La major preocupació de la vela avui dia és trobar el mètode que permeti obtenir

inicialment un disseny el més pròxim possible a l’òptim en condicions de navegació per

abaratir el preu final de la vela. En Estudi i caracterització de polímers emprats en la

fabricació de veles nàutiques s’investiga les propietats mecàniques de quatre teixits

diferents utilitzats en veles dels vaixells amb la finalitat de poder conèixer millor

aquests materials i així poder facilitar l’elecció del teixit abans de construir la vela. A

partir de l’experimentació als laboratoris de la Facultat de Química de la Universitat de

Barcelona, ha sigut possible determinar les propietats mecàniques dels teixits de Kevlar,

Dacron, Pentex i Nylon.

En aquest treball es realitza una tasca totalment científica i d’investigació amb l’objectiu

de demostrar que es possible de fer-ne un treball totalment de recerca.

EEESSSTTTUUUDDDIII III CCCAAARRRAAACCCTTTEEERRRIIITTTZZZAAACCCIIIÓÓÓ DDDEEE PPPOOOLLLÍÍÍMMMEEERRRSSS

EEEMMMPPPRRRAAATTTSSS EEENNN LLLAAA FFFAAABBBRRRIIICCCAAACCCIIIÓÓÓ DDDEEELLLSSS TTTEEEIIIXXXIIITTTSSS

DDDEEE VVVEEELLLEEESSS NNNÀÀÀUUUTTTIIIQQQUUUEEESSS

Velits

Gener 2011

AGRAÏMENTS

En primer lloc voldria agrair a l’empresa FUNMAR, la seva ajuda en l’aportació de les matèries

primes que han fet possible la realització d’aquesta investigació.

A la Dra. Ana Inés Fernández Renna per la seva ajuda i dedicació en la execució de les experiències

portades a terme en els laboratoris del Departament de Ciència de Materials i Enginyeria

Metal·lúrgica de la Facultat de Química de la Universitat de Barcelona.

A la Dra. Mònica Martínez López per la seva col·laboració en la realització de les tasques

efectuades en simulació per ordinador.

A la meva tutora Montse Calaf Torroella per la seva pressió que ha donat fruits. Per la seva ajuda,

col·laboració, consells, solidaritat i sobretot la seva dedicació. Sense ella no ho hauria aconseguit.

Finalment a la meva família per donar-me tot el seu suport i perquè creuen en mi. A la meva mare,

perquè sense la seva insistència no hauria trobat el camí correcte per arribar al final. Al meu pare

per fer-me de copisteria i al meu germà per fer-me els entrepans del dia següent.

i

ÍNDEX

0. MOTIVACIÓ .................................................................................................................................. 1

1. INTRODUCCIÓ ............................................................................................................................ 2

2. CONCEPTES TEÒRICS .............................................................................................................. 6

2.1. Característiques dels materials .......................................................................................... 6

2.1.1. Nylon .................................................................................................................. 9

2.1.2. Pentex ............................................................................................................... 11

2.1.3. Kevlar ............................................................................................................... 12

2.1.4. Dacron .............................................................................................................. 13

3. OBJECTIUS ................................................................................................................................. 14

4. METODOLOGIA I PROCEDIMENT EXPERIMENTAL ..................................................... 15

4.1. Mostres analitzades ......................................................................................................... 15

4.2. Preparació de provetes .................................................................................................... 15

4.3. Proves de tracció ............................................................................................................. 17

5. RESULTATS I DISCUSIÓ .......................................................................................................... 19

5.1. Gràfiques ......................................................................................................................... 19

5.1.1. Gràfiques amb provetes halterio ....................................................................... 19

5.1.2. Gràfiques amb provetes pantaló ....................................................................... 21

5.1.3. Gràfiques base de dades CES ........................................................................... 23

5.2. Taules de dades i discussió .............................................................................................. 26

5.2.1. Provetes halterio ................................................................................................ 26

5.2.2. Provetes pantaló ................................................................................................ 28

6. CONCLUSIONS .......................................................................................................................... 30

7. BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................................... 31

ii

ÍNDEX DE FIGURES I TAULES

Figura 1.1. Vaixell egipci .................................................................................................................................................... 3

Figura 1.2. Vaixell víking. .................................................................................................................................................. 3

Figura 1.3. Vaixell Volunteer............................................................................................................................................... 3

Figura 1.4. Vaixell Australià II. ........................................................................................................................................... 3

Figura 1.5. Vaixell Stars and Stripes. .................................................................................................................................. 4

Figura 1.6. Vaixell Estrella Damm ...................................................................................................................................... 5

Figura 1.7. Vaixell Virbac Paprec 3. ................................................................................................................................... 5

Figura 2.1. Gràfica de tracció - elongació. Representació del Mòdul de Young. ................................................................ 7

Figura 2.2. Gràfica de tenacitat. Ruptura fràgil i ductil. .................................................................................................... 7

