbre,
cuya estructura posee celulosa y lignina. Debido a que es una estructura que la
misma planta teje, resulta de gran valor estudiar su potencial como refuerzo de
materiales compuestos, ya que facilitaría el proceso de fabricación del mismo.
Figura 1. Ubicación de la vaina foliar en la palma de coco
Imagen tomada in situ de una de las palmeras de donde se obtuvo el tejido.
2.2 MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES
DE ORIGEN LIGNOCELULOSO
Un material compuestos se define como una mezcla heterogénea de dos o más
fases homogéneas que han sido pegadas juntas 3]. Estas fases pueden ser
esencialmente de cualquier material, desde un metal hasta un polímero.
En el proceso de fabricación de un material compuesto, usualmente se hace una
14
influye de forma determinante en las propiedades del compuesto, por lo que sus
propiedades se escogen de forma que sean un complemento de las propiedades
de las fibras.
La importancia de los materiales compuestos radica en la combinación de
atributos que se pueden lograr a partir de las propiedades de sus materiales
constituyentes. La forma en la que cada uno de los constituyentes de un material
compuesto influyen en las propiedades del mismo dependen principalmente de
dos cosas: a) de los arreglos geométricos de las fases y sus respectivas
fracciones en volumen, en donde no se tienen en cuenta las dimensiones de sus
componentes; y aquellas que b) si dependen de factores estructurales como
periodicidad de los arreglos y tamaño de las piezas de las dos o más fases
componentes. [3]
Como una forma aproximada de cuantificar las propiedades de un compuesto, se
presenta la ecuación 1, la cual relaciona la fracción en volumen de sus
componentes (v1 y V2) y la propiedad a determinar de los mismos (p1 y p2). Si no
existen más fases V1+V2=1.
Ecuación 1. Para la determinación de propiedades físicas de un compuesto
2211VpVppcompuesto
Una fibra se define como l que
conforman los elementos básicos de un textil y que se caracterizan por tener una
longitud de [4]. El término fibra natural cubre un
rango amplio de fibras vegetales, animales y minerales. Las fibras de origen
natural como las que conforman la vaina foliar del cocotero presentan en su
15
estructura celulosa, hemicelulosa y lignina. Estos componentes influyen en las
propiedades mecánicas de las fibras.
La celulosa es un polímero natural y el componente principal de la pared celular
de una planta; Al mismo tiempo es el principal elemento que otorga resistencia a
los materiales compuestos naturales. Sus propiedades mecánicas son muy
notorias: un filamento de celulosa de 1 mm de diámetro puede sostener más de
600 N (80% de la resistencia de un acero). as fibras con celulosa
exhiben un mayor modulo de Young en comparación con materiales
termoplásticos, por lo tanto, contribuyen a un incremento mas alto de la rigidez del
3,5].
La lignina es un polímero que reposa entre la pared celular de la planta y aumenta
las propiedades de resistencia de sus fibras. Su alto contenido dentro de las fibras
permite que estas sean más resistentes a la descomposición orgánica bajo
condiciones húmedas y secas, y que posean una mejor resistencia a la tensión. [5]
Adicionalmente a la lignina y la celulosa, existen otros componentes orgánicos que
están presentes en la estructura de las fibras naturales: los extractivos. Estos en
parte contribuyen con la durabilidad de las fibras ya que contienen sustancias que
resultan tóxicas para bacterias e insectos [5].
Por último, un factor determinante que influye en las propiedades de un material
compuesto de fibras lignocelulosas, como la vaina foliar, es la presencia de grupos
hidroxilos en la superficie de la misma, los cuales le otorgan un carácter polar a
las fibras. De tal forma que si se quiere trabajar con matrices de origen a-polar la
compatibilidad se hace difícil y es requerida la presencia de algún agente
compatibilizador, caso contrario al si se trabaja con una matriz de naturaleza polar.
16
3. METODOLOGÍA
Para la elaboración de este trabajo de grado se procedió a la selección de los
tejidos más aptos, a la evaluación de pruebas mecánicas, análisis de modos de
falla y a la caracterización físico-química del tejido.
3.1 SELECCIÓN DEL TEJIDO
Para la selección de los tejidos se analizaron diferentes aspectos físicos en la
calidad del mismo, tales como:
Uniformidad del tejido.
Direccionamiento de las fibras dentro del tejido.
Calidad del entramado.
Menor cantidad de elementos extraños.
Uniformidad del color a lo largo del tejido.
La vaina foliar presenta una estructura poco regular a lo largo de sus hilos, ya que
aquellos que conforman la trama y la urdimbre se bifurcan hacia el final, como se
observa en la figura 2. Adicionalmente, los hilos no se encuentran alineados a
todo lo largo y ancho del tejido, sino que éstos se curvan aleatoriamente en
algunas zonas del mismo. Debido a que la vaina foliar es un tejido hecho por la
naturaleza, es imposible controlar estas irregularidades inherentes a él, y éstas
pueden inducir una alta variabilidad en los resultados, al momento de hacer
mediciones de las propiedades mecánicas del tejido. Por ello, resulta de gran
importancia la escogencia de los tejidos, de tal manera que su uniformidad sea la
mejor posible.
17
Figura 2. Urdimbre bifurcada.
3.2 DESARROLLO DE PRUEBAS MECÁNICAS
Con el fin de caracterizar el tejido y analizar el potencial de la vaina foliar como
refuerzo de un material compuesto de matriz de poliéster, se llevaron a cabo las
siguientes pruebas al tejido, los hilos y el compuesto.
Tejido de coco: a la vaina foliar se le realizaron pruebas de tensión bajo la
norma ASTM D5035.
Fibras de coco: a la trama y la urdimbre se le realizaron pruebas de tensión
bajo la norma ASTM D3822.
Compuesto fabricado: al compuesto se le realizaron tres pruebas
mecánicas:
Prueba de tensión bajo la norma ASTM D3039
Prueba de flexión bajo la norma ASTM D790, y
Prueba de Impacto bajo norma ASTM D256.
18
Con el desarrollo de estas pruebas se establecieron propiedades tales como
módulo de elasticidad, esfuerzo máximo y porcentaje de elongación, así como
resistencia a la flexión y a impacto.
3.3 ESTUDIO DE MECANÍSMOS DE FALLA
El estudio de los modos de falla del tejido, los hilos y el compuesto se llevo a cabo
con un microscopio electrónico de barrido (SEM, por sus siglas en inglés). Para
tales efectos se analizaron las zonas donde se produjeron las fracturas de los tres
componentes analizados.
