CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL …
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Proyecto de Grado CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL MATERIAL COMPUESTO FIBRAS DE GUADUA - PLA Sebastián Castellanos Pérez Asesor: Andrés González Mancera Co-Asesor: Fernando Ramírez Rodríguez Departamento de Ingeniería Mecánica Bogotá DC, Colombia Mayo 2013
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Proyecto de Grado
CARACTERIZACIÓN DE LAS PROPIEDADES
MECÁNICAS DEL MATERIAL COMPUESTO
FIBRAS DE GUADUA - PLA
Sebastián Castellanos Pérez
Asesor:
Andrés González Mancera
Co-Asesor:
Fernando Ramírez Rodríguez
Departamento de Ingeniería Mecánica
Bogotá DC, Colombia
Mayo 2013
2
Agradecimientos
Quiero agradecer a mis padres Oliverio y Adriana, mis hermanos Carolina, Felipe,
Jimena y María por todo su apoyo, comprensión e incondicionalidad durante todo mi
trayecto en la universidad. Al profesor Fernando Ramírez por su colaboración y por
permitirme ser parte de este proyecto. Al profesor Andrés González por su guianza y
apoyo durante todo el semestre y a todo el personal de los laboratorios de los
Departamentos de Ingeniería Mecánica e Ingeniería Civil que hicieron posible el desarrollo
del proyecto.
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Índice General
1. Introducción ................................................................................................................................ 7
2. Motivación .................................................................................................................................. 8
3. Objetivos ................................................................................................................................... 10
3.1 Objetivo General ............................................................................................................... 10
3.2 Objetivos Específicos ......................................................................................................... 10
4. Materiales compuestos reforzados con fibras .......................................................................... 11
4.1 Características generales................................................................................................... 11
4.2 Propiedades mecánicas teóricas ....................................................................................... 13
4.3 Materiales de matriz polimérica y fibra natural (WPC)..................................................... 14
4.3.1 Ventajas de los WPC .................................................................................................. 15
4.3.2 Desventajas de los WPC ............................................................................................ 15
5. Materia prima ........................................................................................................................... 16
5.1 Matriz polimérica (Ácido Poli Láctico) ............................................................................... 16
5.2 Refuerzo de fibras naturales (Guadua Angustifolia) ......................................................... 17
6. Metodología experimental ........................................................................................................ 19
7. Extracción de fibras ................................................................................................................... 20
7.1 Proceso Kraft ..................................................................................................................... 20
7.2 Separación por tamaño ..................................................................................................... 23
8. Formulación y preparación del compuesto .............................................................................. 26
8.1 Nomenclatura y formulaciones ......................................................................................... 26
8.2 Mezclado interno .............................................................................................................. 27
8.3 Moldeo por compresión .................................................................................................... 30
9. Ensayos mecánicos .................................................................................................................... 33
9.1 Ensayo de Tensión ............................................................................................................. 33
9.2 Ensayo de Flexión .............................................................................................................. 36
9.3 Ensayo de Impacto ............................................................................................................ 38
10. Propiedades mecánicas experimentales y análisis de resultados ......................................... 40
10.1 Módulo de Elasticidad ....................................................................................................... 40
10.2 Esfuerzo Máximo a Tensión .............................................................................................. 41
4
10.3 Porcentaje de Elongación .................................................................................................. 42
10.4 Módulo de Ruptura a Flexión ............................................................................................ 43
10.5 Resistencia al Impacto ....................................................................................................... 44
10.6 Análisis General y Recomendaciones ................................................................................ 45
11. Comparación con otros WPC comerciales y experimentales ................................................ 48
11.1 Otros compuestos de Fibra de Guadua - PLA.................................................................... 48
11.2 Compuesto Fibra de Guadua – PVC .................................................................................. 49
11.3 Comparación con otros materiales WPC Comerciales ...................................................... 51
12. Conclusiones.......................................................................................................................... 53
13. Referencias bibliográficas ..................................................................................................... 55
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Índice de Fotos
Foto 7.1. Astillas de guadua con licor blanco antes de la digestión. ................................................. 21
Foto 7.2. Envases Schott en la autoclave previo al proceso de digestión......................................... 22
Foto 7.3. Presión y temperatura óptimas para el proceso de digestión. .......................................... 22
Foto 7.4. Astillas de guadua después de la digestión. ...................................................................... 22
Foto 7.5. Fibras de guadua después de la separación manual. ........................................................ 23
Foto 7.6. Tamices y fibras clasificadas por tamaño .......................................................................... 24
Foto 7.7. Fibra Corta. ......................................................................................................................... 24
Foto 7.8. Fibra Media. ....................................................................................................................... 24
Foto 7.9. Fibra Larga. ......................................................................................................................... 25
Foto 8.1. Mezclador interno Brabender Plasti-Corder Lab-Station EC. ............................................ 27
Foto 8.2. Material resultante del moldeo por compresión............................................................... 30
Foto 8.3. Material compuesto L20 en pellets para moldeo por compresión. .................................. 30
Foto 8.4. Preparación del molde para producir probetas del material L10. ..................................... 31
Foto 8.5. Moldeo del material M10 a temperatura ambiente. ........................................................ 32
Foto 9.1. Ensayo de tensión de acuerdo a la Norma ASTM D638..................................................... 36
Foto 9.2. Ensayo de flexión en el material compuesto fibras de guadua-PLA. ................................. 38
Foto 9.3. Ensayo de flexión en material de la matriz polimérica PLA. .............................................. 38
Índice de Tablas
Tabla 5.1. Propiedades mecánicas de diferentes tipos de PLA (Auras, 2010). ................................. 17
Tabla 5.2. Propiedades mecánicas de las fibras de guadua Angustifolia (Estrada, 2010). ............... 18
Tabla 7.1. Elementos en cada envase Schott para realizar la digestión de las astillas de Guadua. .. 21
Tabla 7.2. Denominación de los tamaños de fibras de refuerzo....................................................... 23
Tabla 8.1. Definición de las formulaciones a desarrollar. ................................................................. 26
Tabla 8.2. Temperatura y momento par máximo en el proceso de mezclado interno. ................... 29
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Índice de Gráficas
Gráfica 11.1. Comparación de módulos de elasticidad con otros compuestos Fibras de Guadua -
PLA. .................................................................................................................................................... 48
Gráfica 11.2. Comparación de esfuerzo máximo con otros compuestos Fibras de Guadua - PLA. .. 49
Gráfica 11.3. Comparación del módulo de elasticidad con material Fibras de Guadua - PVC. ........ 50
Gráfica 11.4. Comparación del esfuerzo máximo con materiales Fibras de Guadua - PVC. ............. 50
Gráfica 11.5. Módulo de elasticidad (MPa) de formulaciones con fibra larga y materiales WPC
comerciales. ...................................................................................................................................... 51
Gráfica 11.6. Esfuerzo máximo (MPa) de formulaciones con fibra larga y materiales WPC
comerciales. ...................................................................................................................................... 51
Gráfica 11.7. Resistencia al impacto (J/m) de formulaciones con fibra larga y materiales WPC
comerciales. ...................................................................................................................................... 52
Índice de Ilustraciones
Ilustración 4.1. Efecto de la orientación de las fibras (Askeland, 2004). .......................................... 12
Ilustración 4.2. Curva esfuerzo-deformación típica de materiales reforzados con fibras. ............... 14
Ilustración 8.1. Esquema del ciclo de moldeo por compresión (no se encuentra a escala). ............ 31
Ilustración 9.1. Distribución de esfuerzos en una probeta ranurada (UTP, 2011). ........................... 39
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1. Introducción
La guadua es un material abundante en el territorio colombiano. Su poco uso a
nivel industrial ha suscitado el interés de diferentes departamentos de Ingeniería para
desarrollar materiales compuestos. Previamente se realizaron análisis con el fin de
determinar la capacidad de la guadua como material de refuerzo. Al verificar su potencial
en matrices de PLA se busca generar un material amigable con el medio ambiente y a su
vez sostenible.
Los materiales compuestos reforzados por fibras naturales o Wood Composite
Materials (WPC) se comercializan actualmente como materiales para decoraciones y
elementos no estructurales. Mediante el desarrollo de nuevos materiales se busca
incursionar en la aplicación como elementos estructurales y reducir el uso de la madera.
De esta forma se estaría reduciendo la tala de árboles para destinar madera hacia este fin.
En el caso de la guadua, una planta no maderable, su crecimiento es rápido y puede ser
aprovechada para este tipo de materiales como se mencionó anteriormente. Por otra
parte el PLA o Ácido Poli Láctico es el polímero biodegradable más barato en el mercado.
La combinación de estos materiales resultaría en un material sostenible y amigable con el
medio ambiente.
