ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL

FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

MECÁNICA DE MATERIALES

OBTENCIÓN DE TABLEROS DE MATERIALES POLIMÉRICOS Y

COMPUESTOS

INTEGRANTES:

PAULO RENATO CASTRO DA SILVA

paulorenato_sh@hotmail.com

ERICK PATRICIO TIPÁN POZO

ericktipan@gmail.com

ANDERSON RAPHAEL JUMBO ÁVILA

CRISTHIAN ANDRÉS VALLADARES PORTILLA

cris_avp@hotmail.com

MARÍA ALEJANDRA PAZMIÑO APOLO

alejatenshipazmi@gmail.com

PROFESOR:

Dr. VICTOR HUGO GUERRERO

QUITO, 23 de Septiembre del 2013

RESUMEN

El presente trabajo tiene la finalidad de formular, crear, obtener y caracterizar tableros de un material compuesto de matriz polimérica reforzada con fibra vegetal. El primer paso para la realización de tableros es la selección de la fibra vegetal a usar como refuerzo para la matriz polimérica, en este caso la fibra a utilizar fue una fibra vegetal fina compuesta de yute en forma longitudinal y con refuerzo de algodón de forma transversal debido a que esta presentaba mejores posibilidades de crear un material más resistente.

Para obtener el material se utilizó un tablero de madera desmontable tamaño A3 cubierto con papel contact como molde, en el cual se colocó la mezcla de resina poliéster y la fibra vegetal empapada o bañada en resina.

La mezcla utilizada tiene 100% de resina, 10% de estireno, 0,75% de MECK y 0,5% de octoato de cobalto en volumen. Los componentes se adicionaron en el orden descrito, se debe revolver la mezcla hasta que se alcanzar una solución uniforme.

Se elaboraron tableros para los diferentes ensayos de tracción bajo la norma ASTM 3039, con dos capas de fibra de yute y algodón; para probetas de los ensayos de flexión se realizaron bajo la norma ASTM 7264 con tres capas de fibra de yute y algodón; para las probetas de ensayos de impacto se realizaron bajo las norma ASTM D5628 con dos capas de yute y algodón

ABSTRACT

This present work aims to formulate, develop, obtain and characterize boards of a polymeric matrix composite reinforced with natural fiber, the first step tour the manufacturing of the boards is the selection of the vegetable fiber to use as a reinforcement for the polymeric matrix composite, in this case the fiber selected was a vegetable fiber composed of a thin layer of yute( corchorus capsularis) in longitudinal direction and cotton in a transversal disposition, due to the characteristics presented by this fiber it will compose a resistant material.

To obtain the boards of the matrix complex we used A3 size wooden dismountable board that are used for drawing, in which the prepared composite with polyester matrix was added and the natural fiber is also “wetted” in this composite, before the mix is put on the board we use a plastic to protect the surfaces and to make easier the extraction.

The mix used for the polyester matrix is used based upon the book “Nuevos Materiales” translated as New Materials, in which is a 100% of resine, 10% of styrene, 0,75% of meck and 0,5% of octoatus of cobaltum. This mix has to be prepared in the order described above and as each component is added is recommended constant movement till a uniform mix.

Some test boards were made for the different kind of essays of traction under the ASTM 3038 standard, with two layers of yute and cotton; for flexion essays the test boards were under the ASTM 7264 standard with three layers of the natural fiber; for the test boards of impact were produced under the ASTM D5628.

INTRODUCCIÓN

1. OBJETIVOS

Objetivos Generales:

Obtener un material compuesto de matriz polimérica y refuerzo de fibra natural en base a la teoría para su elaboración y cumpliendo las normas pertinentes.

Analizar y aprender la secuencia de pasos correctos y necesarios para la obtención de un material compuesto.

Producir un compuesto capaz de ser fabricado de manera manual y sencilla prescindiendo de métodos complejos.

Objetivos Específicos:

Conocer y poner en práctica el método de estratificación manual para la obtención de un material compuesto.

Llevar a cabo el método familiarizándose con el proceso para desarrollar el material con las especificaciones requeridas.

Establecer ciertos parámetros dentro del proceso de fabricación que faciliten la obtención del material.

2. MARCO TEÓRICO

Materiales compuestos:

Están formados de dos o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente. Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una intercara. Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes (sinergia).

Los materiales compuestos se forman o producen cuando se introducen fibras o partículas de un elemento compuesto o material determinado en una matriz polimérica, cerámica o metálica que actúa como aglomerante y respaldo.

