UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA SEDE … · A Dios Por permitirme seguir con vida para seguir...

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA

SEDE CUENCA

CARRERA DE INGENIERIA MECANICA

“OBTENCION EXPERIMENTAL DE UN MATERIAL

BIOCOMPUESTO A BASE DE UNA MATRIZ POLIMERICA Y

REFORZADA CON FIBRAS NATURALES DE GUADUA

ANGUSTIFOLIA PROVENIENTE DEL ECUADOR”

Tesis previa a la obtencion del

tıtulo de Ingeniero Mecanico.

Autores:

Valarezo Jaramillo Luis Eduardo

Director:

Ing. Jorge Fajardo Seminario

Cuenca, Junio 18 2013

UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA

SEDE CUENCA

CARRERA DE INGENIERIA MECANICA

“OBTENCION EXPERIMENTAL DE UN MATERIAL

BIOCOMPUESTO A BASE DE UNA MATRIZ POLIMERICA Y

REFORZADA CON FIBRAS NATURALES DE GUADUA

ANGUSTIFOLIA PROVENIENTE DEL ECUADOR”

Tesis previa a la obtencion del

tıtulo de Ingeniero Mecanico.

Autores:


[email protected]

Director:


[email protected]

Cuenca, Junio 18 2013

A Dios

Por permitirme seguir con vida para seguir luchando por mis ideales y por ser la ayuda

que me permite encontrar solucion a mis problemas.

A mis padres

Por haberme apoyado en los triunfos y en las derrotas y por ser un ejemplo en todo

momento inculcando valores y haciendome un ente de bien y de responsabilidad.

Daisy Jaramillo, Luis Valarezo

A mis abuelos

Que han estado pendientes de mi desarrollo en el transcurso de todo este proceso.

Alicia Jaramillo, Marco Jaramillo

i

AGRADECIMIENTOS

A mis padres

Por su ayuda incondicional para el desarrollo de este trabajo.

Al Ing. Jorge Fajardo

Por la direccion de este proyecto con gran profesionalismo.

A mis amigos

Por el apoyo en cada uno de los procesos para generar este proyecto.

A mis docentes

Por inculcar en mi los conocimientos para generar este proyecto.

A las universidadades UPS y UPB

Por todo el apoyo para la correcta culminacion de este proyecto.

ii

DECLARATORIA

El trabajo de grado que presento, es original y basado en el proceso de investigacion y/o

adaptacion tecnologica establecido en la Carrera de Ingenierıa Mecanica de la Universidad

Politecnica Salesiana. En tal virtud los fundamentos tecnicos - cientıficos y los resultados

son exclusiva responsabilidad del autor.

A traves de la presente declaracion cedo los derechos de propiedad intelectual

correspondiente a este trabajo, a la Universidad Politecnica Salesiana, segun lo establecido

por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la Normativa Institucional

Vigente.


iii

CERTIFICADO

Que el presente proyecto de tesis “Obtencion experimental de un material biocompuesto

a base de una matriz polimerica y reforzada con fibras naturales de guadua angustifolia

proveniente del Ecuador ”, realizado por el estudiante: Valarezo Jaramillo Luis Eduardo,

fue dirigido por mi persona.


iv

RESUMEN

El presente trabajo tiene como objetivo la obtencion de un material compuesto constituido

por una matriz polimerica y reforzado con fibras naturales cortas de Guadua Angustifolia

Kunth se realizo con un proceso inicial de estudio de campo en materiales compuestos

reforzados con fibras naturales para luego la obtencion de fibras cortas del compuesto.

El siguiente paso fue la experimentacion de diferentes procesos de conformado como :

compresion en caliente, extrusion pelletizado e inyeccion manual, calandrado e inyeccion

manual y finalmente extrusion pelletizado e inyeccion automatica con el fin de obtener las

mejores propiedades mecanicas en el compuesto. Para culminar el trabajo se realizo un

analisis y comparacion de resultados y aplicaciones generadas con estos productos.

Palabras Clave: Fibras naturales, biocompuesto, compuesto, DSC, TGA, extrusion,

inyeccion, calandrado, compresion en caliente.

v

ABSTRACT

This paper’s main objective is to obtain a compound generated a polymer matrix reinforced

with natural fibers of Guadua angustifolia Kunth in which was performed with an initial

process of the field study in composites reinforced with natural fibers and then generate

the obtaining short fibers being reinforcing the compound. The next step was the testing of

various forming processes such as: hot pressing, extrusion and pelletizing manual injection,

calendering and finally manual injection and extrusion pelletizing and automatic injection

in order to obtain the best properties. To complete the work was done an analysis and

comparison of results and applications built with these products.

Keywords: Natural fibers biocomposite composed, DSC, TGA, extrusion, injection,

calendered, hot compression composite.

vi

INDICE

Pag.

Lista de Figuras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xiii

Lista de Tablas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxi

Lista de Sımbolos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .xxiv

Lista de Siglas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . xxv

1 Estado del arte de materiales compuestos polimericos reforzados con fibras

naturales con fines estructurales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.1 Introduccion a los compuestos naturales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Evolucion de los materiales compuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.3 Evolucion de los materiales compuestos reforzados con fibras naturales . . . 3

1.4 Clasificacion de materiales compuestos con fibras naturales . . . . . . . . . . . . . 4

1.4.1 Compuestos biodegradables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4.2 Limitaciones de los materiales compuestos con refuerzo de fibra natural 5

1.5 Principales fibras naturales utilizadas a nivel mundial como refuerzo para

materiales compuestos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1.5.1 Fibras blandas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.5.2 Caracterısticas principales de las fibras blandas mas importantes . . . . 6

1.5.3 Fibras de hoja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.5.4 Fibras de semilla y de fruta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.5.5 Pastos y juncos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

vii

viii

1.5.6 Fibras de madera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.6 Fibra de bambu (Guadua Angustifolia) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.6.1 Condiciones de crecimiento de bambu en general y la GAK . . . . . . . . . 11

1.6.2 El culmo de la planta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.6.3 Fibras en el culmo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.6.4 Componentes quımicos que brindan las caracterısticas a la GAK . . . . 13

1.6.5 Aplicaciones generales del bambu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

1.7 Fibra de bambu (GAK) en el Ecuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.7.1 Tipos de bambu cultivados en Ecuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.7.2 Produccion de GAK en el Ecuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.7.3 Generalidades de la GAK en el Ecuador . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.7.4 Dimensiones del culmo de GAK. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.7.5 Propiedades de la GAK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

1.7.6 Ventajas ambientales de la cana guadua . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

1.8 Polietileno como matriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.8.1 Densidad del polietileno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.8.2 Propiedades fısicas y mecanicas de los polietilenos mas conocidos . . . . 20

1.9 Polipropileno como matriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.9.1 Tacticidad del polipropileno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

1.9.2 Propiedades fısicas y mecanicas del polipropileno . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.10 Resina poliester insaturado como matriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.10.1 Resinas poliesteres de mayor uso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

1.10.2 Propiedades de la resina poliester insaturada grado 802 . . . . . . . . . . . . 24

1.11 Procesos de obtencion de fibra natural de GAK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.11.1 Celulosa, hemicelulosa, lignina . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.11.2 Proceso de descerado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

ix

1.11.3 Procesos de limpieza de la fibra (eliminacion de la lignina) . . . . . . . . . 27

1.12 Procesos de manufactura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.13 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2 Propuesta de diseno de un material compuesto en base a fibra natural . . . . . 33

2.1 Seleccion de la fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.1.1 Fibras con capacidad reforzante . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.1.2 Resultados de seleccion de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.2 Seleccion de matriz polimerica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.2.1 Matrices polimericas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.2.2 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.3 Seleccion del proceso de tratamiento superficial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.3.1 Modificacion realizada a la fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.3.2 Modificacion realizada a la matriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.3.3 Resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.4 Seleccion del proceso de manufactura para obtener el material compuesto . 37

2.4.1 Compresion en caliente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.4.2 Extrusion - inyeccion manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.4.3 Calandrado - inyeccion manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.4.4 Extrusion - inyeccion automatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

2.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3 Obtencion de un prototipo del material compuesto polimerico reforzado con

fibra natural y matriz polimerica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.1 Recopilacion de materia prima y obtencion de fibra natural . . . . . . . . . . . . . 40

3.2 Caracterizacion de la matriz polimerica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.2.1 PP Braskem H - 306 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.2.2 Dow LLDPE DNDB - 7147 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

x

3.2.3 Dow HDPE DMDA - 8920 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.3 Proceso de reduccion de fibras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.4 Proceso de extraccion de fibra corta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.5 Proceso de seleccion de tamano de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.6 Tratamiento superficial realizado a la fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.6.1 Desarrollo del tratamiento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.7 Flujograma de la obtencion de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.8 Proceso experimental de obtencion del material compuesto . . . . . . . . . . . . . . 48

3.8.1 Material compuesto mediante compresion en caliente . . . . . . . . . . . . . . 51

3.8.2 Material compuesto mediante extrusion e inyeccion manual y calan-

drado inyeccion manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.8.3 Material compuesto obtenido mediante un pre extruido en extrusora

Dr. Collin E-20 e inyectado mediante una inyectora DR BOY 35E . . . 65

3.9 Proceso y resultado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.10 Esquema final del proceso con mejor conformado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.11 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4 Resultados y discusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.1 Caracterizacion quımica de las fibras de guadua angustifolia . . . . . . . . . . . . . 72

4.1.1 Determinacion de elementos acuosos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

4.1.2 Determinacion de cenizas presentes en la muestra . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

4.1.3 Determinacion de porcentaje de humedad en las fibras . . . . . . . . . . . . . 79

4.1.4 Determinacion de porcentaje de elementos no solubles en agua u

organicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.2 Caracterizacion mecanica del material compuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.2.1 Ensayo de traccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.3 Caracterizacion fısica del material compuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.3.1 Ensayo de termogravimetrıa (TGA) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

xi

4.3.2 Ensayo de calorimetrıa diferencial de barrido (DSC) . . . . . . . . . . . . . . . 111

4.4 Comparacion de resultados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

4.4.1 Resultados obtenidos caracterizacion quımica de la fibra de guadua . . 121

4.4.2 Analisis de conformacion del compuesto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

4.4.3 Resultados obtenidos caracterizacion mecanica del compuesto . . . . . . . 123

4.4.4 Resultados obtenidos caracterizacion fısica del compuesto . . . . . . . . . . 123

4.5 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

5 Aplicaciones, conclusiones y recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

5.1 Industria automotriz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

5.1.1 Paneles e injertos de puertas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

5.1.2 Equipo de laboratorio necesario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125

5.1.3 Estantes de paqueterıa traseras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

5.1.4 Respaldos de asiento y asientos deportivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

5.1.5 Cobertores de rueda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

5.1.6 Vehıculo ultraliviano . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

5.2 Industria de lınea blanca . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

5.3 Industria de la construccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

5.3.1 Tanques anticorrosion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

5.3.2 Tableros para revestimientos y techos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

5.3.3 Tableros para paredes, contornos de puertas y ventanas . . . . . . . . . . . . 129

5.3.4 Tejas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

5.3.5 Pisos madera plastica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

5.4 Industria del equipo de seguridad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

5.4.1 Cascos protectores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

5.4.2 Punteras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

5.4.3 Proteccion para robots . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

xii

5.4.4 Chalecos antibalas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

5.4.5 Trajes resistentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

5.5 Industria Acuatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

5.5.1 Yates y Lanchas de competencia y comerciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

5.5.2 Bote de transporte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

5.5.3 Domos del sonar en submarinos y submarinos resistentes a bajas

presiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

5.5.4 Tablas de surf y canas de pescar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

5.6 Industria aeronautica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

5.6.1 Helicopteros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

5.6.2 Naves espaciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

5.6.3 Satelites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

5.7 Otras industrias . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

5.7.1 Instrumentos de musica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

5.7.2 Protesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

5.7.3 Bicicletas, raquetas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

5.8 Conclusiones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

5.9 Recomendaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

5.10 Trabajos a futuro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

Referencias bibliograficas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140

LISTA DE FIGURAS

Pag.

Figura - 1.1 Evolucion de los materiales compuestos [3]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

Figura - 1.2 Evolucion de los materiales compuestos reforzados con fibra natural . 4

Figura - 1.3 Principales fibras vegetales utilizadas en materiales compuestos [4]. . . 5

Figura - 1.4 Partes planta de bambu [22]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Figura - 1.5 Distribucion de los bambues lenosos [24]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

Figura - 1.6 Partes del culmo [28]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

Figura - 1.7 Seccion de la pared del culmo [29]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

Figura - 1.8 Bambu partes y usos [33]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Figura - 1.9 Estructura quımica del etileno y polietileno [41]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Figura - 1.10 Efectos de la ramificacion en la densidad [42]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

Figura - 1.11 Estructura quımica del propileno y polipropileno [41]. . . . . . . . . . . . . . . . 21

Figura - 1.12 Tacticidad del polipropileno [44]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Figura - 1.13 Formacion de resina poliester insaturado [45]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Figura - 1.14 Composicion quımica resina vinilester [45] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

Figura - 1.15 Composicion quımica resina isoftalica [45]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Figura - 1.16 Composicion quımica resina ortoftalica [45]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Figura - 1.17 Formula de la celulosa [48]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

Figura - 1.18 Partes de una inyectora y platinas de un molde de inyeccion [60]. . . . . 29

Figura - 1.19 Ciclo de inyeccion a) Etapa 1 y 6 b) Etapa 2 c) Etapa 3 d) Etapa 4 e)

xiii

Etapa 5 [61]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Figura - 1.20 Moldeo por compresion [62]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Figura - 1.21 Moldeo por calandrado [65]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Figura - 3.1 Corte inicial Guadua Angustifolia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Figura - 3.2 Esterilla de Guadua [92] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Figura - 3.3 Obtencion de listones de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Figura - 3.4 Esquema de sierra circular para corte de GAK [93] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Figura - 3.5 Fibra con tratamiento de NaOH 5X B) Fibra ST 5X . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Figura - 3.6 Proceso de tamizado de fibras de GAK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

Figura - 3.7 Longitud de la fibra obtenida . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

Figura - 3.8 Agitado de solucion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Figura - 3.9 Pesaje de fibras GAK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

Figura - 3.10 Mezcla de solucion NaOH con fibra de GAK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Figura - 3.11 Neutralizado de fibras con NaOH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Figura - 3.12 Secado de fibras GAK . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

Figura - 3.13 Fibra seca obtenida luego del proceso en el horno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Figura - 3.14 Flujograma de proceso de obtencion de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Figura - 3.15 Flujograma proceso para conformado por compresion en caliente . . . . 51

Figura - 3.16 Platina para probetas para ensayos de traccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Figura - 3.17 Probeta ASTM D3039M - 08 para traccion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Figura - 3.18 Platina para probetas para probetas de flexion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Figura - 3.19 Probeta ASTM D7264M - 07 para flexion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

Figura - 3.20 Platina para probetas para ensayo de impacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Figura - 3.21 Probeta ASTM D - 256 para impacto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

xiv

Figura - 3.22 Placa base superior para todos los ensayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

Figura - 3.23 Placa base inferior para todos los ensayos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

Figura - 3.24 A) Buje de la placa base inferior B) columna de la placa base superior. 55

Figura - 3.25 Circuito para control de niquelinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Figura - 3.26 Circuito para control de niquelinas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Figura - 3.27 Controlador de temperatura Camsco TC - 72 N . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Figura - 3.28 Centro de mecanizado para placas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

Figura - 3.29 Flujograma de proceso para conformado por extrusion - inyecciion

manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Figura - 3.30 Mezcla polımero con fibra para ingresar en la extrusora . . . . . . . . . . . . . 60

Figura - 3.31 Control para perfiles de temperatura 3 zonas de calentamiento y boquilla

A) Control manual B) Control Computarizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

Figura - 3.32 Solidificacion del nuevo material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

Figura - 3.33 Pelletizadora complementaria de la extrusora Dr. Collin E-20 T . . . . . 61

Figura - 3.34 Inyectora manual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Figura - 3.35 A) Control del equipo. B) Material colocado en el cilindro. C) Material

comprimidos en el cilindro . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

Figura - 3.36 Probeta topo IV ASTM D - 638 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Figura - 3.37 Diagrama de proceso para conformado por calandrado - inyeccion ma-

nual . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

Figura - 3.38 Calandra de polımerosl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Figura - 3.39 Laminado y mezclado del material compuestol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

Figura - 3.40 Extraccion del material laminado y mezclado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

Figura - 3.41 Material laminado y mezclado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

xv

Figura - 3.42 Flujograma de proceso para conformado por extrusion - inyeccion au-

tomatica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

Figura - 3.43 Recipientes de agua y de fibra para el calculo de densidades . . . . . . . . . 67

Figura - 3.44 A) Analizador de humedad B) Muestras esterilizadas y deshumidificadas 68

Figura - 3.45 Inyectora Dr. Boy 35E . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

Figura - 3.46 Probeta Normalizada ISO tipo B 527 (ASTM D - 638) . . . . . . . . . . . . . . 69

Figura - 3.47 Diagrama proceso final . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

Figura - 4.1 Muestra presente en el desecador para eliminar humedad y estabilizar

temperatura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Figura - 4.2 Montaje de las muestra en el soxhlet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

Figura - 4.3 Muestra presente en el desecador para eliminar humedad y estabilizar

temperatura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

Figura - 4.4 Recipientes con las muestras luego del proceso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Figura - 4.5 Horno de secado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

Figura - 4.6 Equipos de laboratorio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Figura - 4.7 Colocacion de equipos en la manta de calentamiento . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Figura - 4.8 Colocacion de equipos en la manta de calentamiento . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Figura - 4.9 Probeta ASTM D - 638 Tipo 4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Figura - 4.10 Probeta ASTM D - 3039. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Figura - 4.11 Probeta ISO - 527. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

Figura - 4.12 Probetas obtenidas segun ASTM D - 3039. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

Figura - 4.13 Resultados probeta N◦1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89



xvi







Figura - 4.22 Resultados probeta N◦10. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94



Figura - 4.25 Probetas logadas con norma ISO B - 527 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

Figura - 4.26 Grafica de probabilidad normal esfuerzo - conformado . . . . . . . . . . . . . . . 98

Figura - 4.27 Grafica de caja esfuerzo - conformado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Figura - 4.28 Grafica de probabilidad normal esfuerzo - tratamiento quımico . . . . . . 99

Figura - 4.29 Grafica de caja esfuerzo - tratamiento quımico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100



Figura - 4.32 Grafica de probabilidad normal esfuerzo - conformado . . . . . . . . . . . . . . . 102

Figura - 4.33 Grafica de caja esfuerzo - conformado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102





Figura - 4.38 Termograma a) TGA b) DTGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

xvii

Figura - 4.39 A) Cooler del equipo B) Ingreso y control de presiones de gas de purga

C) Equipo TGA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Figura - 4.40 A) Termobalanza B) Elementos para preparar la muestra . . . . . . . . . . . 106

Figura - 4.41 Interfaz de Usuario . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

Figura - 4.42 TGA Guadua con tratamiento quımico de NaOH al 5% . . . . . . . . . . . . . 107

Figura - 4.43 TGA Guadua sin tratamiento quımico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

Figura - 4.44 TGA del compuesto PB10F5NA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

Figura - 4.45 TGA del compuesto PB10FST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

Figura - 4.46 TGA del compuesto PB5FST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

Figura - 4.47 TGA del compuesto PP10F5NA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

Figura - 4.48 Termograma de un polımero semicristalino tıpico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

Figura - 4.49 A) Sistema de enfriamiento, B) Equipo DSC, C) Valvulas de aire de

purga . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Figura - 4.50 A) Balanza B) Crisoles y prensa para cerrarlos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Figura - 4.51 Proceso de sellado de los crisoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

Figura - 4.52 Rueda alimentadora de crisoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

Figura - 4.53 Ensayo DSC Guadua NaOH variacion de potencia vs temperatura . . . 115

Figura - 4.54 Ensayo DSC Guadua NaOH variacion de potencia vs tiempo . . . . . . . . 115

Figura - 4.55 Ensayo DSC Guadua ST variacion de potencia vs temperatura . . . . . . 116

Figura - 4.56 Ensayo DSC Guadua ST variacion de potencia vs tiempo . . . . . . . . . . . 116

Figura - 4.57 Ensayo DSC PB10F5NA variacion de potencia vs temperatura . . . . . . 117

Figura - 4.58 Ensayo DSC PB10F5NA variacion de potencia vs tiempo . . . . . . . . . . . . 117

Figura - 4.59 Ensayo DSC PB10FST variacion de potencia vs temperatura . . . . . . . . 118

Figura - 4.60 Ensayo DSC PB10FST variacion de potencia vs tiempo . . . . . . . . . . . . . 118

xviii

Figura - 4.61 Ensayo DSC PB5FST variacion de potencia vs temperatura . . . . . . . . . 119

Figura - 4.62 Ensayo DSC PB5FST variacion de potencia vs tiempo . . . . . . . . . . . . . . 119

Figura - 4.63 Ensayo DSC PP5F5NA variacion de potencia vs temperatura . . . . . . . 120

Figura - 4.64 Ensayo DSC PP5F5NA variacion de potencia vs tiempo . . . . . . . . . . . . . 120

Figura - 5.1 Paneles e injertos de puerta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

Figura - 5.2 Estantes de paqueterıa trasera [104] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

Figura - 5.3 Asiento deportivo [105] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

Figura - 5.4 Cobertor de neumatico [104] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

Figura - 5.5 Carrocerıa con partes de fibra de carbono [106] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

Figura - 5.6 Multiple de escape fibra de carbono [106] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

Figura - 5.7 Tanques reforzados con fibra de vidrio [111] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

Figura - 5.8 Tableros de material compuesto [112] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

Figura - 5.9 A),B) Tableros reforzados con fibra, C) MDF [113] . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

Figura - 5.10 Tejas onduladas con material compuesto [114] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

Figura - 5.11 A) Paredes con madera plastica. B) Pisos con madera plastica [18] . . 130

Figura - 5.12 A) Casco deportivo. B) Casco militar [115], [116] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

Figura - 5.13 Puntera [117] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

Figura - 5.14 Proteccion brazo robotico [118] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

Figura - 5.15 Fibras Kevlar Twaron [119] [120] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

Figura - 5.16 Fibras de kevlar, algodon y nylon [119] [120] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132

Figura - 5.17 A) Yate. B) Lancha deportiva [121] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

Figura - 5.18 A) bote de pasajeros. B) bote personal [121] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

Figura - 5.19 A) Domo del sonar de submarino. B) submarino de reconocimiento C)

xix

narco submarino [122] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

Figura - 5.20 A) Tabla de surf car bambu carbon. B) Canas de pescar bambu [123] 134

Figura - 5.21 Ejemplos industria aeronautica [73] [124] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134

Figura - 5.22 Ejemplos materiales compuestos en helicoptero [110] . . . . . . . . . . . . . . . . 135

Figura - 5.23 Nave espacial [125] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135

Figura - 5.24 Tanque propulsor para satelites en fibra de carbono con liner interior de

titanio [126], [127]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Figura - 5.25 Instrumento musical con material compuesto [128]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

Figura - 5.26 A) Protesis dental. B) Protesis de pie [129], [130]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

Figura - 5.27 A) Bicicleta disenada con fibra de carbono. B) raqueta de tenis con

materiales compuestos [131], [132]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

xx

LISTA DE TABLAS

Pag.

Tabla 1.1 Propiedades mecanicas de las fibras blandas mas conocidas . . . . . . . . . . . . 6

Tabla 1.2 Composicion quımica de algunas fibras blandas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Tabla 1.3 Propiedades mecanica de algunas fibras de hoja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Tabla 1.4 Composicion quımica de algunas fibras de hoja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Tabla 1.5 Propiedades mecanicas de algunas fibras de semilla y fruta [6], [2], [4]. 8

Tabla 1.6 Composicion quımica de algunas fibras de semilla y fruta [2], [6]. . . . . . 8

Tabla 1.7 Propiedaes mecanicas de algunas fibras de pastos y juncos . . . . . . . . . . . . . 9

Tabla 1.8 Composicion quımica de algunas fibras de pastos y juncos [2], [4]. . . . . . 9

Tabla 1.9 Propiedaes mecanicas de fibras de madera [19], [20]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Tabla 1.10 Composicion quımica de fibras de madera [4]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

Tabla 1.11 Plantaciones de Guadua Angustifolia por provincia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

Tabla 1.12 Dimensiones del culmo de la cana Guadua [39]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Tabla 1.13 Propiedades quımicas GAK en el Ecuador [40] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Tabla 1.14 Tabla comparativa de propiedades mecanicas Guadua Angustifolia [20]. 18

Tabla 1.15 Propiedades fısicas y mecanicas de PEAD y PEBD [22]. . . . . . . . . . . . . . . . 21

Tabla 1.16 Propiedades fısicas y mecanicas del PP [22]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Tabla 1.17 Propiedades fısicas y mecanicas del UP grado 802 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Tabla 1.18 Punto de ebullicion solvente para extraccion [53]. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

Tabla 2.1 Tabla de ponderaciones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Tabla 2.2 Tabla de interrelacion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Tabla 2.3 Tabla de ponderacion polımeros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35


Tabla 2.5 Propiedades de polımeros termoplasticos mas utilizados [78] . . . . . . . . . . . 35

xxi

Tabla 2.6 Propiedades de polımeros termoplasticos mas utilizados . . . . . . . . . . . . . . . . 36


Tabla 3.1 Dimensiones del culmo de la cana Guadua [39] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

Tabla 3.2 Propiedades del polipropileno Braskem H - 306. Datos extraıdos de [89] 41

Tabla 3.3 Propiedades del polietileno de baja densidad lineal Dow DNDB - 7147.