Figura 2.3. Spinnaker vermell. Nylon. .............................................................................................................................. 10

Figura 2.4. Pentex. Vela amb reforç de fibra de carboni. .................................................................................................. 11

Figura 2.5. Kevlar. Vela amb reforç de fibra de carboni. .................................................................................................. 12

Figura 2.6. Vela de Dacron. ............................................................................................................................................. 13

Figura 4.1. Esquema d’una proveta halterio. .................................................................................................................... 15

Figura 4.2. Esquema d’una proveta “pantaló”. ................................................................................................................. 16

Figura 4.3. Maquina universal de tracció. ......................................................................................................................... 16

Figura 4.4. Maquina Zmart Pro de ZWICK/ROELL. ....................................................................................................... 17

Figura 4.5. Maquina Zmart Pro de ZWICK/ROELL. ....................................................................................................... 18

Figura 4.6. Diferents fotografies abans i desprès d'haver estat assajades en la màquina universal de tracció.

(a) Provetes halterio; (b) Provetes halterio de Dacron; (c) Provetes “pantaló”. ............................................ 18

Figura 5.1. Gràfica tracció – elongació del polímer Dacron 8oz. ..................................................................................... 19

Figura 5.2. Gràfica tracció – elongació del polímer Kevlar. ............................................................................................. 19

Figura 5.3. Gràfica tracció – elongació del polímer Kevlar amb reforç de fibra de carboni (I). ....................................... 20

Figura 5.3. Gràfica tracció – elongació del polímer Kevlar amb reforç de fibra de carboni (II). ..................................... 20

Figura 5.4. Gràfica tracció – elongació del polímer Pentex. ............................................................................................. 21

Figura 5.5. Gràfica tracció – elongació del polímer Dacron 8oz. ..................................................................................... 21

Figura 5.6. Gràfica tracció – elongació del polímer Kevlar. ............................................................................................. 22

Figura 5.7. Gràfica tracció – elongació del polímer Kevlar amb reforç de fibra de carboni (I). ....................................... 22

Figura 5.8. Gràfica tracció – elongació del polímer Pentex. ............................................................................................. 23

Figura 5.9. Gràfica de simulació del Mòdul de Young vers el preu del material. ............................................................. 24

Figura 5.10. Gràfica de simulació del límit elàstic vers a la densitat. ............................................................................... 24

Figura 5.11. Gràfica de simulació la resistència de la radiació UV vers a la seva resistència en aigua salada. ................ 25

Taula 2.1. Temperatura de transició vítria. .......................................................................................................................... 7

Taula 5.1. Propietats determinades en els assaigs mecànics. ............................................................................................ 26

Taula 5.2. Propietats físiques i mecàniques. CES EduPack. ............................................................................................. 27

Taula 5.3. Propietats determinades en els assaigs mecànics. ............................................................................................ 29

1

0. MOTIVACIÓ

He decidit fer-ne el treball sobre veles de vaixells ja que és un tema que m’agrada moltíssim. Per a

mi la nàutica és un mon desconegut però a la vegada meravellós. Amb aquest treball tinc la

oportunitat d’adquirir molts i nous coneixements.

Un altre aspecte important que vaig considerar va ser el meu interès per la química. Arran de la

meva visita al Departament de Materials de la Facultat de Química de la Universitat de Barcelona

on vaig conèixer a la Dra. Inés Fernández, vaig decidir el meu treball gracies a les idees de la

doctora. Ho vaig decidir perquè aquesta visita em va donar la possibilitat d’apropar-me a la recerca

universitària i sentir-me realment un investigador, on jo podria preparar les provetes i fer-ne els

experiments.

Per fer-ne un treball de recerca s’han de tenir ganes i curiositats. Abans de començar les tinc i crec

que és bona senyal.

2

1. INTRODUCCIÓ

La navegació a vela és una activitat atractiva i no contaminant que experimenta constantment un

creixement en la major part de països, especialment aquells amb tradició nàutica.

La fabricació de veles per a embarcacions de competició i d’esbarjo representa un sector dinàmic i

competitiu de la indústria gràcies a l’important nivell de qualitat assolit i als recents èxits en regates

olímpiques i altres competicions. Malgrat tot, el mercat és cada vegada més exigent i aquest sector

industrial evoluciona ràpidament degut a la incorporació de nous materials (compostos formats per

Mylar, fibres de Carboni, Kevlar, Vectran, Zylon, Twaron, Nylon, Dacron, etc.) i d’altres

innovacions tecnològiques, especialment en els mètodes de producció i estudi de les veles.

L’inici de la vela es remunta a les primeres civilitzacions. En temps dels egipcis ja s'utilitzaven

petites naus per transportar aliments i aigua potable. Aquestes petites embarcacions navegaven

gracies a l’energia eòlica.