De esta forma se realiza la investigación desarrollando diferentes formulaciones
del material fibras de guadua – PLA para desarrollar ensayos mecánicos y determinar el
potencial del material. Inicialmente se deben extraer las fibras del varillón de guadua
utilizando el método o proceso Kraft. Luego se mezclan los materiales de acuerdo a las
formulaciones establecidas y se realizan ensayos de tensión, flexión e impacto Izod. Una
vez obtenidos los resultados se define el potencial que tiene el material y el efecto que
tienen las fibras sobre la matriz polimérica.
Al realizar el procedimiento mencionado anteriormente se puede comparar el
material con otros materiales en desarrollo e incluso con los materiales comerciales. Esto
define la competitividad del material en términos mecánicos. EL objetivo de toda la
investigación consiste en generar un material para incursionar en aplicaciones
estructurales que tenga la capacidad de reemplazar a la madera.
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2. Motivación
Dada la fertilidad de los suelos, la variedad de pisos térmicos y la ubicación
geográfica, el territorio colombiano goza con una gran variedad de flora. A pesar de que
muchos productos agrícolas se explotan de forma constante, sus residuos se desechan sin
pensar que potencial podrían tener. Para listar algunos ejemplos se encuentra el cisco de
café, las cáscaras de banano y el varillón de guadua. Todos estos elementos poseen
propiedades explotables a nivel industrial de las cuales se podrían iniciar investigaciones
para ver su viabilidad en términos de propiedades mecánicas y en términos económicos.
En el Departamento de Ingeniería Mecánica se han venido desarrollando
diferentes materiales compuestos de matriz polimérica y refuerzo natural (WPC, Wood
Plastic Composite). Un caso particular es el Woodpecker®, el cual es una matriz de PVC
reforzada con cisco de café. Este material se produce a partir de una matriz reciclable y un
refuerzo que se obtiene como residuo del proceso del café. Este material actualmente se
encuentra en producción industrial para viviendas modulares y elementos de decoración,
compitiendo con marcas internacionales a base de PP, PET y PVC.
De esta forma se está buscando desarrollar un material reforzado con fibras
naturales explotables dentro del territorio colombiano. Por otra parte se parte de la base
que el material debe ser sostenible, es decir su costo de producción debe ser bajo para
competir a nivel industrial y debe ser amigable con el medio ambiente. Por esta razón se
decidió en conjunto con el profesor Fernando Ramírez en el Departamento de Ingeniería
Civil y Ambiental, desarrollar un material compuesto a base de Ácido Poli Láctico (PLA) y
fibras de guadua. El Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental ha venido trabajando
con la guadua desde aproximadamente 4 años, caracterizando sus propiedades
antisísmicas. Por otra parte el estudiante de doctorado Martin Estrada realizó la
caracterización mecánica de las fibras para refuerzo de matrices poliméricas en el 2010
(Estrada, 2010). Finalmente el estudiante maestría John Nivia realizó la caracterización de
un material con matriz de PVC reforzado con fibras de guadua (Nivia, 2011). A partir de
estas investigaciones se presentó la oportunidad de investigar las propiedades utilizando
una matriz biodegradable.
Como se mencionó anteriormente, el proyecto busca caracterizar un material de
matriz polimérica biodegradable (PLA) reforzado con fibras naturales explotables en
Colombia (guadua). Se seleccionó el varillón de guadua debido a que es una parte de la
guadua que se desecha en procesos de construcción debido a su bajo diámetro. De esta
forma se busca un material que tenga las propiedades mecánicas capaces de crear un
impacto en la industria de la construcción. Reduciendo los niveles de contaminación por
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uso de materiales no reciclables y reduciendo la deforestación por el uso excesivo de
madera.
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3. Objetivos
3.1 Objetivo General
Caracterizar las propiedades mecánicas del material compuesto (Fibras de guadua
– PLA).
3.2 Objetivos Específicos
Usar el método Kraft para extraer las fibras del varillón de guadua.
Desarrollar el material a partir de varillón de guadua y ácido poli láctico (PLA)
industrial.
Realizar probetas con diferentes tamaños y porcentajes de fibra natural.
Llevar a cabo pruebas experimentales de tensión, flexión e impacto en las
instalaciones de la Universidad de los Andes.
Analizar los resultados de las pruebas realizadas para determinar las propiedades
mecánicas de las formulaciones planteadas.
Determinar la formulación óptima de acuerdo a los resultados obtenidos.
Comparar el material desarrollado con otros materiales similares (Wood Plastic
Composite – WPC).
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4. Materiales compuestos reforzados con
fibras
Los materiales compuestos son aquellos en los cuales se combinan dos o más fases
con propiedades diferentes para obtener un material con nuevas propiedades mecánicas.
Este tipo de materiales se usan a diario y pueden ser de origen natural o artificial. Los
dientes y la madera son elementos naturales en los cuales se puede apreciar un conjunto
de diferentes fases que generan un material con propiedades características. En el caso de
la madera se tienen fibras longitudinales de celulosa unidas por una matriz de lignina. Por
otra parte existen materiales compuestos de ingeniería elaborados específicamente para
satisfacer una necesidad. Un ejemplo de estos materiales corresponde a las vigas de
concreto las cuales poseen una matriz rígida de concreto y un refuerzo metálico que
aporta ductilidad y rigidez.
Existen tres tipos de materiales compuestos. Los materiales compuestos endurecidos
por dispersión que combinan una matriz con un refuerzo en partículas de diámetros entre
10 a 250nm. Otro tipo de material compuesto son los materiales particulados, estos a
diferencia de los endurecidos por dispersión utilizan partículas de tamaños grandes.
Normalmente este tipo de estructura no genera aumento en la resistencia mecánica, sin
embargo se logran combinaciones poco usuales de propiedades eléctricas o abrasivas.
Finalmente están los materiales reforzados por fibras los cuales por lo general generan
mejores propiedades mecánicas. En este documento se hará mayor énfasis en este tipo de
materiales.
4.1 Características generales
La mayoría de los materiales compuestos reforzados con fibras obtienen una mayor
resistencia, una mejor resistencia a la fatiga, mejor módulo de Young y una mejor relación
resistencia a peso al incorporar fibras resistentes, rígidas aunque frágiles, en una matriz
más blanda y más dúctil (Askeland, 2004). La matriz dúctil y blanda permite que la fuerza
se propague por todo el material y en consecuencia las fibras rígidas son las que soportan
la mayor parte de la carga. Por esta razón las propiedades mecánicas de un material
compuesto (reforzado con fibras) a bajas deformaciones dependen primordialmente de la
resistencia de las fibras y el acople de las mismas con la matriz.
Las fibras utilizadas en los compuestos pueden ser de diferentes longitudes y
diámetros. Por lo general sus propiedades geométricas se caracterizan con un parámetro
llamado la relación de forma. Este se define básicamente como la relación entre la
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longitud y el diámetro de la misma (l/d). Por lo general se prefiere hacer uso de fibras con
diámetros pequeños. Esto se debe a que al tener diámetros pequeños se reducen las
probabilidades de tener defectos en la superficie que pueden nuclear fallas en el material.
La longitud de la fibra depende del acoplamiento entre la matriz y el refuerzo, la fibra
debe ser lo suficientemente larga para evitar deslizamiento con la matriz. Con la siguiente
ecuación se puede calcular la longitud crítica o mínima que debería tener la fibra.
Donde TSf corresponde a la resistencia de la fibra, d al diámetro y τi al esfuerzo en el
cual la matriz empieza a deformarse. Si la longitud de la fibra es menor a lc, el material no
tendrá un refuerzo significativo. Otro factor importante en el desarrollo de este tipo de
materiales es la cantidad de fibra que se puede introducir en la matriz. Una fracción
volumétrica mayor genera mejores propiedades mecánicas, sin embargo existe un punto
en el cual la matriz no tiene la capacidad de cubrir todas las fibras.
Otro factor importante a tener en cuenta en este tipo de materiales es la orientación
de las fibras. En compuestos con fibras cortas se tiene una orientación aleatoria y bajo
esta consideración se puede simplificar el comportamiento del material como un material
isotrópico. Por otra parte al tener fibras largas orientadas uniformemente puede mejorar
las propiedades mecánicas si se ubican en la dirección de la carga. A continuación se
presenta una imagen donde se ve la variación de la resistencia a la tensión con respecto al
ángulo de las fibras de un compuesto epoxi reforzado con fibras de vidrio.
Ilustración 4.1. Efecto de la orientación de las fibras (Askeland, 2004).
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4.2 Propiedades mecánicas teóricas
Las propiedades mecánicas de los materiales reforzados con fibras se pueden
determinar utilizando la fracción volumétrica o la cantidad de fibras mediante la regla de
la mezcla. Con esta regla se puede determinar la nueva densidad del compuesto,
propiedades eléctricas, térmicas y también el módulo de elasticidad (Askeland, 2004). A
continuación se presentan las ecuaciones para calcular la densidad de los compuestos
reforzados.