De igual forma se analizó la uniformidad y geometría de la urdimbre y la trama con
el SEM para establecer la correlación con las propiedades y los modos de falla
que presentaban los tejidos y el compuesto.
Como complemento del estudio de los modos de falla, se realizaron pruebas
químicas de contenido de celulosa y lignina según las normas TAPPI T 203 y
ASTM D1106 respectivamente, a manera de establecer la correlación de estos
componentes con las propiedades mecánicas del material.
3.4 PRUEBAS DE COMPATIBILIDAD FIBRA-MATRIZ
Las pruebas de Pull-out fueron realizadas por la estudiante Maria Fernanda
Contreras en el desarrollo de su Proyecto Intermedio [11] como se especifica en la
referencia [6]
19
4. CARACTERIZACIÓN DEL TEJIDO El tejido de coco que se utilizó para el desarrollo de este proyecto de grado se
extrajo de forma manual de algunos cocoteros de la isla de San Andrés, ubicada
en el mar caribe al noroeste de Colombia. Su nombre científico es Vaina foliar
(Leaf Sheath) y se encuentra ubicada en la base de las hojas de la palma.
La caracterización de este tejido consistió en medir propiedades físicas como
contenido de humedad, contenido de cenizas y porcentaje de extractivos;
propiedades mecánicas como esfuerzo máximo, porcentaje de elongación al
esfuerzo máximo y módulo de elasticidad; y propiedades químicas como
contenido de lignina y contenido de celulosa.
Adicionalmente y con el fin de determinar la correlación entre las propiedades a
tensión del tejido con las de sus fibras, se realizaron pruebas de tracción a la
urdimbre y la trama.
4.1 PROPIEDADES FÍSICAS
4.1.1 Contenido de Cenizas
Para la medición del contenido de cenizas de la vaina foliar, se siguió el
procedimiento descrito en la norma ASTM E1755 para Cenizas en Biomasa, para
dos muestras (a manera de duplicado) cada una de 1 g secadas en un horno a
20
105°C y pesadas en una balanza de precisión de 0.001g. El cálculo del porcentaje
de cenizas se reporta en la tabla 1 como un promedio de los dos datos obtenidos.
El contenido de cenizas presente en la vaina foliar procedente de la isla de San
Andrés (Colombia) es cerca de diez veces menor al de las fibras de la India
registradas en la literatura [7]. Este resultado resulta de gran valor, ya que el
contenido de cenizas guarda una relación inversa con el contenido de carbono. Lo
que se debe ver reflejado en el compuesto en un menor peso, una resistencia más
alta y una rigidez más favorable [5].
4.1.2 Contenido de humedad
Para la determinación del contenido de humedad se siguió el procedimiento
descrito en el método B de la norma ASTM D1348 para la determinación del
contenido de humedad para una muestra pesada fuera del horno. La muestra de
30 g se sometió a 105±3°C para extraer la humedad durante un periodo de
aproximado de 4 h. Luego de este tiempo se midió el peso que había perdido la
muestra. Este valor se registra en la tabla 1 como un porcentaje del contenido de
humedad.
El contenido de humedad en el cual las paredes de la célula están completamente
saturadas pero no hay agua en el interior de las cavidades de la célula se conoce
como punto de saturación de la fibra. Por debajo de este punto, la pared de la
célula se encoge a medida que es removido el contenido de humedad, y las
propiedades físicas y mecánicas comienzan a cambiar como una función del
contenido de humedad, generalmente aumentando estas últimas con la
disminución en el contenido de humedad [8].
El contenido de humedad que registro la vaina foliar utilizada para este estudio es
un poco alto, lo que podría significar un reducción significativa de las propiedades
21
mecánicas del tejido. Por lo que es recomendable someter los tejidos a ser
utilizados en la fabricación del compuesto a un secado previo o a un tratamiento
químico que permita extraer el agua presente en las fibras del tejido y así mejorar
las propiedades mecánicas del tejido y por ende, las del compuesto.
Aunque las fibras naturales tienden a absorber menos humedad dentro de un
compuesto de matriz polimérica, debido a que esta última parcialmente lo
encapsula, cualquier pequeña cantidad logra afectar el rendimiento del
compuesto. Adicionalmente, cambios en el volumen de la fibra relacionados con la
humedad pueden reducir la adhesión fibra-matriz y dañar la matriz [9].
4.1.3 Extractivos
Para la obtención de extractivos se siguió el procedimiento descrito en la norma
TAPPI T 204 para extractivos solubles en etanol-benceno (equivalente a la norma
ASTM D1107). Los resultados se reportan en la tabla 1.
Aunque el porcentaje de extractivos presentes en las fibras naturales no afecta en
mayor forma las propiedades mecánicas, si afecta en la degradación de las fibras
y del tejido en general. Por tanto, un porcentaje de 18.31 resulta favorable para
retardar el proceso de degradación de las fibras.
Tabla 1. Propiedades físicas De la vaina foliar de la palma de coco (Cocos
Nucifera)
VAINA FOLIAR DE LA PALMA DE COCO
Contenido de cenizas (%) 0.57
Contenido de Humedad (%) 40.33
Extractivos (%) 18.31
22
4.2 PROPIEDADES MECÁNICAS
Se realizaron pruebas mecánicas de tensión a los tejidos y a las fibras del tejido
de la vaina foliar de la palma de coco (cocos nucifera) con el fin de obtener
propiedades a tracción del material en estudio como esfuerzo máximo, modulo de
elasticidad y deformación.
4.2.1 Pruebas de tensión al tejido
Las pruebas mecánicas de tensión se llevaron a cabo bajo condiciones estándar
de humedad relativa y temperatura (50% y 23ºC, respectivamente) luego de haber
dejado el tejido acondicionándose durante un periodo de al menos veinticuatro
horas bajo estas condiciones. El tejido se extrajo de la vaina foliar (Leaf Sheath)
de la palma de coco (Cocos Nucifera) y se troquelo en probetas rectangulares de
50mm de ancho por 150mm de longitud, bajo la norma ASTM D5035 para Fuerza
de Ruptura y Elongación de Tejidos Textiles con el método Cut Strip. Ver figura 3.
Figura 3. Geometría de una típica probeta TIPO I
Para la determinación de las propiedades a tracción del tejido, se ensayaron a
tensión 10 probetas con la fibra gruesa (urdimbre) paralela al largo de la probeta
Fibra gruesa paralela a la dirección de la prueba
23
(Tejido Tipo I) y 8 probetas con la fibra delgada (trama) paralela al largo de la
probeta (Tejido Tipo II), en una máquina de ensayos universales de tensión
Instron modelo 5586 a una razón constante de extensión de 300 ± 10 mm/min y a
una longitud calibrada de 75 ± 1 mm. El esfuerzo máximo y el módulo de
elasticidad se reporta en mega Pascales y la elongación o deformación del
material se reporta como un porcentaje de la longitud original de las probetas.