Las propiedades de los materiales compuestos son superiores y posiblemente únicas en algún aspecto específico; los materiales compuestos son indispensables para el futuro crecimiento de las industrias aeroespaciales, aeronáuticos, electrónico, de equipos deportivos y automovilística.

Fibras naturales:

Las características de la fibra dependen de su ubicación en la planta:

Fibras blandas: Ubicadas en los tallos de las plantas, se obtienen por enriado (degradación microbiana), actúan como esqueleto, brindan resistencia estructural y rigidez, son finas flexibles y elásticas

Fibras duras: Se encuentran en los tallos de ciertas plantas, se obtienen por descortezación (separación mecánica corteza tallo), gruesas ásperas y rígidas, alto contenido de ligina , Fibras de superficie: se encuentran en las semillas, también es posible obtener fibras de algunos frutos.

Composición Química

Químicamente las fibras están compuestas principalmente por celulosa, hemicelulosa y lignina. La composición química puede variar dependiendo de factores como la especie, edad de la planta o las condiciones climáticas en las que se

desarrolla. Se ha encontrado una proporción general 4:3:3 para estos componentes en una fibra.

CELULOSA: Constituye la base estructural de las paredes celulares en las células vegetales. Fibras con contenido considerable de celulosa presentan:

Ventajas Desventajas

Capacidad de absorber humedad

Baja resiliencia (capacidad de almacenar energía en el periodo elástico)

Capacidad de soportar altas temperaturas

Susceptible a daños por ácidos minerales y orgánicos

Bajo volumen Alta flamabilidad

Conductor eléctrico bajo ciertas circunstancias

Resistencia moderada a luz solar

HEMICELULOSA:

Similares a la celulosa pero de menor masa molecular, y mayor solubilidad en agua, tienen mayor facilidad de extracción y descomposición (desarrollan hongos fácilmente).

LIGINA:

Proporciona soporte estructural a las plantas, proporciona resistencia a impactos compresiones y flexiones, además de rigidez y protección contra ataques químicos y de microorganismos.

CERAS, GRASAS Y RESINAS:

Recubren los tallos y frutos evitando la pérdida de agua y protegiendo contra daños mecánicos, su presencia en una fibra natural le otorga valor textil.

Fibras Destacadas:

Abacá: Sus fibras provienen de la vaina de las hojas que componen el pseudo tallo de la planta, posee resistencia mecánica, flotabilidad y fibras largas. Su obtención consiste en un proceso laborioso.

Sisal: fibras extraídas de las hojas de la planta, se degradan fácilmente en agua salada pero en general presentan resistencia y flexibilidad. Sus fibras son largas y anchas.

Curauá: las fibras se extraen mecánicamente de las hojas y miden hasta 1.5m , estas fibras son utilizadas para la producción de materiales compuestos.

Yute: las fibras son extraídas de la corteza de la planta, se destacan por su fortaleza y propiedades aislantes, debido a su estructura áspera y rígida no es apta para uso textil.

Ramio: las fibras son extraídas del tallo mediante enriado, tienen gran durabilidad, longitud, resistencia y lustre similar a la ceda.

Coco: la fibra se obtiene de la corteza del fruto, es ligera, fuerte y duradera, posee alto contenido de ligina en comparación con otras fibras.

Lino: fibra obtenida de los vástagos de la planta, es un polímero de celulosa cristalina, lo que la hace fuerte y fácilmente arrugable, absorbe y libera agua rápidamente, son utilizadas principalmente en la industria textil.

TABLA # 1 Comparación de fibras naturales

FIG # 1 Comparación de las propiedades de las fibras vegetales

Consideraciones

Al utilizar fibras naturales como refuerzo en materiales compuestos se deben tener en cuenta las siguientes ventajas y desventajas.

TABLA #2 Ventajas y Desventajas del uso de fibras naturales

Configuración

La configuración en la que las fibras se dispongan en el material compuesto es un factor de terminante para las características y propiedades finales.

• Fibra corta • Fibra larga • Tejido• No tejido

La configuración elegida dependerá de las propiedades que se desean obtener para el material compuesto. Como las mencionadas a continuación:

INFLUENCIA DE LA LONGITUD• Las fibras cortas o discontinuas proveen menor resistencia pero poseen costos

de producción bajos y permiten obtener piezas de diversas formas. • Una fibra larga nos asegura una mayor resistencia ya que el esfuerzo máximo

no es soportado por un solo punto.