Donde fx corresponde a la fracción volumétrica de la matriz (m) y fibra (f)
respectivamente. Es importante mencionar que para el cálculo de las propiedades
mecánicas solo aplica la regla de la mezcla cuando se tienen fibras orientadas
homogéneamente. En la siguiente ecuación se presenta el módulo de elasticidad en
materiales reforzados con fibras a deformaciones bajas.
Cuando se tienen altos esfuerzos y deformaciones, la matriz empieza a fluir y su
contribución con la rigidez es mínima. Por esta razón la curva deja de ser lineal y el nuevo
módulo de elasticidad se calcula tomando en cuenta únicamente el módulo de las fibras.
Es importante tener en cuenta que las dos ecuaciones anteriores únicamente aplican
para materiales con fibras paralelas a la dirección de aplicación de la carga. Cuando el
material presenta fibras aleatorias, la regla de mezcla no sirve para calcular módulos de
elasticidad. A continuación se presenta un esquema tomado de (Askeland, 2004) donde se
ve el comportamiento típico en una curva esfuerzo-deformación de los materiales
compuestos reforzados con fibras.
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Ilustración 4.2. Curva esfuerzo-deformación típica de materiales reforzados con fibras.
En la ilustración anterior se puede ver la relación entre los módulos de elasticidad y la
carga aplicada. A bajas deformaciones la carga se reparte entre la matriz y las fibras, mientras que
a altas deformaciones la matriz empieza a deformarse y únicamente las fibras soportan la carga.
Como se ve en la ilustración 1, las propiedades mecánicas disminuyen con la orientación de las
fibras. Con la siguiente ecuación se puede calcular el módulo de elasticidad del material con fibras
perpendiculares a la dirección de la carga.
4.3 Materiales de matriz polimérica y fibra natural (WPC)
Actualmente se pueden encontrar intensivas investigaciones y desarrollo de
materiales compuestos de matriz polimérica y refuerzo de fibra natural. En algunos casos
se utilizan otros productos para mejor el anclaje entre las fibras y la matriz o colorantes
para obtener materiales de colores llamativos según la industria en la cual se estén
aplicando.
A pesar de que se están desarrollando nuevos materiales de este estilo, su uso no es
muy amplio. Actualmente se utilizan muchos compuestos para elementos decorativos del
hogar tales como pisos, mallas o rieles. Sus ventajas frente a la madera (material utilizado
normalmente en esta aplicación) es su bajo mantenimiento y su sostenibilidad debido a
que la materia prima es fácil de conseguir. En muchos de los casos la materia prima se
obtiene a partir de residuos de otros procesos industriales. Por ejemplo el cisco de café se
obtiene después de trillar el café pergamino y es un residuo que tiene muy poco o ningún
uso.
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4.3.1 Ventajas de los WPC
A continuación se presentan las ventajas dadas por los fabricantes de los
materiales de matriz polimérica y fibras naturales.
Matriz de material reciclable.
Fibras de refuerzo obtenidas a partir de desechos orgánicos.
El material compuesto se puede reciclar y moldear nuevamente según se desee.
Inmune contra insectos.
No tiene problemas de corrosión.
No requiere pintura ni mantenimiento.
Baja absorción con respecto a la madera.
4.3.2 Desventajas de los WPC
A pesar de que este tipo de materiales posee ventajas con respecto a los demás, también
tiene sus desventajas. A continuación se presenta la lista de las mismas.
Comportamiento mecánico similar a los polímeros sin refuerzo.
Las partículas de madera son vulnerables a hongos.
La matriz polimérica puede degradarse por rayos UV.
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5. Materia prima
Para el desarrollo del material compuesto que se pretende caracterizar durante el
desarrollo del proyecto, se tienen como materias primas únicamente dos elementos. El
primero de ellos es el material del cual se compone la matriz. Es el biopolímero con mayor
disponibilidad en el mercado, el Ácido Poli Láctico (PLA). Por otra parte la segunda materia
prima necesaria para la elaboración del material compuesto es el material del cual se
obtienen las fibras que se usan como refuerzo. Este material crece a lo largo de todo el
valle de los ríos Cauca y Magdalena en el territorio colombiano y también es desechado al
igual que otros subproductos con potencial para este tipo de aplicaciones, la Guadua
Angustifolia. A continuación se presenta una breve descripción de cada producto y se
definen las propiedades mecánicas individuales de cada materia prima.
5.1 Matriz polimérica (Ácido Poli Láctico)
El desarrollo de nuevos materiales poliméricos a partir de elementos renovables
son prioridades para la ingeniería del siglo XXI que busca materiales sostenibles y de bajo
impacto ambiental. Se busca en un futuro reemplazar los productos derivados del
petróleo por estos materiales. El Ácido Poli Láctico (PLA) es un material ejemplar bajo la
definición de material sostenible. Su obtención no solo se realiza a partir de productos
naturales sino que también es degradable bajo condiciones de compostaje industrial.
El PLA es un polímero termoplástico con características ópticas y de rigidez
similares a las del Poliestireno (PS) y el Teraftalato de Polietileno (PET). Actualmente sus
aplicaciones industriales incluyen envases, empaques, productos inyectados y algunas
incursiones médicas. En el presente se tienen diferentes investigaciones para ampliar el
uso de este polímero ya que es biopolímero con mayor disponibilidad y menor precio del
mercado.
Su método de obtención se realiza mediante polimerización por condensación el
cual consiste en unir monómeros a la estructura polimérica generando pérdidas de
algunos átomos en forma líquida o gaseosa. Este procedimiento se realiza sobre el ácido
láctico que se obtiene a partir de la fermentación de azucares en productos con alto
contenido de carbohidratos como el maíz y la caña de azúcar.
Las características físicas, mecánicas y térmicas del PLA dependen de su peso
molecular. El peso molecular se modifica de acuerdo a la estructura generada durante el
proceso de elaboración del mismo. A continuación se presentan tres tipos de PLA con sus
respectivas características.
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PDLLA I PDLLA II PDLLA III
Peso Molecular (Da) 47500 75000 114000
Temperatura de Fusión (°C) 178 179 181
Propiedades a Tensión
Esfuerzo de Fluencia (MPa) 49 53 53
Elongación de Fluencia (%) 1,7 1,4 1,5
Esfuerzo de Ruptura (MPa) 40 44 44
Elongación Máxima (%) 7,5 4,8 5,4
Módulo de Elasticidad (MPa) 3650 4050 3900
Propiedades a Flexión
Esfuerzo Máximo (MPa) 84 86 88
Deformación Máxima (%) 4,8 4,1 4,2
Módulo de Elasticidad (MPa) 3500 3550 3600
Resistencia al Impacto
Izod, con muesca (kJ/m2) 1,8 1,7 1,8
Tabla 5.1. Propiedades mecánicas de diferentes tipos de PLA (Auras, 2010).
5.2 Refuerzo de fibras naturales (Guadua Angustifolia)
Desde hace siglos el bambú y sus derivados se han utilizado por sus excelente
dureza, flexibilidad y bajo peso. A pesar de que no es una madera, es un tipo de pasto o
planta gramínea lo que le permite un rápido crecimiento. En Colombia crecen de forma
natural diferentes plantas no maderables y bambús pertenecientes a la familia de los
pastos Poaceae, entre ellas se encuentra el maíz, el trigo, la caña de azúcar y la guadua
(Estrada, 2010). La más abundante en el territorio colombiano es la guadua Angustifolia,
cosa muy positiva si se considera que tiene mejores propiedades físico-mecánicas del
mundo entre bambúes y una durabilidad extraordinaria (Estrada, 2010).
La guadua Angustifolia crece a lo largo de los valles del rio Magdalena y el rio
Cauca, generalmente se encuentra entre los 400 y 1200 metros sobre el nivel del mar. Al
ser un tipo de pasto, su crecimiento es muy rápido, se puede cosechar en 4 o 5 años y su
nivel de crecimiento logra los 15 – 20 metros en aproximadamente dos meses.
Actualmente se utiliza como elemento arquitectónico en algunas construcciones. A pesar
de que se están llevando a cabo investigaciones para fomentar su uso de forma
estructural (Estrada, 2010).
La parte de la guadua que nos interesa en este proyecto es una sección llamada el
varillón. Esta sección de la planta se desecha debido a que presenta bajos diámetros lo
cual dificulta sus uniones con otros elementos estructurales. Por otra parte el varillón
posee un porcentaje alto de fibras y bajo de lignina, lo que es favorable para la extracción
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de fibras de refuerzo (Estrada, 2010). La separación de la matriz de lignina y las fibras de
celulosa se realiza mediante una digestión alcalina llamada Proceso Kraft. En el trabajo
realizado por (Estrada, 2010) se realizó una caracterización química y mecánicas de las
fibras de guadua extraídas mediante este método. En la siguiente tabla se presentan
algunas propiedades relevantes basadas en este trabajo.