En la figura 4 se presenta el montaje de una de las probetas en la máquina de
ensayos universales Instron antes y después de ser probadas a tensión.
Figura 4. Montaje probeta de tensión en máquina Instron modelo 5586. a) antes y
b) después de ser sometida a tensión.
De los resultados obtenidos se encontró que las mejoras propiedades las exhibió
el tejido TIPO I, cuyo esfuerzo máximo promedio fue aproximadamente tres veces
mayor al presentado por el tejido TIPO II. Así mismo, el modulo de elasticidad
promedio del tejido TIPO I fue de 3.6 veces mayor. En cuanto al porcentaje de
24
elongación a carga máxima, para ambos tejidos fue muy similar, sin embargo para
el tejido TIPO I fue aproximadamente 2.6% mayor.
Tabla 2. Propiedades mecánicas de la vaina foliar de la palma de coco
PROPIEDADES TEJIDO TIPO I TEJIDO TIPO II
Esfuerzo Máximo (MPa) 21.61 (3.8) 7.76 (3.4)
Módulo de Elasticidad (MPa) 638.87 (110.81) 178.03 (62.47)
%Elongación en carga máxima 5.06 (1.47) 4.93 (1.29)
En la tabla 2 se presentan los valores promedio de los datos obtenidos en las
pruebas mecánicas, para fibras con espesor promedio de 1.25 (0.39) pata el tejido
Tipo I y 1.29 (0.15) para el tejido Tipo II. El valor correspondiente a la desviación
estándar de los datos se presenta entre paréntesis.
El comportamiento típico del tejido TIPO I sometido a tensión (figura 5) es similar y
repetible para la primera parte de la curva esfuerzo-deformación, contrario a lo
que ocurre en el comportamiento del tejido TIPO II quien en la primera parte de la
curva presenta una mayor variabilidad.
Las curvas esfuerzo-deformación de ambos tejidos se caracteriza por una zona
lineal seguido de una curva suave en la que no se distingue claramente el punto
de fluencia.
25
Figura 5. Curva esfuerzo-deformación unitaria de probetas tejido a) TIPO I y b)
TIPO II
a)
CURVA ESFUERZO-DEFORMACION UNITARIA TEJIDO TIPO I
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4
Deformacion unitaria (mm/mm)
Esf
uer
zo (
kPa)
b)
CURVA ESFUERZO-DEFORMACION UNITARIA TEJIDO TIPO II
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25
Deformacion unitaria (mm/mm)
Esf
uer
zo (
kPa)
4.2.2 Pruebas de tensión a las Fibras del Tejido La vaina foliar del coco como cualquier tejido consta de dos tipos de fibras, la
urdimbre y la trama, las cuales se encuentran entrelazadas entre sí y difieren en
varios aspectos como tamaño y estructura interna.
26
En la figura 6 se presenta una imagen tomada con el estereoscopio a cuarenta
aumentos donde se aprecia la diferencia en cuanto a grosor de ambas fibras.
Aunque el área transversal de la urdimbre y la trama tienen una forma irregular
como, para efectos de las pruebas a tensión se asumió un área rectangular. El
promedio de ancho y espesor registrados se presenta en la tabla 3.
Tabla 3. Dimensiones promedio de la urdimbre y la trama
Mínimo Promedio Máximo
Urdimbre Ancho (mm) 1.279 1.687 (0.184) 1.863
Espesor (mm) 1.221 1.5182 (0.188) 1.780
Trama Ancho (mm) 0.375 0.531 (0.079) 0.642
Espesor (mm) 0.358 0.501 (0.090) 0.633
Figura 6. Imagen en estereoscopio a 40X de fibra a) Gruesa y b) delgada.
Cuarenta divisiones corresponden a un milímetro
27
Al igual que en el tejido las pruebas mecánicas de tensión a las fibras se llevaron
a cabo bajo condiciones estándar de humedad relativa y temperatura (50% y
23ºC, respectivamente) luego de haber dejado las fibras acondicionándose
durante un periodo de al menos veinte cuatro horas bajo estas condiciones. Las
fibras se extrajeron de forma manual de la vaina foliar dejando remojar el tejido en
agua durante 12 horas para facilitar su extracción. Una vez extraídas se limpiaron
con agua y se secaron. Posteriormente se cortaron con tijeras hasta un largo de
190mm, y se montaron en ventanas cuadradas de cartulina de 190mm de lado
con un orificio circular en el centro de 140mm de diámetro que representa la
longitud calibrada como se observa en la figura 7. Estas ventanas se construyeron
con el fin de evitar la ruptura de las fibras por efecto de las mordazas según lo
propone la norma ASTM D3822 para Propiedades de tensión de Fibras Textiles
individuales.
Figura 7. Montaje de las probetas en las ventanas. a) Urdimbre o fibra gruesa y b)
Trama o fibra delgada.
a) b)
28
Para la determinación de las propiedades a tracción de las fibras, se ensayaron a
tensión 10 probetas de la fibra gruesa (urdimbre) y 10 probetas de la fibra delgada
(trama), en una máquina de ensayos universales de tensión Instron modelo 5586
a una razón constante de extensión del 10% y 60% de la longitud inicial de la
probeta por minuto para el caso de la urdimbre y la trama respectivamente. El
esfuerzo máximo se reporta en mega Pascales, el módulo de elasticidad se
reporta en giga Pascales y la elongación o deformación del material se reporta
como un porcentaje de la longitud original de las probetas.
En la figura 8 se presenta una imagen de las curvas esfuerzo-deformación de las
fibras de la vaina foliar de la palma de coco (Cocos Nucifera) sometidas a tensión
y en la tabla 4 se resumen las propiedades promedio obtenidas en esta prueba.
Las curvas esfuerzo deformación de la trama y la urdimbre son bastante
repetibles, las variaciones que se presentan se pueden atribuir a la naturaleza
variable inherente a las fibras naturales.
Figura 8. Curva esfuerzo-deformación unitaria de fibras a) Tipo I (Gruesas) y b)
Tipo II (delgadas)
a)
CURVA ESFUERZO-DEFORMACION UNITARIA FIBRA GRUESA
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
100000
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
Deformacion unitaria(mm/m)
Esfu
erz
o (
kP
a)
29
Figura 8. (Continuación)
b)
CURVA ESFUERZO-DEFORMACION UNITARIA FIBRA DELGADA
0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
70000
80000
90000
100000
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05
Deformacion unitaria (mm/mm)
Esfu
erz
o (
kP
a)
Para la primera parte de la curva esfuerzo-deformación de la fibra delgada, se
presenta una zona lineal seguida de una curva suave en la que no se distingue
claramente el punto de fluencia. De forma similar ocurre con las fibras gruesas,
estas presentan una clara zona lineal más no una zona elástica extensa, lo que
demuestra el comportamiento frágil de la fibra gruesa respecto a la fibra delgada.