FIBRAS TEJIDAS• Los materiales reforzados por tejidos de fibras presentan interfaz adecuada,

estructura estable y un acoplamiento ordenado de las fibras. • Existen diferentes tipos de tejidos que entregan propiedades diferentes. Se

presenta una breve comparación de los tejidos cuando son usados como refuerzo en materiales compuestos.

FIG #2 Propiedades de las fibras tejidas

FIBRAS NO TEJIDAS

• Las fibras se disponen de manera aleatoria en la matriz y luego son consolidadas por diferentes procesos.

• Permiten una conformación practica y económica, es posible utilizar subproductos agrícolas como materia prima.

• Su mayor campo de aplicación es funcional ya que entregan propiedades mecánicas limitadas.

3. METODOLOGÍA DE TRABAJO

Selección de la fibra natural:

La selección de la fibra se la realizó tomando en cuenta varios parámetros, ordenados en orden de importancia a continuación.

Facilidad de obtención Costo Tipo de tejido Absorción de humedad Resistencia Módulo de elasticidad

Facilidad de obtención: Al ser un material compuesto obtenido para proyecto de clase y tomando en cuenta que la facilidad de fabricación es un factor sumamente importante a la hora de realizar el proceso a gran escala, se optó por la fibra de yute que es sumamente fácil de conseguir en nuestro medio, ya que se usa en decoraciones y manualidades.

Costo: El costo de la fibra de yute es relativamente bajo tomando en cuenta que ya viene tejido y listo para colocarlo con la matriz polimérica.

Tipo de tejido: Este es un factor bastante importante ya que de la separación de los filamentos, depende la resistencia que vaya a proporcionar el material. El tejido que se adquirió sigue esta característica como el más compacto que se consiguió en el caso del yute.

Absorción de la humedad: Una importante característica a la hora de fabricar el compuesto, ya que el grado de mojabilidad de la fibra predice que tan fuerte va a ser la unión matriz-refuerzo. Siguiendo los datos del libro de nuevos materiales encontramos que la absorción de humedad del yute es del 12%, un valor bastante alto comparado con las demás fibras.

Resistencia: Las cargas que soporta el material dependen en su gran mayoría de la resistencia del refuerzo, comparando nuevamente los datos del yute con las demás fibras naturales, encontramos que este valor (393-773 Mpa) es el suficiente para elaborar un compuesto.

Módulo de elasticidad: Esto nos indica la relación esfuerzo deformación que existe en el material, nos importa que la fibra tenga una gran resistencia, sufriendo deformaciones pequeñas que no afecten a la matriz, el dato para el yute es de 26,5 Gpa.

Tejido de yute cortado

Elaboración del molde de mezcla:

El molde puede estar hecho en diferentes materiales y puede elegirse cualquiera de ellos en función de la cantidad de muestras requeridas. Por motivos prácticos y de costo, se eligió la madera como material del molde.

El molde debe tener la forma de una caja, en la que pueda colocarse la matriz con el refuerzo y luego pueda cerrarse para poder aplicar presión y así obtener una mejor unión.

La caja de madera puede ser fabricada de madera contrachapada o triplex, en este caso se usó un tablero de dibujo como caja prefabricada, modificando su tapa para que pueda aplicarse presión encima de ella.

Es importante tener en cuenta el desmoldeo de la pieza ya que puede complicarse si la resina se une firmemente con el molde, con la finalidad de facilitar el desmoldeo se recomienda recubrir la madera con un material liso, libre de grietas, en el que pueda aplicarse un agente desmoldante.

Molde de madera

Colocación de papel “contact” en la tapa del molde

Obtención de la matriz polimérica:

La matriz polimérica se la obtiene en base a una mezcla de resina, monómero estireno y un sistema catalítico que se describe a continuación.

Resina: La resina poliéster es un compuesto usado como matriz en varias aplicaciones y es la que le da el sustento al refuerzo, debe ser mezclada con estireno y un sistema catalítico para la su fácil manejo y acelerar el secado.

Monómero estireno: Facilita el manejo de la resina al colocarla sobre el refuerzo, asegurando así una mayor unión entre los componentes. Se puede usar un 10% del volumen de resina.