Fibras de Guadua Angustifolia
Esfuerzo Máximo (MPa) 461,79
Módulo de Elasticidad (GPa) 44,04
Tabla 5.2. Propiedades mecánicas de las fibras de guadua Angustifolia (Estrada, 2010).
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6. Metodología experimental
A continuación se presenta un breve esquema que ilustra el procedimiento
experimental que se desarrolló durante el proyecto. Este proceso inicia con la extracción
de las fibras y finaliza con el análisis de los resultados de los ensayos mecánicos.
Gráfica 6.1. Metodología experimental a seguir durante el desarrollo del proyecto.
Extracción de Fibras
• Proceso Kraft para separar las fibras de celulosa de la lignina en la Guadua.
• Laboratorios del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental.
Preparación de las Fibras
• Corte y separación por tamaño mediante tamizado.
• Laboratorios del Departamento de Ingeniería Mecánica.
Formulación de Compuestos
• Diferentes tamaños y porcentajes para caracterizar la dispersión de las propiedades mecánicas.
• Fibras larga (10%, 20%, 40%) y Fibra media (10%, 20%, 40%).
Preparación de Compuestos
• Mediante mezclador interno. Medición de temperatura y momento par para evaluar procesabilidad.
• Laboratorios del Departamento de Ingeniería Mecánica.
Desarrollo de Probetas
• Mediante moldeo por compresión, mismo ciclo para todas las formulaciones.
• Laboratorios del Departamento de Ingeniería Mecánica.
Ensayos Mecánicos
• Ensayo de Tensión (Norma ASTM D638) - Ensayo de Flexión (Norma ASTM D790) - Ensayo de Impacto (Norma ASTM D4812)
• Laboratorios del Departamento de Ingeniería Mecánica.
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7. Extracción de fibras
Como se mencionó anteriormente la guadua se considera un material compuesto
reforzado con fibras. Su matriz está constituida por lignina y sus fibras por celulosa y
hemicelulosa. Para aprovechar al máximo el potencial de las fibras de guadua fue
necesario separarlas de su matriz. Esto se llevó a cabo con un proceso digestivo
denominado el método Kraft. Posterior a la separación de las fibras fue necesario
seleccionarlas por tamaño.
7.1 Proceso Kraft
El proceso Kraft es muy común a nivel mundial ya que de este se deriva la extracción
de celulosa de la madera para la producción del papel. Aproximadamente el 80% del papel
se produce usando este método. El proceso consiste en separar la lignina y la celulosa
usando sustancias químicas alcalinas como el Hidróxido de Sodio (NaOH) y el Sulfuro de
Sodio (Na2S) dentro de un digestor o autoclave.
Utilizando las ecuaciones de la sulfidez y el álcali efectivo se puede calcular la cantidad
de Hidróxido de Sodio y Sulfuro de Sodio requeridos para realizar la digestión del varillón.
Las ecuaciones se muestran a continuación.
Para ser consistente con trabajos anteriores (Nivia, 2011) y (Barrera, 2012) se
usaron valores del 20% y 50% para el álcali efectivo y la sulfidez respectivamente.
Finalmente la cantidad de agua se calcula tomando en cuenta 120 gramos de astillas de
guadua por cada envase Schott.
El procedimiento experimental de extracción de las fibras se realizó en los
laboratorios del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental, usando una autoclave
(digestor) que permitía realizar una digestión a 127 ° C y una presión de 150 kPa. Dentro
de la autoclave se introducen los productos mezclados dentro de envases llamados
frascos Schott. Dentro de cada envase con volumen de 1 litro, se introdujeron los
siguientes elementos.
Producto Cantidad
Agua 600 mL
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Astillas de Guadua 120 g
NaOH 9,8 g
Na2S 2,1 g
Tabla 7.1. Elementos en cada envase Schott para realizar la digestión de las astillas de Guadua.
Se utilizó agua destilada con el fin de evitar contaminación y cambios en la
concentración por agentes externos. Por otra parte las astillas de guadua tenían un
tamaño de aproximadamente 10 centímetros de largas y un área transversal de
aproximadamente 0.25 cm2. A diferencia del trabajo realizado por (Barrera, 2012) la
guadua no fue molida con el fin de obtener un mayor tamaño de fibras, sin embargo esto
disminuye el área de contacto entre la guadua y el licor blanco (mezcla de agua y
materiales alcalinos) y por consecuencia la digestión es más lenta.
En la autoclave se introducen cuatro envases Schott durante 4 horas a la
temperatura y presión mencionada anteriormente. Una vez terminado el proceso de
digestión se procede a separar las fibras de forma manual y lavarlas con abundante agua
destilada. Posteriormente se debe neutralizar su pH, ya que al salir del digestor se
obtienen valores de pH alcalinos de aproximadamente 10.4, la neutralización se lleva a
cabo con ácido acético. Finalmente se deben secar las fibras en un horno a 100°C durante
24 horas.
Es importante mencionar que los residuos del proceso de extracción de la fibra son
elementos de alta alcalinidad, razón por la cual deben disponerse de forma adecuada para
evitar daños personales o ambientales. A continuación se muestran algunas imágenes del
procedimiento experimental de extracción de las fibras.
Foto 7.1. Astillas de guadua con licor blanco antes de la digestión.
22
Foto 7.2. Envases Schott en la autoclave previo al proceso de digestión.
Foto 7.3. Presión y temperatura óptimas para el proceso de digestión.
Foto 7.4. Astillas de guadua después de la digestión.
23
Foto 7.5. Fibras de guadua después de la separación manual.
En total fue necesario realizar 4 digestiones de las cuales se obtuvieron únicamente
550g de fibra. Se desperdiciaron muchas astillas de varillón de guadua debido a que la
sustancia alcalina no logró penetrar en su totalidad. Sin embargo en la separación manual
se aseguró que solo las fibras sin lignina se utilizaran como refuerzo.
7.2 Separación por tamaño
Con el fin de comparar el efecto de la longitud de fibra en el material compuesto se
seleccionaron tres tamaños de fibra para llevar a cabo las formulaciones del compuesto.
Los tamaños se denominaron Corta (C), Media (M) y Larga (L). Estos tamaños de fibra
fueron definidos en trabajos anteriores (Nivia, 2011) y se utilizó la misma referencia con el
fin de comparar los resultados.
Para obtener los tamaños de fibra fue necesario pasar las fibras secas por un molino
de cuchillas. Este se modificó debido a que su corte era muy fino y al mover las cuchillas se
logró obtener un tamaño de fibra mayor. La separación de las fibras de acuerdo al tamaño
se realizó mediante un proceso de tamizado en los laboratorios del Departamento de
Ingeniería Mecánica. En la siguiente tabla se puede ver la denominación de los tamaños
de fibra.
Denominación Nomenclatura Tamiz que retiene
Tamaño máximo (mm)
Tamaño Mínimo (mm)
Corta C #140 0,25 0,105
Media M #60 2 0,25
Larga L #10 4,76 2
Tabla 7.2. Denominación de los tamaños de fibras de refuerzo.
Aunque el proceso de tamizado no es el más adecuado para realizar la separación de fibras, se
llevaron a cabo muchas repeticiones con el fin de evitar una separación por diámetros de la fibra.
24
Por esta razón no fue posible realizar una curva de dispersión precisa. A continuación se
presentan algunas imágenes de los tamaños de fibra y el proceso de tamizado.
Foto 7.6. Tamices y fibras clasificadas por tamaño
Foto 7.7. Fibra Corta.
Foto 7.8. Fibra Media.
25
Foto 7.9. Fibra Larga.
26
8. Formulación y preparación del
compuesto
Con el fin de caracterizar el material elaborado a partir de las fibras de guadua y el
ácido poli láctico fue necesario realizar diferentes compuestos o formulaciones. Esto
permite determinar el efecto que generan diferentes factores como tamaño de fibra y el
porcentaje de la misma. Con base a estas dispersiones se pueden definir formulaciones
que cumplan con necesidades puntuales que se requieran.
8.1 Nomenclatura y formulaciones
En trabajos anteriores (Nivia, 2011) se realizó un trabajo similar con fibras de guadua.
Sin embargo se utilizó una matriz polimérica de PVC. Sus formulaciones utilizaban los tres
tamaños de fibra con 20%, 40% y 60% de fracción másica. Las propiedades mecánicas en
este compuesto disminuyeron dramáticamente cuando se agregaba fibra en un 60%
debido a que el contenido de PVC no era suficiente para cubrir totalmente las fibras. Por
esta razón, se decidió desde el trabajo de (Barrera, 2012) trabajar con porcentajes másicos
del 10%, 20% y 40%. En este trabajo se realizaron las formulaciones con tamaño de fibra
corto únicamente y matriz polimérica PLA. Por esta razón en el trabajo presente se
trabajaron los mismos porcentajes de fibra, sin embargo se utilizaron tamaños de fibra
Media y Larga. A continuación se presenta la tabla donde se define cada formulación.