La fibra delgada se logra elongar 1.5 veces más que la fibra gruesa pero presenta
un módulo de elasticidad 1.3 veces menor que ésta.
Tabla 4. Propiedades mecánicas de la urdimbre y la trama de la vaina foliar
PROPIEDADES FIBRA TIPO I FIBRA TIPO II
Esfuerzo Máximo (MPa) 68.49 (12.98) 62.97 (14.249)
Módulo de Elasticidad (GPa) 4.61 (1.07) 3.43 (0.706)
%Elongación en carga máxima 2.00 (0.86) 2.98 (0.907)
30
4.3 PROPIEDADES QUÍMICAS
Para la determinación del contenido de lignina y celulosa se trabajo bajo las
normas ASTM D1106 para lignina en madera insoluble en ácido y la norma TAPPI
T 203 para Celulosa alfa, beta y gama en pulpa. Para la obtención de estos
componentes se molieron los tejidos. Se registra el cambio en peso antes y
después de ser procesadas para extraer los diferentes componentes como se
indican en las normas.
Los resultados obtenidos se muestran en la tabla 5. El contenido de lignina de
28.74% y de celulosa de 39.88% que se obtuvieron es similar al registrado en la
literatura [7]. Un contenido de lignina alto en las fibras del tejido es la responsable
de la rigidez del tejido debido a su alto peso molecular y su estructura polimérica
en tres dimensiones [10]. Como se puede ver el contenido de celulosa para la
vaina foliar de la palma de coco (Cocos Nucifera) de la isla de San Andrés es más
alto que el contenido de lignina contrario a lo que ocurre en otras fibras naturales
como el . El contenido de celulosa presente en estas fibras es inferior si se
sisal Jute . Entre mayor sea el contenido
de celulosa en las fibras mejor resistencia a la tensión expondrá el compuesto
hecho de éste tejido.
Tabla 5. Propiedades químicas de la vaina foliar de la palma de coco
Lignina (% peso) Celulosa (% peso)
Vaina Foliar 28.74 39.88
31
4.4 ANÁLISIS DEL MECANISMO DE FALLA DE LAS FIBRAS
Para analizar la zona de fractura de las fibras de la vaina foliar y observar mejor su
geometría y micro estructura se tomaron imágenes a 400X y 1000X de la
superficie fracturada con el Microscopio Electrónico de Barrido Fei-Quanta 200 de
la Universidad Nacional de Colombia.
La fibra delgada mostrada en la figura 9 presenta una geometría irregular, no es
cilíndrica como en el caso de otras fibras como el fique, por lo que resulta una
fuente de error importante a la hora de realizar las pruebas de tensión y definirse
la geometría de la sección transversal.
En la figura 9.a y 9.b se observa un encuellamiento suave con una fractura más o
menos perpendicular a la longitud de la fibra.
Figura 9. Microscopia electrónica de barrido de la fibra delgada después de la
prueba de tensión. Magnificación de a,b) 400X y c,d) 1000X
a) b)
32
Figura 9. (Continuación)
c) d)
Adicionalmente se observan muchos orificios o poros que cumplen funciones
vasculares en la planta, y que a su vez le dan la baja densidad a estas fibras. En
la mitad se observa un hueco que corre a lo largo del eje conocido como laguna.
Esta condición de micro células con alta porosidad resulta deseable cuando se
trabaja con materiales compuestos ya que además de otorgarle un liviano peso al
compuesto, le otorga buenas propiedades de aislamiento térmico, además de un
mayor agarre con la matriz. Entre menor sea el tamaño de los poros mejores
propiedades de asilamiento poseerá el material.
En la figura 10 se muestran imágenes del SEM de la fibra gruesa, se observa que
ésta presenta una sección transversal con poros más pequeños que los
presentados por la fibra delgada, y no presenta la estructura circular de la mitad
que se observó para las fibras delgadas.
Las fractografías de la urdimbre no revelan ningún encuellamiento, lo que
corresponde a una fractura frágil, esto se corrobora al ver la menor elongación que
33
presentaron estas fibras con respecto a las fibras delgadas y al observar la zona
de fractura desigual que mostraron las fibras gruesas.
Figura 10. Microscopia electrónica de barrido de la fibra gruesa después de la
prueba de tensión. Magnificación 125X
a) b)
c) d)
34
4.5 ANÁLISIS DEL MECANISMO DE FALLA DE LOS TEJIDOS
Tanto el tejido Tipo I como el tejido Tipo II presentaron un comportamiento
repetible de falla. Este se puede observar en la figura 11.
Para el caso de la probeta Tipo I las probetas no quedaron separadas en dos
partes como si ocurrió con las probetas tipo II. Algunas de las fibras gruesas
paralelas a la dirección de la prueba se fracturaron a diferentes niveles y las fibras
delgadas o trama ayudaron a mantener unidas las partes. No se presento una
línea de fractura continua como si se presento en las fibras tipo II. En este caso se
presentaron dos o más línea de fractura pero ambas direccionadas con las fibras
delgadas, del mismo modo en que ocurrió para las fibras Tipo II con las fibras
gruesas.
Figura 11. Falla típica del tejido a) Tipo I y b) Tipo II
a) b)
35
En el caso de las probetas Tipo II la falla se presento de forma paralela a la fibra
gruesa ubicada a 50°de la fibra delgada. Sin embargo las fibras que se rompieron
y ocasionaron la separación o fractura fueron las fibras delgadas. Estas
dispuestas en la misma dirección en la que se aplicó la carga se rompieron a
distintos niveles formando una línea de fractura de 50°. La fractura de las fibras
delgadas en el tejido se produjo de forma perpendicular a su longitud tal y como
ocurrió en las pruebas de tensión a las fibras delgadas solas.
36
5. FABRICACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DEL COMPUESTO
Para caracterizar el compuesto se realizaron pruebas mecánicas de tensión,
impacto y flexión.