Datos extraıdos de [90] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Tabla 3.4 Propiedades del polietileno de baja densidad lineal HDPE DMDA - 8920.

Datos extraıdos de [91] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

Tabla 3.5 Parametros inyectora con polietileno de alta densidad . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Tabla 3.6 Parametros inyectora con polipropileno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Tabla 3.7 Composicion de todas de las probetas moldeadas por compresion en cali-

ente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

Tabla 3.8 Diseno completamente al azar DCA para PELD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Tabla 3.9 Diseno completamente al azar DCA para PP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

Tabla 3.10 Experimentos para el proceso extrusion - inyeccion automatica. . . . . . . . . 67

Tabla 3.11 Calculo de densidades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

Tabla 3.12 Procesos y resultados obtenidos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

Tabla 4.1 Pesos iniciales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

Tabla 4.2 Muestras con 12 horas a 50 ◦C y 1 hora a 105 ◦C despues del soxhlet . . 75

Tabla 4.3 Porcentaje de elementos acuosos disueltos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76



Tabla 4.6 Resultados cenizas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Tabla 4.7 Porcentaje final de cenizas en el material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

Tabla 4.8 Pesos iniciales de las muestras . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Tabla 4.9 Pesos Finales de las muestras con crisoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Tabla 4.10 Pesos de la muestra mas la caja contenedora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Tabla 4.11 Pesos de la muestra mas la caja contenedora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81


xxii


Tabla 4.14 Fibra de guadua comparacion de pesos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Tabla 4.15 Porcentaje final de cenizas en el material . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

Tabla 4.16 Peso inicial de la muestra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

Tabla 4.17 Peso finall de la muestra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

Tabla 4.18 Proporciones de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Tabla 4.19 Proporciones de fibra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

Tabla 4.20 Experimentos para el proceso compresion en caliente . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87


Tabla 4.22 Experimentos para el proceso extrusion - inyeccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87


Tabla 4.24 Nomenclatura para cada probeta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89


Tabla 4.26 Resultados para el proceso extrusion - inyeccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Tabla 4.27 Resultados para el proceso extrusion - inyeccion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Tabla 4.28 Ponderacion para analisis Minitab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

Tabla 4.29 Ponderacion para analisis Minitab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101



xxiii

LISTA DE SIMBOLOS

Subindices

Pi Peso inicial de la fibra con el recipiente de la contiene

Pf Peso ifinall de la fibra con el recipiente de la contiene

Pc Peso de las cenizas

Pm Peso seco del material

Pg Peso de la fibral

W1 Peso de la muestral

W2 Peso delextracto seco

xxiv

LISTA DE SIGLAS

GAK Guadua Angustifolia Kunth

MET Modulo de Elasticidad a traccion

MEC Modulo de Elasticidad a compresion

MEF Modulo de Elasticidad a flexion

RT Resistencia a la traccion

RC Resistencia a la compresion

RF Resistencia a la flexion

xxv

1 ESTADO DEL ARTE DE MATERIALESCOMPUESTOS POLIMERICOS REFORZADOSCON FIBRAS NATURALES CON FINESESTRUCTURALES

Introduccion

El desarrollo de nuevos materiales ha puesto gran atencion al uso de materias

primas renovables [1]. La industria europea y norteamericana de manufactura de vehıculos

ha generado normativas que exigen el incremento progresivo de componentes fabricados a

partir de compuestos polimericos reforzados con fibras naturales [2].

Paıses como Ecuador cuya balanza economica es negativa tienen la oportunidad

de aprovechar la biodiversidad que poseen para generar reforzantes naturales de altas

propiedades mecanicas y convertirse en exportadores de productos con mayor valor agregado

en beneficio de sus economıas [3].

Los compuestos con matrices polimericas ofrecen facilidad de procesamiento,

alta productividad, propiedades mecanicas moderadas, aptitud para reciclado y baja

densidad, entre otras [4]. La utilizacion de reforzantes naturales radica en su baja densidad,

aislamiento termico y acustico, buena resistencia mecanica, bajo costo, alta disponibilidad

y propiedades especıficas altas [4], [5].

El beneficio mas relevante de estos compuestos es ecologico, son amigables con

el medio ambiente tanto en su composicion como en su produccion [6]. Estos refuerzos

naturales estan siendo llamados a ser un sustituto de las fibras de vidrio y amianto [7].

1.1 Introduccion a los compuestos naturales

La creciente demanda de nuevos productos, la aparicion de nuevas necesidades, el ago-

tamiento progresivo del petroleo y de los recursos naturales no renovables ha creado la

necesidad de dar soluciones a estos nuevos problemas dando el paso a los nuevos materiales.

1

Si bien se han venido ocupando desde el siglo XX, el 5% [1] de todos los productos quımicos

que se producen en la actualidad son de base biologica y la expectativa es que para el 2020

sea el 25% [2].

Los biocompuestos son compuestos de fibra natural y reforzada con matrices

polimericas no biodegradables como PP, PE y tambien con biopolımeros como el acido

polilactico [PLA] y polihidroxialcanoatos [PHAs]. Estos compuestos combinan propiedades

de varios materiales a fin de lograr nuevos materiales con propiedades mejoradas y son de

gran atractivo por ser provenientes de fuentes naturales. Entre las principales propiedades

son la baja densidad y se adaptan a aplicaciones especıficas. Estos compuestos reforzados

con fibra tuvieron su inicio en la union con materiales fenolicos en 1908 luego se extendieron

con el uso de urea y melanina hasta llegar al uso en 1940 con fibra de vidrio y poliesteres

insaturados por sus caracterısticas y propiedades han sido utilizados en un 95% combinado

con termoplasticos y termoestables pero se ha llegado a conseguir propiedades competitivas

con biocompuestos [2].

1.2 Evolucion de los materiales compuestos

A partir del ano 1500 AC, cuando los egipcios y los primeros colonos mesopotamicos

utilizaron una mezcla de barro y paja para construccion. Se utilizaba paja para reforzar a

los antiguos productos compuestos como ceramica y barcos.

Alrededor del ano 1200, los mongoles inventaron el primer arco compuesto, usando

una combinacion de madera, hueso, y adhesivo animal presionada y envuelta en corteza

de abedul.

Por los 1900s, los plasticos como el vinilo, poliestireno, poliester y fenolico se

desarrollaron. Estos materiales sinteticos nuevos superaron a las resinas naturales.

En 1935, Owens Corning introdujo la primera fibra de vidrio, fibra de vidrio como

refuerzo para las matrices polimericas. Se intensifico despues de la segunda guerra mundial

por su ligereza y la invisibilidad ante radares.

En 1946 se elaboro el primer casco de un barco comercial. Brandt Goldsworthy

desarrollo nuevos procesos de fabricacion y productos como tablas de surf. Goldsworthy

tambien invento un proceso de fabricacion llamado pultrusion del cual se crearon carriles,

escaleras, mangos de herramientas, tubos, etc.

En la decada de los 70s se mejoraron tanto las matrices como refuerzos. DuPont

2

desarrollo el Kevlar (fibra de Aramida). La fibra de carbono tambien se desarrollo por

esta epoca; pero con menor uso.

En la actualidad la industria de los compuestos se enfoca en el desarrollo de mate-

riales compuestos verdes y nano compuestos con el objetivo de lograr mejores propiedades

mecanicas, fısicas y ambientales haciendo el mundo mas ligero, mas fuerte, mas durable, y

un mejor lugar para vivir. La figura 3.1 muestra la evolucion historica de los materiales

compuestos.

Figura 1.1: Evolucion de los materiales compuestos [3].

1.3 Evolucion de los materiales compuestos reforzadoscon fibras naturales

En 1939 se usaron las fibras naturales como refuerzo de una matriz fenolica con aplicaciones

aeronauticas. En 1942 Henry Ford construyo uno de los primeros vehıculos que usaban

canamo en algunas de sus partes. Entre 1950 y 1990 se usaron en el cuerpo del vehıculo.

Para el 2000 se utilizo en interiores y exteriores de vehıculo de transporte liviano y pesado.

En el 2004 se comenzo a usar en artıculos electronicos y a partir del 2006 el uso en

elementos deportivos fue muy comun por su baja densidad [3]. La figura 3.2 muestra la

evolucion en el uso de compuestos reforzados con fibras naturales.

3

Figura 1.2: Evolucion de los materiales compuestos reforzados con fibra natural

1.4 Clasificacion de materiales compuestos con fibras na-turales

El uso de materiales compuestos con fibras naturales se puede dividir en varios grupos. El

primer grupo esta conformado por las aplicaciones de la fibra natural en paneles como

tableros de partıculas, fibras y de aislamiento con un material aglutinante organico como

la lignina y el tanino, el segundo grupo es el uso de la fibra natural unida con materiales

aglutinantes inorganicos, el tercer grupo es el uso de fibras naturales como refuerzo en

matrices polimericas como termoplasticos, termoestables y cauchos que es donde se va

a incursionar en esta investigacion y el ultimo grupo es el tipo textil no tejido de fibras

naturales [4].

1.4.1 Compuestos biodegradables

Las fibras naturales pueden ser usadas con resinas sinteticas termoestables, termoplasticas

y elastomericas, ademas se pueden combinar con polımeros naturales como lignina y

hemicelulosa resultando un compuesto totalmente biodegradable. Las propiedades del com-

puesto dependen de las propiedades de los elementos constitutivos y de la compatibilidad

que tengan entre sı [5].

4

1.4.2 Limitaciones de los materiales compuestos con refuerzo de fi-bra natural

Las fibras naturales empleadas como refuerzo de compuestos polimericos necesitan ser

homogeneas, tal homogeneidad depende de la forma de cultivo y de cosecha ya que los

tiempos de cultivo son indispensables en algunas especies para garantizar la calidad en su

composicion quımica.

La alta variacion de las propiedades de los compuestos reforzados con fibras

naturales depende de las propiedades fısicas presentes en las fibras, lo que genera, hasta el

momento, incertidumbre en el desempeno de varios compuestos por desconocimiento de

sus propiedades fısicas, quımicas y mecanicas [4].

1.5 Principales fibras naturales utilizadas a nivel mundialcomo refuerzo para materiales compuestos

Existen gran variedad de fibras naturales vegetales empleadas como refuerzo en matrices

polimericas. Las principales fibras empleadas son las fibras celulosicas conocidas por su

baja densidad y por ser renovables. La figura 3.3 presenta una clasificacion de las fibras

celulosicas.

Figura 1.3: Principales fibras vegetales utilizadas en materiales compuestos [4].

5

1.5.1 Fibras blandas

Las fibras blandas provienen de los tallos rıgidos, poseen un conjunto de propiedades

diferentes entre sı que dependen del cultivo pero tienen mucho en comun ya que contienen

diferentes cantidades de celulas de fibras en el floema. Contienen nodos a intervalos

regulares, estan formados por un nucleo hueco, una medula interna, cambium, el floema,

la corteza y la epidermis [2].

1.5.2 Caracterısticas principales de las fibras blandas mas importan-tes

Las fibras blandas se caracterizan por ser suaves y con una densidad entre los 310 y

1500 kgm2 lo que demuestra que son materiales ligeros. El modulo especıfico que poseen es

alto, el desempeno elastico mas representativo esta dado por las fibras de lino, canamo y

ramio. La tabla 1.1 muestra las propiedades mecanicas mas representativas de las fibras

blandas mas conocidas.

Tabla 1.1: Propiedades mecanicas de las fibras blandas mas conocidas

FibraDensidad Diametro Longitud Alargamiento

a la roturaResistencia ala traccion

Modulo deYoung

Modulo es-pecıfico

Ref.

(kg/m3) (µm) (mm) (%) (MPa) (GPa)

Lino 1380 - 1500 40 - 600 10 - 65 1.2 - 3 343 - 1500 60 - 80 26 - 46 [6]Canamo 1350 - 1480 10 - 51 5 - 55 1.6 - 4.5 580 - 1110 70 47 [6]Kenaf Nucleo 310 18 - 37 0.4 - 1.1 - - - - [6]Kenaf exterior 1200 12 - 36 1.4 - 11 2.7 - 6.9 295 930 - - [6]Yute 1460 5 - 25 0.8 - 6 1.5 - 3.1 187 - 773 10 - 30 7 - 21 [6]Ramio 1440 - 1550 18 - 80 40 - 250 2 - 4 400 - 938 61.4 - 128 27 - 47 [6],[4]

Por el porcentaje de celulosa que va desde 44% a 91%, se puede deducir que estas

fibras contienen gran capacidad para absorber humedad, soportar mayores temperaturas y

tener caracterısticas conductoras. Este ultimo factor es beneficioso hasta cierto punto ya

que la capacidad para absorber humedad es un limitante cuando se desea realizar materiales

compuestos que requieran ser procesadas a temperaturas mayores a la de ebullicion del

agua ya que produce burbujas de aire y por lo tanto puntos de falla del material [7]. En la

tabla 1.2 muestra la composicion quımica de algunas fibras blandas.

1.5.3 Fibras de hoja

Este tipo de fibras se encuentra en los sistemas fibrovasculares de las hojas de las plantas

Monocotiledoneas Perennes, son muy conocidas por su dureza por lo que son llamadas

“fibras duras” Cada fibra es un cordon fibroso, los principales lugares de crecimiento son

6

Tabla 1.2: Composicion quımica de algunas fibras blandas

FibraCelulosa Hemicelulosa Lignina Pectina Ceras Porcentaje

de humedadRef.

(%) (%) (%) (%) (%)

Lino 71 18.6 - 20.6 2.2 2.3 1.7 08 - 12 [2]Canamo 70 - 74 17.9 - 22.4 3.7 - 5.7 0.9 0.8 6.2 - 12 [2]Kenaf 45 - 57 21.5 8 - 13 3 - 5 - [2]Yute 61 - 71.5 13.6 - 20.4 12 - 13 0.2 0.5 12.5 - 13.7 [2]Ramio 68.6 - 76.2 13.1 - 16.7 0.6 - 0.7 1.9 0.3 7.5 - 17 [2]

America Central, Sudamerica, Africa Oriental, Indonesia [8], [9].

Estas fibras poseen una densidad mas alta por lo que son muy utiles en aplicaciones

donde se requiera de un mayor peso por volumen. Se pueden destacar por su alta resistencia

a la traccion que en promedio oscila entre los 463 y 1560 MPa. La tabla 1.3 muestra las

propiedades mecanicas de fibras de hoja.

Tabla 1.3: Propiedades mecanica de algunas fibras de hoja

FibraDensidad Diametro Longitud Alargamiento a la Resistencia a la Modulo de Modulo Ref

rotura traccion Young especıficokgm3 (micras) (mm) (%) (MPa) (GPa)

Pina 1500 - 1560 8 - 41 3 - 8 01-3 170 - 1627 6.21 - 82 4 - 53 [10],[6]Banana 1300 - 1350 50 - 280 - 03-8 529 - 914 7-32 5 - 24 [10]Sisal 1300 - 1500 7 - 200 0.8 - 8 1.9 - 3 507 - 855 9.4 - 28 7-19 [2],[6],[10]Abaca 1300 - 1500 17 - 21 - 2.7 400 - 1289 45 - 72 35 - 50 [10], [11]Henequen 1400 8 - 33 - 3 - 4.7 430 - 580 10-16 7 - 11 [6]Palmera datilera 463 - - - 125 - 200 - - [12]

Se observa que el contenido de lignina se encuentra entre el 5 y el 14%, valor

normal en estas fibras naturales; pero se trata de un complemento innecesario para la

aplicacion de la fibra. La lignina impide la digestibilidad con la matriz, por lo tanto,

mientras mas porcentaje este presente en la planta, se requiere buscar una tecnica de

reduccion para crear un ambiente de digestibilidad con refel compuesto [13]. La tabla 1.4

resume la composicion quımica de algunas fibras de hoja.

Tabla 1.4: Composicion quımica de algunas fibras de hoja

FibraCelulosa Hemicelulosa Lignina Pectina Ceras Porcentaje Ref.

de humedad(%) (%) (%) (%) (%)

Pina 80 - 81 16 - 19 12 2 - 2.5 - - [10]Banana 60 - 65 6 - 19 5 - 10 3 - 5 - 10 - 12 [2],[10]Sisal 66 - 78 10 - 14 10 - 14 10 2 10 - 22 [2]Abaca 56 - 63 21 12 - 13 0.8 - 1 - 5 - 10 [2],[10]Henequen 60 - 78 4 - 28 8 - 13 3 - 4 - - [10]

7

1.5.4 Fibras de semilla y de fruta

Las fibras de semilla son obtenidas de la semilla de la planta, estas pueden poseer dos

tipos de aplicaciones. La primera es la alimentacion y la segunda es la utilizacion de la

fibra en la industria textilera [14]. La fibra de fruta empleada como material de refuerzo

en una matriz polimerica tiene su mayor representante en la fibra de coco.

Como se observa en la tabla 1.5, las propiedades mecanicas, la resistencia a la

traccion y el modulo de elasticidad son elevados. Por lo tanto son potenciales refuerzos

para la elaboracion de materiales compuestos o textiles. En torno a las fibras de coco y

capoc, la informacion de sus propiedades es deficiente, se trata de nuevos materiales; pero

de gran interes porque han demostrado poseer propiedades elevadas.

Tabla 1.5: Propiedades mecanicas de algunas fibras de semilla y fruta [6], [2], [4].



Coco 1150 - 1460 0.3 - 3 0.3 - 3 1.5 - 25 131 - 220 4 - 6 2.58 - 4.10 [2],[6]Algodon 1210 - 1600 12 - 35 15 - 56 2 - 10 287 - 800 5.5 - 12.6 4.54 - 7.87 [2],[6]Capoc - 10 - 30 8 - 30 - - - - [6]

Como se observa el coco posee una gran cantidad de lignina; por lo tanto sera

mas difıcil obtener una buena digestion y el porcentaje de fibra sera menor. Existe una

gran diferencia con la fibra de algodon ya que posee una gran cantidad de celulosa y una

mınima cantidad de lignina, se puede deducir su gran utilidad como material compuesto

y como elemento textil. La tabla 1.6 compara la composicion quımica de las fibras de

semilla y fruto.

Tabla 1.6: Composicion quımica de algunas fibras de semilla y fruta [2], [6].

FibraCelulosa Hemicelulosa Lignina Pectina Ceras Porcetaje Ref.

de humedad(%) (%) (%) (%) (%)

Coco 32 - 43 0.15 - 0.25 40 - 45 3 - 4 - 8 [2]Algodon 85 - 90 5.7 0.5 - 1 1 - 5.7 0.6 7.85 - 8.5 [10],[2]

1.5.5 Pastos y juncos

Estas fibras son muy importantes a nivel mundial ya que son una fuente principal de

alimentacion por tener un contenido alto de fibra. Las principales fibras de este grupo son

el trigo, avena, cebada, arroz, centeno. Ademas son muy conocidas por sus propiedades

mecanicas siendo empleadas como refuerzo en materiales compuestos [15],[6].

8

Como se observa el mayor representante de pastos y juncos, por las propiedades

mecanicas mostradas en la tabla 1.7 es la fibra de bambu. Esta fibra tiene una densidad

entre 600 a 800 kgm3 lo que le convierte en un material ligero en comparacion con las demas

fibras vegetales. Presenta una resistencia a la traccion de 187 a 1152 MPa y un modulo de

elasticidad de 8 a 150 GPa que son mucho mas elevados el resto de fibras vegetales.

Tabla 1.7: Propiedaes mecanicas de algunas fibras de pastos y juncos



Bagazo 550 - 1250 32 - 43 0.8 - 2.8 0.9 20 - 290 2.7 - 17 5 - 14 [10],[6]Bambu 600 - 800 7 - 27 1.5 - 4.4 2.88 - 3.52 187 - 1152 8 - 150 - [16], [17]

En estos materiales la celulosa tiene un porcentaje similar a las demas fibras

vegetales mencionadas, el porcentaje de lignina es menor por lo que requieren un menor

proceso de eliminacion; por lo tanto son materiales potenciales para refuerzo en materiales

compuestos. La tabla 1.8 resume la composicion quımica de fibras de pastos y juncos.

Tabla 1.8: Composicion quımica de algunas fibras de pastos y juncos [2], [4].

FibraCelulosa Hemicelulosa Lignina Pentosan Ref.

(%) (%) (%) (%)

Trigo 29- 51 - 16 - 21 26 - 32 [4]Avena 31 - 48 - 16 - 19 27 - 38 [4]Cebada 31 - 45 - 14 - 15 24 - 29 [4]Arroz 28 - 48 - 12 - 16 23 - 28 [4]Bagazo 32 - 48 30 18 - 26 27 - 32 [10],[4]Centeno 33 - 50 - 16 - 19 27 - 30 [4]Esparto 33 - 38 - 17 - 19 27 - 32 [4]Bambu 26 - 43 - 21 - 31 15 - 26 [4]

1.5.6 Fibras de madera

Se clasifican en dos tipos: las maderas suaves y las maderas duras. Las suaves son las

que tienen menor tiempo de desarrollo y de madurez mientras que las maderas duras son

las que poseen un mayor tiempo de madurez y desarrollo por lo que sus propiedades son

de mayor calidad [18]. La densidad es inferior a la de las fibras ya mencionadas; pero

sus propiedades mecanicas son similares. Por otra parte el problema en estas fibras es el

tiempo de crecimiento ya que es mayor a las demas fibras vegetales, lo que se convierte en

una desventaja si se observa como una alternativa de produccion masiva. La tabla 1.9

resume las propiedades mecanicas de las fibras de madera.

9

Tabla 1.9: Propiedaes mecanicas de fibras de madera [19], [20].



Madera 380 - 550 15 - 20 - - 160 23 41 - 60 [19], [20]

Desde el punto de vista quımico, se observa que el porcentaje de lignina y celulosa

es similar a las demas fibras vegetales; por lo tanto son adecuadas para ser refuerzo de

materiales compuestos y para distintos usos a nivel industrial, siendo la mas importante

la produccion de papel. La tabla 1.10 muestra la composicion quımica de las fibras de

madera.

Tabla 1.10: Composicion quımica de fibras de madera [4].

FibraCelulosa Hemicelulosa Lignina Pectina Ceras Porcentaje Ref.

de humedad(%) (%) (%) (%) (%)

M. Suave 40 - 45 27 26 - 34 7 - 14 - - [4]M. Dura 38 - 9 35 23 - 30 19 - 26 - - [4]

1.6 Fibra de bambu (Guadua Angustifolia)

La “Guadua Angustifolia Kunt” (GAK), tambien conocida como planta no maderable

perteneciente a la familia de pastos y juncos, conocida mundialmente como “bambu”

es una planta que tiene una forma caracterıstica similar a un tallo nodulado largo con

crecimiento en lınea recta uniforme, es liviana y hueca en el centro, muy resistente y de

rapido crecimiento [21].

La GAK es la especie de bambu que posee las mejores propiedades fısicas y

mecanicas en el mundo. Tambien es conocida por su alta durabilidad ademas tiene un

rapido crecimiento pudiendo cosecharse cada cuatro o seis anos con diferencia de la mayorıa

de maderas que tarda alrededor de los veinte anos para encontrar su madurez [22].

La GAK, de acuerdo a su crecimiento, se divide en seis partes, desde el rizoma que

es la base o raız a continuacion se tiene la cepa, la basa, hasta llegar a aproximadamente

la mitad de la planta que es conocida como sobrebasa, el varillon y el copo en la parte

superior. Las dos ultimas partes no son empleadas cuando se aplica para la construccion

puesto que no tienen propiedades mecanicas aceptables. La figura 3.4 presenta un esquema

detallado de las partes de la planta de GAK.