Formulación Tamaño de Fibra
Porcentaje másico de fibra
Nomenclatura
1 Media 10% M10
2 Media 20% M20
3 Media 40% M40
4 Larga 10% L10
5 Larga 20% L20
6 Larga 40% L40
7 N/A 0% PLA
Tabla 8.1. Definición de las formulaciones a desarrollar.
El desarrollo de mezclado se llevo a cabo utilizando un mezclador interno del
Departamento de la Universidad de los Andes. Posteriormente se molió en el molino de
cuchillas para formar pellets y finalmente se le aplicó un moldeo por compresión para
formar las probetas de acuerdo a las normas de los ensayos.
27
8.2 Mezclado interno
El proceso de mezclado interno corresponde al uso de dos tornillos que giran
dentro de una matriz a alta temperatura. Al introducir el PLA se funde mezclándose
homogéneamente con las fibras de guadua. El mezclador interno utilizado permite la
elaboración de reometrías de torque durante el mezclado con el fin de evaluar la
procesabilidad del compuesto. A continuación se presentan las gráficas obtenidas para
cada formulación. Es importante mencionar que los procesos de mezclado se realizaron
con la matriz a 170°C y una velocidad en los tornillos de 60rpm. La duración de cada
mezclado fue de seis minutos, en los cuales los primeros dos minutos se usaban para
cargar el mezclador. Por otra parte fue necesario realizar seis mezclados internos para
cada formulación con el fin de completar el volumen requerido para el moldeo por
compresión. La carga que soporta el mezclador es de 50g.
Foto 8.1. Mezclador interno Brabender Plasti-Corder Lab-Station EC.
Gráfica 8.1. Momento par en mezclado de compuestos de fibra larga.
0
20
40
60
80
100
00:00:00 00:01:26 00:02:53 00:04:19 00:05:46 00:07:12
Mo
me
nto
Par
(N
.m)
Tiempo (hh:mm:ss)
Momento Par en Compuestos de Fibra Larga
L10
L20
L40
28
Gráfica 8.2. Momento par en mezclado de compuestos de fibra media.
En las dos gráficas anteriores se puede ver la variación de momento par en los
tornillos del mezclador interno. En ambos tamaños de fibra el valor máximo se encuentra
en la formulación de 10% de fibra de guadua. Sin embargo no se presentan valores
mayores a 100N.m lo cual nos indica que la procesabilidad del material es buena. Por otra
parte una mayor cantidad de fibra indica un periodo de estabilización más larga lo cual se
debe tener en cuenta si se va a realizar el producto de forma industrial. A continuación se
presentan las gráficas de temperatura durante el mezclado interno de las formulaciones.
Gráfica 8.3. Temperatura en mezclado de compuestos de fibra larga.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
00:00:00 00:01:26 00:02:53 00:04:19 00:05:46 00:07:12
Mo
me
nto
Par
(N
.m)
Tiempo (hh:mm:ss)
Momento Par en Compuestos de Fibra Media
M10
M20
M40
100
120
140
160
180
200
00:00:00 00:01:26 00:02:53 00:04:19 00:05:46 00:07:12
Tem
pe
ratu
ra (
°C)
Tiempo (hh:mm:ss)
Temperatura en Compuestos de Fibra Larga
L10
L20
L40
29
Gráfica 8.4. Temperatura en mezclado de compuestos de fibra media.
De acuerdo a las gráficas anteriores la temperatura de estabilización y mezclado
aumenta levemente conforme aumenta el porcentaje de fibra. Sin embargo este
aumento de temperatura no representa riesgos para el proceso ya que no se superan las
temperaturas de degradación de la fibra ni del PLA. En la siguiente tabla se muestra un
resumen de los valores máximo y promedios del mezclado interno.
Formulación Temperatura Máxima (°C)
Momento Par Máximo (N.m)
L10 189,1 87,90
L20 190,0 48,08
L40 196,3 64,26
M10 187,7 69,92
M20 190,0 60,34
M40 196,1 50,03
Tabla 8.2. Temperatura y momento par máximo en el proceso de mezclado interno.
En la tabla anterior se ve un resumen de lo mencionado anteriormente. Se debe
aclarar que el torque máximo depende de la forma en que se cargue el sistema. El
mezclador interno al ser manual está expuesto a los picos variables que se ven en las
gráficas.
100
120
140
160
180
200
00:00:00 00:01:26 00:02:53 00:04:19 00:05:46 00:07:12
Tem
pe
ratu
ra (
°C)
Tiempo (hh:mm:ss)
Temperatura en Compuestos de Fibra Media
M10
M20
M40
30
Foto 8.2. Material resultante del moldeo por compresión.
A partir del material mostrado en la foto 7.2, se deben generar pellets. Para lograr
esto se pasa cada producto resultante del mezclado interno por un molino de cuchillas. El
producto resultante se muestra a continuación.
Foto 8.3. Material compuesto L20 en pellets para moldeo por compresión.
8.3 Moldeo por compresión
El proceso de moldeo por compresión consiste en introducir un material
compuesto o polimérico en una prensa a alta temperatura y presión. La presión generada
por la prensa hace que el material adopte la forma de un molde establecido previamente.
Es muy importante establecer un ciclo que permita la salida del aire atrapado para evitar
porosidades dentro del molde. Por otra parte es muy importante utilizar el mismo ciclo de
moldeo para todas las formulaciones con el fin de evitar sesgos en los resultados de las
propiedades mecánicas. A continuación se presenta un esquema del ciclo utilizado para el
desarrollo del proyecto.
31
Ilustración 8.1. Esquema del ciclo de moldeo por compresión (no se encuentra a escala). El ciclo se compone de un precalentamiento del molde a 170°C durante 10 minutos
a una presión de 15bar. Posteriormente se realizan tres venteos de treinta segundos cada
uno para evitar la acumulación de aire en el molde. Seguidos de un aumento en la presión
a 85bar durante 2 minutos y finalmente se enfría el molde con agua hasta que está a una
temperatura de 35°C. Al extraer las probetas del molde se deben acondicionar de acuerdo
a cada norma del ensayo mecánico.
En total se realizaron 7 procesos de moldeo por compresión. Seis de ellos se
utilizaron para preparar las formulaciones definidas. Con el último se moldeó únicamente
PLA para tener una muestra de control durante los ensayos mecánicos. Para cada
formulación se obtuvieron 7 probetas para el ensayo de tensión, 7 probetas para el
ensayo de flexión y 8 probetas para el ensayo de impacto. Ninguna de las probetas sufrió
daños o fracturas durante la extracción del molde.
Foto 8.4. Preparación del molde para producir probetas del material L10.
32
Foto 8.5. Moldeo del material M10 a temperatura ambiente.
33
9. Ensayos mecánicos
Posterior a la elaboración de las probetas de cada formulación por moldeo por
compresión se realizaron los ensayos mecánicos con el fin de encontrar las propiedades
mecánicas de cada formulación. Para el desarrollo de dichas pruebas se utilizaron las
normas ASTM y los ensayos se hicieron en los laboratorios del Departamento de
Ingeniería Mecánica, los cuales cuentan con condiciones de temperatura y humedad
controladas para evitar cambios en los resultados por factores externos. A continuación se
presenta la información correspondiente a cada ensayo.
9.1 Ensayo de Tensión
El ensayo de tensión consiste en tomar una probeta y aplicar una carga axial.
Mediante el uso de galgas extensiométricas y celdas de carga se registra el
desplazamiento o la deformación unitaria y la carga aplicada que se traduce como un
esfuerzo. El cálculo del esfuerzo de tracción y la deformación unitaria se realizan con las
siguientes ecuaciones.
La norma utilizada para el desarrollo de las pruebas fue la Norma ASTM D638. La
velocidad del ensayo fue de 5mm/min con el fin de obtener la falla en un rango de tiempo
mayor a 30 segundos. A continuación se presentan las gráficas de esfuerzo en función de
la deformación obtenidas para cada formulación.
Gráfica 9.1. Curva esfuerzo-deformación de la formulación M10.
34
Gráfica 9.2. Curva esfuerzo-deformación de la formulación M20.
Gráfica 9.3. Curva esfuerzo-deformación de la formulación M40.
Gráfica 9.4. Curva esfuerzo-deformación de la formulación L10.
35
Gráfica 9.5. Curva esfuerzo-deformación de la formulación L20.
Gráfica 9.6. Curva esfuerzo-deformación de la formulación L40.
Gráfica 9.7. Curva esfuerzo-deformación de la formulación PLA.