Las pruebas mecánicas de tensión se llevaron a cabo bajo condiciones estándar
de humedad relativa y temperatura (50% y 23ºC, respectivamente) luego de haber
dejado el tejido acondicionándose durante un periodo de al menos cuarenta y
ocho horas bajo estas condiciones. Las probetas rectangulares se moldearon a
mano en su forma final de 25mm de ancho por 175 mm de longitud y un espesor
promedio de 3± 0.11 mm bajo la norma ASTM D3039 para Propiedades a Tensión
de Materiales Compuestos con Matriz Polimérica.
Para la determinación de las propiedades a tracción del compuesto, se ensayaron
a tensión 5 probetas en una máquina de ensayos universales de tensión Instron
modelo 5586 a una razón constante de extensión de 2 mm/min y a una longitud
calibrada de 50 mm como se observa en la figura 12. El esfuerzo máximo y el
módulo de elasticidad se reporta en mega Pascales y la elongación o
deformación del material se reporta como un porcentaje de la longitud original de
las probetas.
Los resultados de la curva esfuerzo-deformación se presentan en la tabla 6 como
un promedio de los datos con su respectiva desviación estándar en paréntesis. El
comportamiento de las curvas se muestra en la figura 13. Como se puede
observar las curvas de los cinco compuestos es muy similar, esto significa que las
propiedades del compuesto no varían mucho a pesar de tener como material de
refuerzo un tejido natural, y que los datos obtenidos son confiables.
37
Figura 12. Montaje de las probetas de tensión en la máquina de ensayos a) con el
extensómetro y b) sin el extensómetro
a) b)
Tabla 6. Propiedades mecánicas a tensión del compuesto
Compuesto Propiedades a tensión
Esfuerzo
Máximo (MPa) Módulo (GPa)
Elongación a la Fractura (%)
Vaina Foliar/Resina Cristalan 809
30.29 (1.681) 3.95 (0.335) 1.55
(0.356)
El esfuerzo máximo del material compuesto es 1.43 veces mayor que el esfuerzo
máximo presentado por el tejido Tipo I utilizado para la fabricación del compuesto,
el módulo de elasticidad se incrementa notablemente en casi 6 veces al
presentado por el tejido Tipo I. Sin embargo la elongación del compuesto se
redujo un poco más de 3 veces en comparación a la del tejido, por lo que sería
recomendable trabajar con una matriz más dúctil si se requiere materiales con una
mayor deformación.
38
Figura 13. Curva de esfuerzo-deformación a tensión del compuesto
CURVA ESFUERZO-DEFORMACION DEL COMPUESTO
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
35000
40000
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025
Deformacion (mm/mm)
Esf
uer
zo (
kPa)
Las pruebas de flexión en tres puntos se realizaron bajo la norma ASTM D790
para Propiedades a Flexión de Plásticos Reforzados y Sin Reforzar y Materiales
Aislantes Eléctricos bajo condiciones estándar de humedad relativa y temperatura
(50% y 23ºC, respectivamente) luego de haber dejado el tejido acondicionándose
durante un periodo de al menos cuarenta y ocho horas bajo estas condiciones.
Las probetas rectangulares se moldearon a mano en su forma final de 12.7 mm de
ancho por 127 mm de longitud y un espesor promedio de 4± 0.22 mm.
Para la determinación de las propiedades a flexión del compuesto, se ensayaron 6
probetas en una máquina de ensayos universales de tensión Instron modelo 5586
a una razón constante de extensión de 1.82 mm/min, manteniendo una razón de
16 entre la distancia entre apoyos y el espesor promedio de las probetas, como se
puede ver en el montaje de la prueba en la figura 14. El esfuerzo máximo y el
módulo de elasticidad se reporta en mega Pascales.
39
Figura 14. Montaje de una probeta de flexión en la máquina de ensayos. a) Vista
lateral y b) vista superior
a) b)
En la tabla 7 se registran los valores de la prueba de flexión con sus valores de
desviación estándar respectivos entre paréntesis. El valor de esfuerzo máximo
obtenido para el compuesto de vaina foliar/resina de poliéster Cristalan 809 es el
doble que el registrado en la literatura [10] para el compuesto de coco (Coir), sin
embargo es dos veces menor al compuesto de fique [12]. El valor obtenido para
elongación a carga máxima del compuesto resulto ser 58% mayor en comparación
con el de fique referenciado en la literatura, pero el módulo resultó 4 veces menor
a éste.
Respecto al módulo de elasticidad presentado por la matriz sola sin ningún
relleno, el refuerzo lo incremento en un 26%, pasando de 1.46GPa a 1.84GPa.
Tabla 7. Propiedades mecánicas a flexión del compuesto
Compuesto Propiedades a flexión
Esfuerzo
Máximo (MPa) Módulo (GPa)
Elongación a carga máxima (%)
Vaina Foliar/Poliéster
61.24 (2.600) 1.84 (0.122) 5.40 (0.307)
40
En la figura 15 se presenta el comportamiento de las probetas en flexión. Las
curvas son muy similares lo que permita inferir que las propiedades del compuesto
se mantienen estables y con muy poca variabilidad. Son curvas suaves en las que
no se logra diferenciar con claridad el punto de fluencia.
Al igual que ocurrió para las probetas de tensión, el compuesto luego de ser
probado no queda divido en dos partes y solo algunas fibras fallan.
Figura 15. Curva esfuerzo-deformación en flexión del compuesto
CURVA ESFUERZO-DEFORMACION UNITARIA EN FLEXION DEL COMPUESTO
0
10
20
30
40
50
60
70
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07
Deformacion unitaria (mm/mm)
Esf
uer
zo (
MP
a)
Las pruebas de impacto se realizaron bajo la norma ASTM D256 para
Determinación de Resistencia a Impacto con Péndulo Izod en Plásticos bajo
condiciones estándar de humedad y temperatura (50% y 23ºC, respectivamente)
luego de haber dejado el tejido acondicionándose durante un periodo de al menos
cuarenta horas bajo estas condiciones. Las probetas rectangulares se moldearon
a mano en su forma final de 12.7±0.2 mm de ancho por 63.5±2 mm de longitud y
un espesor promedio de 3.6± 0.58 mm.
41
Para la determinación de la energía absorbida en el impacto, se ensayaron 6
probetas del compuesto sin ranura para no inducir esfuerzos cortantes en el
material compuesto. El péndulo impacto las probetas de forma perpendicular a la
longitud de las mismas en la mitad como se observa en la figura 16.
Figura 16. Montaje probeta de impacto
Tabla 8. Propiedades mecánicas del compuesto
Material Impacto
Izod Propiedades a
flexión Propiedades a tensión
Sin
muesca (J/m)
Esfuerzo Máximo (MPa)
Módulo (GPa)
Esfuerzo Máximo (MPa)
Módulo (GPa)
Elongación a la Fractura
(%)
Vaina Foliar/Resina Cristalan 809
185.72 (80.495)
61.24 (2.600)
1.84 (0.122)
30.29 (1.681)
3.95 (0.335)
1.55 (0.356)
Zona de Impacto del péndulo
42
Los resultados se presentan en la tabla 8 junto a un resumen de todas las
propiedades evaluadas al compuesto.