L'origen de la vela segons la mitologia egípcia es gracies a que la deessa Isis , amb la intenció

d'anar mes ràpid en la recerca del seu fill, va posar un pal perpendicular, enmig de l'embarcació, i

ho va tapar amb una teixit capaç de fer moure el vaixell amb la força del vent. Segons el grecs les

veles van ser inventades per Dèdal, quan es va escapar del laberint de Creta, déu dels vents.

Cada civilització utilitzava un tipus de teixit diferent per navegar mes ràpid. Els egipcis utilitzaven

l'escorça del papir. Els romans, a l'època de Cèsar, empraven les veles de cuir. Posteriorment van

utilitzar lli, espart i joncs. Els xinesos utilitzaven les veles de canyes. A les polis gregues, les veles

de lli nomes les utilitzaven quan hi havia vent favorable. En casos especials, les tenyien amb la

finalitat de mostrar poder i riquesa. Al nord d’Europa, els víkings utilitzaven una vela quadrada al

mig del vaixell. No necessitaven més perquè es propulsaven per la força dels rems. A l'altra banda

del mon, a Sud-americà, s’utilitzava un material que posteriorment seria utilitzat com a únic teixit

en vaixells fins al 1930, el cotó.

3

Figura 1.1. i 1.2. Vaixell egipci i vaixell víking.

Després del descobriment d’Amèrica en 1492, l'exportació del teixits de cotó va obrir una nova

etapa a la navegació. Els primers vaixells que la varen utilitzar van ser en la competició de la

America's Cup. En la primera edició de la prestigiosa regata, el primer guanyador va ser-hi el

vaixell America l'any 1851. Un altre vaixell famós va se el

Volunteer, guanyador de la edició del 1887. Aquests

vaixells utilitzaven veles de cotó. No va ser fins l’any 1937

quan es va poder veure la primera vela semi-sintètica.

L’encarregat va ser el vaixell americà Ranger, amb unes

veles de cotó i raió. El raió és una cel·lulosa tractada amb

hidròxid de sodi i disulfur de carboni. Aquest vaixell va

guanyar més del 95% de les regates en les que va participar.

A partir d'aquest moment la revolució va arribar a tots el

dissenyadors de vela. S'havia començat la revolució dels material

sintètics.

Poc a poc van anar apareixent nous velers, amb noves veles que

milloraven el seu rendiment molt notòriament i eren capaços de

guanyar amb facilitat les regates en las quals competien.

El primer vaixell que va utilitzar una vela completament sintètica va

ser la Australià II KA-6, l’any 1983. Aquesta vela era feta d'un

laminat de Mylar i Kevlar. La superioritat d'aquest vaixell va fer que

totes les embarcacions rivals actualitzessin les seves veles en busca d’altres materials que

Figura 1.3. Vaixell Volunteer.

Figura 1.4. Vaixell Australià II.

4

atorguessin noves propietats i resistències. Les grans

empreses van invertir més en investigació de polímers i

cada any havia noves sorpreses en les grans regates.

L'any 1988, l'Stars and Stripes va impressionar a

tothom. Va utilitzar la primera vela rígida de la història.

Estava fabricada amb fibra de Carboni laminada amb

Mylar i Dacron. Des d'aquell moment fins ara, les veles

no han patit moltes variacions. S'ha de dir que les

empreses de teixits han perfeccionat i potenciat els polímers amb la intenció de millorar alguna

propietat en concret, o s'han laminat amb compostos amb diferents espessors.

Actualment, el disseny d’una vela és un procés on participen una infinitat de paràmetres que van

des de la intensitat de vent a la que ha de ser sotmesa, passant pels propis valors que defineixen la

forma de la vela, fins a les dimensions i localització dels components que han de sostenir-la dins de

l’embarcació.

Actualment les veles encara es dissenyen de manera empírica, on el disseny final depèn de

l’experiència acumulada del dissenyador i dels coneixements sobre teixits acumulats. No obstant,

avui en dia, les veleries poden visualitzar el disseny abans de que la vela sigui tallada, però el

disseny que obtenim amb la simulació de l’ordinador no s’acosta al perfil nàutic que la vela dibuixa

mentre rep l’acció del vent sobre la seva superfície. És a dir, hi ha un salt entre la forma dissenyada

i la forma de la vela navegant, degut principalment als estiraments del teixit, les diferents

condicions de vent i la posició final que adopta la vela per a arribar a l’equilibri de forces.

El procés de disseny d’una vela és un cicle que s’acaba quan el disseny és l’òptim segons el criteri

del dissenyador i navegant. Depenent de la vela s’han de fabricar més d’un model arribant fins i tot

a quatre vegades tot i havent partit inicialment de les mesures correctes. Això passa sovint sobretot

en el camp de l’alta competició, encarint considerablement el cost d’obtenció final de la vela .

Així doncs, és molt important trobar un mètode que permeti obtenir inicialment un disseny el més

pròxim possible a l’òptim en condicions de navegació.

Figura 1.5. Vaixell Stars and Stripes.