10

Figura 1.4: Partes planta de bambu [22].

1.6.1 Condiciones de crecimiento de bambu en general y la GAK

El bambu en su variedad de especies puede producirse en rangos de temperatura desde los

4 grados centıgrados hasta los 47 grados centıgrados, con una precipitacion de 762 mm

hasta los 6350 mm por ano [23], se lo puede localizar hasta los 4300 metros sobre el nivel

del mar y con una latitud aproximada desde los 46◦ N hasta los 47◦ S. En la figura 3.5 se

muestra la distribucion de zonas de produccion de bambu [24].

Figura 1.5: Distribucion de los bambues lenosos [24].

La GAK tiene un biotipo similar al de la cebolla castilla, macana y rayada negra

que se localiza entre los 0 y 2200 metros sobre el nivel del mar. Sin embargo el mejor

desarrollo, para obtener tallos gruesos con gran diametro y altura de 30m aproximadamente,

11

se lo encuentra entre los 900 y los 1600 metros sobre el nivel del mar con una precipitacion de

2000 milımetros a 2500 milımetros [25], con una humedad ambiental del 80% y temperaturas

de alrededor de 20◦C [26].

1.6.2 El culmo de la planta

El culmo de planta de bambu consta de: nodos (celulas orientadas transversalmente)

e internodos (celulas orientadas axialmente) lo que permite el transporte de nutrientes

y demas sustancias [27]. La microestructura de la planta de bambu funciona como un

material compuesto natural ya que la densidad de la parte externa es mayor que de la

parte interna en el internodo. La figura 3.6 muestra las partes del culmo.

Figura 1.6: Partes del culmo [28].

1.6.3 Fibras en el culmo

La pared del culmo esta formada por celulas parenquima que representan el 50% de

volumen de la planta, haces vasculares que tambien se comportan como tejidos conductores

que representan un 10% de la planta y por ultimo posee un 40% de fibras. Los haces

vasculares estan distanciados por celulas de parenquima, estos estan estructurados por

tubos de xilema y floema rodeados por fibras. La figura 3.7 muestra la seccion de pared

del culmo [22].

12

Figura 1.7: Seccion de la pared del culmo [29].

1.6.4 Componentes quımicos que brindan las caracterısticas a laGAK

Los componentes quımicos mas importantes que intervienen en el comportamiento mecanico

y estructural de las plantas son principalmente la celulosa, hemicelulosa y lignina. La

celulosa constituye gran parte de todo el reino vegetal, es el esqueleto de la fibra que le

proporciona la resistencia mecanica a la planta. La hemicelulosa se encuentra rodeando

las fibras de celulosa cristalizandose con ellas lo cual le da rigidez y capacidad mecanica

a la pared celular de la planta. La lignina que se encuentra entre el 20% y 30% de la

materia organica del reino vegetal proporciona propiedades de elasticidad, es conocida como

polımero vegetal y se encarga de unir las fibras entre sı. Es un material hidrofobico [22].

El bambu es considerado uno de los ultimos recursos vegetables sostenibles que

no ha sido masivamente explotado [30].

1.6.5 Aplicaciones generales del bambu

En el 2003 el mercado mundial de bambu alcanzo un nivel de ventas de aproximadamente

10 billones de dolares, la demanda sigue creciendo por sus propiedades mecanicas elevadas.

Ademas posee areas de cultivo muy extensas ya que sus condiciones son muy favorables en

una amplia gama de zonas climaticas. Hoy en dıa la industria del bambu tiene una gran

importancia en la produccion alimenticia ya que parte de su planta es comestible [16].

Por otra parte, el bambu tiene gran potencial como madera ya que posee buenas

13

propiedades de resistencia convirtiendose en un posible sustituto ademas por la rapida

taza de crecimiento y su bajo costo [31].

Los usos mas conocidos del bambu son: pisos, muebles, construcciones y table-

ros [32]. Para la construccion son muy usados en uniones, en tanques de almacenamiento de

agua ya que son economicos, en cercas o paredes en las cuales no se necesite gran seguridad,

en andamios para realizar trabajos de pintura y apoyo de materiales. En la creacion de

tableros se puede realizar laminados y conglomerados. El uso de mayor importancia es

en el mercado automotriz, en el Tokio Motor Show 2005 la companıa Chrysler presento

un vehıculo con el interior de bambu [16]. Existen muchas aplicaciones adicionales, sin

embargo se pretende senalar las mas conocidas de acuerdo a sus partes y crecimiento. La

figura 3.8 resume las aplicaciones actuales del bambu.

1.7 Fibra de bambu (GAK) en el Ecuador

La “Guadua Angustifolia Kunt” es el nombre cientıfico de la cana guadua nativa de

Ecuador, Colombia y Venezuela la cual es considera de gran valor economico, social,

ambiental entre otros ya sea por sus multiples aplicaciones que pueden ser de ındole

productiva o ambiental [34].

La velocidad de crecimiento de la GAK depende de las condiciones climaticas y del

suelo; pero un estudio realizado en la empresa Acero Vegetal - Tandilsa han determinado

que en la zona de Bucay, provincia de Guayas el crecimiento de la planta alcanza los 13.5

cm diarios, cuya cosecha se realiza en un promedio de 3.5 a 4.5 anos [34].

1.7.1 Tipos de bambu cultivados en Ecuador [35]

Especies nativas

• Guadua Angustifolia

• Guadua Weberbaueri

• Aulonemia Queko

• Aulonemia Patula

• Chusquea spp.

14

Figura 1.8: Bambu partes y usos [33].

• Neurolepis Elata

• Neurolepis Rıgida

• Rhipidocladum Harmonicum

• Rhipidocladum Racemiflorum

Especies introducidas

• Dendrocalamus Asper

• Dendrocalamus Giganteus

15

• Dendrocalamus Femiscandes Hsueh et D. Z. Li

• Bambusa Intermedia Hsueh et Yi

• Bambusa Vulgaris var. Vittata

• Bambusa Ventricosa Mc. Clure

• Bambusa Blumeana Schult

• Bambusa Pervariabilis

• Phyllostachys Nigra

1.7.2 Produccion de GAK en el Ecuador

La produccion de GAK en el ano 2003 se estimo en 8000 hectareas de las cuales solo

3000 son plantaciones programadas y 5000 son de crecimiento natural. En la tabla 1.11 se

muestra la distribucion por provincias [36]. Se observa un interesante campo de incursion

ya que la produccion de plantaciones programadas deberıa ser superior a las de crecimiento

natural. Se estima actualmente la produccion de GAK en el Ecuador en 15000 hectareas

entre las de crecimiento natural como las plantaciones programadas [37].

Tabla 1.11: Plantaciones de Guadua Angustifolia por provincia

Provincia Hectareas Porcentaje (%)

Pichincha 751.5 17.6Guayas 1464.5 34.3Manabı 375 8.8Los Rıos 1174 27.5El Oro 100 2.3Esmeraldas 240 5.6Bolıvar 80 1.9Cotopaxi 60 1.4Pastaza 13 0.3Zamora 12 0.3

Total 4270 100

1.7.3 Generalidades de la GAK en el Ecuador

La GAK es una planta cuyo crecimiento es muy rapido; pero para alcanzar su madurez

necesita de aproximadamente cuatro anos y medio a cinco [37]. Para llegar a esta madurez

necesita de cuatro fases:

16

Etapa del Renuevo: es el brote o rebrote conocida como la primera fase, se la puede

reconocer por la cubierta que posee de hojas caulinares o de color cafe protectoras

del culmo contra el ataque de parasitos en su primera etapa. El crecimiento con el

estiramiento de los nodos y la formacion de entrenudos en un tiempo aproximado de

150 a 180 dıas [38].

Etapa de Verde, joven o viche: ya concluida la primera etapa de este proceso comi-

enzan a formarse ramas laterales y el follaje experimenta un crecimiento progresivo,

su color es verde intenso con bandas blancas en los nudos. En esta etapa, la planta,

no es apta para usos fısicos pero tiene gran cantidad de azucares y almidones [37].

Madura, Gecha: esta es la etapa en que la guadua adquiere propiedades fısicas y

mecanicas y es la hora en la cual se la debe cosechar. La caracterıstica princi-

pal es que pierde su coloracion verde intensa, a una verde amarillenta por lo general

aparecen manchas de color blanco o gris este indicador aparece entre los 3 y 5

anos [38].

Seca: Es la etapa en la cual la guadua se torna de color amarillo rojizo, este estado

demuestra que ha perdido sus propiedades mecanica [38].

1.7.4 Dimensiones del culmo de GAK

En la tabla 1.12 se muestran los rangos generales de crecimiento de la cana guadua.

Tabla 1.12: Dimensiones del culmo de la cana Guadua [39].

Factor Rango General

Longitud Total 15 - 30 mDiametro de Culmo 10 - 20 cmLongitud entrenudo 20 - 30 cmGrosor de Pared 2 - 5 cm

1.7.5 Propiedades de la GAK

1.7.5.1 Propiedades quımicas

Se realiza un recuento de las propiedades quımicas que posee la GAK en nuestro paıs

con los datos obtenidos por la Escuela Politecnica Nacional. La tabla 1.13 presenta las

propiedades quımicas de la GAK en Ecuador.

17

Tabla 1.13: Propiedades quımicas GAK en el Ecuador [40]

Especie

SolubilidadLignina Pentosan Ceniza Celulosa

Agua Alcohol benceno % % % %% %

Guadua 10.09 4.03 19.72 11.65 5.16 59.77Angustifolia

1.7.5.2 Propiedades mecanicas

Las propiedades mecanicas de la GAK son comparables con las de diversas maderas y en

la mayorıa de casos las superaran. La ventaja destacable es el rapido crecimiento y la

facilidad de cultivo.

Las propiedades mecanicas obtenidas con GAK proveniente de Colombia son

presentadas en la tabla 1.14. Las propiedades de una misma especie pueden variar de

acuerdo a la forma de cultivo.

Tabla 1.14: Tabla comparativa de propiedades mecanicas Guadua Angustifolia [20].

MaterialMET MEC MEF RT RC (MPa) RF(GPa) (GPa) (GPa) (MPa) Perpendicular fibra Paralelo fibra (MPa)

Guadua 190 184 179 430 560 650 740Aliso - - - 108 68 357 460Arboloco - - - 500- 1500 132 405 390Otras maderas 90 -180 96 - 169 108 - 128 1000 50 - 144 400 500 - 720

1.7.6 Ventajas ambientales de la cana guadua [40]

Es una planta perenne, es decir tiene la capacidad de regenerarse naturalmente por lo que

su rendimiento en volumen por hectarea es muy grande.

Por su rapido crecimiento es una planta bajo costo.

La guadua angustifolia y el bambu poseen efectos protectores en los suelos y en

las aguas de las micro cuencas, ya que proporcionan, con sus raıces, un amarre de los

suelos evitando erosion y desbanques.

Esta especie es una gran productora de oxıgeno y fijador de CO2 por lo que

brindan un efecto de purificacion en el medio ambiente

18

1.8 Polietileno como matriz

El polietileno es uno de los polımeros de mayor produccion en el mundo, se encuentra

en la mayorıa los elementos de uso diario. En la actualidad ha sido ocupado en variedad

de propositos tanto donde el requerimiento sea de un material suave y flexible hasta un

material duro y resistente. La materia prima para formar polietileno es el petroleo, tratado

por medio del cracking a elevadas temperaturas se obtiene el etileno. La combinacion de

miles de moleculas de etileno forman el polietileno [41]. La figura 3.9 muestra la estructura

quımica del etileno y polipropileno.

Figura 1.9: Estructura quımica del etileno y polietileno [41].

1.8.1 Densidad del polietileno

Los polietilenos se clasifican por su densidad. Entre los principales estan los siguientes

PEBD (Polietileno de baja densidad), PEAD (Polietileno de alta densidad), PEBDL

(Polietileno de baja densidad lineal). La diferencia de estos se encuentra en la ramificacion

que poseen como se observa en la figura 3.10.

Figura 1.10: Efectos de la ramificacion en la densidad [42].

1.8.1.1 Polietileno de alta densidad (PEAD)

El polietileno de alta densidad es aquel que no posee ramificaciones en su cadena principal.

Es un polımero lineal que se caracteriza por su resistencia a la traccion y por su alto peso

19

molecular [43].

1.8.1.2 Polietileno de baja densidad (PEBD)

El polietileno de baja densidad posee ramificaciones. Las cadenas de este polımero no se

conforman bien en la estructura cristalina lo que proporciona una menor compactacion y

disminucion en su resistencia a la traccion; pero lo hace mas ductil [43].

1.8.1.3 Polietileno de baja densidad lineal (PEBDL)

El polietileno de baja densidad lineal esta formado por un numero alto de ramificaciones

cortas. este es un Copolımero formado por etileno y alfa olefinas de cadena corta. Se

obtiene un polımero con menor densidad pero con propiedades similares al polietileno de

alta densidad ya que esta modificacion lo hace mas resistente a la traccion, al impacto y a

la perforacion en comparacion con el polietileno de baja densidad [43].

1.8.1.4 Otros tipos de polietileno

Existe una amplia gama de polietilenos como se indica a continuacion:

• Polietileno de ultra alto peso molecular (UHMWPE).

• Polietileno de ultra bajo peso molecular (ULMWPE o PE-WAX).

• Polietileno de alto peso molecular (HMWPE).

• Polietileno de alta densidad reticulado (HDXLPE).

• Polietileno reticulado (PEX o XLPE).

• Polietileno de media densidad (MDPE).

• Polietileno de muy baja densidad (VLDPE).

• Polietileno clorado (CPE).

1.8.2 Propiedades fısicas y mecanicas de los polietilenos mas cono-cidos

Las propiedades fısicas y mecanicas en los polımeros son muy variables ya que existen gran

variedad de procesos productivos y empresas productoras. En la tabla 1.15 se presentan

20

las propiedades mas relevantes de los polietilenos de alta y baja densidad.

Tabla 1.15: Propiedades fısicas y mecanicas de PEAD y PEBD [22].

PolımeroDensidad Absorcion Resistencia Elongacion Modulo

de Agua a la tension ruptura tension(g/cm3) % (MPa) (%) (MPa)

PEAD 0.914 - 0.928 ≤ 0.01 8 - 23 300 - 1000 200 - 500PEBD 0.94 - 0.96 ≤ 0.01 18 - 35 100 - 1000 700 - 1400

1.9 Polipropileno como matriz

El polipropileno es un polımero que puede ser fabricado como plastico y como fibra ya

que es un material liviano. Por la baja densidad es empleado como plastico y es de

gran utilidad en elementos que requieran temperaturas de estabilizacion altas ya que se

mantiene estable a temperaturas hasta los 100◦C sin deteriorarse. Es muy ocupado como

fibra para piscinas y canchas de tenis por su bajo porcentaje de absorcion de agua por lo

que es un buen candidato a utilizar como matriz de compuestos ya que posee muy buenas

propiedades. En la figura 3.11 se presenta el monomero constitutivo [41].

Figura 1.11: Estructura quımica del propileno y polipropileno [41].

1.9.1 Tacticidad del polipropileno

Esta definida por la organizacion de los grupos metılicos del polımero. Pueden ser

isotacticos, sindiotacticos y atacticos, las dos tacticidadades nombradas como isotacticos

y sindiotacticos son las estructuras mas ordenadas que le imprimen al polımero buenas

caracterısticas fısicas siendo un polımero cristalino y el atactico presentan estructuras

desordenadas o distribuidas al azar por lo que tiene propiedades menores. En la figura 3.12

se observa los tipos de tacticidades del polipropileno [41].

21

Figura 1.12: Tacticidad del polipropileno [44].

1.9.2 Propiedades fısicas y mecanicas del polipropileno

Las propiedades fısicas y mecanicas del polipropileno tambien pueden variar de acuerdo al

fabricante y a su tacticidad. El modelo de tacticidad mas ocupado es el isotactico por lo

que ha demostrado mayor interes comercial [44]. La tabla 1.16 resume las propiedades

fısicas y mecanicas del polipropileno.

Tabla 1.16: Propiedades fısicas y mecanicas del PP [22].



PP 0.90 - 0.907 0.01 - 0.03 21 - 37 20 - 800 1100 - 1300

1.10 Resina poliester insaturado como matriz

Estas resinas son el resultado de la condensacion lineal de un di-acido como el maleıco,

ftalico o adıpico con un di-alcohol como el propilenglicol, etilenglicol o el neopentilglicol.

Se mezcla con un monomero insaturado normalmente estireno [45] y con un catalizador.

La figura 3.13 muestra la formacion de la resina poliester.

1.10.1 Resinas poliesteres de mayor uso

Las resinas poliester estan formadas de una mezcla homogenea de una cadena polimerica

central en base a poliester disuelta en un monomero de estireno mas glicoles acidos

22

Figura 1.13: Formacion de resina poliester insaturado [45].

saturados e insaturados que le agregaran las propiedades definitivas a la resina. Ademas

de estas, existe gran variedad de resinas con mejores propiedades y adaptadas a cada

necesidad por lo que son las mas producidas [45].

Resina Vinilester

Estas resinas son llamadas ası por poseer en las ramificaciones de sus moleculas

grupos vinılicos (-C=CH2), se le puede hacer diferentes modificaciones a sus cadenas

para formar una resina vinilester estandar, retardante a la llama y novoloc entre los mas

conocidos [46]. La figura 3.14 presenta la cadena molecular de una resina vinilester.

Figura 1.14: Composicion quımica resina vinilester [45]

Resina Isoftalica

Las posibilidades de combinacion de las resinas pueden ser infinitas. Cada de una

de las combinaciones puede poseer acido saturado, acido insaturado, glicol y un monomero.

La resina isoftalica esta formada por acido saturado isoftalico, acido insaturado maleıco,

propilenglicol, y monomero de estireno, estas resinas presentan buena resistencia a los

quımicos, bajo porcentaje de absorcion de agua y alta temperatura de distorsion entre

las mas importantes [46]. La figura 3.15 presenta la composicion quımica de la resina

isoftalica.

Resina Ortoftalica

La resina Ortoftalica se forma de una manera similar a la Isoftalica, la unica

diferencia se da en el cambio del acido saturado Isoftalico por el acido saturado Ortoftalico,

23

Figura 1.15: Composicion quımica resina isoftalica [45].

permitiendo que sus propiedades varıen notablemente. Son mas rıgidas, presentan tiempo

de gel mas prolongado, se produce menor resistencia quımica, mayor absorcion de agua

y menor resistencia al impacto entre las mas importantes [46]. La figura 1.16 presenta

composicion quımica resina ortoftalica.

Figura 1.16: Composicion quımica resina ortoftalica [45].

1.10.2 Propiedades de la resina poliester insaturada grado 802

La resina poliester insaturada posee gran variedad de combinaciones y propiedades; pero la

mas ocupada es la UP (Resina Poliester Insaturada) de grado 802. La tabla 1.17 muestra

algunas propiedades fısicas y mecanicas de estas resinas.

Tabla 1.17: Propiedades fısicas y mecanicas del UP grado 802



UP 2 0.03 - 0.5 30 0.6 - 1.2 14000 - 20000

1.11 Procesos de obtencion de fibra natural de GAK

Para la obtencion de fibra hay que tener clara la diferencia entre un haz de fibras y una

fibra tecnica o elemental. El haz de fibras es el conjunto de fibras tecnicas con un diametro

24

promedio de entre 100 - 300 µm; mientras que una fibra tecnica es una celula de alta

relacion de aspecto con una doble pared celular con diametro promedio de 10 - 20 µm [47].

Los elementos vegetales que contienen fibras estan formados principalmente por

hemicelulosa, celulosa y lignina. Estos componentes difieren en su composicion molecular

y estructural por lo tanto las propiedades fısicas varıan [48].

1.11.1 Celulosa, hemicelulosa, lignina

Celulosa

Este es un componente de tipo polimerico biodegradable mas abundante en el

mundo ya que se estima que la naturaleza es productora de entre 10 x E10 y 10 x E

11 toneladas por ano [49]. Tambien es de los mayores constituyentes de los organos

fotosinteticos. Tiene composicion variable en diferentes especies. Le proporciona a la fibra

su enorme resistencia [48].

Su estructura quımica es conocida luego de varias investigaciones como un homo-

polımero lineal de glucanos que posee una estructura de cadena uniforme. Estas uniones

estan enlazadas por uniones de tipo β (1-4)1 glucosıdicas [48]. En la figura 3.17 se observa

la formula de la celulosa cuya longitud es de 1.03 nm [50].

Figura 1.17: Formula de la celulosa [48].

Hemicelulosa

Compuesto que esta presente en las paredes celulares de las fibras y se encuentran

en forma amorfa o paracristalina. Presenta caracterısticas importantes como la confor-

macion de azucares con union similar a la de la celulosa que es la de tipo β (1-4) y la

presencia de una caracterıstica estructural que no le permite formar agregados como los

de la celulosa. La hemicelulosa es una matriz para las microfibrillas y compatibilizaste

1Dos unidades de glucosa adyacentes estan enlazadas por la eliminacion de una molecula de aguaentre sus grupos hidroxılicos en el carbono 1 (C1) y el carbono 4 (C4). La posicion β del grupo OH en elC1 necesita que la unidad de glucosa siguiente gire alrededor del eje C1-C4 del anillo de piranosa.

25

interfacial [49].

Lignina

Es un componente de los tejidos de las plantas el cual es complemento que

funciona como un fijador polimerico para las paredes celulares de las fibras principalmente

lenosas [48]. Es un complemento para la union de las fibras, es muy importante separarlo

de la fibra para utilizar la fibra tecnica. Antes de realizar este proceso de eliminacion de

lignina es muy importante realiza un proceso de descerado [51].

1.11.2 Proceso de descerado

Este proceso se realiza con el fin de eliminar elementos de naturaleza grasosa. Estos

elementos estan presentes en vegetacion de tipo fibroso, evitan la deshidratacion de estos

vegetales por lo que son insolubles en medios acuosos [11]. Para lograr un elemento ıntegro

y limpio se realiza el descerado mediante un “Extractor Soxhlet”, este elemento es ocupado

para la extraccion.

Extraxtor Soxhlet [52]

Este proceso de extraccion se define como la accion de separar mediante un lıquido

una fraccion especifica del elemento generalmente de naturaleza lipıdica para lograr un

residuo con naturaleza ıntegra. Se puede realizar con diferentes estados de la materia, del

estado solido al lıquido que es la mas utilizada, del estado lıquido a lıquido y de gas a

lıquido, mas conocido como lavado de gases.

Este proceso se realiza con el fin de filtrar, en su totalidad, el solvente ya que

si se realizara de una manera comun el solido quedarıa saturado del solvente lo cual no

es bueno para un proceso posterior, por lo que el extractor soxhlet realiza un sinfın de

filtraciones para separar completamente la fraccion necesaria o innecesaria con el solvente

consiguiendo la parte ıntegra.

Etapas de proceso de extraccion Soxhlet [53]

El proceso sigue los siguientes pasos:

• En la etapa dos se coloca el solvente en el balon

• En la etapa uno el solvente hace ebullicion y se traslada hacia el condensador de

reflujo.

26

• En la etapa tres el condensado cae sobre el recipiente que contiene el cartucho donde

se encuentra el elemento. El cartucho es de naturaleza porosa generalmente de

porcelana o algodon y posee un tapon para evitar contaminaciones, el tapon es

normalmente hecho de algodon envuelto en gasa.

• En la etapa cuatro se realiza el ascenso del solvente que permite cubrir el cartucho

hasta permitir el reflujo haciendo retornar el solvente con lo extraıdo al balon.

• En la etapa cinco se repite el proceso hasta que obtener el material deseado.

Punto de ebullicion de los diferentes solventes

Es importante saber cual es punto de ebullicion de cada solvente para poder

controlar las etapas del proceso y la intensidad de calentamiento. En la tabla 1.18 se

observa los puntos de ebullicion de algunos solventes.

Tabla 1.18: Punto de ebullicion solvente para extraccion [53].

Solvente Punto de ebullicion ( ◦C)

Eter 35Diclorometano 40

Eter de petroleo 35 - 50Cloroformo 62Metanol 65Etanol - Benceno 65Hexano 69Etanol Tolueno 73Acetato de Etilo 77Etanol 78Benceno 80Ciclohexano 81

Acido formico 101Dioxano 102Tolueno 111

1.11.3 Procesos de limpieza de la fibra (eliminacion de la lignina)

Proceso mecanico

Este proceso se puede realizar manualmente, por enriado y por descortezado. La

manera manual se la efectua mediante los siguientes procedimientos: cortar el elemento

de donde se obtendra la fibra en fracciones, luego estas pasan a un proceso de cepillado

27

mediante una cardadora metalica que permite separar las fibras con el resto de componentes,

se termina con un proceso de limpieza manual y secado [54]. El metodo de extraccion

mecanica por enriado consiste en la extraccion de las fibras sumergidas en agua, una vez

suavizadas las mismas se las golpea y se las vuelve a mojar y el secado se puede realizar

luego de 5 o 13 dıas. Posteriormente se realiza una extraccion con la cardadora para

finalmente golpearlas y dejarlas secar. El metodo de descortezado se realiza con una

descortezadora, despues de pasar por este elemento la fibra pasa a ser lavada y secada [54].