Sistema catalítico: Consiste en una mezcla de dos compuestos, Meck y Octoato de cobalto, que ayudan al proceso de secado de la resina, el uno es un acelerador que inicia el proceso de secado y el otro termina este proceso asegurando el secado final. Los valores usados en porcentaje de fracción de volumen total pueden ser 0,5% para el Meckp y 0,25% para el octoato de cobalto. Estos valores pueden cambiar tomando en cuenta la consistencia de la muestra final.

Componentes de la matriz polimérica

Obtención de las probetas para ensayo:

Las probetas para ensayos se las elabora en base a las normas ASTM pertinentes para el ensayo de tracción, flexión e impacto.

Probeta para el ensayo de tracción: Se la obtiene en base a la norma ASTM D3039/ D3039M-08. Este método de ensayo determina las propiedades de tracción en el plano de la matriz polimérica materiales compuestos reforzados con fibras de alto módulo. Las formas de material compuesto se limitan a fibras continuas o discontinuas compuestos reforzados con fibra en la que el laminado es equilibrado y simétrico con respecto a la dirección de prueba.

Las dimensiones de la probeta según la norma indicada se citan a continuación

Fibra Orientación

Ancho, mm [pulgadas]

Longitud, mm [pulgadas]

Espesor, mm [pulgadas]

Longitud de la lengüeta,   mm [pulgadas]

Espesor de la lengüeta,  mm [pulgadas]

  equilibrada y simétrica

25 [1,0] 250 [10,0] 2.5 [0,100] materia esmeril  -

Norma ASTM D3039/ D3039M-08. Sección 8.2.2

Probeta para el ensayo de flexión: Se la obtiene en base a la norma ASTM

D7264/D7264M-07. Describe los   métodos de ensayo que determinan las propiedades

de rigidez y resistencia a la flexión de compuestos de matriz polimérica.  

Las dimensiones de la probeta según la norma indicada se citan a continuación

La relación longitud a espesor estándar es de 32:1, el espesor de la muestra estándar es de 4 mm [0,16 pulgadas], y la anchura de la muestra estándar es de 13 mm [0,5 pulgadas] de la longitud de la muestra es aproximadamente el 20% más largo que el la distancia entre apoyos.

Norma ASTM D7264/D7264M-07. Sección 8

Probeta para el ensayo de impacto: Se la obtiene en base a la norma ASTM D5628-10. Este método de ensayo cubre la determinación del valor umbral de la energía de impacto de fallos necesarios para agrietarse o romperse planas, de plástico rígido muestras en diferentes condiciones especificadas de impacto de un dardo en caída libre (TUP), con base en las pruebas de muchos ejemplares.

Las dimensiones de la probeta según la norma indicada se citan a continuación

Tamaño mínimo de las muestras:

Geometría

Diámetro de la pieza, mm (pulgadas)

FA  89 (3.5)

FB  51 (2.0)

FC 140 (5,5)

FD  89 (3.5)

FE  58 (2.3)

Norma ASTM D5628-10. Sección 10.

Probetas recortadas según las normas para los ensayos de tracción, flexión e impacto.

4. DATOS CALCULADOS

Calculo de fracción volumétrica y másica.

Cantidades:

mf: masa de fibra (g)

mc: masa del material compuesto (g)

mr: masa de resina(g)

Vti: volumen total ideal (c m3)

Vtr: volumen total real (c m3)

Vf: volumen de fibra (c m3)

Vr: volumen de resina (c m3)

Xvf: fracción volumétrica de fibra

Xmf: fracción másica de fibra

Xvr: fracción volumétrica de resina

Xmr: fracción másica de resina

df: densidad de la fibra (g/c m3)

dr: densidad de la resina (g/c m3)

ti: espesor ideal (cm)

Datos medidos:

Dimensión final aproximada de cada tablero 38cm x 28cm

mf para cada tablero

mc para cada tablero

Datos de fuente externa:

df=0.12(g/c m3)

Fórmulas utilizadas:

mr=mc−mf

Vti=38×28×ti

Vtr=0.8×Vti

Vf=mfdf

Xvf= VfVtr

Xmf=mfmc

Xvr=1−Xvf

Xmr=1−Xmf

Tablero Nº ti(cm)

mf(g)

mc(g)

mr(g)

Vti(cm^3)

VTr(cm^3)

VF(cm^3)

Xvf(cm^3)

Xmf(cm^3

Xvr(cm^3)

Xmr(cm^3)

dr(cm^3)

)