5

Figura 1.6. i 1.7. Vaixell Estrella Damm i vaixell Virbac Paprec 3.

6

2. CONCEPTES TEÒRICS.

2.1. Característiques dels materials.

Les fibres són les principals encarregades de suportar i resistir les tensions de la vela. En la

fabricació de les veles s’utilitzen una gran quantitat de fibres diferents. Cadascuna d’aquestes fibres

té les seves característiques pròpies, positives i negatives. En aquest treball s’estudien les propietats

mecàniques de quatre teixits diferents. Son els formats per Nylon (poliamida), el Kevlar

(poliaramida), el Pentex (polietilè) i el Dacron (polièster).

El material més idoni per la confecció de veles serà el que és deformi menys amb la tensió produïda

per la força del vent sobre la superfície de la vela. Aquestes i altres propietats mecàniques dels

polímers que formen les fibres es regeixen per un conceptes bàsics com son la densitat, el mòdul

elàstic, que compren el mòdul de Young i el mòdul de comprensió, la tracció, la tenacitat i la

temperatura vítria.

Les característiques més importants que s’han dut a terme per fer l’estudi són:

a) Deformació: Hi existeixen dos tipus:

-Deformació elàstica: és aquella en què el material després d'haver estat sotmès a una

tensió, recupera la seva forma inicial.

-Deformació plàstica: és aquella en què el material, després d’haver estat sotmès a

una tensió, no recupera la seva forma inicial i adopta una nova forma.

b) Mòdul elàstic: és el paràmetre que caracteritza el comportament d'un material elàstic,

segons la direcció en la qual s'aplica la força:

Mòdul de Young (E), és defineix com la relació entre la força de tracció (tensile stress) i

la deformació (tensile strain) del material. És a dir, mesura la rigidesa d'un material . La

seva unitat és N/m2 .

on E és el mòdul de Young, F és la força aplicada a l'objecte, A0 és la secció original on

està aplicada la força, ΔL és l’increment de la longitud de l'objecte i L0 és la longitud

original de l'objecte.

7

El mòdul de Young és característic de cada

material. Es representa per la tangent a la

gràfica tracció-elongació.

Figura 2.1. Gràfica de tracció - elongació.

Representació del Mòdul de Young.

c) Tracció, es l’esforç al qual està sotmès un cos per l'aplicació de dos forces que actuen en

sentits oposats i que l'estiren.

d)Tenacitat, es defineix com la quantitat d'energia per unitat de volum que un material por

absorbir abans de trencar-se, és a dir, és un treball fet sobre el material.

Matemàticament, la tenacitat és l’àrea compresa per la gràfica stress-strain. Per calcular-

lo s'ha d’emprar el càlcul integral següent:

on ε és la deformació, εf és la màxima deformació i σ és tracció o tensió uniaxial.

Segons l'estat del material hi han varies

gràfiques stress-strain on la tenacitat canvia

radicalment:

Segons aquesta gràfica, es poden observar

quatre tipus de materials, segons la seva

tenacitat: materials durs i fràgils, materials

durs i forts, materials durs i tenaços i,

finalment materials dúctils i tenaços. Figura 2.2. Gràfica de tenacitat. Ruptura fràgil i

ductil.

8

Els materials durs i fràgils tenen un Mòdul de Young molt alt, on la seva deformació és

molt petita respecte a la tensió que s'ha d'aplicar (ordres de MPa).

Aquests materials, per norma general, només pateixen deformació elàstica ja que es

trenquen al deformar-se plàsticament. Necessiten molt poca quantitat d’energia per

trencar-se.

Els material durs i forts també tenen un elevat Mòdul de Young però, al contrari que els

materials fràgils, tenen una petita deformació plàstica, que fa que el material absorbeixi

més energia.

Els materials durs i tenaços no tenen un alt Mòdul de Young però si permeten una

important deformació plàstica. La seva corba és gran la qual cosa s’interpreta com que un

material tenaç és capaç de dissipar molta energia.(Quan un material pateix una

deformació plàstica, el que esta fent es dissipar energia i així n'absorbeix més.)

Els materials dúctils i tenaços tenen poc mòdul de Young, el què indica que es necessita

poca tensió per trencar-los. D'altre banda, aquesta mancança de mòdul de Young està

complementa amb la capacitat de deformar-se molt plàsticament. Dels quatre tipus de

materials, és el que absorbeix més quantitat d'energia i és més tenaç.

e) Temperatura vítria , Tg, és la temperatura límit on un polímer es comporta com un sòlid

rígid. Per sobre d'aquesta temperatura, el comportament del material varia. Aquesta

temperatura és molt important ja que fa variar les propietats mecàniques de molts

polímers. A temperatura estàndard, 298 K, el polímers que s’han d'estudiar és comporten

com a sòlids rígids.

Taula 2.1. Temperatura de transició vítria.