Proceso quımico

El proceso quımico de limpieza de la fibra se realiza luego de un proceso mecanico.

Hay diferentes metodos como el metodo Kraft y el alcalino que son los mas ocupados

para obtener la pulpa de papel. El metodo alcalino consiste en dar un bano de hidroxido

de sodio (NaOH) en diferentes concentraciones y tiempos, dependiendo del tipo de fibra.

El metodo Kraft tiene una modificacion, utiliza NaOH y sulfuro de sodio (Na2S) este

componente estabiliza la celulosa y hace las veces de catalizador en la reaccion para acelerar

el proceso y proteger del dano ambiental [22].

Proceso fısicos

Los procesos fısicos involucran la fibrilacion superficial con descargas electricas. Los

procesos fısicos mas conocidos se realizan mediante plasma frıo, este permite implantacion

quımica, polimerizacion, formacion de radicales libres, cristalizacion. Se realiza con el uso

de electrones, iones, radicales y moleculas excitadas mediante descarga electrica [55]. El

sputtering es un proceso utilizado para limpieza de superficies, consiste en la extraccion

de atomos de la superficie de un electrodo mediante intercambio de momento con iones

que bombardean los atomos de la superficie [56]. La descarga de corona es un ejemplo

de pulsos de descargas atmosfericas [57], es un proceso de oxidacion avanzada (AOP

Advanced oxidation process) con el cual se realiza un tratamiento para la eliminacion de

contaminantes organicos [58].

1.12 Procesos de manufactura

Moldeo por inyeccion

Este tipo de proceso de manufactura es uno de las mas ocupados para la creacion

de productos con materiales termoplasticos y mucho mas importante en artıculos con

formas complejas que requieren precision en sus dimensiones. Todos los procesos necesitan

28

un proceso previo de extrusion para garantizar el fundido del material y un diseno correcto

de manera que entregue la cantidad correcta de material para el moldeo con la presion

necesaria [59]. En la figura 3.18 se muestran las partes de una inyectora de tornillo.

Figura 1.18: Partes de una inyectora y platinas de un molde de inyeccion [60].

Ciclo de inyeccion

El ciclo de moldeo por inyeccion contempla varias etapas. La primera consiste en

el cierre del molde vacıo al mismo tiempo que se tiene la cantidad de material fundido

para inyectar el molde, se cierra de manera lenta para el contacto y de manera mas rapida

para el cierre manteniendo la presion, en la segunda etapa se inyecta el material, en la

tercera etapa se mantiene la presion de inyeccion para evitar la contraccion de la pieza

hasta que se enfrıe, en la cuarta etapa se vuelve a plastificar el material y el tornillo se

retira hasta poseer la cantidad de material necesaria para la siguiente inyeccion, en la

quinta etapa se retira la pieza inyectada solidificada y en la ultima etapa se cierra el molde

e inicia un nuevo ciclo. En la figura 3.19 se presenta un ciclo de inyeccion.

Moldeo por compresion de termoplasticos

Es una tecnica de moldeo empleada en su mayorıa en el area automotriz por

su semejanza al estampado de metales y en areas en donde se necesita la obtencion de

elementos polimericos de grandes dimensiones. Se emplea tanto para elementos comerciales

como estructurales. La ventaja es que el material no sufre grandes deformaciones al

moldearse. Este proceso disminuye el desperdicio de material y mediante automatizacion

se puede disminuir los tiempos de ciclo de moldeo. El proceso mas utilizado para materiales

compuestos es la tecnica de moldeo por compresion de preformas termoplasticas que consiste

29

Figura 1.19: Ciclo de inyeccion a) Etapa 1 y 6 b) Etapa 2 c) Etapa 3 d) Etapa 4 e) Etapa 5[61].

en ubicar las materias primas cortadas y colocarlas en un molde metalico, luego de colocar

el material se realiza un precalentado y se aplica presion, quedando el material con la

forma del molde. La figura 3.20 muestra un molde de compresion [62].

Figura 1.20: Moldeo por compresion [62].

Las planchas calefactoras son generalmente calentadas por medios electricos

mediante niquelinas o torpedos calefactores y estabilizadas mediante controles de conexion

y desconexion de las mismas. La pieza, luego de este proceso es necesario que este

completamente solidificada para que sea retirada sin que se presenten problemas; por lo

30

que se necesita un sistema de refrigeracion en muchos casos similar al proceso de inyeccion

en otros casos se da mediante secado al ambiente apagando el equipo de calentamiento y

esperando hasta que el elemento se solidifique por completo [63].

Calandrado

Este proceso se utiliza para la produccion de hojas y pelıculas con materia prima

de elastomeros y termoestables elasticos. El proceso se da al pasar por rodillos calefactores

con el fin de ir plastificando y formando el material en forma de lamina y al espesor

deseado. En terminos economicos es un equipo costoso pero la produccion es muy alta

ya que se puede lograr una velocidad de produccion de 2.5 m/s. luego del proceso, los

resultados que se obtienen son de un muy buen acabado y con precision en los espesores. El

proceso es determinado por la temperatura, presion y velocidad rotacional del rodillo [64].

La figura 3.21 presenta un esquema del calandrado.

Figura 1.21: Moldeo por calandrado [65].

El proceso consiste en pasar el material precalentado por una serie de rodillos con

el fin de obtener espesores y dimensiones deseadas, una vez pasado este proceso se procede

a enfriarlo luego a cortarle las imperfecciones que se encuentran en los bordes .

1.13 Conclusion

• Como se observa las fibras naturales son un potencial refuerzo para generar materiales

compuestos.

• La guadua posee propiedades mecanicas fısicas y quımicas elevadas.

• El conformado mas adecuado para materiales compuestos se debe realizar mediante

un pre extruido para asegurar la union de los elementos reforzantes y un proceso

31

posterior que permite obtener un material con buena consistencia entre los mas

estable se presenta la compresion en caliente y la inyeccion.

32

2 PROPUESTA DE DISENO DE UN MATERIALCOMPUESTO EN BASE A FIBRA NATURAL

Introduccion

El capıtulo 2 tiene como objetivo encontrar los mejores elementos y procedimientos

a utilizar en el desarrollo del proyecto mediante un informe comparativo. De esta manera

se lograra una propuesta solida para generar un nuevo material compuesto con las mejores

caracterısticas y propiedades para nuestra region.

2.1 Seleccion de la fibra

Las fibras naturales presentes en nuestro paıs son variadas de las cuales se han incursionado

en gran medida a nivel industrial por sus buenas propiedades. En el Ecuador son varias

las fibras que se utilizan donde se puede nombrar las siguientes [66]: abaca, cabuya, coco,

cascarilla de arroz, bagazo, banano y raquis de palma africana de las cuales se ha logrado

grandes propiedades.

2.1.1 Fibras con capacidad reforzante

Para la seleccion de la fibra a emplear en la investigacion se utilizo una matriz de

ponderacion a fin de seleccionar la fibra adecuada para la produccion de compuestos

polimericos. Las fibras analizadas fueron [66]: yute, algodon, kenaf, banano, Bambu

(Guadua Angustifolia) en la tabla 2.1 se observa el significado de cada ponderacion y en la

tabla 2.2 la calificacion mediante una tabla de interrelacion.

2.1.2 Resultados de seleccion de fibra

Del analisis realizado de posibles fibras para refuerzo por su: produccion a nivel nacional,

su tasa de crecimiento y cultivo, sus propiedades tanto mecanicas, fısicas y quımicas,

33

Tabla 2.1: Tabla de ponderaciones

Ponderacion Significado

4 Excelente3 Muy buena2 Buena1 Regular

Tabla 2.2: Tabla de interrelacion

Yute Algodon Kenaf Banano Bambu Referencia

Produccion 3 4 2 2 4 [67]Tasa de crecimiento 2 2 4 2 4 [68], [69], [70],

[71], [72]Propiedades mecanicas 3 3 3 3 4 [66]Propiedades quımicas 4 4 3 4 3 [66]Propiedades fısicas 2 3 3 3 3 [66]Facilidad de obtencion 4 3 3 3 1

Total 18 18 18 17 19

su facilidad de obtencion la mas destacada fue la fibra de bambu que presento mejores

caracterısticas a las comparadas.

2.2 Seleccion de matriz polimerica

La matriz posee funciones como: aglutinante para mantener el refuerzo en su lugar,

protege al refuerzo, redistribuye la matriz de la carga a las fibras que rodean cuando existe

fracturas en las fibras individuales y apoya lateralmente a las fibras para evitar el pandeo

en compresion del compuesto [73].

2.2.1 Matrices polimericas

Para la matriz polimerica a seleccionar se incursiona principalmente en los termoestables

y los termoplasticos donde se compara los principales parametros como: temperatura de

procesamiento, tiempo de procesamiento, temperatura de uso, resistencia a los disolventes

y su dureza como tambien el metodo de conformado su dificultad y costo. De acuerdo

a estas caracterısticas se califica a cada matriz con las ponderaciones mostradas en la

tabla 2.3 y su interrelacion en la tabla 2.4.

34

Tabla 2.3: Tabla de ponderacion polımeros


5 Negativo10 Positivo


Termoplasticos Termoestables

Temperatura de procesamiento 10 10Tiempo de procesamiento 10 5Temperatura de uso 5 10Resistencia a los disolventes 5 10Dureza 10 5Toxicidad 10 5Dificultad de procesamiento 10 5Costo de procesamiento 10 5

Total 70 55

2.2.2 Resultados

La matriz a utilizar es termoplastica de la cual se ha destacado varios aspectos: tempe-

ratura de procesamiento efectiva, menor tiempo de procesamiento, temperatura de uso

adecuada para conservar propiedades del reforzante, buenas propiedades mecanica, no son

resinas toxicas, facil procesamiento. Las resinas mas utilizadas a nivel nacional son las

siguientes: polietileno de baja densidad (LDPE), polipropileno de alta densidad (HDPE) y

polipropileno (PP), polietileno translucido (PET), poliestireno (PS) y policloruro de vinilo

(PVC) [74], [75], [76], [77]. En la tabla 2.5 se muestra caracterısticas comparativas.

Tabla 2.5: Propiedades de polımeros termoplasticos mas utilizados [78]

Propiedad PP LDPE HDPE PS PVC

Densidad (g/cm3) 0.899 - 0.920 0.910 - 0.925 0.94 - 0.96 1.04 - 1.06 1.36 - 1.40Absorcion de humedad (%) 0.01 - 0.02 < 0.015 0.01 - 0.2 0.03 - 0.10 0.04 - 0.4Tg (◦C) -10 a 23 -125 -133 a 100 – 106 - 155Tm (◦C) 160 - 176 105 - 116 120 - 140 110 - 135 212Esfuerzo a traccion (MPa) 26 - 41.4 40 - 78 14.5 - 38 25 - 69 50 - 80Modulo de elasticidad (GPa) 0.95 - 1.77 0.055 - 0.38 0.4 - 1.5 4 - 5 2.9 - 3.4Esfuerzo a impacto (J/m) 21.4 - 267 > 854 26.7 - 1068 1.1 –

35

2.3 Seleccion del proceso de tratamiento superficial

Existe dos metodos para mejorar la adhesion matriz termoplastica con refuerzo de fibras

naturales: la primera consiste en tratar a la fibra, cuyo proceso es la eliminacion de

componentes como lignina y grasas de las fibras y la segunda es tratar a la matriz mediante

la creacion de componentes OH para lograr la union de ambos materiales como se destaca

en el capitulo 1.

2.3.1 Modificacion realizada a la fibra

En los tratamientos y modificaciones que se realizan a la fibra para la adhesion en el

compuesto se destaca lo siguiente:

• Modificacion quımica: se encuentra el metodo kraft, anhıdrido acetico, hidroxido de

sodio (tratamiento alcalino) entre los mas utilizados.

• Modificacion fısica: lo mas notable son descargas corona con plasma frıo de oxıgeno

donde se modifica la energıa superficial de las fibras.

2.3.2 Modificacion realizada a la matriz

En lo que respecta a tratamientos y modificaciones que se realiza a la matriz para la

adhesion en el compuesto se destaca el tratamiento mediante anhıdrido maleico mas

conocido como MAPE para polietileno y MAPP para polipropileno [79].

A estos procedimientos es necesario caracterizarlos por propiedades como: Utili-

zacion a nivel productivo, Costos del procedimiento, Dificultad de utilizacion, Acceso a los

materiales y reactivos. Se asignaron valores de ponderacion que se resumen en la tabla 2.6.

La tabla 2.7 muestra la interrelacion para la seleccion del proceso.

Tabla 2.6: Propiedades de polımeros termoplasticos mas utilizados


9 Facil6 Medio3 Dıficil2 Costoso4 Economico

36


MetodoKraft

Anhıdridoacetico

Hidroxidode sodio

Plasma Anhıdridomaleico

Utilizacion a ni-vel productivo

9 3 9 3 6

Costos de proce-dimiento

2 4 4 2 4

Dificultad de uti-lizacion

6 6 9 6 9

Acceso a los ma-teriales y reacti-vos

6 6 6 3 3

Total 23 19 28 14 22

2.3.3 Resultados

En la tala 2.7 se observa la interrelacion entre los metodos de modificacion superficial

para la adhesion de materiales compuestos de matriz polimerica y reforzados con fibras

naturales de los cuales el mas destacado por cuestiones de utilizacion, costo, dificultad y

acceso es el hidroxido de sodio que resulta el idoneo para este proceso.

El hidroxido de sodio o sosa caustica (NaOH) que es utilizado en proporciones del

5% y 10% de concentracion. Este elemento es una base que realiza la limpieza de lignina y

remocion de algunos componentes de naturaleza lipıdica [51].

2.4 Seleccion del proceso de manufactura para obtenerel material compuesto

El proceso final de manufactura utilizado para la obtencion del nuevo material compuesto

se dio por la combinacion de varios procesos estandar a nivel industrial. En la siguiente

clasificacion se destacan los procesos utilizados y las dificultades que presentaron hasta

lograr el compuesto con mejores propiedades morfologicas y de resistencia tension.

2.4.1 Compresion en caliente

Es un proceso ampliamente empleado para la produccion de compuestos polimericos [80].

Este metodo se emplea mucho con matrices termoestables [81], debido a que posee ventajas

como: no generar desperdicio de material , se puede efectuar elementos de grandes

dimensiones y el proceso posee elementos economicos tambien presenta inconvenientes o

37

desventajas como: no se aconseja para figuras con formas complejas por la mala distribucion

de material y requiere de presiones elevadas [82].

2.4.2 Extrusion - inyeccion manual

Este es un proceso experimental ya que a nivel industrial se ocupa de manera individual

cada uno. La extrusion es un proceso de un material fundido que es forzado a pasar por

un una boquilla para generar un producto de seccion transversal constante y de longitud

indefinida [83]. Para el proceso de formacion de un material compuesto es necesario realizar

un pelletizado a la extrusion de manera que se permita crear el nuevo material con una

mejor distribucion del refuerzo [84] para concluir el procedimiento se realiza una inyeccion

manual el cual permite la formacion del producto con material compuesto [85].

2.4.3 Calandrado - inyeccion manual

Este de igual manera es un proceso experimental el cual inicia con un calandrado que un

medio de conformado cuya finalidad es formar una lamina de material polimerico al ser

pasado por una serie de rodillos en el caso de materiales compuestos la finalidad de este

proceso es realizar una mezcla uniforme de sus componentes [86]. La conclusion de este

proceso es similar a la anterior la cual genera un producto mediante inyeccion manual [85].

2.4.4 Extrusion - inyeccion automatica

Este es un proceso experimental que se puede implementar a nivel industrial el cual inicia

con un moldeo por extrusion el cual funde el material y cual es forzado a pasar por un

una boquilla para generar un producto de seccion transversal constante y de longitud

indefinida [83]. Para el proceso de formacion de un material compuesto es necesario realizar

un pelletizado a la extrusion de manera que se permita crear el nuevo material con una

mejor distribucion del refuerzo [84] para luego pasar a un moldeo por inyeccion automatica

generando un proceso en serie del producto, este proceso puede generar geometricas unicas

con gran precision [87].

2.5 Conclusion

• El bambu que en el Ecuador cuya mayor representante es la especie Guadua Angustifo-

lia Kunt; esta fibra es la mejor reforzante debido a que presenta: una alta produccion,

38

elevada tasa de crecimiento diaria, buenas propiedades mecanicas quımicas y fısicas.

• De los grupos de matrices polimericas se destaca que las matrices termoestables

son difıcilmente re procesables y con un proceso de transformacion muy elevado en

costos y tiempos las caracterısticas contrarias a las matrices termoplasticas por lo

que se hace decisiva la utilizacion de las mismas.

• La ocupacion del metodo de hidroxido de sodio para la modificacion superficial de

las fibras se dio por la facilidad de aplicacion y la facilidad de conseguir los reactivos

a ocupar de ahı que su costo es reducido.

• En este capıtulo se realizaron los cuatro modelos de modelado planteados con el fin

de evaluar el mas idoneo para obtener el material compuesto con mejores propiedades

y caracterısticas.

39

3 OBTENCION DE UN PROTOTIPO DELMATERIAL COMPUESTO POLIMERICOREFORZADO CON FIBRA NATURAL Y MATRIZPOLIMERICA

Introduccion

En este capıtulo se detalla el metodo experimental empleado para desarrollar los

diferentes procesos de obtencion del nuevo compuesto. Los procesos fueron realizados

en los laboratorios de la Universidad Politecnica Salesiana sede Cuenca Ecuador y en

la Universidad Pontificia Bolivariana Medellın Colombia bajo convenio de cooperacion

interinstitucional del grupo de investigacion en Materiales GIMA y el GINUMA de Ecuador

y Colombia respectivamente.

3.1 Recopilacion de materia prima y obtencion de fibranatural

La fibra natural empleada fue una variedad de bambu llamada “Guadua Angustifolia

Kunth” de alta disponibilidad en el Ecuador. La materia prima se obtuvo de la zona de

Bucay, provincia de Guayas donde el crecimiento es de 13.5 cm diarios y cuya cosecha se

da en promedio de 3.5 a 4.5 anos [88].

Se trabajo con canas de 10 cm de diametro, de 6 meses de edad, las canas fueron

tomadas del culmo ya que es la zona de mayor uso de la planta. En la tabla 3.1 se observa

las dimensiones caracterısticas de la guadua.

3.2 Caracterizacion de la matriz polimerica

Las matrices termoplasticas empleadas para la elaboracion de los compuestos polimericos

fueron polietileno de baja densidad [LDPE], polietileno de alta densidad [HDPE] y poli-

40

Tabla 3.1: Dimensiones del culmo de la cana Guadua [39]

Factor Rango general

Longitud total 15 - 30 cmDiametro de culmo 10 - 20 cmLongitud entrenudo 20 - 30 cm

Grosor de pared 2 - 5 cm

propileno [PP], se escogieron estas matrices por la elevada disponibilidad en el medio y

por ser las que mayor demanda de reforzamiento presentan.

El polipropileno fue provisto por Braskem de tipo H-306. El polietileno de baja

densidad lineal fue provisto por Dow de tipo DNDB - 7147 y el polietileno de alta densidad

de productos Dow de HDPE DMDA - 8920 de los cuales podemos mencionar las siguientes

caracterısticas:

3.2.1 PP Braskem H - 306

Homopolımero usado para procesos de extrusion e inyeccion de filamentos, posee una

adecuada estabilidad de fundido e impermeabilidad al olor y sabor [89]. En la tabla 3.2 se

pueden observar algunas propiedades.

Tabla 3.2: Propiedades del polipropileno Braskem H - 306. Datos extraıdos de [89]

Propiedades Unidades Valor

Indice de fluidez (230 ◦C / 2.16 kg) g/10 min 15Densidad g/cm3 0.905Resistencia a la traccion MPa 33Modulo de flexion GPa 1.55Temperatura de deflexion termica a 455 KPa ◦C 94Temperatura de deflexion termica a 1820 KPa ◦C 53Temperatura de reblandecimiento ◦C 153

3.2.2 Dow LLDPE DNDB - 7147

Es un polietileno de baja densidad lineal se usa principalmente para inyeccion y en

aplicaciones como contenedores de comida y presenta propiedades balanceadas de resistencia

al impacto, rigidez entre las mas importantes [90]. En la tabla 3.3 se observa algunas

propiedades.

41

Tabla 3.3: Propiedades del polietileno de baja densidad lineal Dow DNDB - 7147. Datosextraıdos de [90]


Indice de fluidez (190 ◦C / 2.16 kg) g/10 min 50Densidad g/cm3 0.926Resistencia a la traccion maximo MPa 9.65Resistencia a la traccion ruptura MPa 7.68Modulo de flexion 2% secante MPa 421Temperatura de deflexion termica a 450 KPa ◦C 45Temperatura de fusion ◦C 124Temperatura de reblandecimiento ◦C 109

3.2.3 Dow HDPE DMDA - 8920

Es un polietileno de alta densidad principalmente usado para inyeccion en el cual se pueden

crear elementos como: recipientes para comida, juguetes en el cual destaca su resistencia a

las grietas y su facil procesamiento por la presencia de balance en los espesores [91]. En la

tabla 3.4 se observa algunas propiedades.

Tabla 3.4: Propiedades del polietileno de baja densidad lineal HDPE DMDA - 8920. Datosextraıdos de [91]


Indice de fluidez (190 ◦C / 2.16 kg) g/10 min 20Densidad g/cm3 0.954Resistencia a la traccion maximo MPa 28.3Resistencia a la traccion ruptura MPa 13.8Modulo de flexion 2% secante MPa 1150Temperatura de deflexion termica a 450 KPa ◦C 76.1Temperatura de fusion ◦C 130Temperatura de reblandecimiento ◦C 127

3.3 Proceso de reduccion de fibras

El proceso inicio con el corte de la guadua en pedazos de 6 metros mostrado en la figura 3.1.

Luego se realizo un aplastamiento de la cana y un corte para lograr una fibra en forma de

cubierta como se observa en la figura 3.2 llamada tambien esterilla de guadua [92].

Para la obtencion de fibra mas limpia se realizo un corte de la epidermis de tal

manera que se utilizan todas las fibras de la parte central como se observa en la figura 3.3.

42

Figura 3.1: Corte inicial Guadua Angustifolia

Figura 3.2: Esterilla de Guadua [92]

Figura 3.3: Obtencion de listones de fibra

3.4 Proceso de extraccion de fibra corta

El proceso de obtencion de fibra natural se lo realizo mediante una sierra de disco DEWALT

DW715. La figura 3.4 muestra el equipo empleado.

La viruta triturada se utilizo para la obtencion del compuesto. Se determino una

longitud de fibra de entre 4 a 6 mm la figura 3.5 muestra una imagen microscopica de la

fibra obtenida.

43

Figura 3.4: Esquema de sierra circular para corte de GAK [93]

Figura 3.5: Fibra con tratamiento de NaOH 5X B) Fibra ST 5X

El siguiente proceso fue tamizar las fibras obtenidas de acuerdo a la norma ASTM

E - 11/95. La maquina empleada para el tamizado fue una tamizadora Dura Tap provista

por Advantech. La figura 3.6 muestra el sistema de tamizado empleado.

Figura 3.6: Proceso de tamizado de fibras de GAK

44

3.5 Proceso de seleccion de tamano de fibra

Las fibras obtenidas que pasaron por la malla N◦ 35 y se alojaron en la malla N◦ 45 con

respaldo en la norma ASTM E - 11/95 que senala una apertura para el tamiz N◦ 35 de

0.5 mm y para la el tamiz N◦ 45 de 0.355 mm. Se obtienen fibras que poseen un diametro

promedio de 0.2 mm y longitud de entre 4 y 5 mm. estos tamanos han sido utilizados en

estudios similares de materiales compuestos reforzados con haces de fibras cortas [94] la

figura 3.7 muestra la longitud promedio de las fibras obtenidas.