36
En las gráficas anteriores se puede ver claramente el comportamiento de todas las
formulaciones bajo cargas axiales. Como se explicó en la sección 4.2, las curvas de
esfuerzo-deformación en los materiales reforzados con fibras se componen de tres
secciones. Esto se puede ver claramente en cada formulación, exceptuando la muestra de
PLA. En este caso se tiene una región netamente lineal donde el material se deforma
elásticamente. Posteriormente inicia una deformación plástica asociada al deslizamiento o
desenredo entre las cadenas moleculares.
Esto no ocurre en el material compuesto debido a que durante la etapa de bajos
esfuerzos la matriz se encarga de repartir la carga en las fibras, luego la matriz fluye y
únicamente se sostiene la carga por las fibras de refuerzo. Finalmente las grietas se
generan en las imperfecciones de la superficie de las fibras hasta que el material falla.
A partir del ensayo de tensión se pueden obtener las siguientes propiedades
mecánicas:
Módulo de elasticidad.
Esfuerzo máximo.
Porcentaje de elongación.
Foto 9.1. Ensayo de tensión de acuerdo a la Norma ASTM D638.
9.2 Ensayo de Flexión
Durante los ensayos de flexión se toman probetas rectangulares y se apoyan sobre
dos puntos fijos, se aplica una carga en el centro y se mide la deflexión de la probeta y la
carga. Esto se conoce normalmente como un ensayo de flexión en tres puntos. La carga
aplicada a la probeta se puede traducir a esfuerzo usando la siguiente ecuación.
37
Donde F corresponde a la carga, L a la longitud total entre los apoyos, b el ancho
de la probeta y h la altura de la misma. Cuando un material se somete a flexión su
estructura se encuentra a tensión y compresión lo cual permitirá evaluar el
comportamiento del material en ambos escenarios. El ensayo se desarrolló con probetas
de longitud de 48mm y altura de 3mm las cuales de acuerdo a la Norma ASTM D790
requieren una velocidad de falla de 1.28 mm/min.
A continuación se presenta la gráfica con los resultados obtenidos para solo una
probeta de cada formulación. En la siguiente sección se mostrarán las respectivas
desviaciones de los resultados de todas las pruebas.
Gráfica 9.8. Curva de flexión para un ejemplar de cada muestra.
En la gráfica anterior se puede ver como varía el comportamiento a flexión del
material con el tamaño de las partículas y el porcentaje de las fibras. La recta inicial
caracteriza el módulo de elasticidad a flexión el cual muestra la rigidez del material. Por
otra parte se tiene el esfuerzo máximo o módulo de ruptura el cual se considera como el
máximo esfuerzo en la curva. Con base a esto se puede ver como el contenido de fibra
aumenta la rigidez del material. A su vez se ve como el tamaño de la fibra hace que su
rigidez aumente. Finalmente el PLA una vez más revela su capacidad de elongación o
deformación plástica que no es posible con los materiales compuestos reforzados con
fibras.
38
En las siguientes imágenes se puede ver el desarrollo del ensayo de flexión. Estos
ensayos se realizaron en los laboratorios del Departamento de Ingeniería Mecánica los
cuales cuentan con condiciones de temperatura y humedad controladas.
Foto 9.2. Ensayo de flexión en el material compuesto fibras de guadua-PLA.
Foto 9.3. Ensayo de flexión en material de la matriz polimérica PLA.
9.3 Ensayo de Impacto
El ensayo de impacto mide la capacidad de un material de disipar energía utilizando un
péndulo o martillo. El péndulo se fija a una altura conocida y se libera para que golpee una
probeta ranurada del material. La diferencia entre la altura inicial y final del péndulo se
asocia a la energía que absorbe el material durante su falla. En este caso se utilizó la
norma ASTM D4812. En estos ensayos se usaron probetas ranuradas, lo cual hace que su
39
mecanismo de falla sea netamente por tensión a altas velocidades. En la siguiente imagen
tomada de (UTP, 2011) se puede ver la distribución de esfuerzos en la probeta.
Ilustración 9.1. Distribución de esfuerzos en una probeta ranurada (UTP, 2011).
Con el fin de normalizar el resultado, se divide la energía absorbida por la longitud
de propagación o el área de propagación. El resultado se expresa en unidades de J/m o
J/m2. Al igual que los demás ensayos, estos se realizaron en los laboratorios del
Departamento de Ingeniería Mecánica bajo condiciones controladas.
40
10. Propiedades mecánicas experimentales
y análisis de resultados
A partir de los ensayos de tensión, flexión e impacto se determinaron ciertas
propiedades mecánicas. La importancia de determinar estas propiedades es vital para
realizar comparaciones válidas frente a otros materiales de matriz polimérica reforzados
con fibras. Las propiedades caracterizadas a partir de los ensayos fueron el módulo de
elasticidad, el esfuerzo máximo, el porcentaje de elongación, el módulo de ruptura a
flexión y la resistencia al impacto.
10.1 Módulo de Elasticidad
El módulo de elasticidad es la pendiente de la sección lineal de las curvas esfuerzo-
deformación. En otras palabras relaciona la rigidez de un material. En la siguiente gráfica
se presentan los valores experimentales de esta propiedad mecánica para todas las
formulaciones. Las barras de error representan un intervalo de confianza del 95%.
Gráfica 10.1. Valores del Módulo de Elasticidad de cada formulación.
En la gráfica anterior se puede ver un aumento gradual en el módulo de elasticidad
con el aumento del porcentaje de fibra. Normalmente los materiales reforzados con fibras
naturales tienen un incremento en la rigidez hasta un porcentaje de fibra del 50%, esto se
debe a que al tener un mayor porcentaje de fibra del 50% no se tiene polímero o matriz
suficiente para recubrir todo el refuerzo lo que genera porosidades e imperfecciones en el
material (Adhikary, 2008). En el mejor de los casos (formulación L40) el módulo de
elasticidad del material compuesto aumentó en un 97%. Mientras que en la formulación
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
M10 M20 M40 L10 L20 L40 PLA
Módulo de Elasticidad (MPa)
41
con menor rigidez (L10) el módulo presentó un aumento del 22%. Esto nos indica que la
introducción de fibras de guadua en una matriz polimérica de PLA resulta en un material
con mayor rigidez lo cual se debe a un buen acople entre ambos materiales.
En cuanto al tamaño de fibra no se ve un aumento considerable en el módulo de
elasticidad al comparar formulaciones con el mismo porcentaje y diferentes tamaños. La
teoría indica que las propiedades mecánicas deben aumentar al aumentar el tamaño de
fibra. A pesar de que esto se cumple, para obtener mejores resultados se debe modificar
el proceso de molido para obtener fibras de mayor longitud y poder comparar con los
resultados obtenidos.
10.2 Esfuerzo Máximo a Tensión
El esfuerzo máximo corresponde al esfuerzo en el cual el material presenta una
falla o ruptura. En este caso no se considera la diferencia entre esfuerzo de fluencia o
límite elástico, ya que el material compuesto no presentaba altos valores de elongación,
es decir se comporta como un material frágil. En la siguiente gráfica se presentan los
resultados obtenidos para todas las formulaciones.
Gráfica 10.2. Resultados experimentales del esfuerzo máximo a tensión para cada formulación.
En la gráfica anterior se presentan los valores del esfuerzo máximo obtenidos. En
primera instancia se nota una disminución máxima del 24% aproximadamente en la
formulación con porcentaje de fibra larga del 10% con respecto al PLA. Comportamientos
similares de la disminución de esfuerzos en este tipo de materiales se registró en (Medina,
2008). Donde el esfuerzo máximo soportado por el material compuesto es menor que el
de la matriz. La disminución de la resistencia de un material compuesto reforzado con
fibras naturales puede ser causada por la humedad de las fibras. A pesar de que se llevó a
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
M10 M20 M40 L10 L20 L40 PLA
Esfuerzo Máximo a Tensión (MPa)
42
cabo un proceso de secado durante 24 horas, la capacidad de absorción de las fibras hace
que adquieran humedad antes de ser mezcladas. La humedad en los materiales
poliméricos reforzados disminuye el acople o agarre entre la matriz y el refuerzo. Por otra
parte las mejores formulaciones compuestas fueron las de porcentajes de 40%. Esto se
debe a que a mayores porcentajes de fibra se alcanza una mayor homogeneidad en el
material y se evitan concentradores de esfuerzo puntuales como ocurre en las
formulaciones de menor concentración.
Una vez más se presenta un aumento de las propiedades mecánicas
proporcionales al tamaño de la fibra. A pesar de que el aumento es muy bajo se
recomienda modificar el proceso de molienda para obtener fibras de mayor longitud. Las
superficies de falla de las probetas de tensión revelaron fallas iniciadas particularmente en
fibras perpendiculares a la carga o residuos del material particulado proveniente del
proceso de extracción de las fibras. En el caso de la formulación M10 las fallas se
presentaron en la matriz. Por esta razón la resistencia aumentó en comparación con la
formulación L10, es importante establecer condiciones óptimas para la selección de fibras
y residuo particulado con el fin de evitar concentración de esfuerzos dentro del material.