Polímers Tg

Nylon 323 K

Kevlar 456 K

Pentex 370 K

Dacrón 348 K

9

La gràfica corresponent a la tenacitat varia clarament pels quatre estats diferents de la mateixa

matèria. El material dur i fràgil correspon a temperatures inferiors a la temperatura vítria. Aquest

material se l’anomena rígid. Si la temperatura a la qual es tractat el material és 0,8 Tg, es diu que

esta al límit de plasticitat, que correspondria a un material dur i fort. En cas que el material fos dur i

tenaç, la temperatura T=Tg, i es tractaria d'un material que està estirat en fred. I en últim cas, si el

material és dúctil i tenaç, la temperatura és molt superior a la temperatura vítria i el material és

viscos.

2.1.1. Nylon®

El Nylon pertany a la família de les poliamides. El 28 de febrer de 1935, el químic Walllace

Carothers, que aleshores treballava a la DuPont, va produir la primera fibra de Nylon. Actualment,

es un dels polímers més utilitzats ja que és un polímer sintètic de gran resistència i d’alt pes

molecular, les molècules del qual contenen la CONH grup amida . El Nylon té una densitat de 1,06

gcm-3 i fon a una temperatura de 250ºC. Presenta unes propietats elèctriques molt bones, és

resistent a la tracció i a la corrosió. El Nylon es pot estirar en fred fins a set vegades la seva

longitud. Normalment durant la seva fabricació es estirat quatre vegades la seva longitud i d’aquesta

manera s’aconsegueix ordenar les fibres i augmentar al seva flexibilitat i elasticitat.

Segons la seva composició, ja que no tots son iguals, existeixen diferent tipus de Nylon:

- Nylon 6: Està format per una cadena de monòmers de 6 carbonis. La formació d’aquest

tipus de Nylon consisteix en el trencament d'un enllaç de caprolactama (amida cíclica) a

una temperatura determinada, normalment de 533K, en una atmosfera composta

únicament per nitrogen durant 3-4 hores, on es trenca un enllaç pèptic:

Les fibres del Nylon 6 son tenaces, tenen un alt mòdul de Young i molta elasticitat. El

desavantatge que té respecte altres Nylons és el seu baix punt de fusió, que no permet

treballar amb les fibres a molta temperatura i s’ha de tenir molta cura en la seva

formació.

10

El Nylon 6 s'utilitza en raspalls de dents, cordes d’instruments musicals, reixes, cordes,

neumàtics o peces de vestir. En nàutica no s'utilitza gaire aquest polímer.

- NYLON 6,6: El seu nom ve donat pels dos reactius que s’utilitzen per la seva formació

ja que aquests estan formats cadascun per 6 carbonis. Un és un diàcid anomenat àcid

adiptic i l'altre una diamida anomenada 1,6-hexanodiamina; cada enllaç d'aquest tipus

forma una molècula d'aigua. Aquest procés es denomina polimerització per condensació:

En total cada monòmer de Nylon 6,6 té

12 carbonis.

El Nylon 6,6 és rígid, tenaç, té un elevat

mòdul de Young, és molt resistent a la

abrasió, es excel·lent en la seva

utilització en aigua salada, però és un

material que pateix molt amb les

radiacions UV.

Aquest tipus de Nylon és polar, el que fa que hi hagi molta concentració de molècules

en algunes parts de la seva estructura la qual cosa fa que millori les seves

característiques. És una molècula cristal·litzada. Depenent del seu grau varien les seves

propietats. S'utilitza en la producció de engranatges, lleves, corones, cargols i femelles,

connectors elèctrics, pintes, formadors de bobines, dipòsits de combustible de cotxes,

estris de cuina, roba i veles dels velers. És un material transparent però que es tenyeix

en les grans regates. És el material utilitzat en l'Spinnaker, vela que s' utilitza amb poc

Figura 2.3. Spinnaker vermell. Nylon

11

vent. Aquesta és la vela més gran que hi ha en el vaixell però amb la que els tripulants

han detenir més compte perquè és més dèbil que els laminats de Dacron o Kevlar.

2.1.2. Pentex.Pen®:

És un super Dacron, és a dir una evolució de la fibra de polièster que multiplica per 2.5 les

prestacions a la deformació sota tensió del Dacron. Desgraciadament, el seu preu és molt més

elevat. Al ser un polièster està permès pels reglaments que solament permeten aquest material.

Es prepara a partir de glicol d'etilè i un o més àcids dicarboxílics naftalè. El procés utilitzat és la

polimerització per condensació.

És produïda per l’empresa Honeywell. Generalment s'aplica juntament amb laminats de Mylar. És

una fibra bastant dèbil comparada amb el Kevlar o el Nylon.

Té unes propietats molt similars als PETs.

Les petites diferències són que la fibra PEN

és més elàstica, i suporta millor les altes

temperatures. En la vela de competició

s’utilitza rarament pel seu escàs rendiment

però per la vela de esbarjo és un material

molt utilitza igual que el Dacron, degut al seu

baix preu en el mercat. S'utilitza com a

aïllant en conductes electrònics, siguin

plaques o cables, i també en zones

elèctriques.