Figura 3.7: Longitud de la fibra obtenida

3.6 Tratamiento superficial realizado a la fibra

El tratamiento superficial realizado permite la eliminacion de elementos de naturaleza

lipıdica como grasas, aceites y lignina principalmente. Este es un tratamiento con hidroxido

de sodio (NaOH) mas conocido como tratamiento alcalino. Se probaron dos concentraciones

al 5% y 10 % por ser los porcentajes mas confiables que se han presentado en investigaciones

anteriores [51] [17]. Este tratamiento permite eliminar las impurezas superficiales y permite

una mejor adhesion a la matriz [95].

3.6.1 Desarrollo del tratamiento

En primera instancia se tamizo la materia prima obtenida por la trituracion de la guadua.

Para el presente estudio se utilizo el material alojado en la malla N◦ 45 segun ASTM

E-11/95.

45

Luego se preparo la sosa al 5%. Con una mezcla de 50 g de NaOH en un vaso de

precipitacion de 1000 ml y para sosa al 10% una mezcla de 100 g en un vaso de precipitacion

de 1000 ml, los dos a una temperatura constante de 30 ◦C mediante un agitador magnetico

HSC provisto por VELP. Se ajusto la cantidad de agua destilada mediante una pipeta.

En la figura 3.8 se observa el equipo empleado.

Figura 3.8: Agitado de solucion

Se peso el material triturado para agregarlo a la solucion, se emplearon en promedio

60 g, utilizando una balanza de precision de 0.01 g con una capacidad maxima de 1 kg

provisto por AE ADAM. La figura 3.9 muestra la el proceso de pesaje.

Figura 3.9: Pesaje de fibras GAK

Se vertio la solucion en un recipiente contenedor de la fibra de Guadua, donde

se utilizo un vaso de precipitacion de 1000 ml y con una varilla de vidrio, se realizo

manualmente la mezcla y el banado completo de la solucion en la fibra durante 30 minutos.

En la figura 3.10 se observa el procedimiento.

A continuacion se realizo el lavado de las fibras con agua destilada de pH neutro

46

Figura 3.10: Mezcla de solucion NaOH con fibra de GAK

para eliminar el excedente de solucion mediante un filtro. La figura 3.11 muestra el proceso

seguido.

Figura 3.11: Neutralizado de fibras con NaOH

Luego se coloco la fibra tratada en una bandeja para proceder al secado. Esta

operacion se realizo en un horno Memmert esterilizador SNB 400 a 105 ◦C como se puede

observar en la figura 3.12.

Figura 3.12: Secado de fibras GAK

Una vez realizado el procedimiento descrito, se obtuvo la fibra seca, lista para el

proceso de moldeo. La figura 3.13 muestra el resultado final de la fibra tratada con sosa.

47

Figura 3.13: Fibra seca obtenida luego del proceso en el horno

3.7 Flujograma de la obtencion de fibra

Para la obtencion de la fibra ocupada como refuerzo en el compuesto se siguieron las

etapas mostradas en la figura 3.14.

Figura 3.14: Flujograma de proceso de obtencion de fibra

3.8 Proceso experimental de obtencion del material com-puesto

A continuacion se presenta el desarrollo experimental para la obtencion de probetas de

un nuevo material compuesto de matriz polimerica reforzado con fibras cortas de GAK,

segun las normas ASTM, se probaron cuatro procedimientos diferentes.

El primer procedimiento consistio en el diseno y construccion de un molde de

compresion en caliente con placas intercambiables para obtener probetas de traccion

48

ASTM D3039M - 08, flexion ASTM D7264M - 07 e impacto ASTM D - 256, el molde

multiproposito fue elaborado en la Universidad Politecnica Salesiana. Se utilizo un tiempo

de proceso de 50 min, 20 min para calentar el molde hasta una temperatura promedio de

180 ◦C, 20 min para enfriar el material a una temperatura promedio de 30 a 40 ◦C y diez

min para colocar materia prima y retirar el producto.

El segundo procedimiento consistio en la obtencion de probetas ASTM D638 - 10,

mediante dos fases. La primera fue un proceso de extrusion en una extrusora Dr. Collin

E 20 T para obtener pellets del material compuesto. Para inyectar probetas a partir de

pellets de compuesto en una maquina inyectora manual MALLAL. Esta segunda fase fue

desarrollada en la Universidad Pontificia Bolivariana en la ciudad de Medellın Colombia.

Se ocuparon perfiles de temperatura para la extrusora de 165 ◦C en la primera

fase, 175 ◦C en la segunda fase y 185 ◦C en la boquilla para polietileno de baja densidad

y de 185◦C en la primera fase, 195◦C en la segunda fase y 205◦C en la boquilla para

polipropileno con un tiempo de extrusion de 30 min en donde se ocupo 20 min para el

proceso y 10 min para cambio de proporciones y drenado de material anterior todos los

procesos se realizaron a una velocidad promedio de 60 rpm para la inyeccion manual

se ocupo una temperatura de 180 ◦C para polietileno de baja densidad y 200 ◦C para

polipropileno con un tiempo de inyeccion de 15 min para el calentamiento de las niquelinas

y un proceso de 5 minutos para el proceso por probeta.

El tercer proceso consistio en obtener probetas para traccion ASTM D638 - 10,

mediante dos fases. La primera fase de mezcla de la resina termoplastica con la fibra natural

en una calandra con dos cilindros rotativos para obtener una mezcla con mejor distribucion

de las fibras. Para en una segunda fase realizar la inyeccion del material mezclado en una

inyectora manual MALLAL. Las dos fases fueron realizadas en la Universidad Pontifica

Bolivariana. El tiempo de proceso para el calandrado fue de 40 min en promedio para

cada mezcla ya que se tardo 20 minutos en llegar a la temperatura, 10 min en lograr la

mezcla a una temperatura de 180 ◦C para polietileno de baja densidad y a 200 ◦C para

polipropileno con una velocidad de la calandra de 40 rpm y un tiempo de curado de 10 min

al aire libre, se concluyo con proceso igual al inyectado manual nombrado anteriormente.

El cuarto proceso consistio en obtener probetas para traccion ISO TIPO B - 527,

mediante dos fases. La primera fue un proceso de extrusion en una extrusora Dr. Collin E

20 T para obtener pellets del material. Para la segunda fase se realiza la inyeccion del

material extruido en una inyectora Automatica DR BOY 35E.

49

Las dos fases fueron realizadas en la Universidad Politecnica Salesiana sede Cuenca.

Se ocuparon perfiles similares a los ocupados en el proceso extrusion inyeccion manual

nombrado anteriormente la inyeccion automatica se dio con los parametros que se muestran

en la tabla 3.5 para el polietileno de alta densidad en la tabla 3.6 para el polipropileno.

Tabla 3.5: Parametros inyectora con polietileno de alta densidad

Parametros Valor

Fuerza de cierre (kN) 350Fuerza para abrir el molde (kN) 18.42857Tiempo de aseguramiento de molde (s) 90Velocidad de cierre de molde (mm/s) De 450 a 60Velocidad de desplazamiento boquilla haciadelante / atras (mm/s) 19Fuerza de apoyo de boquilla (kN) 36Valor nominal de tiempo de ciclo (s) 45Tiempo de plastificacion (s) 12Velocidad promedio de plastificacion (mm/s) 200Perfil de temperaturas (◦C) 160,162, 163, 165, 165Velocidad promedio de inyeccion (cm/s) 30Presion de inyeccion (bar) 510.95Presion del molde (bar) 600Contrapresion (bar) 50

Tabla 3.6: Parametros inyectora con polipropileno

Parametros Valor

Fuerza de cierre (kN) 350

Fuerza para abrir el molde (kN) 18.42857

Tiempo de aseguramiento de molde (s) 90

Velocidad de cierre de molde (mm/s) De 450 a 60

Velocidad de apertura de molde (mm/s) De 281.1 a 43.4

Velocidad de desplazamiento boquilla hacia

delante / atras (mm/s) 19

Fuerza de apoyo de boquilla (kN) 36

Valor nominal de tiempo de ciclo (s) 45

Tiempo de plastificacion (s) 12

Velocidad promedio de plastificacion (mm/s) 200

Perfil de temperaturas (◦C) 185,185, 185, 190, 195

Presion de inyeccion (bar) 510.95

Presion del molde (bar) 600

Contrapresion (bar) 50

50

3.8.1 Material compuesto mediante compresion en caliente

La fase inicial se realizo mediante un proceso de moldeo en caliente de acuerdo al procedi-

miento que se observa en la figura 3.15.

Para la compresion en caliente del material compuesto se diseno un molde mul-

tiproposito con placas intercambiables. Cada placa lleva la cavidad de una probeta

normalizada para ensayos de traccion flexion e impacto segun ASTM para materiales

compuestos.

Figura 3.15: Flujograma proceso para conformado por compresion en caliente

3.8.1.1 Experimentos realizados para probetas por moldeo de compresion caliente

Para la experimentacion se realizaron probetas que contenıan cantidades de 10 % y 20 % de

fibra en peso (w/w) con tratamientos superficiales quımicos al 5% de NaOH, 10% de NaOH

y sin tratamiento (ST) Para cada ensayo se realizo 6 probetas con las configuraciones

mostradas como se muestra en la tabla 3.7.

3.8.1.2 Experimentos realizados para probetas por moldeo de compresion caliente

Se diseno un molde de compresion en caliente multiproposito para obtener diferentes

probetas, las cavidades fueron construidas en placas intercambiables.

51

Tabla 3.7: Composicion de todas de las probetas moldeadas por compresion en caliente

Composicion % Fibra Tratamiento Quımico % NaOH N◦ de(w/w) ST (Sin tratamiento) 5% NaOH 10% NaOH probetas

1 Traccion 10 x 12 Traccion 10 x 13 Traccion 10 x 14 Traccion 20 x 15 Traccion 20 x 16 Traccion 20 x 17 Flexion 10 x 18 Flexion 10 x 19 Flexion 10 x 110 Flexion 20 x 111 Flexion 20 x 112 Flexion 20 x 113 Impacto 10 x 114 Impacto 10 x 115 Impacto 10 x 116 Impacto 20 x 117 Impacto 20 x 118 Impacto 20 x 1

N◦ Total 18

El sistema de guiado se realizo mediante bastidor con columnas y bujes. En la

placa base inferior se colocaron niquelinas calefactoras con un sistema digital de control

de temperatura. La figura 3.16 muestra la placa de moldeo para probeta de traccion y la

figura 3.17 muestra las dimensiones de la probeta a obtener.

Figura 3.16: Platina para probetas para ensayos de traccion

52

Figura 3.17: Probeta ASTM D3039M - 08 para traccion.

Platina para probetas de flexion

Para obtener probetas de flexion, la placa presenta una sobredimension en la

profundidad permitiendo que se aloje el macho de la placa base superior. La figura 3.18

muestra la placa de moldeo de probetas de flexion y la figura 3.19 la probeta de flexion a

obtener.

Figura 3.18: Platina para probetas para probetas de flexion

Figura 3.19: Probeta ASTM D7264M - 07 para flexion.

Platina para probetas de impacto

Para obtener probetas de impacto la placa presenta una sobredimension en la

profundidad permitiendo que se aloje el macho de la placa base superior ademas esta

dividida para una capacidad de 3 probetas por proceso a fin de evitar cortes posteriores.

La figura 3.20 muestra la placa de moldeo de probetas de impacto y la figura 3.21 la

probeta de impacto a obtener.

53

Figura 3.20: Platina para probetas para ensayo de impacto

Figura 3.21: Probeta ASTM D - 256 para impacto

Platina base superior

La base superior de compresion en caliente se diseno de forma unica para todos

los ensayos para trabajar sin realizar ningun cambio de elementos y permitir un mejor

cierre. En la figura 3.22 se observa la placa unica de moldeo superior.

Figura 3.22: Placa base superior para todos los ensayos

54

Platina base inferior

La base inferior de compresion en caliente se diseno de forma unica para todos los

ensayos donde se alojan las platinas intercambiables y los cartuchos calefactores. En la

figura 3.23 se observa la placa unica de moldeo inferior.

Figura 3.23: Placa base inferior para todos los ensayos

Bujes y columnas

Los bujes y columnas sirven para el guiado de las placas base y para alinear

el cierre entre el macho de la placa base superior con cada una de las platinas en la

figura 3.24A se observa el buje del diseno y en la figura 3.24B la columna.

Figura 3.24: A) Buje de la placa base inferior B) columna de la placa base superior.

Niquelinas de calefaccion

Se emplearon niquelinas cilındricas tipo cartucho de 10 mm x 102 mm de 300 W a

220 V insertadas en la placa base inferior. Estas permiten fundir el material termoplastico

consumiendo energıa electrica y transformandola en energıa termica. En la figura 3.25 se

55

observan las niquelinas insertadas en el molde y su controlador de temperatura Camsco

TC - 72 N.

Figura 3.25: Circuito para control de niquelinas

Prensa manual de tornillo

Se utilizo una presa manual de tornillo, en la figura 3.26 se observa la prensa

manual.

Figura 3.26: Circuito para control de niquelinas

Controlador de temperatura Camsco TC - 72 N

Este dispositivo permite controlar el accionamiento de las niquelinas al llegar a

la temperatura de operacion. Se apagan o se encienden de acuerdo a la configuracion

realizada. El controlador fue provisto por Camsco y de tipo TC - 72 N. La figura 3.27

muestra el controlador implementado.

56

Figura 3.27: Controlador de temperatura Camsco TC - 72 N

Mecanizado de molde de compresion en caliente

Con el objetivo de garantizar la calidad y precision de las probetas a obtener, se

mecanizaron las cavidades de moldeo en un centro de mecanizado CNC Leadwell de modelo

V-20i con control Fanuc series oi - MC provisto por Imocom Ecuador. La figura 3.28

muestra el centro de mecanizado utilizado.

Figura 3.28: Centro de mecanizado para placas

3.8.2 Material compuesto mediante extrusion e inyeccion manual ycalandrado inyeccion manual

El conformado de este compuesto se inicio con un proceso de pre extruido para la segunda

etapa experimental y un calandrado en la tercera etapa experimental y se culmino con

una inyeccion manual.

3.8.2.1 Diseno de experimentos extrusion e inyeccin manual y calandrado inyeccinmanual

El diseno experimental empleado tiene como objetivo comparar dos procesos (tratamientos)

de fabricacion de compuestos (extruido + inyeccion manual y calandrado + inyeccion

57

manual) sobre un factor (resistencia a la traccion) empleando tres niveles (% peso de fibra,

sin tratamiento quımico, con tratamiento quımico al 5% de sosa) El diseno experimental

seleccionado pertenece a los experimentos con un solo factor y es un Diseno Completamente

al Azar (DCA) y ANOVA. En la tabla 3.8 se resume el diseno experimental empleado

para polietileno de baja densidad (PELD) y para el polipropileno (PP) se muestra en la

tabla 3.9.

Tabla 3.8: Diseno completamente al azar DCA para PELD

Tratamiento Muest

ra

Fact

or

%p

eso

fibra

Sin

trata

mie

nto

NaO

H5%

1. Extruido + inyeccion manual

1 R. Traccion 10 X2 R. Traccion 10 X3 R. Traccion 5 X4 R. Traccion 0 X

2. Calandrado + inyeccion manual

5 R. Traccion 10 X6 R. Traccion 10 X7 R. Traccion 5 X8 R. Traccion 5 X

Tabla 3.9: Diseno completamente al azar DCA para PP

Tratamiento con PP Muest

ra

Fact

or

%p

eso

fibra

Sin

trata

mie

nto

NaO

H5%

1. Extruido + inyeccion manual1 R. Traccion 10 X2 R. Traccion 10 X

2. Calandrado + inyeccion manual 5 R. Traccion 10 X6 R. Traccion 5 X

3.8.2.2 Desarrollo experimental 2

El proceso de pre extruido se realizo mediante la extrusora Dr. Collin E-20 T en el

laboratorio de polımeros de la Universidad Politecnica Salesiana sede Cuenca en el cual se

58

obtuvo el material pelletizado en las siguientes proporciones como se ilustra en la tabla 3.8

de las cuales se formaron las correspondientes probetas en el sistema de inyeccion manual

mas conocido como Mallal de fabricacion Implejoy en los laboratorios de resistencia de

materiales de la Universidad Pontificia Bolivariana.

En la segunda fase experimental se efecto un proceso de pre extruido e inyeccion

manual en la figura 3.29 se observa el proceso de conformado del proceso mediante un

flujograma.

Figura 3.29: Flujograma de proceso para conformado por extrusion - inyecciion manual

Proceso de pre extruido

Este proceso se realizo mediante una extrusora Dr. Collin E-20 T. Se logro obtener

un material con mejor mezcla para ser utilizado con mayor eficiencia en el proceso de

inyeccion de probetas.

El primer paso fue pesar los materiales para 100 g de pellet con una concentracion

de 10% de fibra. Se peso 90 g de termoplastico sin procesar y 10 % de fibras con o sin

tratamiento. En la figura 3.30 se puede observar el polımero mezclado con la fibra para

ser ingresado en la tolva de la extrusora.

El siguiente paso fue controlar velocidades del tornillo y perfiles de temperatura

59

Figura 3.30: Mezcla polımero con fibra para ingresar en la extrusora

mediante un control por computador con el software e interfaz de la extrusora.

Se recomienda no exceder los 200 ◦C en las zonas de plastificacion con el fin de

evitar la degradacion de las fibras. La figura 3.31 muestra el control de la extrusora.

Figura 3.31: Control para perfiles de temperatura 3 zonas de calentamiento y boquilla A)Control manual B) Control Computarizado

Luego de salir del dado, la masa extruida pasa a una tina de refrigeracion para

enfriar el polımero y solidificarlo. La figura 3.32 muestra el proceso de solidificacion.

El ultimo paso consistio en pasar el perfil circular extruido en la pelletizadora y

60

Figura 3.32: Solidificacion del nuevo material

obteniendo ası el compuesto pelletizado. La figura 3.33 muestra los pellets de compuesto.

Figura 3.33: Pelletizadora complementaria de la extrusora Dr. Collin E-20 T

Proceso de inyeccion manual

Este proceso se realiza mediante una inyectora manual Mallal provista por Implejoy.

La maquina esta compuesta por un cilindro calefactor que es elevado conjuntamente con el

molde de inyeccion a un vastago superior fijo que presiona el material sobre un molde de

inyeccion generando el paso del material al molde. En la figura 3.34 se observa la maquina

empleada.

61

Figura 3.34: Inyectora manual

El primer paso fue encender el control de temperatura se realizio el establecimiento

de temperatura a 180 ◦C. Luego se colociel material pelletizado en el cilindro calefactor

para que logre fundirse y pueda ser inyectado en el molde para inyectar probetas segiun

la norma ASTM D - 638. La figura 3.35 muestra el control del sistema y el proceso de

colocaciion del material.

Figura 3.35: A) Control del equipo. B) Material colocado en el cilindro. C) Materialcomprimidos en el cilindro

Probetas normalizadas

Para las probetas normalizadas se utilizo la norma ASTM D - 638 tipo IV. La

figura 3.36 muestra el detalle de la probeta.

62

Figura 3.36: Probeta topo IV ASTM D - 638


En la tercera fase se experimento con un proceso de calandrado e inyeccion manual en la

figura 3.37 se muestra el proceso ilustrado en un flujograma. El proceso de pre laminado

que nos permite obtener una mezcla uniforme del polımero y la fibra el cual se obtuvo el

material que previo para utilizar en el en el sistema de inyeccion manual mas conocido

como Mallal de fabricacion Implejoy estas practicas se efectuaron en los laboratorios de

resistencia de materiales de la Universidad Pontificia Bolivariana.

Figura 3.37: Diagrama de proceso para conformado por calandrado - inyeccion manual

63

Proceso de pre laminado

Este proceso se realizo con el fin de obtener una distribucion de fibras mas uniforme

con la finalidad de obtener un material con mejor conformado para la produccion de las

probetas. La maquina fue provista por F.U. la figura 3.38 muestra el equipo empleado.

Figura 3.38: Calandra de polımerosl

El primer paso fue colocar los parametros de temperatura a fin de lograr la

fusion del material que fue de 180 ◦C para polietileno de baja densidad y 200 ◦C para

polipropileno. Luego se regulo la distancia entre los rodillos que fue de entre 5 a 10 mm lo

que permitio realizar la compresion del material y el calentamiento por friccion. Luego se

procedio a colocar la fibra en el porcentaje deseado y conformar todo el material logrando

uniformidad y distribucion de la fibra. El ultimo paso fue retirar el material mediante una

espatula. En la figura 3.39 se observa el proceso de mezcla.

Figura 3.39: Laminado y mezclado del material compuestol

En la figura 3.40 se observa el movimiento de las pestanas de la maquina para

concentrar el material y retirarlo con facilidad.

64

Figura 3.40: Extraccion del material laminado y mezclado

En la figura 4.1 se observa el material mezclado y extraıdo luego del proceso de

calandrado, listo para ser inyectado

Figura 3.41: Material laminado y mezclado

El proceso de inyeccion se da de igual manera como lo observado en la subseccion

anterior del presente trabajo de igual manera se ocupel mismo molde del cual se obtuvieron

las probetas con la norma ASTM D - 638.

3.8.3 Material compuesto obtenido mediante un pre extruido en ex-trusora Dr. Collin E-20 e inyectado mediante una inyectoraDR BOY 35E

En la cuarta fase experimental se realizo un proceso de extrusion inyeccion automatica,

cuyo proceso mostro el mejor conformado del material compuesto en la figura 4.2 se observa

65

el flujograma del proceso.

El proceso de pre extruido se realizo mediante la extrusora Dr. Collin E-20 T en

el cual se obtuvo el material pelletizado del cual se formaron las correspondientes probetas

en el sistema de inyeccion en una inyectora de fabricacion DR BOY 35E.

Figura 3.42: Flujograma de proceso para conformado por extrusion - inyeccion automatica

3.8.3.1 Experimentos realizados para probetas por moldeo por pre extruido e inyec-tadas en una inyectora Dr BOY 35

Se realizaron probetas con las siguientes composiciones mostradas en la tabla 3.11 las

cuales el porcentaje de fibra introducido fue en fraccion volumetrica (v/v) calculado con

la densidad relativa. Y tambien se realiza la comparacion con la densidad real en (v/v).


Este proceso esta hecho de acuerdo al punto 3.6.2.1 antes observado con la variacion de las

proporciones de fibra ya que en este caso se realizaron en funcion del volumen. Se realizo

una comparacion de densidades para cada material. Se calculo la densidad por metodo de

recipiente de comparacion de peso de agua y peso de la fibra en el mismo recipiente que

66

Tabla 3.10: Experimentos para el proceso extrusion - inyeccion automatica.

Composicion % Fibra % FibraTratamiento Quımico % NaOH

N de Material(v/v) dr (v/v) dre ST (Sin tratamiento) 5% NaOH probetas

1 Traccion 20 3.414 x 10 PEHD2 Traccion 30 6.088 x 10 PEHD3 Traccion 40 9.441 x 10 PEHD4 Traccion 20 4.076 x 10 PEHD5 Traccion 30 7.885 x 10 PEHD6 Traccion 40 12.78 x 10 PEHD7 Traccion 20 3.414 x 10 PP8 Traccion 30 6.088 x 10 PP9 Traccion 40 9.441 x 10 PP

10 Traccion 20 4.076 x 10 PP11 Traccion 30 7.885 x 10 PP12 Traccion 40 12.78 x 10 PP

N◦ Total 120

dr= Densidad relativa, dre = Densidad real.

posee la fibra sin tratamiento y con tratamiento de NaOH al 5% tamizada. Se obtuvo

una densidad de 0,17225049 gcm3 para la fibra sin tratamiento y 0,20677273 g

cm3 para la

fibra tratada mediante NaOH al 5% como se muestra en la figura 4.3. En la tabla 3.11 se

observa el calculo de densidades relativas.

Tambien se realizo el calculo de la densidad real la cual genero el resultado de

1.2165 gcm3 desarrollado en un equipo AccuPyc II 1340 en los laboratorios de UPB de

Medellın en Colombia.

Figura 3.43: Recipientes de agua y de fibra para el calculo de densidades

Para este proceso fue importante realizar un control de humedad de la fibra

mediante un aislamiento en recipientes pequenos de metal con silica gel. El proceso se

realizo con el menor porcentaje humedad posible estableciendo un promedio entre 2 y 3%

como se observa en la figura 4.4 con un analizador de humedad de modelo HB43-S de

fabricacion METTLER TOLEDO

Proceso de inyeccion

67

Tabla 3.11: Calculo de densidades

Propiedades ST NaOH 5%

Peso del recipiente con agua (g) 128.5528 128.5528Peso del recipiente (g) 9.9655 9.9655Peso de la muestra (g) 30.39222 34.48612

Volumen del recipiente (cm3) 118,5873 118.5873Masa de la fibra (g) 20.42672 24.52062

Densidad de la fibra (g/cm3) 0.17225049 0.20677273

Figura 3.44: A) Analizador de humedad B) Muestras esterilizadas y deshumidificadas

Este proceso se realizo en una inyectora automatica de fabricacion DR BOY

35E con 200 g de material pelletizado de polietileno de alta densidad y con 100 g de

polipropileno en una segunda etapa. La figura 4.5 presenta la inyectora

Figura 3.45: Inyectora Dr. Boy 35E

Probetas normalizadas

Para las probetas normalizadas se ocupo la norma ISO tipo B 527 en un molde

normalizado para ensayos generales de axxicon y equivalentes a la norma ASTM D - 628,

en la figura 4.6 se observa las dimensiones de la probeta.

