Ingeniería Física

Grupo de Investigación en Materiales de Ingeniería-

GIMI

Ing. Física July Andrea Taborda Rios – jataborda@utp.edu.co

M.s C. Luz Adriana Cañas Mendoza – luzadriana@utp.edu.co

Ph.D .José Luis Tristancho Reyes –josetris@utp.edu.co

29 octubre de 2015

Ingeniería Física

“Evaluación de las propiedades mecánicas de una resina poliéster reforzada con fibras de bambú ”

• Marco conceptual

• Proceso experimental

• Análisis de resultados

•

Ingeniería Física

Materiales compuestos

(Fuente MIRAVETTE, 2007)

Clasificación de los compuestos según su matriz

• Compuesto de matriz metálica (CMM)

• Compuestos de matriz cerámica (CMC)

• Compuestos de matriz polimérica (CMP)

Los polímeros

• Polímeros termoplásticos. • Polímeros termoestables. • Polímeros elastómeros.

Clasificación de los materiales compuestos según el tipo de refuerzo:

• Materiales reforzados con partículas

• Materiales reforzados con compuestos estructurales

• Materiales reforzados con fibras

Fibras convencionales

• Fibras de carbono

• Fibras de aramida

• Fibras de vidrio

Fibras naturales de origen vegetal Fibra de bambú angustifolia

(Fuente ESTRADA MEJIA, Martin)

Procedimiento experimental

Tratamiento superficial de la fibra

Proceso de secado de la fibra de bambú

Preparación de probetas para los ensayos mecánicos. Dimensiones de la probetas para los diferentes

ensayos realizados

• Tracción ASTM D3039-08

• Flexión ASTM D790-10

• Impacto Izod ASTM D256-10

Cantidades de resina poliéster, refuerzo y catalizador para los compuestos reforzados con fibra de vidrio y

bambú para ensayo tracción (resina preacelerada con 1 % en masa de catalizador MEK Peróxido)

Tipo de

fibra

Concentraci

ón de fibra

en volumen

[%]

Concentraci

ón de fibra

en masa [%]

Masa de

resina

poliéster [g]

Volumen de

resina

poliéster

[ml]

Masa de

las fibras

[g]

0 0 0 21,93 18,75 0

vidrio

5 10,11 20,84 17,81 2,343

7,5 14,77 20,29 17,34 3,515

10 19,19 19,74 16,87 4,6875

Bambú

30 11,07 15,35 13,12 1,912

35 13,53 14,25 12,18 2,231

40 16,23 13,16 11,25 2,55

Cantidades de resina poliéster, refuerzo y catalizador para los compuestos reforzados con fibra de vidrio y

bambú para ensayo flexión (resina preacelerada con 1 % en masa de catalizador MEK Peróxido)

Tipo de

fibra

Concentración

de fibra en

volumen [%]

Concentración

de fibra en

masa [%]

Masa de

resina

poliéster

[g]

Volumen

de resina

poliéster

[ml]

Masa

de las

fibras

[g]

0 0 6,038 5,161 0

vidrio

5 10,11 5,736 4,902 0,645

7,5 14,77 5,585 4,773 0,967

10 19,19 5,434 4,644 1,290

Bambú

30 11,07 4,226 3,612 0,526

35 13,53 3,924 3,354 0,614

40 16,23 3,623 3,096 0,701

Cantidades de resina poliéster, refuerzo y catalizador para los compuestos reforzados con fibra de vidrio y bambú para ensayo a impacto (resina preacelerada

con 1 % en masa de catalizador MEK Peróxido)

Tipo de

fibra

Concentració

n de fibra en

volumen [%]

Concentración

de fibra en

masa [%]

Masa de

resina

poliéster

[g]

Volumen de

resina poliéster

[ml]

Masa de

las fibras

[g]

0 0 0 11,511 9,839 0

Vidrio 10 19,19 10,360 8,855 2,460

Bambú 40 16,23 7,190 6,145 1,393

Máquina universal de ensayos mecánicos Instron 3382 maquina ensayo de impacto Izod (UTP) microscopio electrónico de barrido SEM

Análisis de los resultados

Ensayo a tracción Curvas promedio Esfuerzo vs Deformación de los compuestos de poliéster reforzado con fibras de

bambú y poliéster sin refuerzo.

Curvas promedio Esfuerzo vs Deformación de los compuestos de poliéster reforzado con fibras de vidrio

y Poliéster sin refuerzo

Resistencia máxima a la tracción o esfuerzo último. Diagrama de barras de la resistencia máxima

promedio de las muestras.

Módulo de Elasticidad Módulo de elasticidad promedio de materiales

compuestos de bambú–poliéster y vidrio –poliéster con diferentes concentraciones de fibra

Porcentaje de Deformación. Compuestos con los diferentes porcentajes en masa.

Ensayo a flexión Curvas promedio de esfuerzo a flexión vs deformación

de poliéster reforzado con fibras de bambú con diferentes concentraciones y poliéster sin refuerzo.