+ →

Figura 2.4. Pentex. Vela amb reforç de fibra de

carboni.

12

2.1.3. Kevlar®.

Kevlar és una fibra orgànica amb un grup funcional de la família de les poliamides aromàtiques.

Es sintetitza a traves de la solució dels monomers para-fenilendiamida i clorur tereftalòic. En la

reacció es desprenen dos molècules de àcid clorhídric cada vegada que reaccionen els reactius. El

resultat és el parafenil tereftalamida conegut con a Kevlar.

La primera obtenció va ser a càrrec de la química Stephanie Kwolek, treballadora de DuPont, l'any

1965. La posterior millora va ser a càrrec de Herbert Blades que va facilitar la seva

comercialització, començada al 1972. Existeixen varis tipus de Kevlar. El més utilitzat és el

Kevlar49. Aquest és la fibra amb el mòdul de Young més gran amb que es fan cables i teixits.

Les propietats que fan al Kevlar un material punter al món

de la vela oceànica són el seu elevat mòdul de Young, la

seva gran resistència al tall. Aquestes dues propietats són

conseqüència de l’ordenació de les molècules al estar units

els grups amina a un benzè en la posició para. Queden molt

alienades i permet als àtoms d'hidrogen formar enllaç

d'hidrogen i a nivell general del monòmer haver forces de

Van der Waals. Té una dèbil protecció contra els raigs UV i

un acceptable comportament en aigües salades.

El Kevlar és utilitzat per fer el blindatge dels avions,

armilles antibales, parts del robot enviat per la NASA a

Mart anomenats Mars Pathfinder, cascs de formula 1,

esquis, neumàtics, kaiacs i velers de regata d'alta

competició entre altres utilitats. En els vaixells principalment s’utilitza com a teixit de les veles.

Figura 2.5. Kevlar. Vela amb reforç de

fibra de carboni.

13

2.1.4. Dacron®.

El Dacron és un polièster conegut com PET. Aquestes inicials provenen de polietilè tereftàlic.

En 1941, dos químics britànics, John Rex Whinfield i James Tennant Dickons van sintetitzar per

primer cop un PET després del treball realitzat per Wallace Carothers, creador del Nylon.

Una vegada creat aquest polímer, l'empresa DuPont va experimentar amb aquest polièster i va

emprar un nou mètode de obtenció. Va ser en 1950 quan va enregistrar i patentar el Dacron. Altres

empreses fabriquen altres PET molt semblants amb el nom de Mylar o Tergal.

Aquest polímer està format després d'un procés de condensació on es desprèn una molècula d'aigua.

Els reactius que formen part d’aquesta reacció son etilenglicol i l’àcid tereftàlic.

El Dacron és molt flexible, té una bona resistència tant sec com

humit. El seu mòdul de Young és elevat però de cap manera arriba als

nivells del Kevlar o la fibra de Carbono. També té una resistència

acceptable a la abrasió i als blanquejadors químics i tolera bé els raigs

UV.

Té un preu econòmic que el fa ser un dels materials més emprats per

la fabricació de les veles de vaixells no professionals. A nivell

professional no s'utilitza massa.

Té un color blanquinós. S’utilitza sempre laminat amb dues capes de Mylar, que el reforcen. La

seva textura és porosa la qual cosa fa que quedi més desprotegit dels forts vents.

A més de la utilització en la fabricació de les veles, el Dacron també s'utilitza molt en teles de vestir,

en catifes, en tot tipus de cordes( sobretot en les d'escalada), en mobles i en maletes.

Figura 2.6. Vela de Dacron.

14

3. OBJECTIUS

El principal objectiu d’aquesta investigació és la caracterització mecànica dels teixits emprats en la

construcció de veles nàutiques. A partir de les característiques ja esmentades fer-ne una

caracterització.

Aquests teixits son de famílies químiques diferents que permetran una posterior avaluació i

comparació conjunta.

També aquest treball pretén assolir els següents objectius:

Determinar quin material té un millor rendiment en condicions extremes d’alta competició.

Determinar quin material és millor per a la vela de vaixells d’esbarjo.

Establir relacions entre propietats mecàniques dels teixits analitzats.

Demostrar la possibilitat de fer un treball totalment d’investigació.

15

4.METODOLOGÍA I PROCEDIMENT EXPERIMENTAL.

4.1. Mostres analitzades.

Les mostres emprades en aquest estudi d’investigació han estat proporcionades per la empresa

FUNMAR, (El Masnou.Barcelona) dedicada a la fabricació i reparació de veles.

4.2. Preparació de provetes.

Tots els assaigs relacionats amb aquest treball, han estat desenvolupats en el laboratori 749 del

Departament de Ciència de Materials i Enginyeria Metal·lúrgica de la Facultat de Química de la

Universitat de Barcelona.