68

Figura 3.46: Probeta Normalizada ISO tipo B 527 (ASTM D - 638)

3.9 Proceso y resultado

A continuacion se presenta el resultado obtenido para cada experimento para lograr el

conformado del material compuesto a fin de comparar sus resultados como se muestra en

la tabla 3.12.

Tabla 3.12: Procesos y resultados obtenidos

Proceso de conformado Resultado

Compresion en caliente

Extrusion - inyeccion manual

Calandrado - inyeccion manual

Extrusion - inyeccion automatica

3.10 Esquema final del proceso con mejor conformado

El proceso con mejores caracterısticas se obtuvo realizando una obtencion previa de la

fibra natural tratada con NaOH al 5% y sin tratar de la manera mas limpia, esterilizada y

con la menor humedad posible secandolo a 105 ◦ durante 12 horas para continuar se realizo

69

un proceso de extrusion que permitio unir de la mejor manera el refuerzo a la matriz este

compuesto tambien fue secado y esterilizado durante 4 horas para luego concluir con un

proceso de inyeccion automatica. En la figura 3.47 mediante un diagrama de procesos se

observa el desarrollo.

Figura 3.47: Diagrama proceso final

3.11 Conclusion

• El proceso de obtencion de la fibra natural presenta una dificultad media ya que

el material presenta gran resistencia a ser transformado por sus propiedades fısicas

quımicas y mecanicas.

• Los procesos para tratamiento quımico a las fibras es relativamente economico y de

baja dificultad.

70

• El proceso de modelado mas conveniente es el de extrusion e inyeccion automatica

ya que se obtienen en tiempos de ciclo de 45 segundos y el conformado no presenta

defectos aparentes.

71

4 RESULTADOS Y DISCUSION

Introduccion

En el presente capıtulo se presentan todos los ensayos realizados para la caracte-

rizacion del nuevo material compuesto con los parametros estipulados en las diferentes

normas a fin de que los resultados sean de mayor validez.

El capıtulo se divide en tres partes. La primera se enfoca en caracterizar la materia

prima desde el punto de vista fısico quımico. La segunda parte caracteriza al compuesto

desde el punto de vista del comportamiento mecanico. La tercera parte caracteriza al

compuesto desde el aspecto termico. El capıtulo termina con un anaslisis estadıstico de

los resultados obtenidos.

4.1 Caracterizacion quımica de las fibras de guadua an-gustifolia

Los procedimientos realizados en lo referido a ensayos quımicos se dieron en colaboracion

con la Universidad Pontificia Bolivariana y con la supervision del Ing. Luis M. Lopez L. y

el Dr. Robın Zuluaga Gallego.

4.1.1 Determinacion de elementos acuosos

El proceso se realiza para determinar la cantidad de elementos solubles en agua para la

limpieza del material. La practica a realizar consiste en los siguientes procedimientos

estipulados en la norma ASTM D 1110 - 84:

4.1.1.1 Equipo de laboratorio necesario

Para el proceso experimental se necesitaron los siguientes elementos:

72

1. Un balon de 500 ml previamente lavado y esterilizado a 105 ◦C.

2. 350 ml de agua destilada con base en la norma evitando que afecte la evaporacion

durante el proceso.

3. Trozos de ceramica (perlas de ebullicion), para producir una nucleacion en el agua,

es decir que no se produzcan burbujas grandes de agua en la ebullicion que puede

causar problemas en el condensador. Las ceramicas de pequeno tamano, producen

burbujas pequenas alrededor. (Energa libre superficial de un solido y un lıquido).

4. Esferas de cristal.

5. Equipo Soxhlet.

6. Cambrales (bolsas contenedoras que evitan la perdida de fibra en el proceso).

7. Horno de conveccion natural.

8. Desecador.

4.1.1.2 Obtencion de la muestra

Para la obtencion de la muestra es necesario realizar paso a paso los siguientes procedimi-

entos:

1. La figura 4.1 presenta una cierra circular manual de fabricacion DEWALT y modelo

DW715 de este proceso se obtiene viruta de fibra a la cual se la tamiza y se conserva

para la practica la que permaneces en la malla N◦ 45, esta muestra es pesada en una

balanza de precision junto con el cambral (bolsa contenedora de la fibra), para luego

realizar un proceso de eliminacion de humedad en un horno por 12 horas a 50 ◦C y

una hora a 105 ◦C.

Estabilizada la temperatura y totalmente secada se obtuvieron los valores presentados

en la tabla 4.1.

Tabla 4.1: Pesos iniciales

Muestra acuosos

Nudo Muestra Peso de fibra Peso de fibra + cambral1 Guadua 4.9989 g 10.8036 g

73

Figura 4.1: Muestra presente en el desecador para eliminar humedad y estabilizar temperatura

2. Se colocan los cambrales en el soxhlet, se presiona con esferas de cristal (Observar

figura 4.2), para colocar el equipo armado junto con el balon y el condensador en

la manta de calentamiento. (Las bolsas son de un material especial; previamente

fueron hervidas para desprender cualquier elemento soluble en el agua).

Figura 4.2: Montaje de las muestra en el soxhlet

3. El equipo es encendido y empieza el proceso correspondiente, se debe tener control

en el proceso para evitar problemas con demasiado burbujeo sin condensar, por lo

que puede ser necesario cambiar de agua destilada y ocasionar el fallo del ensayo.

4. Este proceso se realiza hasta observar en el soxhlet la transparencia del agua, teniendo

para las fibras naturales analizadas una duracion de 12 horas.

5. Una vez pasado por el soxhlet se sacan las bolsas, se las coloca en el horno a 50 ◦C

durante 12 horas y a 105 ◦C durante 1 hora (figura 4.3). Se coloca en el desecador

74

hasta estabilizar la temperatura y se procede a controlar su peso. La tabla 4.2

presenta los resultados obtenidos.

Figura 4.3: Muestra presente en el desecador para eliminar humedad y estabilizar temperatura.

4.1.1.3 Resultados obtenidos

Como se puede observar en los siguientes resultados se obtiene pesos de las muestras y se

las conserva con el mınimo porcentaje de humedad para evitar fallas en el calculo.

Tabla 4.2: Muestras con 12 horas a 50 ◦C y 1 hora a 105 ◦C despues del soxhlet

Muestra acuosos

Nudo Muestra Peso de fibra Peso de fibra + cambral1 Guadua 4.9989 g 10.6069 g

Una vez encontrado los resultados finales se calculo el porcentaje de elementos

acuosos o solubles en el agua como almidones, azucares, sales, gomas y materiales colorantes.

Para calcular el porcentaje se utilizo la siguiente formula:

% acuosos =Pi − Pf

Pi

× 100 (4.1)

Donde:

• Pi = Peso inicial de la fibra con el cambral

• Pf = Peso final de la fibra con el cambral

En la tabla 4.3 se muestra el resultado del ensayo realizado donde se puede ver el

porcentaje de acuosos disueltos.

75

Tabla 4.3: Porcentaje de elementos acuosos disueltos

Muestra acuosos

Nudo Muestra Peso de fibra natural Porcentaje acuosos %1 Guadua 4.9989 g 1.8207

4.1.2 Determinacion de cenizas presentes en la muestra

Para el desarrollo de este ensayo se utilizaron los siguientes elementos:

• Mufla

• Horno

• Descecador

• Balanza de precision

• Crisol

4.1.2.1 Procedimiento y resultados a obtener

Para determinar el porcentaje de cenizas se utilizo la norma TAPPI 211. El contenido de

cenizas de la muestra puede poseer elementos como:

• Residuos de los productos quımicos utilizados en la obtencion de la fibra.

• Materia metalica a partir del corte de la fibra, medios de sujecion y embalaje.

• Materia mineral proveniente de pigmentos, recubrimientos.

• Elementos minerales propios de la fibra.

La cantidad y la composicion de la ceniza esta en funcion de la presencia o ausencia

de cualquiera de estos materiales (residuos inorganicos) u otros, solos o en combinacion. No

especıfica que mineral y en que cantidad se encuentra en la muestra, el termino ceniza como

indica la norma simplemente determina el porcentaje de minerales presentes. Cuando se

desea un examen cualitativo adicional de la ceniza este el analisis se puede complementar

con la norma TAPPI T 421. (Incluyendo microscopico optico) Analisis de carga mineral y

mineral de revestimiento de Papel (fibras naturales).

76

4.1.2.2 Preparacion del equipo y reactivos de laboratorio


entos:

1. Se preparan 2 crisoles donde se realizan las pruebas correspondientes, se debe

de calentar a 500 ◦C por el lapso de una hora para eliminar cualquier posible

contaminacion, luego estabilizarlo en el desecador a temperatura ambiente sin

humedad.

2. Una vez pesado los crisoles, en los mismos pesamos la muestra de fibra, indicada en

la tabla 4.4 (Se coloca un filtro para determinar el porcentaje de cenizas, y tener

como referencia).


Muestra cenizas

Material Numero de crisol Peso inicialcrisol seco +material

Peso del material

Guadua 3 18.2015 g 1.0008 gFiltro 2A 14.5690 g 1.1890 g

3. Determinado el pesos seco del crisol y el peso de las fibras en el mismo, se procedio a

colocar en el horno y subir la temperatura lentamente hasta los 525 ◦C, y permanecer

en la misma durante 3 horas, posteriormente se sacaron los crisoles y se estabilizaron

en el desecador a temperatura ambiente. La tabla 4.5 presenta los pesos obtenidos

en una balanza analıtica ohaus adventurer pro de alta precision. En la figura 4.4se

observan los crisoles luego del proceso.

Figura 4.4: Recipientes con las muestras luego del proceso

4. Encontrado el peso de las cenizas junto con el crisol, matematicamente se procedio a

encontrar el peso de la ceniza correspondiente a cada material. La tabla 4.6 presenta

los resultados aplicando siguiente formula:

% Peso de cenizas = Pi − Pf (4.2)

77


Muestra cenizas

Material Numero de crisol Peso inicial crisol seco + materialluego proceso

Guadua 3 18.2320 gFiltro 2A 14.5707 g

Donde:

• Pi = Peso seco del crisol + material (cenizas).

• Pf = Peso seco del crisol.

Tabla 4.6: Resultados cenizas

Muestra cenizas

Material Peso (cenizas)Guadua 0.0305 gFiltro 1.7× 10−3g

4.1.2.3 Determinacion de resultados

Determinados los valores de la tabla 4.6, se procede a calcular el porcentaje de cenizas con

la siguiente formula y se muestran los resultados porcentuales en la tabla 4.7.

% cenizas =Pm − Pc

Pm

× 100 (4.3)

Donde:

• Pc = Peso de las cenizas.

• Pm = Peso seco del material.

Tabla 4.7: Porcentaje final de cenizas en el material

Muestra cenizas

Material Cenizas (%)Guadua 3.0475Filtro 0.1429

78

4.1.3 Determinacion de porcentaje de humedad en las fibras

Este ensayo se realizo para caracterizar la concentracion de humedad inicial de la fibra con

el metodo de obtencion escogido lo que se reflejara en el procesamiento posterior, referido

a la combinacion de este material con una matriz polimerica ya si es excesiva representara

la aparicion de porosidades en el compuesto. Para proceder al desarrollo de este ensayo

son necesarios los siguientes procedimientos:

4.1.3.1 Equipos necesarios para el desarrollo del ensayo

Los equipos necesarios para esta practica son los siguientes:

• Horno

• Descador

• Cajas o recipientes


1. Se prepararon las cajas o recipientes (realizando un lavado para eliminar materiales

extranos y contaminantes) luego estos recipientes fueron colocados en el horno a

105 ◦C para eliminar la humedad del mismo y realizar un proceso de esterilizacion el

horno ocupado se lo observa en la figura 4.5.

Figura 4.5: Horno de secado

2. Posterior al horno se colocaron los recipientes o cajas en un envase cerrado con

silica gel (desecador) durante 1 hora, para mantener las muestras sin humedad y

estabilizar la temperatura de las muestras a temperatura ambiente. En la figura 4.6

se observan algunos componentes de laboratorio.

79

3. Se determino el peso seco de las cajas en una balanza de precision, obteniendo los

resultados presentados en la tabla 4.8.

Figura 4.6: Equipos de laboratorio

Tabla 4.8: Pesos iniciales de las muestras

Muestra cenizas

Numero de caja Peso1 43.3175 g3 46.0657 g4 43.7195 g5 46.4143 g

4. En cada uno de los recipientes o cajas se colocan 2 g de fibra de cana guadua, siendo

los pesos exactos los presentados en la tabla 4.9.

Tabla 4.9: Pesos Finales de las muestras con crisoles

MMuestras para % de humedad

Muestra Numero de caja Peso de la muestraGuadua sin tratar 1 1 2.0003 gGuadua con NaOH al 5% 1 3 2.0000 gGuadua sin tratar 2 4 2.0115 gGuadua con NaOH al 5% 2 5 2.0003 g

5. Una vez determinados los valores se colocan durante 2 horas a 105 ◦C. Luego se

sacan las muestras del horno y se las coloca en el desecador para mantener humedad

y temperatura. La tabla 4.10 muestra los resultados.

Tabla 4.10: Pesos de la muestra mas la caja contenedora

Muestras para % de humedad

Muestra Numero de caja Peso de la caja mas la fibra

Guadua sin tratar 1 1 45.2497 g

Guadua con NaOH al 5% 1 3 46.5165 g

Guadua sin tratar 2 4 45.6673 g

Guadua con NaOH al 5% 2 5 48.2917 g

80

6. Se realiza un proceso repetitivo colocando las muestras en el horno durante 1 hora,

y estabilizandolas en el desecador durante 30 minutos. En la tabla 4.11 se muestra

el resultado del primer proceso repetitivo.



Muestra Numero de caja Peso de la caja mas la fibraGuadua sin tratar 1 1 45.2496 gGuadua con NaOH al 5% 1 3 46.5192 gGuadua sin tratar 2 4 45.6583 gGuadua con NaOH al 5% 2 5 48.2854 g

7. Se coloca nuevamente las demas muestras en el horno por 1 hora y a 105 ◦C,

obteniendo los resultados de la tabla 4.12 del segundo proceso repetitivo.




8. Se coloca la muestra durante 1 hora a 105 ◦C, y se estabiliza la temperatura en el

desecador. La muestra de la caja 1 se ha colocado nuevamente en el horno, no es

necesario porque la norma indica que medidos los pesos dos veces consecutivos tiene

una variacion menor a dos milesimas se acepta el ensayo, por demora en el proceso

la muestra puede absorber humedad, los resultados se presentan en la tabla 4.13.





Estabilizados los valores de la tabla 4.13, se calcula el porcentaje de humedad y se muestra

su comparacion en la tabla 4.14.

81

Tabla 4.14: Fibra de guadua comparacion de pesos


Caja Peso caja Peso fibra Peso inicial (caja + fibra) Peso final (caja + fibra)1 43.3175 g 2.0003 g 45.3178 g 45.2499 g3 46.0657 g 2.0000 g 48.0657 g 47.9241 g4 43.7195 g 2.0115 g 45.7310 g 45.6685 g5 46.4143 g 2.0003 g 48.4146 g 48.2773 g

Una vez encontrado los resultados finales se procede a calcular el porcentaje de

humedad que contiene la fibra (ver tabla 4.15). En este proceso se ocupa la siguiente

formula:

% humedad =Pi − Pf

Pg

× 100 (4.4)

Donde:

• Pi = Peso inicial de la fibra con la caja.

• Pf = Peso final de la fibra con la caja.

• Pg = Peso de la fibra.

Tabla 4.15: Porcentaje final de cenizas en el material

Resultado humedad

Material Humedad (%)Guadua sin tratar 1 3.3944Guadua con NaOH al 5% 1 7.0800Guadua sin tratar 2 3.1071Guadua con NaOH al 5% 2 6.8639

4.1.4 Determinacion de porcentaje de elementos no solubles en aguau organicos

Esta practica se realiza para determinar el porcentaje de elementos no solubles en agua o

mas conocidos como elementos organicos por lo cual se ha tomado parametros conforme

a la norma ASTM D1107 - 96. El proceso se realiza para determinar la cantidad de

elementos no solubles en agua para la limpieza del material de naturaleza lipıdica y obtener

la mayor cantidad de celulosa. Para proceder al desarrollo de este ensayo son necesarios

los siguientes procedimientos:

82



entos:

1. Prepara un balon de 500 ml lavandolo y esterilizandolo a 105 ◦C

2. Generar una solucion con relacion de 2:1 utilizando 220 ml etanol y 110 ml de tolueno

para la obtencion de esta solucion es necesario que los recipientes se encuentren secos

y esterilizados.

3. Colocar trozos de ceramica (perlas de ebullicion), para producir una nucleacion en

el agua, es decir que no se produzcan burbujas grandes de agua en la ebullicion

que puede causar problemas en el condensador. Las ceramicas de pequeno tamano,

producen burbujas pequenas alrededor. (Energıa libre superficial de un solido y un

lıquido).

4. Secar y esterilizar Equipo Soxhlet.

5. Preparar cambrales ocupados en la obtencion de elementos acuosos secandolos y

esterilizandoles.

6. Colocar esferas de cristal para mantener presionados los cambrales y aumentar el

volumen del equipo Soxhlet.

7. Calibrar Horno para tener la temperatura controlada y realizar procesos de elimi-

nacion de humedad y esterilizacion.

8. Preparar desecador.

4.1.4.2 Procedimientos realizados para la obtencion de la muestra

1. Las bolsas del ensayo de elementos acuosos anterior se utilizan en la determinacion

del porcentaje de organicos. En la tabla 4.16 se presenta el valor inicial de la muestra.

Tabla 4.16: Peso inicial de la muestra

Muestra organicos

Nudo Muestra Peso de fibra + cambral1 Guadua sin tratar 10.6069 g

83

2. Una vez determinado el peso inicial se coloca el cambral en el soxhlet y se presiona

con las esferas de cristal, se arma el equipo y se enciende la manta de calentamiento

a una intensidad media. El proceso se realiza en un tiempo de 12 horas.

Figura 4.7: Colocacion de equipos en la manta de calentamiento

3. Se procede a colocar en el horno la bolsa a una temperatura de 50 ◦C durante 12

horas y luego a 105 ◦C por una hora, se estabiliza la temperatura y se procede a

determinar el peso que se presenta en la tabla 4.17.

Tabla 4.17: Peso finall de la muestra

Muestra acuosos

Nudo Muestra Peso de fibra + cambralinicial

Peso de fibra + cambralfinal

1 Guadua sin tratar 10.6069 g 10.6065 g


Los resultados como porcentaje de la materia soluble en etanol-tolueno esta dado por la

siguiente formula:

% organicos =W2

W1 · P× 100 (4.5)

Donde:

• W2 = Peso del extracto seco [peso final de la fibra + bolsa].

84

• W1 = peso de la muestra [peso inicial de la fibra + bolsa].

• P = Peso inicial de la de guadua st que es igual a 4.9989 g.

La tabla 4.18 presenta las proporciones de fibra libre de humedad (datos obtenidos

del ensayo de humedad).

Tabla 4.18: Proporciones de fibra

Fibras naturales

Material ProporcionesGuadua sin tratar 1 0.2004

Aplicada la formula nombrada se obtiene el resultado que se muestra en la

tabla 4.19.

Tabla 4.19: Proporciones de fibra

Fibras naturales

Material Organicos (%)Guadua sin tratar 1 20.004

4.2 Caracterizacion mecanica del material compuesto

Los procedimientos realizados en el siguiente literal en lo referido al ensayo mecanico de

traccion se efectuaron en los laboratorios de resistencia de materiales de la Universidad

Pontificia Bolivariana (UPB) y bajo la supervision del Ing. Luis M. Lopez L. y del PhD.

Santiago Betancourt P. Para los ensayos de tratamiento quımico con NaOH y pellletizado

del material se utilizaron los laboratorios de biotecnologıa y de transformacion de polımeros

de la Universidad Politecnica Salesiana (UPS).

4.2.1 Ensayo de traccion

Este ensayo se realizo en una maquina universal de ensayos Instron 5582 mostrada en la

figura 4.8 del laboratorio de resistencia de materiales de la UPB.

4.2.1.1 Configuraciones para los ensayos realizados a traccion

Para los ensayos correspondientes se ocupo la norma ASTM D - 638 para la cual se estipula

el uso de la probeta tipo 4 que se compara a la configuracion de materiales compuestos

85

Figura 4.8: Colocacion de equipos en la manta de calentamiento

mostrada en la figura 4.9 tambien se ocupo en un primer ensayo la norma y la norma

ASTM D - 3039 la cual es para ensayos de traccion en materiales compuestos que posee

las dimensiones mostradas en la figura 4.10 y un tercer ensayo en su equivalente en ISO -

527 como podemos observar en la figura 4.11.

Figura 4.9: Probeta ASTM D - 638 Tipo 4.

Figura 4.10: Probeta ASTM D - 3039.

Figura 4.11: Probeta ISO - 527.

86

1. Se realizo un proceso inicial del cual se crearon muestras para ensayarlas con la

norma ASTM D - 3039 en las configuraciones mostradas en la tabla 4.20 las cuales

fueron moldeadas mediante compresion en caliente.

Tabla 4.20: Experimentos para el proceso compresion en caliente

Composicion % Fibra Tratamiento Quımico % NaOH N◦ deen peso ST (Sin tratamiento) 5% NaOH 10% NaOH probetas

1 Traccion 10 x 12 Traccion 10 x 13 Traccion 10 x 14 Traccion 20 x 15 Traccion 20 x 16 Traccion 20 x 1

N◦ Total 6

2. En la tabla 4.21 se observa el diseno de experimentos para las probetas realizadas

con un pre extruido e inyectadas por un Mallal de fabricacion Implejoy.


Composicion % FibraTratamiento Quımico % NaOH

N de Materialen peso ST (Sin tratamiento) 5% NaOH probetas

1 Traccion 10 x 3 LDPE2 Traccion 10 x 5 LDPE3 Traccion 5 x 8 LDPE4 Traccion 10 x 6 PP5 Traccion 0 x 5 LDPE6 Traccion 0 x 5 PP

N◦ Total 32


con un laminado en una maquina de fabricacion F.U que permite una buena mezcla

entre los componentes e inyectadas por un Mallal de fabricacion Implejoy.

Tabla 4.22: Experimentos para el proceso extrusion - inyeccion



1 Traccion 10 x 8 PELD




5 Traccion 5 x 7 PP

6 Traccion 5 x 4 PP

N◦ Total 39

87


con un pre extruido e inyectadas en una inyectora Dr. BOY 35.




1 Traccion 20 x 10 PEHD2 Traccion 30 x 10 PEHD3 Traccion 40 x 10 PEHD4 Traccion 20 x 10 PEHD5 Traccion 30 x 10 PEHD6 Traccion 40 x 10 PP7 Traccion 20 x 10 PP8 Traccion 30 x 10 PP9 Traccion 40 x 10 PP

10 Traccion 20 x 10 PP11 Traccion 30 x 10 PP12 Traccion 40 x 10 PP

N◦ Total 120

4.2.1.2 Resultados obtenidos de cada uno de los ensayos

1. Para la configuracion de probetas de moldeo por compresion se obtuvieron 6 probetas

en las cuales no se llego a obtener una distribucion de fibras homogenea ya que estas

probetas presentaron porosidades y aglomeracion de fibras como se observa en la

figura 4.12.

Figura 4.12: Probetas obtenidas segun ASTM D - 3039.

2. En la tabla 4.24 se observa las configuraciones para probetas del material compu-

esto obtenido mediante un pre extruido en extrusora Dr. Collin E-20 e inyectado

manualmente mediante Mallal de fabricacion Implejoy.