Curvas promedio de esfuerzo a flexión vs deformación de poliéster reforzado con fibras de vidrio con

diferentes concentraciones y poliéster sin refuerzo

Resistencia máxima a flexión Diagrama de barras de la resistencia máxima

promedio a flexión de las muestras.

Módulo de flexión Módulo promedio de flexión de materiales

compuestos de bambú–poliéster y vidrio -poliéster con diferentes concentraciones de fibra

Deformación por flexión Deformación a flexión para los compuestos con

diferentes porcentajes en masa.

Ensayo a Impacto Izod

resistencia a impacto Izod promedio de las muestras.

Estudio de la adhesión fibra matriz Poliéster reforzado con fibra de bambú 16,13 % en

masa (ensayo a tracción).

Poliéster reforzado con fibra de bambú 16,23 % en masa (ensayo a tracción).

Poliéster reforzado con fibra de bambú 16,23 % en masa (ensayo a flexión).

Poliéster reforzado con fibra de bambú 16,23 % en masa mediante ensayo a flexión.

Microscopía de barrido SEM superficie de la fibra de bambú.

Conclusiones • En esta investigación se llevó a cabo una caracterización mecánica de dos

tipos de materiales compuestos: resina poliéster reforzada con fibra de vidrio y resina poliéster reforzada con fibra de bambú. Se realizaron ensayos de tracción y flexión siguiendo las normas ASTM, variando los porcentajes en masa de refuerzo para cada material. Se adicionaron 10.11, 14.77 y 19.19 % de fibras de vidrio y 11.07, 13.53 y 16.23 % de fibras de bambú; se ensayó la matriz de poliéster sin refuerzo para tener un patrón de comparación.

• Las muestras de poliéster reforzado con fibras de bambú y vidrio presentaron un aumento del módulo de elasticidad proporcional a la cantidad de fibra utilizada en cada compuesto, pero debido a su aumento de rigidez obtuvieron pérdida en la capacidad de deformación.

• Mediante los resultados obtenidos en los ensayos de tracción se observó que aquellos compuestos de poliéster reforzado con fibra de bambú, con porcentajes en masa de 11.07, 13.53 y 16.23 % no lograron aumentar la resistencia de la matriz y esta disminución fue proporcional al contenido de fibra. A partir de la observación microestructural de los compuestos reforzados con fibras vegetales (bambú) por microscopía electrónica de barrido (SEM), se atribuye este comportamiento a las discontinuidades generadas por la técnica de procesamiento manual, junto con la falta de adhesión entre la matriz y el refuerzo obteniendo una interface débil y en algunos casos falta de copulación entre los componentes.

• Las muestras que presentaron mejores resultados a resistencia última a tensión fueron los compuestos de poliéster con fibra de vidrio reforzado con 19,19 % en masa. La tendencia observada obedece al aumento de la resistencia con el aumento del porcentaje de refuerzo.

• Para los materiales compuestos elaborados con ambas fibras como refuerzo (vidrio y bambú) la resistencia a flexión última aumentó con respecto a la resina sin refuerzo.

• El porcentaje en masa máximo aceptable para la formulación de los materiales compuestos de bambú-poliéster desde el punto de vista de impregnabilidad de la fibra con la matriz, facilidad de fabricación de probetas y condiciones de procesamiento manual fue de 16.23 % en masa. En la observación microestructural por microscopía electrónica se comprueba la morfología hueca y de microfibrillas de la fibra de bambú, que es la responsable del hinchamiento de la misma cuando está en contacto con la resina en estado fluido. Por esta razón, la manipulación de mezclas con mayor porcentaje de fibras se hace prácticamente imposible por procedimientos manuales.

Las fibras vegetales pueden ser utilizadas como fase de refuerzo en materiales compuestos de matriz poliéster en aplicaciones donde no se requieran altas prestaciones mecánicas y se desee un alto valor estético, (valores de módulo de elasticidad inferiores a 4.33 GPa).

Recomendaciones • En vista del bajo rendimiento de la interface fibra vegetal / matriz

presentado en esta investigación, se plantea a modo de estudio la influencia de diferentes tratamientos para la fibra de bambú procedente de la región y de esta manera encontrar una interacción fibra/matriz óptima.

• Las fibras vegetales como el bambú pueden presentarse como una alternativa ecológica en el refuerzo de resinas termoestables. Sin embargo, las propiedades mecánicas alcanzadas con los porcentajes evaluados en el presente trabajo no muestran una mejora notable en la resistencia mecánica. Por lo anterior, se sugiere que la etapa posterior a este proyecto consista en la preparación de muestras con mayores porcentajes de fibra de bambú mediante la aplicación de técnicas asistidas por vacío, tales como la infusión y RTM light.

• Mediante el desarrollo de este trabajo se deja establecida una metodología sistemática para la formulación y caracterización de nuevos sistemas de materiales compuestos. Se sugieren caracterizaciones adicionales a la realizada, con el fin de proponer aplicaciones específicas y conocer el comportamiento de estos materiales ante otro tipo de esfuerzos y/o medios ambientales.

MUCHAS GRACIAS…

Ingeniería Física