Otra recomendación es evaluar las propiedades del material utilizando materiales que
faciliten el acople entre la matriz y el refuerzo ya que esto generalmente deshace la
humedad y podría mejorar las propiedades mecánicas hasta un 30% (Leu, 2012).
10.3 Porcentaje de Elongación
El porcentaje de elongación es una forma de medir la capacidad de un material de
deformarse plásticamente sin presentar una ruptura. En el caso de los materiales
compuestos por fibras, esta propiedad es inversamente proporcional al porcentaje de
fibras ya que las fibras (en la mayoría de los casos) son frágiles. A continuación se presenta
la gráfica con los resultados obtenidos para todas las formulaciones a partir de los ensayos
de tensión.
43
Gráfica 10.3. Porcentaje de elongación de cada formulación.
En la gráfica anterior se verifica el comportamiento establecido por la teoría. Entre
mayor es el contenido de la fibra, menos es la ductilidad del material. Como se mencionó
anteriormente esto se debe a que al someter el material a tensión su matriz reparte la
carga hasta que fluye. Al tener menos porcentaje de matriz, sus fibras sostienen la carga
total de forma más temprana y al ser fibras frágiles, su falla va a ser a menores
deformaciones.
10.4 Módulo de Ruptura a Flexión
El módulo de ruptura a flexión representa el máximo esfuerzo a flexión que
soporta el material. Comparar el comportamiento del material a flexión con los resultados
a tensión indirectamente determina si los modos de falla se dan por compresión o
tensión. A continuación se presenta la gráfica con los resultados del módulo de ruptura
para cada formulación.
0,00%
1,00%
2,00%
3,00%
4,00%
5,00%
6,00%
M10 M20 M40 L10 L20 L40 PLA
Porcentaje de Elongación (%)
44
Gráfica 10.4. Módulo de ruptura a flexión para cada formulación.
En la gráfica anterior claramente se ve un comportamiento similar al de los
esfuerzos máximos por tensión. Esto indica que la falla del material se da por el esfuerzo a
tensión en la zona inferior de la probeta y no por compresión. En el caso de las
formulaciones de porcentaje de fibras del 10%, su variación fue pequeña y esta empezó a
aumentar a medida que aumentó el porcentaje de fibras. Esto se debe a que al tener
mayor porcentajes de fibras (y especialmente tamaño) se pueden introducir partículas
desiguales que generen concentradores de esfuerzos. A diferencia de la formulación sin
fibras, la cual presenta la variación más baja en los resultados del módulo de ruptura a
flexión.
10.5 Resistencia al Impacto
La resistencia al impacto de un material caracteriza su capacidad de resistir cargas
a altas velocidades. En otras palabras corresponde a la tenacidad o capacidad de absorber
energía antes de su ruptura. En la siguiente gráfica se presentan los valores
experimentales obtenidos para esta propiedad.
0
20
40
60
80
100
120
M10 M20 M40 L10 L20 L40 PLA
Esfuerzo de Ruptura (MPa)
45
Gráfica 10.5. Resistencia al impacto experimental de todas las formulaciones.
De acuerdo a la gráfica presentada anteriormente se puede ver un aumento en la
propiedad mecánica conforme aumenta el contenido de fibra dentro del material. Esto
ocurre debido a la presencia de fibras u obstáculos que evitan la propagación de grietas
dentro del material. A pesar de que el PLA resistió mayores cargas en los demás ensayos,
muestra una mayor fragilidad que los demás bajo las condiciones de altas velocidades de
carga.
10.6 Análisis General y Recomendaciones
Dados los resultados obtenidos experimentalmente se puede analizar que hubo un
reforzamiento de la matriz polimérica por parte de las fibras de guadua. Esto nos indica
que el acople entre los dos materiales es bueno. A pesar de que esto ocurre, el material
compuesto no resiste cargas axiales tan altas como lo hace el PLA. Esto se deba a que a
altas deformaciones pueden ocurrir deslizamientos entre ambos materiales ya que no se
está garantizando una longitud de fibra efectiva. Por otra parte la presencia de
imperfecciones dentro de la matriz polimérica dada la orientación aleatoria de las fibras
puede generar concentraciones de esfuerzos en el material con bajos porcentajes de fibra.
Por otra parte, a pesar de tener menores cargas se obtuvo un aumento en la rigidez del
100% en la formulación L40. Con el fin de comparar la rigidez de las formulaciones se
presenta la siguiente gráfica en la cual se ven los valores del esfuerzo bajo una
deformación del 0.01.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
M10 M20 M40 L10 L20 L40 PLA
Resistencia al Impacto (J/m)
46
Gráfica 10.6. Esfuerzo a tensión de las formulaciones con deformación del 0.01 (mm/mm).
Como se puede ver en la gráfica anterior el material posee un gran potencial en
términos de uso industrial. Dada la rigidez de las formulaciones presentadas es posible
implementarlo en usos donde un polímero convencional no podría usarse por sus
elevadas deformaciones. Finalmente es importante mencionar que la resistencia al
impacto al igual que el módulo de elasticidad aumentó sustancialmente lo cual indica que
el material no es frágil dad su capacidad de absorción de energía antes de su ruptura.
Al ver los resultados de las propiedades mecánicas en general se tiene un
comportamiento donde el material a pesar de volverse más rígido, tiene la capacidad de
absorber mayor energía antes de su ruptura. Comúnmente la tenacidad se puede medir
como el área bajo la curva esfuerzo – deformación de un material, en el caso de los
ensayos realizados resulta claro que la tenacidad mayor (de acuerdo a este concepto)
sería para el PLA. Sin embargo los resultados de la prueba de impacto fueron mejores para
el material compuesto. La principal diferencia entre los dos conceptos de tenacidad
(ensayo de tensión y ensayo de impacto) se encuentra en la velocidad a la cual se llevan a
cabo las pruebas. Esto nos indica que el material compuesto absorbe mayores cantidades
de energía a altas velocidades.
Este fenómeno no se ha reportado anteriormente según (Yang, 2011) debido a que
al introducir materiales particulados en una matriz, se generan secciones donde se
aglomera el material de refuerzo y las grietas se pueden propagar de forma más fácil a
través de estas aglomeraciones. Al permitir una propagación de grieta más sencilla, el
material absorbe menos energía antes de su ruptura. A diferencia del material fibras de
Guadua – PLA, en las superficies de falla de las probetas de los ensayos de tensión se
presentaron algunas fibras que salían de la matriz. Esto indica un deslizamiento entre el
0
10
20
30
40
50
60
70
M10 M20 M40 L10 L20 L40 PLA
Esfuerzo Bajo Deformación 0.01 (MPa)
47
material de la matriz y de refuerzo. Cuando este deslizamiento ocurre se genera una
absorción de energía asociada a la fricción entre ambos materiales. Es decir, debido a la
fricción y los obstáculos que previenen la propagación de la grieta la propiedad mecánica
del material aumenta. Por otra parte existe la posibilidad de que la unión entre la matriz y
el material de refuerzo actúe como un fluido de carácter dilatante el cual al aumentar el
gradiente de esfuerzo cortante, aumente su viscosidad y por consecuencia tenga la
capacidad de absorber mayor energía.
De acuerdo a (Chamis, 1971), en los materiales compuestos con una relación de
módulo de elasticidad fibra/matriz mayor a 20 ocurre un mecanismo de falla donde actúa
primordialmente la fibra. La matriz soporta únicamente el 5% de la carga aplicada a altas
velocidades. Esto puede ser otra posible causa por la cual se presenta el fenómeno donde
el material compuesto tiene la capacidad de mayo absorción de energía. En ensayos a
bajas velocidades (flexión y tensión) la matriz soporta una mayor carga y al ser menos
tenaz que el material de refuerzo genera una falla temprana. A diferencia del ensayo de
impacto que se realiza bajo alta velocidad donde el material que más soporta la carga es el
de refuerzo o el más tenaz.
48
11. Comparación con otros WPC
comerciales y experimentales
A continuación se presenta una comparación con las propiedades mecánicas
obtenidas en trabajos relacionados con los materiales compuestos con fibras de
materiales naturales y otros materiales comerciales. En primera instancia la comparación
se realizará con los resultados de (Barrera, 2012) quien generó formulaciones con los
mismos porcentajes de fibra de guadua en una matriz de PLA sin embargo utilizó fibras
cortas. Por otra parte se compararán las formulaciones con materiales generados por
(Nivia, 2011) que combina fibras de guadua y PVC. Finalmente se realizará la comparación
con algunos materiales WPC comerciales (Medina, 2008).