5.1 CONSTRUCCIÓN DE LOS MOLDES
Las probetas para la prueba de tensión se construyeron en un molde de aluminio
con capacidad para moldear cinco probetas. Los moldes se fabricaron en un torno
de control numérico CNC luego de ser diseñadas con la herramienta gráfica Solid
Edge. El molde consta de una pieza macho y una pieza hembra como se ve en la
figura 17 con ajuste con juego. Debido a que el acabado superficial que se obtuvo
de las piezas debido al maquinado fue regular, las piezas finalmente se lijaron
hasta obtener una superficie más uniforme.
Figura 17. Imagen del molde utilizado para construir las probetas de tensión del
compuesto. a) pieza macho y b) pieza hembra
a) b)
Debido a la dificultad de extraer el compuesto y retirar el desmoldante del molde
de aluminio y al gasto de tiempo que este proceso conllevaba, las probetas para
las pruebas de flexión e impacto se decidieron hacer en un molde con gelatina
43
industrial. La preparación del molde consistió en cortar 5 balsos del tamaño de la
probeta para impacto y 5 probetas del tamaño de la probeta para flexión. Estas se
ubicaron en la superficie de una refractaria repartidas equidistantemente y sobre
estas se vertió una gelatina industrial preparada de la siguiente manera: a una
taza de agua caliente se le agregó una taza de la gelatina llamada Colapisis y se
revolvió hasta obtener una consistencia homogénea. Seguido a esto se agregó
una taza de glicerina y se revolvió todo nuevamente. Una vez seca la gelatina, se
desmolda de la refractaria y se le retiran las probetas de balzo. En la figura 18 se
puede ver una imagen del molde terminado.
Figura 18. Molde de gelatina para construir probetas de flexión e impacto del
compuesto
5.2 CONSTRUCCIÓN DE LAS PROBETAS
La construcción de las probetas de flexión, tensión e impacto del compuesto se
realizaron bajo el mismo mecanismo. Se cortaron con guillotina en la forma final
de cada probeta los tejidos de vaina foliar. Se pesaron las fibras y se repartieron
en grupos de 4 tejidos por compuesto. Todos los grupos armados tenían el mismo
Molde probeta de flexion
Molde probeta de impacto
44
peso. Una vez armados los grupos, se procedió a mezclar la resina y el
catalizador MEK peróxido al 1% del peso de la resina para acelerar el proceso de
curado. Al utilizar porcentajes más altos de catalizador se dificultaba el trabajar
adecuadamente los tejidos y el compuesto, ya que empezaba a solidificarse la
mezcla antes de situar el último laminado. Sobre cada molde se aplicó una capa
más bien espesa de la mezcla resina-catalizador y luego se impregnaron con una
brocha uno por uno cada tejido que conformaba el compuesto con la mezcla, de
tal forma que se lograra una buena impregnación de todas las fibras del tejido con
la resina. Este procedimiento se repitió para cada molde individual hasta terminar
todos los laminados del molde base. Para el molde de aluminio, antes de
aplicarse la primera capa de resina se aplicaron cuatro capas de alcohol
polivinílico (un agente desmoldante que se retira con el agua), seguido a esto se
dispuso el molde macho sobre el molde hembra con los laminados para hacer
presión al compuesto, permitir la salida de resina sobrante y obtener el espesor
deseado como se observa en la figura 19. Como se observa en esta figura, cuatro
prensas fueron utilizadas para hacer la presión entre la pieza macho y hembra.
Finalmente una vez prensado el molde, se hizo vibrar manualmente el arreglo a fin
de extraer posibles burbujas en el interior de los laminados. En las imágenes de
microscopia electrónica de barrido del compuesto fracturado no se observan
burbujas en el interior del mismo, por lo que se eliminó una fuente de falla en
compuestos al aplicar esta técnica. Con relación al molde de gelatina, este se
dispuso entre dos laminas de vidrio y sobre esta se aplico presión con las prensas.
Los problemas típicos que se presentaron en la manufactura del compuesto
fueron la dificultad de manejar una resina tan espesa y el desprendimiento de
algunas fibras (trama) del tejido al aplicar los pincelazos sobre este último, y en el
caso concreto de las probetas a tensión construidas en el molde de aluminio el
posterior desmolde de las probetas ya que era difícil que el agua penetrara entre
el molde y la probeta. Para mejorar este problema se optó por agregar mas capas
de alcohol polivinílico a las superficies del molde hembra de tal forma que al
45
separar ambas piezas (la macho de la hembra) la probeta quedara adherida a la
superficie del molde macho, del cual era más fácil remover la probeta.
Figura 19. Montaje de la fabricación de las probetas de tensión del compuesto en
moldes de aluminio
Figura 20. Probetas de a) Tensión, b) Flexión e c) Impacto utilizadas en las
pruebas
a) b)
46
Figura 20. (Continuación)
En la figura 20 se muestran las probetas de tensión, flexión e impacto terminadas
que se obtuvieron con lo métodos descritos anteriormente.
Para todos los casos se obtuvieron espesores uniformes, sin embargo el molde de
aluminio resulto una mejor opción para controlar los espesores de los compuestos.
La ventaja de molde de gelatina es su flexibilidad como se ve en la figura 21,
facilitando el desmoldado de las piezas.
Figura 21. Flexibilidad del molde de gelatina industrial
47
6. ANÁLISIS DE LOS MECANISMOS DE FALLA DEL COMPUESTO
Para el análisis de los mecanismos de falla del compuesto se utilizó la tecnología
de microscopia electrónica de barrido (SEM por sus silgas en inglés) como una
forma de evaluar cualitativamente las propiedades de la interfase poliéster/vaina
foliar de la palma de coco.
El comportamiento que exhibe la matriz del compuesto bajo las tres pruebas
mecánicas de tensión, flexión e impacto es el mismo, se observan patrones de rió
sobre la superficie fracturada de la resina, característicos de una fractura frágil. En
las tres pruebas el compuesto falla primero por la resina y luego algunas fibras de
manera parcial o total.