88

Tabla 4.24: Nomenclatura para cada probeta

Configuracionde las probe-tas

Numerode en-sayos

Nomenclatura

PB10F5NA 1 Polietileno de baja densidad con 10%de fibra y tratamiento quımico dehidroxido de sodio (NaOH) al 5%

PB10FST 2 Polietileno de baja densidad con 10%de fibra sin tratamiento quımico

PB5FST 3 Polietileno de baja densidad con 5% defibra sin tratamiento quımico

PP10F5NA 4 Polipropileno con 10% de fibra y trata-miento quımico de hidroxido de sodio(NaOH) al 5%

LDPE (Puro) 5 Polietileno de baja densidad puroPP (Puro) 6 Polipropileno puro

Resultado Ensayo N◦ 1

En la figura 4.13 se observa la curva caracterıstica de esfuerzo deformacion que

presenta la probeta numero 1 y sus resultados del ensayo a traccion.

Figura 4.13: Resultados probeta N◦1.



89










90









91


3. En la tabla 4.25 se las puede observar las configuraciones para probetas del material

compuesto obtenido mediante un laminado en la maquina de fabricacion FU e

inyectado manualmente mediante Mallal de fabricacion Implejoy.


Configuracion

de las probe-

tas

Numero

de en-

sayos

Nomenclatura

PB10FST 7 Polietileno de baja densidad con 10%

de fibra sin tratamiento

PB10F5NA 8 Polietileno de baja densidad con 10%

de fibra con tratamiento quımico de

hidroxido de sodio (NaOH) al 5%

PB5FST 9 Polietileno de baja densidad con 5% de

fibra sin tratamiento

PB5F5NA 10 Polietileno de baja densidad con 5%

de fibra con tratamiento quımico de

hidroxido de sodio (NaOH) al 5%

PP5FST 11 Polipropileno con 5% de fibra sin trata-

miento

PP5FNA 12 Polipropileno con 5% de fibra con tra-

tamiento quımico de hidroxido de sodio

(NaOH) al 5%

92









93









94









4. Para la configuracion de probetas que se obtuvieron mediante un pre extruido y

95

moldeo por inyeccion se obtuvo 120 probetas 10 de cada una de las configuraciones

deseadas en las cuales se llego a una buena distribucion no presenta porosidades

y se da un excelente fundido del material sin afectar a las fibras se espera que la

misma presente las mejores propiedades de las antes mostradas. En la figura 4.25 se

observa las probetas inyectadas.

Figura 4.25: Probetas logadas con norma ISO B - 527

4.2.1.3 Analisis de resultados de ensayos mecanicos a traccion

En la tabla 4.26 se muestran los datos obtenidos a traccion en el proceso realizado por

laminado con las configuraciones deseadas e inyectadas manualmente en un mallal de los

cuales se obtuvo los mejores resultados en la configuracion de 5% de fibra y sin tratamiento

quımico de adhesion a la matriz ya que aumento aproximadamente un 43% su propiedad

de resistencia a la traccion y su modulo de elasticidad en un 173% comparado con el

material virgen procesado de la misma manera.

En las demas configuraciones se dio una estabilizacion del material a excepcion del

compuesto con fibra tratada quımicamente al 5% con NaOH con matriz de polietileno de

baja densidad la cual disminuyo un 18 % de las propiedades al compuesto de polipropileno

la resistencia a la traccion. Lo que nos quiere decir que el aumento y la disminucion de

resistencia a la traccion le otorga al material un aumento o una disminucion al resistirse en

la aplicacion de fuerzas, el aumento del modulo de elasticidad demuestra que el material se

torna mas rıgido y la disminucion de alargamiento demuestra que el materia ha disminuido

su caracterıstica de elasticidad.

En la tabla 4.27 se muestran los datos obtenidos a traccion en el proceso realizado

por laminado con las configuraciones deseadas e inyectadas manualmente en un mallal

de los cuales se obtuvo los mejores resultados en la configuracion de 5% de fibra y sin

tratamiento quımico de adhesion a la matriz ya que aumento aproximadamente un 30% su

propiedad de resistencia a la traccion y su modulo de elasticidad en un 105% comparado con

96

Tabla 4.26: Resultados para el proceso extrusion - inyeccion

ProbetaEsfuerzo de Modulo de Modulo Alargamieto Alargamiento de

traccion elasticidad secante permisible rupturaMPa GPa MPa (%) (%)

PB10F5NA 5.351 0.553 417.579 0.861 2.243PB10FST 7.148 0.683 523.56 0.879 2.676PB5FST 9.023 0.877 671.188 0.905 3.387PP10F5NA 21.422 2.145 1568.375 0.849 2.884LDPE (Puro) 6.297 0.321 378.04 1.756 16.792PP (Puro) 21.412 2.668 1912.921 0.898 1.445

el material virgen procesado de la misma manera. En las demas configuraciones se dio una

estabilizacion del material a excepcion del compuesto con fibra tratada quımicamente al

5% con NaOH la cual disminuyo un 36% de las propiedades al compuesto de polipropileno

la resistencia a la traccion. Lo que nos quiere decir que el aumento y la disminucion de

resistencia a la traccion le otorga al material un aumento o una disminucion al resistirse en

la aplicacion de fuerzas, el aumento del modulo de elasticidad demuestra que el material se

torna mas rıgido y la disminucion de alargamiento demuestra que el materia ha disminuido

su caracterıstica de elasticidad.

Tabla 4.27: Resultados para el proceso extrusion - inyeccion

ProbetaEsfuerzo de Modulo de Modulo Alargamieto Alargamiento de

traccion elasticidad secante permisible rupturaMPa GPa MPa (%) (%)

PB10FST 7.226 0.746 558.090 0.836 2.824PB10F5NA 7.544 0.899 624.270 0.784 2.256PB5FST 8.161 0.658 553.858 0.964 3.964PB5F5NA 6.543 0.658 504.733 0.861 3.133PP5FST 22.060 3.037 2033.795 0.805 1.3338PP5FNA 15.779 2.852 1783.830 0.689 0.915

4.2.1.4 Analisis probabilıstico en Minitab con probetas ensayadas a traccion conpolietileno de baja densidad

Para el analisis se debe generar una ponderacion que permite evaluar cada una de las

modificaciones realizadas al proceso como se observa en la tabla 4.28. Donde el 1 significa

proceso de extrusion con inyeccion manual mientras que el 2 es calandrado con inyeccion

manual, para el tratamiento que contiene la fibra el 4 significa que la fibra no contiene

tratamiento quımico y el 3 que la fibra posee tratamiento con NaOH al 5% por ultimo

para comparar el porcentaje de fibra cada numero sera el % en peso (w/w) de fibra que

posee.

97

Tabla 4.28: Ponderacion para analisis Minitab

N. ProbetaResistencia a Conformado Tratamiento quımico Porcentajela traccion a la fibra de fibra

MPa

1 7,148 1 4 102 5,351 1 3 103 9,023 1 4 54 6,297 1 4 05 7,226 2 4 106 7,544 2 3 107 8,161 2 4 58 6,543 2 3 5

1. Analisis con relacion en el metodo de conformado del compuesto con polietileno de

baja densidad.

Para el analisis probabilıstico de los datos obtenidos de resistencia a la traccion

relacionada con la columna de conformado se obtuvieron los siguientes resultados:

Probabilidad normal

Interpretacion: Si los puntos se ajustan a la recta quiere decir que existe una

distribucion normal de los datos.

Como se muestra en la figura 4.26 en el diagrama de probabilidad normal existe una

distribucion normal en la relacion esfuerzo a la traccion con metodo de conformado.

Figura 4.26: Grafica de probabilidad normal esfuerzo - conformado

Grafica de caja

Interpretacion: El tamano que presenta la caja demuestra la estabilidad de las

muestras ensayadas en comparacion con los resultados obtenidos y la variacion con

respecto a la resistencia a la traccion.

98

Como se muestra en la figura 4.27 la mayor estabilidad se da en el proceso realizado

mediante el conformado de lamiado e inyeccion manual ya que los residuos son

menores en este proceso tambien demuestra que los mejores resultados se dieron en

las probetas realizadas con material pelletizado.

Figura 4.27: Grafica de caja esfuerzo - conformado

2. Analisis con relacion en el tratamiento quımico realizado con polietileno de baja

densidad.


relacionada con la columna de tratamiento quımico realizado se obtuvieron los

siguientes resultados:

Probabilidad normal


distribucion normal en la relacion esfuerzo a la traccion con el tratamiento quımico

realizado.

Figura 4.28: Grafica de probabilidad normal esfuerzo - tratamiento quımico

99

Grafica de caja

Como se muestra en la figura 4.29 los mejores resultados se obtuvieron con el

compuesto que contiene fibras sin tratamiento quımico.

Figura 4.29: Grafica de caja esfuerzo - tratamiento quımico

3. Analisis con relacion en la proporcion de fibra que posee polietileno de baja densidad.


relacionada con la columna de porcentaje de carga en fibra se obtuvieron los siguientes

resultados:

Probabilidad normal


distribucion con una ligera desviacion por las probetas ensayadas sin carga en la

relacion esfuerzo a la traccion con el tratamiento quımico realizado.


Grafica de caja


compuesto que contiene el 5% de carga en peso (w/w) de fibra.

100


4.2.1.5 Analisis probabilıstico en Minitab con probetas ensayadas a traccion conpolipropileno

Para el analisis se debe generar una ponderacion que permite evaluar cada una de las

modificaciones realizadas al proceso como se observa en la tabla 4.29. Donde el 1 significa

proceso de extrusion con inyeccion manual mientras que el 2 es calandrado con inyeccion

manual, para el tratamiento que contiene la fibra el 4 significa que la fibra no contiene

tratamiento quımico y el 3 que la fibra posee tratamiento con NaOH al 5% por ultimo

para comparar el porcentaje de fibra cada numero sera el % en peso (w/w) de fibra que

posee.

Tabla 4.29: Ponderacion para analisis Minitab

N. Probeta Resistencia a latraccion (MPa)

Conformado Tratamientoquımico a lafibra

Porcentajede fibra

1 21,422 1 3 102 21,412 1 4 03 22,06 2 4 54 15,779 2 3 5

1. Analisis con relacion en el metodo de conformado del compuesto con polipropileno.


relacionada con la columna de conformado se obtuvieron los siguientes resultados:

Probabilidad normal


distribucion normal en la relacion esfuerzo a la traccion con metodo de conformado.

101

Figura 4.32: Grafica de probabilidad normal esfuerzo - conformado

Grafica de caja

Como se muestra en la figura 4.33 la mayor estabilidad se da en el proceso realizado

mediante el conformado por extrusion e inyectado manual ya que los residuos son

menores en este proceso tambien demuestra que los mejores resultados se dieron en

las probetas realizadas con material pelletizado ya que se mantienen en el valor de

resistencia a la traccion

Figura 4.33: Grafica de caja esfuerzo - conformado

2. Analisis con relacion en el tratamiento quımico realizado a la fibra y con matriz de

polipropileno.


relacionada con la columna de tratamiento quımico realizado se obtuvieron los

siguientes resultados:

Probabilidad normal


distribucion normal en la relacion esfuerzo a la traccion con el tratamiento quımico

realizado.

102


Grafica de caja


compuesto que contiene fibras sin tratamiento quımico.


3. Analisis con relacion en la proporcion de fibra que posee y con matriz de polipropileno.


relacionada con la columna de porcentaje de carga en fibra se obtuvieron los siguientes

resultados:

Probabilidad normal


distribucion con una ligera desviacion por las probetas ensayadas sin carga en la

relacion esfuerzo a la traccion con el tratamiento quımico realizado.

Grafica de caja


compuesto que contiene el 5% de carga en peso (w/w) de fibra y similares resultados

con fibra al 10% y sin fibra.

103



4.3 Caracterizacion fısica del material compuesto

Para la caracterizacion fısica del nuevo material compuesto se realizaron ensayos de

termogravimetrıa y colorimetrıa diferencial de barrido de las cuales nos permite obtener

los resultados presentados a continuacion.

4.3.1 Ensayo de termogravimetrıa (TGA)[96]

El ensayo de termogravimetrıa es un ensayo que nos permite observar la temperatura de

degradacion del material el cual fue realizado en los laboratorios de la UPB en un equipo

TGA/SDTA851 de la casa fabricante Mettler Toledo.

4.3.1.1 Analisis termico mediante termogravimetrıa (TGA)

En analisis termico es aquel que se realiza basado en el cambio de temperatura mediante

un programa con temperatura controlada mediante este ensayo se puede controlar procesos

de fabricacion de muchos nuevos materiales regido en la norma ASTM E-1582.

La definicion de TGA consiste en el registro de manera continua de la masa de

104

una muestra mediante una atmosfera controlada en funcion del tiempo o de la temperatura

y el DTGA que es el analisis termogravimetrico diferencial que es la medida del gradiente

en la variacion de masa con la temperatura o el tiempo.

En la siguiente figura 4.38 se observa un termograma tıpico en la curva a) Curva

primaria (TGA) y b) Curva Derivada (DTGA).

Figura 4.38: Termograma a) TGA b) DTGA

4.3.1.2 Procedimientos del ensayo

En la figura 4.39 podemos observar el equipo y los elementos necesarios para su correcto

funcionamiento.

Componentes

El equipo consta de una termobalanza, un horno, un sistema de gas de purga,

un sistema de refrigeracion y un procesador los cuales son necesarios q se encuentren

funcionando correctamente para una toma de datos adecuada.

Parametros

Ocupamos una elevacion de temperatura desde los 30 ◦C hasta los 900 ◦C con una

tasa de calentamiento de los 10 ◦C por minuto y por cuestion del tiempo en las ultimas

pruebas una tasa de 50 ◦C por minuto y se utilizo como gas de purga el nitrogeno.

Procedimientos

1. Encender los sistemas principales de la maquina como el sistema de refrigeracion

luego la valvula del aire de purga que se debe encontrar entre los 10 y los 100%

± 5 ml/min. Para la caracterizacion se realizo con nitrogeno y a 50 ml/min en la

figura 4.39 se observa los elementos para controlar el TGA.

105

Figura 4.39: A) Cooler del equipo B) Ingreso y control de presiones de gas de purga C) EquipoTGA

2. Preparar la muestra a ensayar que se realiza en primera instancia encerando el crisol

sin la muestra para luego colocar cantidades similares a 7 mg que se colocan en el

crisol y se los compacta mediante apisonador y en embudo como se muestra en la

figura 4.40.

Figura 4.40: A) Termobalanza B) Elementos para preparar la muestra

3. Colocar los parametros en el procesador y correr el ensayo como se muestra en la

figura 4.41.

Figura 4.41: Interfaz de Usuario

4.3.1.3 Curvas caracterısticas obtenidas para los materiales ensayados

Se realizaron 6 ensayos en total, de los cuales los dos iniciales se los realizaron a la fibra

en primera instancia a la que presenta el tratamiento quımico con NaOH al 5% para

poder compararla con el segundo ensayo que se realizo con fibra verde secada sin ningun

tratamiento quımico.

106

Los siguientes ensayos fueron realizados a los materiales obtenidos mediante

extrusion como se muestran la tabla 4.30.



Numerode en-sayos

Nomenclatura

Guadua NaOH 1 Guadua con tratamiento quımico de hidroxido desodio (NaOH) al 5%

Guadua ST 2 Guadua sin tratamiento quımicoPB10F5NA 3 Polietileno de baja densidad con 10% de fibra y

tratamiento quımico de hidroxido de sodio (NaOH)al 5%

PB10FST 4 Polietileno de baja densidad con 10% de fibra sintratamiento quımico


PP10F5NA 6 Polipropileno con 10% de fibra y tratamientoquımico de hidroxido de sodio (NaOH) al 5%

1. Guadua NaOH (TGA) Como se puede observar en la figura 4.42 el punto de

degradacion de la Guadua que posee un tratamiento quımico de NaOH al 5% de

concentracion comienza su degradacion entre un rango de los 210 hasta los 220 ◦C lo

cual nos indica hasta que temperatura podemos llegar con este nuevo compuesto. Por

lo que se debe tener mucho cuidado cuando se realiza un proceso de transformacion

de polımeros y para saber tambien cual es la matriz adecuada para este refuerzo.

Figura 4.42: TGA Guadua con tratamiento quımico de NaOH al 5%

107

2. Guadua ST (TGA) Para la guadua sin tratamiento podemos observar que la

grafica es similar las caracterısticas no han variado notablemente con respecto a la

guadua que posee tratamiento quımico como se puede observar en la figura 4.43

su temperatura de degradacion inicia en los 210 ◦C hasta los 220 ◦C para luego

degradarse.

Figura 4.43: TGA Guadua sin tratamiento quımico

3. PB10F5NA (TGA) Para el polietileno de baja densidad reforzado con fibras

naturales al 10% con tratamiento quımico de NaOH al 5% como podemos observar

en la figura 4.44 se presenta al inicio una leve disminucion del peso que es generada por

la humedad presente en la muestra. Su inicio de degradacion se da aproximadamente

a los 410 ◦C.

Figura 4.44: TGA del compuesto PB10F5NA

108

4. PB10FST (TGA) Para el polietileno de baja densidad reforzado con fibras natu-

rales al 10% sin tratamientos quımico como podemos observar en la figura 4.45 se

presenta al inicio una leve disminucion del peso que es generada por la humedad

presente en la muestra. Su inicio de degradacion se da aproximadamente a los 370 ◦C.

Figura 4.45: TGA del compuesto PB10FST

5. PB5FST (TGA) Para el polietileno de baja densidad reforzado con fibras naturales

al 5% sin tratamientos quımico como podemos observar en la figura 4.46 se presenta

al inicio una leve disminucion del peso que es generada por la humedad presente en

la muestra. Su inicio de degradacion se da aproximadamente a los 440 ◦C.

Figura 4.46: TGA del compuesto PB5FST

109

6. PP10F5NA (TGA) Para el polipropileno reforzado con fibras naturales al 5% con

tratamiento quımico de NaOH al 5% como podemos observar en la figura 4.47 se

presenta al inicio una leve disminucion del peso que es generada por la humedad

presente en la muestra. Su inicio de degradacion se da aproximadamente a los 410 ◦C.

Figura 4.47: TGA del compuesto PP10F5NA

4.3.1.4 Analisis de resultados de ensayos TGA

1. El proceso de perdida de masa a medida que avanza el proceso termogravimetrico se

da por las siguientes causas que provoca el aumento de temperatura:

• Reaccion de descomposicion.

• Reaccion de oxidacion.

• Vaporizacion.

• Sublimacion.

2. El ensayo que se realiza es util para diferentes aplicaciones como:

• Control de calidad efecto de reforzantes.

• Estabilidad termica en atmosfera controlada.

• Oxidacion del aire.

• Degradacion termica.

110

3. Para los resultados obtenidos en las primeras dos muestras que son referidas a las

fibra naturales ocupadas en el proceso de obtencion del nuevo compuestos podemos

observar que el tratamiento quımico no afecta a la temperatura de degradacion.

4. En lo que respecta al polietileno de baja densidad ocupado como matriz del nuevo

compuesto observamos que se producen variaciones de temperatura que pueden ser

procedentes del reforzante como podemos observar en la figuras 4.44, 4.45 y 4.46.

4.3.2 Ensayo de calorimetrıa diferencial de barrido (DSC)

Para este ensayo de realizaron las mismas muestras que para el ensayo TGA el mismo

se realizo en los laboratorios de la UPB con un equipo DSC de la casa fabricante de TA

INSTRUMENTS y modelo Q2000 tambien la norma ocupada en la ASTM D3418 - 12.

4.3.2.1 Procedimientos del ensayo (DSC)[97]

La calorimetrıa diferencia de barrido es el proceso en el cual se produce una variacion

entalpica como puede ser la determinacion de:

• Calores especıficos.

• Puntos de ebullicion y cristalizacion.

• Pureza de compuestos cristalinos.

• Entalpias de redaccion.

El rango de trabajo del DSC con respecto a la temperatura va desde la temperatura

del nitrogeno lıquido hasta los 600 ◦C por lo cual es mas ocupado en polımeros ya que

estos presentan todas las transiciones termicas en esos intervalos.

El resultado del proceso de DSC es registrar la diferencia en el cambio de entalpia

que tiene lugar entre la muestra y el material inerte de referencia en funcion de la

temperatura o del tiempo.

Elementos que conforman el DSC

• Horno calorimetrico .

• Sistema de gas de purga.

111

• Procesador para control.

• Unidad de enfriamiento.

Es sistema DSC que se ocupo fue potencia compensada que posee la maquina

ocupada Q2000 de TA INSTRUMENTS es cual consiste que la muestra y el material

de referencia se calientan mediante calentadores separados aunque sus temperaturas se

mantienen iguales mientras las temperaturas se aumentan o disminuyen linealmente [98].

Existen dos tipos de ensayos que se realizan uno dinamico en el cual la muestra es

sometida a calentamiento y enfriamiento constantes para obtener la variacion de flujo de

calor en funcion de la temperatura. Existe otro isotermo en el cual la muestra es calentada

hasta una temperatura que se mantiene constante durante el resto del ensayo de la cual se

obtiene la variacion de flujo de calor en funcion del tiempo.

En el figura 4.48 se muestra de forma general un termograma de un polımero

semicristalino tıpico [99].

Figura 4.48: Termograma de un polımero semicristalino tıpico

Parametros de ensayo

Se tomo un modelo comun que se realiza para polımeros que es llamado potencia

compensada el cual es disminuir y elevar la temperatura con el fin de eliminar la memoria

del antiguo material y dar las caracterısticas del nuevo material.

Procedimiento de ensayo

1. El primer paso es encender los elementos principales de la maquina como lo son

el equipo en si el sistema de refrigeracion luego la valvula del aire de purga que

se debe encontrar entre los 10 y los 50% ± 5 ml/min con referencia en la norma

ASTM D3418- 12 que en nuestro caso se realizo con nitrogeno y a 50 ml/min estos

elementos los podemos observar en la figura 4.49.

112

Figura 4.49: A) Sistema de enfriamiento, B) Equipo DSC, C) Valvulas de aire de purga

2. El segundo paso fue la preparacion de muestras las cuales se realizaron en crisoles

descartables los cuales fueron pesados con y sin muestra en una balanza Kern ABT

220 - 5 DM como se muestra en las siguientes figuras para colocar dicho dato en el

software que se ocupado cuyo nombre es universal analysis 2000 en la figura 4.50 se

observa la balanza y los elementos para preparar las muestras.

Figura 4.50: A) Balanza B) Crisoles y prensa para cerrarlos

3. Luego se realizo un prensado de los crisoles con sus respectivas tapas para mantener

cerrada la muestra mediante la prensa antes mostrada y como se ve en la figura 4.51.

Figura 4.51: Proceso de sellado de los crisoles

4. Como cuarto paso se prenso todas las muestras se coloco los datos en el software

y para finalizar se insertaron en el auto alimentador que posee la maquina para

analizarlas continuamente en la figura 4.52 se muestra la rueda alimentadora de

probetas.

113

Figura 4.52: Rueda alimentadora de crisoles

4.3.2.2 Curvas obtenidas para los materiales ensayados

Se realizaron 6 ensayos en total, de los cuales los dos iniciales se los realizaron a la fibra

en primera instancia a la que presenta el tratamiento quımico con NaOH al 5% para

poder compararla con el segundo ensayo que se realizo con fibra verde secada sin ningun

tratamiento quımico las graficas mostradas estan en funcion del flujo de calor en el eje de

las y, por otro lado en el eje de las x esta presente las variante tiempo y temperatura.

Los siguientes ensayos fueron realizados a los materiales obtenidos mediante

extrusion como se muestran la tabla 4.31.



Numerode en-sayos

Nomenclatura

Guadua NaOH 1 Guadua con tratamiento quımico de hidroxido desodio (NaOH) al 5%

Guadua ST 2 Guadua sin tratamiento quımicoPB10F5NA 3 Polietileno de baja densidad con 10% de fibra y

tratamiento quımico de hidroxido de sodio (NaOH)al 5%


PB5FST 5 Polietileno de baja densidad con 10% de fibra ytratamiento quımico de hidroxido de sodio (NaOH)al 5%

PP10F5NA 6 Polipropileno con 10% de fibra y tratamientoquımico de hidroxido de sodio (NaOH) al 5%

Es importante para el analisis de las graficas aplicar la ley de los signos para

interpretacion de la variacion de potencia ya que los cambios que se presentan hacia arriba

seran exotermicos y hacia abajo endotermicos o que absorben calor.

114

1. Guadua NaOH (DSC)

Como se puede observar en las figuras 4.53 y 4.54 el proceso endotermico en donde el

material absorbe calor por lo que genera una un punto de fusion en aproximadamente

a los 175 ◦C y una degradacion a partir de los 200 ◦C aproximadamente por su

cambio exotermico donde expulsa calor.