La pràctica consisteix en la realització de dues proves de tracció amb els diferents materials.

Aquestes proves es duen a terme utilitzant provetes normalitzades. Aquestes provetes s'utilitzen per

poder comparar els resultats obtinguts amb les bases de dades que existeixen i així poder donar

validesa als resultats obtinguts.

La primera proveta s'anomena proveta halterio. Les seves mides son les següents:

Lo: 116 mm

Diàmetre de So: 6mm

Amplada màxima: 25mm

L’espor depèn del teixit. Entre els quatre teixits varia entre 0’2 i 0’4 mm.

Aquesta proveta és ideal per fer gràfiques tracció-deformació ja que té una part més ampla i una

altra més estreta anomenada coll. Amb la utilització d’aquesta proveta es pot obtenir tot tipus de

informació relacionada amb el Mòdul de Young, la màxima elongació i resistència o la tenacitat.

Habitualment és la proveta que més s'utilitza per trobar aquest tipus de propietats en polímers.

Figura 3.1. Esquema d’una proveta

halterio.

16

La segona proveta s'anomena habitualment proveta “pantaló”. Aquesta proveta serveix per mesurar

la resistència del polímer o fibra desprès de que s'hagi produït un tall al teixit. La seva utilització no

és generalitzada ni freqüent ja que a més del polímers només es fa servir amb altres materials sòlids

molt emprats en la construcció. Aquest assaig es útil des del punt de vista mecànic amb l'objectiu de

buscar la màxima resistència del teixits d’una tela determinada en qualsevol circumstància, fins i tot

en el cas que la tela presenti petits traus que poden minvar o abreujar l'estat de la vela. També

s’utilitzen per confirmar que una petita escletxa no faci perillar tota l'estructura d'una gran

instal·lació com pot ser un aeroport o un pavelló d'esports.

La forma d'aquesta proveta és la pròpia d'un rectangle amb un tall que té una longitud aproximada

corresponent a dos terceres parts de la llargada total. Les seves dimensions són:

Llargada: 75mm.

Amplada: 27mm.

Longitud del tall: 50mm.

La posició del tall és equidistant als dos costats.

Aquestes provetes s'han de tallar prèviament amb uns motlles

especials que permeten obtenir idèntics assaigs per a la

posterior pràctica. La màquina que s'utilitza només la podem

trobar en laboratoris d'investigació d'empreses, de facultats

de química i enginyeria industrial. Són màquines amb dues

mordaces als extrems que agafen el material. Aquestes

mordaces tenen una superfície dentada per tal d'agafar el

teixit el màxim possible i evitar que rellisqui.

Són màquines de màxima precisió que exigeixen un puntual

manteniment i revisió mensual. Des d'un programa,

prèviament actualitzat i sincronitzat amb la màquina, es

poden donar infinitat d'ordres a la màquina per tal d'obtenir

el màxim rendiment en les pràctiques. Se la pot programar

perquè estiri en sentits oposats les mordaces amb una velocitat mitjana determinada i amb una força

constant o que no s'aturi fins a no trobar resistència del material.

Figura 4.2. Esquema d’una

proveta “pantaló”.

Figura 4.3. Maquina universal de tracció.

17

Per dur a terme la realització dels experiments es van tallar diverses provetes dels dos tipus. El teixit

emprat en la investigació té diferents característiques depenent del tipus de teixit. Per una banda es

realitza una prova amb el Dacron, que no té cap reforç d'altres fibres. Es disposa de tres tipus de

Dacron classificats segons la diferent massa del teixit tenint en compte diferents gruixos. Dels altres

teixits laminats n'hi ha de 4 tipus. De Pentex, només hi ha 1 tipus. Les seves fibres estan orientades

perpendicularment les unes respecte de les altres amb un reforç també de Pentex a 60º. A simple

vista és el teixit més dèbil de tots.

De Kevlar hi ha 3 tipus. El primer és un laminat que conté una quantitat superior de Kevlar respecte

als altres dos tipus. Aquest té molts filaments en direcció horitzontal i un reforç a 30º. Els altres dos

tipus de Kevlar estan reforçats amb fibra de carboni i no tenen la mateixa quantitat de Kevlar. Els

dos reforços estan a 60º de les fibres de Kevlar i cada 20mm hi ha reforços transversals disposats

perpendicularment.

Malauradament, les proves realitzades amb Nylon no s’han pogut realitzar perquè les mordaces de

la màquina no eren capaces d'agafar el teixit.

4.3. Proves de tracció.

La prova de tracció de les diferents provetes va ser

realitzada amb la Zmart Pro de ZWICK/ROELL

(Màquina Universal de Tracció).

Figura 4.4. Maquina Zmart Pro de

ZWICK/ROELL.

18

La velocitat de la màquina és de 50 mm/s. El

funcionament de la màquina consisteix en la detecció

de la resistència del polímer. Si el polímer no

presenta cap resistència la màquina para

automàticament.