Para las pruebas de tensión, las probetas de los compuestos no se rompieron en
su totalidad quedando unidas por algunas fibras (principalmente la urdimbre) como
se observa en la figura 22.a lo que indica la buena adhesión entre la fibra y la
matriz para algunas fibras. En la figura 22.b se ve como las fibras gruesas
paralelas a la dirección de la prueba exhibieron una fractura perpendicular a la
dirección de la misma, de igual forma como ocurrió cuando se analizó el
comportamiento de la fibra sola, mientras tanto, las fibras delgadas direccionadas
45° respecto a la dirección de la fibra gruesa se fracturaron de forma escalonada,
debido a su direccionamiento respecto a la aplicación de la carga. En la figura 22
se puede ver que las fibras se fracturaron a diferentes niveles.
48
Figura 22. Microscopia electrónica de barrido de las probetas de vaina
foliar/poliéster después de la fractura por tensión
a) b)
En la figura 23 se observa una pobre adhesión de la fibra con la resina de
poliéster. En la figura 23.a se ve como las fibras son arrancadas de la superficie
de la matriz debido a una pobre adhesión de las fases y por consecuencia se
observan los huecos dejados por las fibras al salir. En la figura 23.b se observan
patrones de río característicos de fractura de clivaje o fractura frágil así como la
débil adhesión de algunas fibras con la resina la cual se evidencia al observar los
espacios o intersticios que rodean algunas fibras. En la figura 23.c se aprecia con
mayor claridad los patrones de río alrededor de la superficie de las fibras,
adicionalmente se observa el desgarramiento de una parte de la fibra de la resina,
quedando sumergida finalmente una parte de esta en la matriz, lo que indica que
la fibra es aceptablemente fuerte y opuso cierta resistencia a ser sacada, pero
finalmente la pobre adhesión de las fases ocasionó la propagación de la grieta y
final desprendimiento.
Urdimbre unida a ambas partes de la probeta fracturada.
Fractura paralela a dirección de la carga
Fractura escalonada
49
Figura 23. Fractografía del compuesto poliéster/vaina foliar. Magnificación a a)
180X, b) 80X y c) 200X
a) b)
c)
Otro factor que pudo haber influido en las propiedades a tensión de las fibras es la
presencia de bacterias sobre las fibras del tejido, debido a la degradación que
estas producen en la estructura interna de las fibras. Ver figura 24.
Bacterias
Pobre adhesión entre fases
Dirección de propagación de la grieta
Pobre adhesión entre fases
Huecos formados al salir la fibra
Patrones de río
50
Figura 24. Microscopia electrónica de barrido. Magnificación de 180X
En la prueba de impacto, se produce una fractura tipo P correspondiente a una
fractura tipo bisagra, en este tipo de fractura una parte de la probeta no puede
soportarse ella misma por encima de la horizontal cuando la otra parte se
mantiene vertical, como se observa en la figura 25.
Al igual que en las prueba de impacto las fibras se fracturan a diferentes niveles,
lo que es un indicador de que cierta cantidad de energía fue absorbida en sacar la
fibra de la resina.
Figura 25. Probetas del compuesto de poliéster/vaina foliar después de la prueba
de impacto
Bacterias en la superficie de las fibras
Superficie lisa
51
7. PRUEBAS DE COMPATIBILIDAD FIBRA-MATRIZ[11]
Un ensayo de pull-out es una prueba no estandarizada que se utiliza para medir la
adherencia entre una fibra y la matriz de un compuesto. Esta adherencia se mide
al aplicar una fuerza axial sobre la fibra embebida en una matriz fija. La matriz
puede adoptar diferentes tamaños y geometrías, desde un bloque, lámina
rectangular o un disco, dependiendo de la facilidad y requerimientos de diámetro
de la fibra. En la figura 26 [6] se muestra el montaje típico de una prueba de Pull-
Out.
Figura 26. Esquema de montaje de prueba de Pull-Out
Las curvas típicas que se registran en una prueba de Pull-Out presentan valores
típicos ilustrados en la figura 27 [6] 0 indica el esfuerzo de
desprendimiento interfacial inicial, d* es el esfuerzo máximo en inestabilidad y
fr es el esfuerzo inicial de fricción después de que se produce un completo
desprendimiento de la fibra de la matriz. A pesar de que el ensayo de Pull-Out aún
no ha sido estandarizado por la ASTM y no existen normas estándar para realizar
dicho ensayo, una forma convencional de medir la adherencia entre la fibra y la
matriz es calculand d dado por la ecuación 2.
52
Ecuación 2. Esfuerzo cortante de adherencia
Donde L es la longitud de la fibra que se encuentra embebida y d es el diámetro
de la fibra.
Figura 27. Comportamiento típico de las pruebas de Pull-Out
La realización de esta prueba presenta algunas limitaciones con respecto a la
longitud necesaria de fibra que debe ser embebida en la matriz ya que entre
menor sea el diámetro de la fibra mas corta debe ser esta longitud. Si esto no se
logra controlar se producirá la fractura de la fibra antes del desprendimiento de
esta de la matriz. Teniendo en cuenta lo anterior, se midió experimentalmente a
través de pruebas de ensayo y error la longitud necesaria de embebido de las
fibras Tipo I y Tipo II para la cual no se produjera una fractura prematura de la
fibra antes del desprendimiento de ésta de la matriz. Experimentalmente se
encontró que las longitudes de embebido aptas para la correcta realización de la
prueba eran 3 mm para la fibra Tipo I y 0.5 mm para la fibra Tipo II.
53
Para realizar las probetas de Pull-Out se utilizó un molde rectangular de polietileno
(Figura 28.e) con perforaciones en su superficie para dar espacio a la inserción de
las fibras. La resina de poliéster Cristalan 809 catalizada con MEK al 3% se
esparció sobre la base del molde hasta lograr el espesor equivalente a la cantidad
de fibra necesaria a sumergir en la resina determinado previamente (3 mm para la
fibra Tipo I y 0.5 mm para la fibra Tipo II). Una vez se seca y curada a temperatura
ambiente, la resina con las fibras se desmoldaron y se cortaron en probetas
individuales de Pull-Out.
En la figura UY se muestran imágenes del procedimiento para la obtención de las
probetas de Pull-Out para las fibras Tipo I y Tipo II. En la figura 28.a se observa el
molde con probetas Tipo I, figura 28.b probeta individual de Pull-Out para fibra tipo
I, figura 28.c Molde con probetas Tipo II, figura 28.d probeta individual de Pull-Out
para fibra Tipo II y en la figura 28.e el molde utilizado en la construcción de las
probetas.
Figura 28. Construcción de las probetas de Pull-Out
a) b)
54
Figura 28. (Continuación)
c) d)
e)
Los ensayos de Pull-Out se llevaron a cabo bajo condiciones estándar de
humedad relativa y temperatura (50% y 23ºC, respectivamente) en una máquina
de ensayos universales de tensión Instron modelo 5586 a una razón constante de
extensión de 5 mm/min.