11.1 Otros compuestos de Fibra de Guadua - PLA
En las siguientes gráficas se presentan los valores de las propiedades mecánicas
más relevantes obtenidas por (Barrera, 2012) comparadas con los valores obtenidos en el
presenta trabajo.
Gráfica 11.1. Comparación de módulos de elasticidad con otros compuestos Fibras de Guadua - PLA.
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
C10 C20 C40 M10 M20 M40 L10 L20 L40 PLA
Módulo de Elasticidad (MPa)
49
Gráfica 11.2. Comparación de esfuerzo máximo con otros compuestos Fibras de Guadua - PLA.
Como se puede ver en las dos gráficas anteriores la comparación de los resultados
permite ver la secuencia que se presentó en el trabajo realizado. El módulo de elasticidad
aumentó proporcionalmente al porcentaje de fibras dentro del compuesto, sin embargo
disminuyó con el tamaño de la fibra. Por esta razón los compuestos de fibra corta
presentan menor rigidez que los de fibra media y larga. En cuanto al esfuerzo máximo su
tendencia es similar a la de las demás formulaciones sin embargo se debe tener en cuenta
que la variación de estos datos es mayor debido a que la orientación de las fibras es
aleatoria.
11.2 Compuesto Fibra de Guadua – PVC
Uno de los primeros materiales desarrollados con Fibras de Guadua extraídas
mediante proceso Kraft fue el de (Nivia, 2011). En el cual se combinaron fibras de guadua
con una matriz polimérica de PVC. A continuación se presenta la comparación del módulo
de elasticidad y esfuerzo máximo para formulaciones con el mismo refuerzo (porcentaje y
tamaño).
0
10
20
30
40
50
60
70
C10 C20 C40 M10 M20 M40 L10 L20 L40 PLA
Esfuerzo Máximo (MPa)
50
Gráfica 11.3. Comparación del módulo de elasticidad con material Fibras de Guadua - PVC.
Gráfica 11.4. Comparación del esfuerzo máximo con materiales Fibras de Guadua - PVC.
En las gráficas anteriores se puede ver que en el material Fibras de Guadua – PVC
se refuerza la matriz y se obtiene un material con mayor rigidez. Sin embargo los valores
del módulo de elasticidad son mayores cuando se tiene una matriz de PLA. La rigidez o
módulo de elasticidad con una matriz de PLA aumenta en un 97% mientras que al tener
una matriz de PVC aumenta en un 89%. Esto indica que el acople entre ambos materiales
es mejor en el PLA que en el PVC. Por otra parte los valores del esfuerzo máximo son
mucho mayores en el compuesto con matriz de PLA. Esto se debe a que la matriz es
mucho más resistente que la de PVC. A partir de esta comparación de valores se ve cada
vez más un potencial industrial para el material que se desarrolla en el presenta trabajo.
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
C20 C40 M20 M40 L20 L40 Matriz
Módulo de Elasticidad (MPa)
PLA
PVC
0
10
20
30
40
50
60
70
C20 C40 M20 M40 L20 L40 Matriz
Esfuerzo Máximo (MPa)
PLA
PVC
51
11.3 Comparación con otros materiales WPC Comerciales
En esta sección se compararán algunas propiedades mecánicas con otros
materiales WPC comerciales. Los valores fueron obtenidos de (Medina, 2008). Esta
comparación resulta bastante útil con el fin de ver la competitividad que puede tener el
material en términos de propiedades mecánicas en el mercado. En las siguientes gráficas
se presenta una comparación de módulos de elasticidad, esfuerzo a tensión máximo y
resistencia al impacto con algunos productos comerciales. Únicamente se muestran las
formulaciones Fibras de Guadua – PLA con fibra larga las cuales presentaron los mejores
resultados.
Gráfica 11.5. Módulo de elasticidad (MPa) de formulaciones con fibra larga y materiales WPC comerciales.
Gráfica 11.6. Esfuerzo máximo (MPa) de formulaciones con fibra larga y materiales WPC comerciales.
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
Módulo de Elasticidad (MPa)
0
10
20
30
40
50
60
Esfuerzo Máximo (MPa)
52
Gráfica 11.7. Resistencia al impacto (J/m) de formulaciones con fibra larga y materiales WPC comerciales.
En las gráficas anteriores se pueden ver las propiedades mecánicas de algunos materiales
comerciales y las del material desarrollado. En el caso del módulo de elasticidad, ningún material
supera la formulación L40. Sin embargo lo importante es que las tres formulaciones de fibra larga
cubren el rango que cubren todos los materiales comerciales. Esto es de vital importancia ya que
al conocer la variación de las propiedades mecánicas con parámetros como el porcentaje de fibra
y el tamaño, se pueden definir diferentes formulaciones para aplicaciones específicas.
En el caso del esfuerzo máximo, experimentalmente se obtuvieron valores mayores en las
tres formulaciones que los que se mostraban en (Medina, 2008). Como se mencionó
anteriormente una mejora en las propiedades mecánicas despliega algunas aplicaciones
potenciales. Esto ocurre en este caso donde a los materiales desarrollados se les pueden aplicar
cargas mayores que a los comerciales sin que presenten fallas.
La tenacidad de los materiales desarrollados también presenta valores competitivos en
cuanto a los materiales comerciales. A pesar de que solo se tienen dos referencias comerciales, las
formulaciones L20 y L40 presentan una mayor tenacidad que ambas referencias comerciales. La
comparación del material desarrollado con los demás materiales comerciales muestra que el
material tiene competitividad en cuanto a sus propiedades mecánicas a nivel industrial. Sin
embargo hace falta realizar un análisis financiero para comparar los costos asociados a la
producción del mismo y de esta forma ver la competitividad económica que define su uso a nivel
industrial o no.
0
5
10
15
20
25
30
35
40
L10 L20 L40 WoodPlast Plastin
Resistencia Impacto (J/m)
53
12. Conclusiones
Las fibras de guadua resultan un buen elemento de refuerzo para una matriz
polimérica de PLA. Como (Nivia, 2011) lo mencionó, dadas sus propiedades físicas y
mecánicas las fibras de guadua son un elemento con gran potencial para refuerzo de
materiales compuestos.
La variación de porcentajes de fibras es proporcional a las propiedades mecánicas
del material compuesto. Al aumentar el porcentaje de las fibras, las propiedades
mecánicas del material aumentan hasta que la matriz sea suficiente para cubrir todas las
fibras. Al exceder este punto (alrededor del 60%) las propiedades mecánicas disminuyen
por la presencia de poros en el material.
El tamaño de las partículas de refuerzo también influye en las propiedades
mecánicas del material. Al tener mayores longitudes de fibra, el anclaje entre los dos
materiales aumenta y esto conlleva a mejores propiedades mecánicas. Por esta razón
resulta importante investigar un poco más la obtención de fibras de mayor longitud.
La presencia de humedad en las fibras disminuye el anclaje entre los dos
materiales. Al tener fibras con tratamiento alcalino se fomenta la producción de agua en
la superficie debido a la presencia de cadenas OH. Por esta razón se debe realizar un
proceso adecuado de secado para evitar la inclusión de partículas de humedad.
Realizar trabajos posteriores haciendo uso de agentes de acople es recomendable.
Esto con el fin de evaluar cambios en las propiedades mecánicas ya que en algunos casos
se obtienen aumentos hasta del 30%.
La propiedad mecánica con mayor variación en los resultados o desviación
estándar fue el esfuerzo máximo. Esto se debe a que en el caso de los materiales
reforzados con fibras aleatorias, se generan altas probabilidades de tener fibras
perpendiculares que nuclean fallas. Esto ocurre generalmente a bajos porcentajes de fibra
donde el material puede no ser homogéneo.
Se recomienda utilizar otro método de separación por tamaño de fibras. Ya que el
tamizado generalmente tiene movimiento verticales que hacen que la fibra se separa por
diámetros y no por su longitud.
El material desarrollado cubre un gran rango de propiedades mecánicas de
acuerdo a su formulación. Por esta razón se recomienda generar modelos micro
54
mecánicos con el fin de partir de parámetros como el porcentaje de fibra y su tamaño
para obtener ciertas propiedades mecánicas.
Al tener un material con diferentes propiedades mecánicas, su gama de
aplicaciones también aumenta. Por otra parte el material resulta altamente competitivo
en términos de propiedades mecánicas. Se recomienda investigar un poco más otras
propiedades como su capacidad de absorción, resistencia a los rayos UV y demás para
definir ventajas sobre otros materiales comerciales.
Finalmente lo más importante de este material es su sostenibilidad y su factor
ecológico. Ya que su materia prima se obtiene de forma masiva y en el caso del varillón de
guadua es un residuo. Por otra parte al tener una matriz y un refuerzo biodegradable, el
material es un compuesto amigable con el medio ambiente.
55
13. Referencias bibliográficas
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