1 0,2 52 275223 212,8 170,24 43,33 0,25 0,19 0,75 0,81

1,35

2 0,25 66 310244 266 212,8 55,00 0,26 0,21 0,74 0,79

1,18

3 0,3 70 394324 319,2 255,36 58,33 0,23 0,18 0,77 0,82

1,27

4 0,4 100 653553 425,6 340,48 83,33 0,24 0,15 0,76 0,85

1,50

1,32

Los tableros 1,2,3 utilizaron 2 capas de material de refuerzo, mientras que el tablero 4 utilizo 3 capas, manteniendo de esta manera una fracción volumétrica semejante para los 3 tableros

En base a los datos calculados se puede obtener una densidad promedio de la mezcla de resina

dr= 1.32 g/cm^3 , se midió la densidad de la resina experimentalmente y se obtuvo un valor de drexp= 1.322 g/cm^3 lo cual entrega un error de 0.15% . se debe observar que los valores se obtuvieron mediante promedios.

Calculo de la densidad del material compuesto:

dmc=Xvf∗df +Xvr∗dr

tablero Nº Xvf(cm^3) Xvr(cm^3) dmc (g/cm^3)1 0,2074715 0,792528471 1,2951034172 0,2106634 0,789336602 1,2947203923 0,1861924 0,813807603 1,2976569124 0,1994919 0,800508146 1,296060977

Se puede observar que la densidad es aproximadamente la misma para cada tablero.

Se realizó una medición experimental de la densidad de uno de los tableros obteniendo un dmcexp= 1.19 g/cm^3. Lo cual proporciona un error del 7%

5. CONCLUSIONES

El material obtenido es factible para la industria, siempre y cuando se cambie el método de fabricación, ya que hacerlo manualmente no sería eficiente y resultaría poco rentable.

La fibra que se use como refuerzo del material debe ser de fácil obtención y bajo costo ya que esto abarataría la manufactura, esto no resulta ninguna complicación en Ecuador ya que se producen muchas fibras naturales de bajo costo.

Debido a que es un proceso manual este proyecto y realizado por estudiantes, no se tiene un concepto total de cómo debería ser una fabricación más profesional.

Las probetas finales obtenidas presentaban un aspecto duro, resistente, pocas porosidades (ninguna más grande que 0,1mm), tampoco tenía la presencia de grietas, una presencia de arrugas en la superficie debido al contact que se arrugo durante el secado del tablero esto cambiaría las propiedades en sus respectivas pruebas y la composición de la resina, tiene una apariencia transparente.

La elaboración de un material compuesto mediante la estratificación manual es bastante simple, sin embargo la calidad del material dependerá de la habilidad del operador, por lo tanto existe baja repetitividad.

Se puede elaborar un material compuesto utilizando materiales comunes y sin necesidad de equipamiento especial. Sin embargo el control del espesor, acabado superficial y comportamiento mecánico es sumamente limitado.

Muchas de las probetas realizadas con el método de estratificación manual y con el uso de materiales comunes, no cumplen al pie de la letra las normativas, debido a que es difícil mantener tolerancias dimensionales del 4% en espesor.

6. RECOMENDACIONES

Realizar la mezcla de la matriz polimérica en un área despejada con buena ventilación debido a la toxicidad de los componentes que se añaden

Es importante no mezclar el octoato de cobalto con el meckp por separado antes de añadirlos a la resina, ya que produce una reacción exotérmica que puede resultar explosiva.

La fabricación de materiales compuestos con fibras naturales es una gran ayuda al medio ambiente, y últimamente se buscan materiales que sean más amigables con el planeta, por lo que una aplicación a gran escala sería recomendable, especialmente para fabricación de paneles, algunos tipos de muebles, libreos, percheros, tendrían el mismo efecto que usar madera u otros productos que lastiman al medio ambiente.

Para la realización a gran escala de estos materiales se sugiere que sea hecho en industrias donde existe la posibilidad de controlar el material y regirse bajo las normas ASTM

7. BIBLIOGRAFÍA

GUERRERO, Nuevos materiales aplicaciones estructurales e industriales, Primera edición, referencias capítulo 1, 2,3 y anexos

RUIZ, folleto ciencia de materiales, primer capítulo, pág. 7

http://ingenierosenapuros.files.wordpress.com/2012/04/trabajo-materiales-fibra.pdf

http://es.wikipedia.org/wiki/Fibra_natural