Para la prueba se utilizó una mordaza fija en la parte inferior para restringir el
movimiento de la matriz únicamente y una modaza móvil en la parte superior
sujeta a la fibra como se observa en la figura 29.
55
Figura 29. Montaje de las probetas de Pull-Out para la fibra a) Tipo I y b) Tipo II
a) b)
En la tabla 9 se resumen los resultados obtenidos de los ensayos de Pull-Out
sobre fibras Tipo I y Tipo II embebidas en una matriz de resina poliéster Cristalan
809. El diámetro promedio de las fibras Tipo I fue de 1.8 mm y el de las fibras
Tipo II de 0.4 mm.
Tabla 9. Resultados de la prueba de Pull-Out de las fibras Tipo I y Tipo II
Esfuerzo máximo en
inestabilidad, d* (MPa)
Esfuerzo cortante de
adherencia, d (MPa)
Mínimo Promedio Máximo Promedio
Fibra Tipo I 4.12 11.26 (6.53) 18.29 1.69
Fibra Tipo II 18.04 36.55 (13.58) 51.96 7.33
56
Como se puede observar de los resultados obtenidos en las pruebas de Pull-Out,
la fibra tipo II presentó un esfuerzo cortante de adherencia mayor al presentado
por la fibra tipo I, lo que ratifica los resultados analizados con el SEM sobre el
compuesto fracturado donde se observa una mejor adhesión de la fibra Tipo II a la
resina de poliéster Cristalan 809 que la presentado por la fibra gruesa o tipo I.
Figura 30. Resultados de los ensayos de Pull-Out sobre fibras a) Tipo I y b) Tipo II
a)
b)
57
En la figura 30.a correspondiente a la fibra gruesa se observa una mayor
variabilidad en los datos que las obtenidas al realizar las pruebas de Pull-Out
sobre las fibras delgadas, como se observa en la figura 30.b.
En general las curvas que se registran son similares a las vistas en la literatura.
Sin embargo, debido a que para el cálculo de el esfuerzo cortante de adherencia
únicamente se requiere el valor de esfuerzo máximo en inestabilidad d*, las
curvas de la figura 30 no se muestran completamente para facilitar la visualización
y análisis del esfuerzo d* en la gráfica. Las curvas están graficadas hasta un poco
después de pasarse el punto des esfuerzo máximo de inestabilidad.
58
8. CONCLUSIONES
De las propiedades físicas, mecánicas y químicas realizadas sobre el tejido Vaina
Foliar de la palma de coco (Cocos Nucifera) procedente de la isla de San Andrés,
Colombia se concluye que resulta apto para ser utilizado como material de
refuerzo. Su bajo contenido de cenizas y alto contenido de carbono lo hace más
liviano, resistente y rígido frente a fibras como las extraídas del fruto de la palma
de coco quienes presentan un contenido de cenizas 10 veces menor al que
presentó el tejido en estudio. El contenido de humedad presentado por la vaina
foliar resulta alto, lo que podría ocasionar un reducción significativa de las
propiedades mecánicas del tejido; y su contenido de cenizas de 18.31% resulta
aceptable para contribuir a retardar el proceso de degradación de las fibras. El
tejido Tipo I con la fibra gruesa paralela al largo de la probeta expuso un esfuerzo
máximo promedio tres veces mayor al presentado por el tejido TIPO II, un módulo
de elasticidad promedio 3.6 veces mayor y un porcentaje de elongación a carga
máxima 2.6% mayor por lo que se escogió como refuerzo del compuesto. El
contenido de lignina de 28.74% y de celulosa de 39.88% que se obtuvieron es
similar al registrado en la literatura para otras fibras utilizadas como refuerzo en
materiales compuestos.
El compuesto de fabricado vaina foliar/resina de poliéster Cristalan 809 presentó
un esfuerzo máximo en tensión y flexión de 30.29MPa y 61.24MPa y un módulo a
tensión y flexión de 3.95GPa y 1.84GPa respectivamente. El esfuerzo máximo del
material compuesto es 1.43 veces mayor que el esfuerzo máximo presentado por
el refuerzo y el módulo de elasticidad se incrementa notablemente en casi 6
veces. Sin embargo la elongación del compuesto se redujo un poco más de 3
veces en comparación al tejido. El refuerzo incremento el módulo de elasticidad
presentado por la matriz sola sin ningún relleno en un 26%, pasando de 1.46GPa
a 1.84GPa. Aunque las propiedades mecánicas expuestas por el compuesto
59
fabricado resultan inferiores respecto a las de algunos de los compuestos de la
literatura, su bajo peso, bajo costo lo hacen competitivo en aplicaciones que
requieran de estas características. Adicionalmente, existen muchos
procedimientos que pueden optimizar estos resultados, desde mejorar el proceso
de manufactura hasta la realización de tratamientos químicos a las fibras. Estos
resultados tan solo constituyen un primer acercamiento a los potenciales usos que
presenta la vaina foliar como refuerzo, además de la ventaja que proporciona el
hecho de que el tejido ya viene hecho por la misma planta.
Tanto los tejidos como el compuesto exhibieron propiedades mecánicas sin
mucha variación lo que resulta interesante en un tejido que fabrica la misma planta
y permite obtener datos confiables con desviaciones pequeñas.
Las fractografías realizadas al compuesto revelan una fractura frágil de la resina y
una pobre adherencia de algunas fibras del tejido con la matriz sobre todo en las
fibras gruesas, lo que ocasiona una disminución en las propiedades mecánicas del
mismo.
60
9. RECOMENDACIONES
Se recomienda reducir el contenido de humedad de las fibras, aplicar
tratamientos químicos al tejido, mejorar la dispersión de la resina dentro de las
fibras con el fin de mejorar la adherencia de la fibra con la matriz.
La presencia de bacterias en los tejidos naturales disminuye las propiedades
de tejido y finalmente del compuesto, por tanto resulta una buena práctica
asegurarse de que los tejidos con los que se trabaje no presenten ningún
patrón de ataque por bacterias con la ayuda del microscopio electrónico de
barrido.
Debido a la dificultad de construir un laminado grande y luego cortarlo en la
forma final de las probetas, es recomendable que se ubique un proceso de
manufactura más óptimo a los presentados en este proyecto con algún
mecanismo que permita un desmolde fácil y rápido de las probetas.
Adicionalmente no se puede descartar la implementación de este tejido con
otras matrices ya sea que sean más compatibles con las fibras o menos
frágiles, todo en función de las aplicaciones que se requieran.
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