Figura 4.53: Ensayo DSC Guadua NaOH variacion de potencia vs temperatura

Figura 4.54: Ensayo DSC Guadua NaOH variacion de potencia vs tiempo

2. Guadua ST (DSC)

Como se puede observar en las figuras 4.55 y 4.56 el proceso endotermico en donde el

material absorbe calor por lo que genera una un punto de fusion en aproximadamente

115

a los 185 ◦C y una degradacion a partir de los 195 ◦C aproximadamente por su

cambio exotermico donde expulsa calor.

Figura 4.55: Ensayo DSC Guadua ST variacion de potencia vs temperatura

Figura 4.56: Ensayo DSC Guadua ST variacion de potencia vs tiempo

3. PB10F5NA (DSC)

Como podemos observar en las figuras 4.57 y 4.58 la temperatura de transicion vıtrea

se encuentra en aproximadamente los 105 ◦C, la temperatura de fusion en los 123 ◦C

y la temperatura de degradacion a partir de los 130 ◦C para esta combinacion de

materiales.

116

Figura 4.57: Ensayo DSC PB10F5NA variacion de potencia vs temperatura

Figura 4.58: Ensayo DSC PB10F5NA variacion de potencia vs tiempo

4. PB10FST (DSC)




materiales.

117

Figura 4.59: Ensayo DSC PB10FST variacion de potencia vs temperatura

Figura 4.60: Ensayo DSC PB10FST variacion de potencia vs tiempo

5. PB5FST (DSC)




118

materiales.

Figura 4.61: Ensayo DSC PB5FST variacion de potencia vs temperatura

Figura 4.62: Ensayo DSC PB5FST variacion de potencia vs tiempo

6. PP10F5NA (DSC)




materiales.

119

Figura 4.63: Ensayo DSC PP5F5NA variacion de potencia vs temperatura

Figura 4.64: Ensayo DSC PP5F5NA variacion de potencia vs tiempo

4.3.2.3 Resultados esperados

Lo que se espera analizar de cada uno de estos termogramas es la determinacion de:

• Temperatura de transicion vıtrea

120

• Temperatura de fusion

• Tiempo e induccion de oxidacion

• Descomposicion

4.4 Comparacion de resultados

4.4.1 Resultados obtenidos caracterizacion quımica de la fibra deguadua

• 1.8207 % solubles en agua.

• 20.0005% insolubles en agua (Organicos).

• 3.0475 % de cenizas que son elementos de origen mineral.

• Humedad presente en la guadua con tratamiento de NaOH al 5% y en la guadua sin

tratamientos donde obtuvimos un promedio de 3.25% para la guadua sin tratamiento

y un promedio de 6.97 % para la guadua con tratamientos. Este porcentaje fue

reducido en los ensayos realizados posteriores a este control hasta un nivel del 2 al 3

% para cada muestra.

Estos valores son comparativos con los analisis realizados en el capıtulo uno del

presente trabajo.

4.4.2 Analisis de conformacion del compuesto

Hay defectos que se presentaron en cada uno de los compuestos los cuales se presentan a

continuacion:

4.4.2.1 Compresion en caliente

Este proceso se dio como etapa inicial para la conformacion del nuevo material compuesto

del cual se obtuvo una probeta con varias deficiencias entre las que podemos destacar las

siguientes:

• Mala distribucion de la fibra.

121

• Falta de fundido de la matriz polimerica.

• Deficiente union matriz fibra.

• Problemas con la separacion compuesto molde.

4.4.2.2 Extrusion - inyeccion manual

Este proceso se realizo como segunda etapa de obtencion del nuevo compuesto en dos fases

la primera fue la obtencion del material extruido en los laboratorios de transformacion de

polımeros en la UPS sede Cuenca y la segunda fase fue la inyeccion manual del mismo

compuesto en los laboratorios de la UPB Medellın. Para este proceso se presentaron los

siguientes defectos:

• Falta de fundido de fundido del material compuesto.

• Puntos crıticos de falla en las probetas inyectadas.

• Humedad excesiva y falta de contrapresion en las probetas.

4.4.2.3 Calandrado - inyeccion manual

Este proceso se inicia con materia prima nueva la cual es mezclada mediante una laminadora

presente en el laboratorio de ensayo de materiales de la UPB la cual tiene como objetivo

final mezclar adecuadamente la matriz con el refuerzo. Esta mezcla es nuevamente utilizada

para ser inyectada manualmente para obtener las nuevas probetas de las cuales aparecieron

los siguientes defectos:

• Falta de fundido de fundido del material compuesto.

• Puntos crıticos de falla en las probetas inyectadas.

4.4.2.4 Extrusion - inyeccion automatica

Este es el ultimo proceso que se realizo en este proyecto donde se efectuaron cambios tanto

en la obtencion del material pelletizado en el cual se controla los parametros de velocidad

y perfiles de temperatura para evitar en lo absoluto la degradacion de la fibra, como el

tratamientos realizado a la fibra en el cual se realizo un secado y esterilizado de la misma

lo mismo se realizo para el material ya pelletizado a fin de evitar la humedad las probetas

inyectadas automaticamente.

122

4.4.3 Resultados obtenidos caracterizacion mecanica del compuesto

4.4.3.1 Ensayos de traccion compuesto pelletizado e inyectado

La mejor configuracion fue con 5% de fibra y sin tratamiento quımico cuyo compuesto

aumento un 43% su propiedad de esfuerzo a la traccion y 173% de su modulo de elasticidad

mientras que el compuesto 5% de fibra con NaOH la cual disminuyo un 18% de las

propiedades al compuesto de polietileno de baja densidad en el esfuerzo a traccion. Como

se puede observar el tratamiento quımico realizado a la fibra ocasiono el deterioro de la

fibra por lo que no presento refuerzo a la matriz.

4.4.3.2 Ensayos de traccion compuesto calandradado e inyectado

La mejor configuracion fue 5 % de fibra y sin tratamiento quımico a la fibra ya que

aumento aproximadamente un 30 % su propiedad de esfuerzo a la traccion y su modulo

de elasticidad un 105 % mientras que el compuesto 5% con NaOH disminuyo un 36 % de

las propiedades al compuesto de polipropileno en el esfuerzo a traccion. Como se puede

observar el tratamiento quımico realizado a la fibra ocasiono el deterioro de la fibra por lo

que no presento refuerzo a la matriz. Para los ensayos con polipropileno son comparables

los resultados de los ensayos mecanicos realizados a traccion con estudios realizados con

reforzante de fibras de lino mostrados en estudios realizados por la universidad de Perugia

[100]. Para los ensayos con polietileno podemos observar similares resultados comparados

con estudios realizados en la universidad tecnologica Owerri en Nigeria [101].

4.4.4 Resultados obtenidos caracterizacion fısica del compuesto

4.4.4.1 Ensayo TGA

La temperatura de degradacion como se puede observar en el ensayo para fibras se da

alrededor de los 210 ◦C en los que respecta a los polımeros de da los 370 y 440 ◦C.

4.4.4.2 Ensayo DSC

Para los ensayos realizados mediante calorimetrıa diferencial de barrido se muestran

temperaturas similares de temperatura de transicion vitrina para los ensayos realizados

con polietileno de baja densidad que se encuentran entre los 100 ◦C caso similar para la

temperatura de fusion que se encuentra entre los 125 ◦C y temperatura de degradacion de

los entre los 140 ◦C caso distinto al ensayo realizado con polipropileno que presenta una

123

temperatura de transicion vıtrea de 137 ◦C, una temperatura de fusion de 163 ◦C y una

temperatura de degradacion de 174 ◦C Caso contrario a los ensayos realizados a las fibras

donde la temperatura de fusion de la fibra si tratamiento es de 185 ◦C y la temperatura

de degradacion en los 195 ◦C lo cual no permite comparar con los resultados obtenidos

con la fibra tratada con NaOH al 5% cuya temperatura de fusion disminuye a 175 ◦C y su

temperatura de degradacion es similar a la fibra sin tratamiento con 200 ◦C.

4.5 Conclusiones

• Los analisis quımicos obtenidos presentan datos comparables con los estudiados en el

capıtulo 1 del presente trabajo por lo que presentan propiedades para ser utilizados

como reforzantes.

• El mejor conformado se dio mediante extrusion - inyeccion automatica con el cual se

obtuvo probetas que presentan una correcta distribucion de fibras y union de sus

componentes.

• En los ensayos a traccion los mejores resultados se obtuvieron en el compuesto

de polietileno de baja densidad que poseen una proporcion de 5% de fibra sin

tratamiento.

• Los peores resultados para los ensayos a traccion se mostraron en el compuesto

reforzado con fibra que posee 10% de fibra tratada con 5% de NaOH para el polietileno

de baja densidad conformado por extrusion - inyeccion manual y 5% de fibra tratada

con 5% de NaOH para el polipropileno conformado por calandrado - inyeccion

manual.

• Para el ensayo de TGA La temperatura de degradacion para las fibras es de alrededor

de los 210 ◦C y de 370 a 440 ◦C para los polımeros.

• Para los ensayos del DSC la temperatura de transicion vıtrea fue alrededor de los 100

◦C, 125 ◦C de temperatura de fusion y 140 ◦C de temperatura de degradacion para

PELD y para PP la temperatura de transicion vıtrea fue de 137 ◦C, temperatura

de fusion de 163 ◦C y una temperatura de degradacion de 174 ◦C, para las

fibras se presento una temperatura de fusion de 185 ◦C y 195 ◦C de temperatura

de degradacion para fibras ST y para fibras con NaOH al 5% es de 175 ◦C su

temperatura de fusion y 200 ◦C su temperatura de degradacion.

124

5 APLICACIONES, CONCLUSIONES YRECOMENDACIONES

Introduccion

La aplicacion de materiales compuestos rige su uso en la adaptabilidad a diferentes

ambientes por contener una combinacion de diversas familias de materiales que permiten

mejorar propiedades especıficas y mostrar propiedades buscadas [102].

El objetivo de estos materiales es mejorar diferentes propiedades, dependiendo

del tipo de matriz y del tipo de reforzante se pueden mejorar las propiedades mecanicas,

termicas, electricas, magneticas, reducir pesos y los costos de produccion [75].

5.1 Industria automotriz

En el campo de la ingenierıa automotriz continuamente se busca disminuir costos y pesos

en el vehıculo. Donde se necesita partes de gran tamano con buenos acabados [3].

En aplicaciones tenemos los siguientes ejemplos:

5.1.1 Paneles e injertos de puertas

El proceso se realiza para determinar la cantidad de elementos solubles en agua para la

limpieza del material. La practica a realizar consiste en los siguientes procedimientos

estipulados en la norma ASTM D 1110 - 84:

5.1.2 Equipo de laboratorio necesario

Son muy utilizados en gran variedad de vehıculos por su acabado y por su reduccion de

dano al medio ambiente generalmente se usa en proporciones 50% de fibra natural y 50%

de polipropileno [103] en la figura 5.1 se observa un ejemplo.

125

Figura 5.1: Paneles e injertos de puerta

5.1.3 Estantes de paqueterıa traseras

Son aquellos cobertores de puertas traseras que brindan proteccion a la parte metalica y

aıslan de ruidos exteriores del vehıculo. La figura 5.2 se muestra un ejemplo de estante de

paqueterıa [104].

Figura 5.2: Estantes de paqueterıa trasera [104]

5.1.4 Respaldos de asiento y asientos deportivos

Se realizan para lograr ergonomıa, disminuir pesos y ciclos de procesamiento en los asientos

vehiculares en la figura 5.3 podemos observar la formacion de un asiento deportivo con

material compuesto [105].

Figura 5.3: Asiento deportivo [105]

126

5.1.5 Cobertores de rueda

En la figura 5.4 se observa la parte del compartimiento donde aloja la rueda realizada con

resina termoplastica y reforzada con fibras de banano [104].

Figura 5.4: Cobertor de neumatico [104]

5.1.6 Vehıculo ultraliviano

Se ha experimentado con carrocerıas de vehıculos ultralivianos y de gran resistencia estas

son realizadas con resinas termofijas y fibras tejidas de altas prestaciones como: Kevlar,

Carbon, Aramida entre las mas nombradas [106] en las figuras 5.5 y 5.5 se observa un

vehıculo de fabricacion Koenigsegg fabricado con accesorios en fibras de carbono.

Figura 5.5: Carrocerıa con partes de fibra de carbono [106]

Figura 5.6: Multiple de escape fibra de carbono [106]

127

5.2 Industria de lınea blanca

En la industria blanca no se han generado aplicaciones reforzadas con fibras pues posee

cambios continuos de temperatura. Los compuestos mas ocupados a nivel de la industria

de lınea blanca son los compuestos ceramicos y aislantes termicos en lo correspondiente

a cocinas y hornos por otro lado en lo que respecta a refrigeracion se ocupa aislantes

termicos para mantener la temperatura del congelador o refrigerador los mas ocupados

son: polietileno expandido (EPS), poliuretano o un colchon de aire [107], [108], [109]

5.3 Industria de la construccion

En el campo de la construccion la aplicacion es [110] variada ya que existen compues-

tos ocupados para elementos constructivos estructurales como no estructurales por su

resistencia a la corrosion y bajo peso de donde se presentan las siguientes aplicaciones:

5.3.1 Tanques anticorrosion

Estos tanques son ocupados para sustancias que poseen caracterısticas corrosivas. Estos

tanques por ser construidos de materiales polimericos y reforzados con fibras ceramicas

poseen bajo peso permitiendo ser facilmente transportados [111]. En la figura 5.7 podemos

observar un ejemplo.

Figura 5.7: Tanques reforzados con fibra de vidrio [111]

5.3.2 Tableros para revestimientos y techos

Los tableros son generalmente formados por una combinacion de yeso y fibra natural

mayormente utilizados para la construccion. Se conocen como Estuco [112] y Gypsum la

128

figura 5.8 se observa un ejemplo de tableros con material compuesto para revestimientos.

Figura 5.8: Tableros de material compuesto [112]

5.3.3 Tableros para paredes, contornos de puertas y ventanas

Existen tableros para la construccion elaborados de materiales reforzados con fibras y

encapsulados en resinas amigables con el medio ambiente [113]. Tambien son ocupados

conglomerados con madera reciclada mas conocido como MDF (Medium-density fibreboard)

como podemos observar en la figura 5.9.

Figura 5.9: A),B) Tableros reforzados con fibra, C) MDF [113]

5.3.4 Tejas

Existen tejas formadas de fibra vegetal o celulosa cubiertas de brea que le otorgan

caracterısticas inoxidables, impermeables flexibles, resistentes y con bajo peso [114] en la

figura 5.10 podemos observar la presentacion.

129

Figura 5.10: Tejas onduladas con material compuesto [114]

5.3.5 Pisos madera plastica

Son productos generados de diversos materiales y combinaciones, de los cuales el que

garantiza mayor acabado, textura y mejor durabilidad es la combinacion de polımero con

madera. figura 5.11 podemos observar ejemplos de construcciones en pisos y maderas con

este material [18].

Figura 5.11: A) Paredes con madera plastica. B) Pisos con madera plastica [18]

5.4 Industria del equipo de seguridad

La seguridad es un campo variad puesto que se han desarrollado compuestos para ac-

tividades como: Empresariales e industriales, deportivas y personal entre los elementos

actualmente ocupados se encuentran los siguientes:

5.4.1 Cascos protectores

Estos cascos son muy utilizados para proteccion de accidentes laborales, deportivos o en

combate. Estos elementos estan reforzados por varias capas de fibras y encapsulados en

una matriz que generalmente es de naturaleza termoplastica [115], [116] en la figura 5.12

se muestra dos ejemplos

130

Figura 5.12: A) Casco deportivo. B) Casco militar [115], [116]

5.4.2 Punteras

Son elementos necesarios para evitar lesiones por accidentes laborales como caıda de

objetos pesados. Las punteras soportan y evitan lesiones en la zona de los pies, por ser

hechos de componentes polimericos evitan tambien la transferencia electrica protegiendo

al individuo que los usa de descargas electricas [117]. La figura 5.13 muestra una puntera

ocupada industrialmente.

Figura 5.13: Puntera [117]

5.4.3 Proteccion para robots

Se ha desarrollado elementos que permiten proteger los partes electronicas y metalicas

funcionales de los robots. Son hechos de material compuesto con refuerzo de fibra de

vidrio y de matriz epoxica [118]. La figura 5.14 muestra un brazo robotico protegido por

un aditamento en color naranja.

Figura 5.14: Proteccion brazo robotico [118]

131

5.4.4 Chalecos antibalas

Son compuestos realizados con fibra de Kevlar y Twaron que absorben la fuerza de

impacto evitando el dano al individuo protegido [119]. La figura 5.15 muestra las fibras

ocupadas [120].

Figura 5.15: Fibras Kevlar Twaron [119] [120]

5.4.5 Trajes resistentes

Estos trajes se realizan con aleaciones de fibra de kevlar, algodon y nylon como se

observa en la figura 5.16 los cuales tienen propiedades que dan al usuario ergonomıa y

proteccion [119], [120].

Figura 5.16: Fibras de kevlar, algodon y nylon [119] [120]

5.5 Industria Acuatica

Para la industria marina ha incursionado en generalmente en embarcaciones de todo tipo

como tambien de uso deportivos como botes que navegan a alta velocidad estas aplicaciones

nacieron de la utilizacion de materiales ligeros y resistentes a la corrosion salina [121].

Entre las mas importantes tenemos las siguientes:

5.5.1 Yates y Lanchas de competencia y comerciales

Muchos materiales compuestos son utilizados en yates de lujo, lanchas de alta velocidad

y comerciales donde la relacion peso, volumen y flotabilidad no pueden estar separadas

ya que permite que las embarcaciones naveguen con bajo peso y a alta velocidad. La

figura 5.17 muestra un yate y una lancha [121].

132

Figura 5.17: A) Yate. B) Lancha deportiva [121]

5.5.2 Bote de transporte

Son aquellos botes pequenos que permiten el traslado de personas en distancias cortas. La

figura 5.18 muestra ejemplos de botes de transporte [121].

Figura 5.18: A) bote de pasajeros. B) bote personal [121]

5.5.3 Domos del sonar en submarinos y submarinos resistentes abajas presiones

Los domos son capsulas ubicadas en los cascos de los submarinos donde se alojan elementos

electronicos [122]. Se usa tambien para submarinos disenados para navegar a bajas

presiones los cuales son construidos con fibras de carbon o de vidrio como reforzante. Son

ocupados de reconocimiento o de transporte. La figura 5.19 ilustra ejemplos.

Figura 5.19: A) Domo del sonar de submarino. B) submarino de reconocimiento C) narcosubmarino [122]

133

5.5.4 Tablas de surf y canas de pescar

Para elementos deportivos son muy ocupados compuestos reforzados con fibras naturales,

de vidrio y de carbono unidas con resinas tanto termoplasticas como termoestables a fin

de lograr elementos como los mostrados en la figura 5.20 que poseen altas prestaciones,

caracterısticas y propiedades [123].

Figura 5.20: A) Tabla de surf car bambu carbon. B) Canas de pescar bambu [123]

5.6 Industria aeronautica

Las aplicaciones aeroespaciales existen a pequena escala si se habla de produccion pero

han generado gran impacto para el desarrollo de materiales compuestos puesto que estas

maquinas necesitan un alto rendimiento a bajos [73]. Se pueden destacar las siguientes

aplicaciones.

Se usa generalmente en elementos aereos como: Timon, aleta, helice, superficie

exterior, subestructuras, bordes de ataque, estabilizadores verticales, carenados, gondolas

de motor, inversores de empuje, cupulas, puertas del tren de aterrizaje, puertas de acceso,

cabina interior, compartimentos de carga [73], [124]. En la figura 5.21 se muestran puntos

de aplicacion en aviones.

Figura 5.21: Ejemplos industria aeronautica [73] [124]

134

5.6.1 Helicopteros

Los materiales compuestos son ocupados en gran parte del helicoptero como lo son: helices y

cuerpo exterior. Son ocupados en estas partes por su bajo peso y facil moldeo. La figura 5.22

muestra partes de un helicoptero en donde intervienen materiales compuestos [110].

Figura 5.22: Ejemplos materiales compuestos en helicoptero [110]

5.6.2 Naves espaciales

En la industria de naves espaciales se ocupa materiales compuestos generalmente mezclando

elementos tanto metalicos como polimericos y ceramicos de alta gama los cuales unidos

generan excelentes prestaciones [125]. La figura 5.23 ilustra una imagen de una nave

espacial de los Estados Unidos.

Figura 5.23: Nave espacial [125]

5.6.3 Satelites

Los satelites son elementos que soportan presiones y temperaturas elevadas por lo que es

necesario que posean elementos que puedan soportar estas caracterısticas por lo que es

135

necesario utilizar materiales compuestos que por lo general combinaciones de materiales

metalicos, polimericos y fibras de altas prestaciones [126], [127]. La figura 5.24 muestra

un tanque propulsor para satelites.

Figura 5.24: Tanque propulsor para satelites en fibra de carbono con liner interior de tita-nio [126], [127].

5.7 Otras industrias

Se incursiona en el uso de materiales compuestos con nuevos usos cuya necesidad radica

en conseguir gran resistencia y bajos pesos. Donde las aplicaciones mas comunes son las

siguientes:

5.7.1 Instrumentos de musica

Se ha generado aplicaciones en instrumentos musicales donde el compuesto posee pro-

piedades acusticas y generan sonidos unicos por lo que se han creado gran variedad de

instrumentos [128]. La figura 5.25 muestra una guitarra conformada de material compuesto.

Figura 5.25: Instrumento musical con material compuesto [128].

136

5.7.2 Protesis

Se ocupan materiales compuestos para realizar tanto protesis dentales como biometricas [129],

[130]. La figura 5.26 ilustra una protesis dental en la parte A y una protesis de pie en la

parte B.

Figura 5.26: A) Protesis dental. B) Protesis de pie [129], [130].

5.7.3 Bicicletas, raquetas

Estos materiales son de gran utilidad en elementos deportivos donde se necesita flexibilidad,

resistencia y bajo peso por lo que se da en aplicaciones como bicicletas de alto desempeno

y raquetas de varios deportes. La figura 5.27 presenta varios ejemplos [131], [132].

Figura 5.27: A) Bicicleta disenada con fibra de carbono. B) raqueta de tenis con materialescompuestos [131], [132].

5.8 Conclusiones

• El bambu quien presenta en el Ecuador, su mayor exponente en la variedad de Guadua

Angustifolia Kunth; esta fibra es la mejor reforzante debido a que presenta: una

alta produccion, elevada tasa de crecimiento diaria, buenas propiedades mecanicas

quımicas y fısicas.

• De los grupos de matrices polimericas se destaca que las matrices termoestables

son difıcilmente re procesables y con un proceso de transformacion muy elevado en

137

costos y tiempos las caracterısticas contrarias a las matrices termoplasticas por lo

que se hace decisiva la utilizacion de las mismas.

• La ocupacion del metodo de hidroxido de sodio para la modificacion superficial de

las fibras se dio por la facilidad de aplicacion y la facilidad de conseguir los reactivos

a ocupar de ahı que su costo es reducido.

• El proceso de manufactura mas conveniente es el de extrusion pelletizado e inyeccion

automatica ya que se obtienen en tiempos de ciclo de 45 segundos garantizando

homogeneidad de propiedades, excelente dispersion de fibras, ausencia de fallas y

reproducibilidad de formas y dimensiones.

• Los principales beneficios del material compuesto con fibras naturales es su moderada

resistencia mecanica, su moderado modulo de elasticidad, su bajo peso y su bajo

costo.

• La mayor aplicacion en materiales compuestos con fibras cortas se ha desarrollado

principalmente en el campo automotriz y de la construccion ya que todos sus

elementos compuestos son conglomerados de madera y de fibras naturales en diferentes

proporciones.

5.9 Recomendaciones

• Mantener a las fibras libres de humedad para evitar burbujas en el proceso.

• Elegir el proceso adecuado de conformado para lograr una adecuada distribucion de

las fibras y obtener las mejores propiedades mecanicas.

• Al momento del pre extruido e inyectado del material se deben tomar muy en cuenta

los parametros a controlar a fin de evitar errores y danos tanto de la matriz como de

la fibra.

• Al realizar cambios en las variables del proceso controlar las mismas con ensayos a

fin de observar las variaciones que provocan.

5.10 Trabajos a futuro

• Estandarizar un proceso de obtencion de fibras naturales como reforzante para

materiales compuestos.

138

• Estandarizar el proceso de fabricacion de materiales compuestos con matriz polimerica

y reforzados con fibras naturales cortas.

• Realizar un tratamiento superficial aplicado a la matriz y aplicado a la fibra para

mejorar la interfaz.

• Generar un modelado por computador del material compuesto con fines de diseno

de nuevos elementos.

139

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UNIVERSIDAD POLITECNICA SALESIANA SEDE … · A Dios Por permitirme seguir con vida para seguir...

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