Figura 4.6. Diferents fotografies abans i desprès d'haver estat assajades en la màquina universal de tracció.

(a) Provetes halterio; (b) Provetes de Dacron; (c) Provetes “pantaló”.

Figura 4.5. Maquina Zmart Pro de ZWICK/ROELL.

a b

c

19

5. RESULTATS I DISCUSSIÓ.

5.1. Gràfiques.

otes les gràfiques han estat realitzades a partir de les dades extretes dels assaigs fets al

Tlaboratori. Cap dada es fictícia o inventada. Les gràfiques han estat simulades a ordinador.

5.1.1. Gràfiques amb provetes halterio.

Figura 5.1. Gràfica tracció – elongació del polímer Dacron 8oz.

Figura 5.2. Gràfica tracció –Figura Felongació del polímer Kevlar.+

20

Figura 5.3. Gràfica tracció – elongació del polímer Kevlar amb reforç de fibra de carboni (I).

Figura 5.4. Gràfica tracció – elongació del polímer Kevlar amb reforç de fibra de carboni (II).

21

Figura 5.5. Gràfica tracció – elongació del polímer Pentex.

5.1.2. Gràfiques amb provetes “pantaló”

Figura 5.6. Gràfica tracció – elongació del polímer Dacron 8oz.

22

Figura 5.7. Gràfica tracció – elongació del polímer Kevlar.

Figura 5.8. Gràfica tracció – elongació del polímer Kevlar amb reforç de fibra de carboni (I).

23

Figura

5.9. Gràfica tracció – elongació del polímer Pentex.

5.1.3. Gràfiques base de dades CES EduPack.

CES EduPack és un programa compatible amb Windows molt utilitzat a nivell pre-universitari i

universitari. Aquest programa és una base de dades que relaciona les propietats de molts materials.

S'utilitza molt en tot tipus de enginyeries, en especial en l’enginyeria de materials.

En cadascuna de les gràfiques següents estan representades les propietats més significatives dels

quatre materials objecte d’estudi: Nylon®, Pentex

®, Dacron

® i Kevlar

®.

24

Figura 5.10. Gràfica de simulació del Mòdul de Young vers el preu del material.

Figura 5.11. Gràfica de simulació del límit elàstic vers a la densitat.

Price (EUR/kg)1 10 100

Young's m

odulu

s (G

Pa)

1

10

100

1000

NYLON 66

PENTEX

DACRON

KEVLAR 49

Density (kg/m^3)1000 1050 1100 1150 1200 1250 1300 1350 1400 1450 1500

Yie

ld s

tren

gth

(el

astic

limit)

(MPa)

10

100

1000

10000

PENTEX

NYLON 66

KEVLAR 49

DACRON

25

Figura 5.12. Gràfica de simulació la resistència de la radiació UV vers a la seva resistència en aigua salada.

Water (salt)Unacceptable Limited use Acceptable Excellent

UV r

adia

tion (

sunlig

ht)

Poor

Fair

Good

Excellent

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

2

0

DACRON

PENTEX

KEVLAR 49

NYLON 66

26

5.2 Taules de dades i discussió

En aquest apartat es presenten els resultats obtinguts durant els assaig realitzats en les proves

objecte d’estudi. En l’apartat 4 del treball ja s'ha estipulat les normes amb les quals s'han dut a

terme aquestes experiències. Totes les dades han sigut extretes de la gràfica manualment, utilitzant

les formules i mesures adequades.

5.2.1. Provetes halterio.

A partir de les gràfiques descrites en el punt 5.1.1 s'obtenen les dades següents:

Taula 5.1. Propietats determinades en els assaigs mecànics.

Mòdul de

Young (Gpa)

Límit elàstic

(MPa)

Elongació

màxima (mm)

Elongació

(%)

Tipus de

deformació

Tipus

tenacitat

material

Dacron 8oz 17,2 2196,6 14,8 12,8 Elàstica i

plàstica Dur i fràgil

Kevlar 127,3 4163,5 3,8 3,3 Elàstica Dur i fràgil

Kevlar+C1 75,1 2009,4 3,2 2,7 Elàstica i

plàstica Dur i fràgil

Kevlar+C2 33,6 957,8 3,3 2,9 Elàstica Dur i fràgil

Pentex 16,1 908,2 6,6 5,7 Elàstica Dur i fràgil

A partir de les dades del programa CES EduPack, referides als polímers Kevlar, Nylon, Pentex i

Dacron, s'han obtingut les dades següents:

27

Taula 5.2. Propietats físiques i mecàniques. CES EduPack.

Densitat

(kg/m³)

Preu

(euros/kg)

Mòdul de

Young

(GPa)

Límit

elàstic

(MPa)

Elongació

(%)

Comportament

UV

Resistència

aigua

salada

Kevlar 1440-1450 52,1-147 117-130 2250-2750 1,8-3,0 Just Acceptable

Nylon 1060-1110 3,26-3,58 0,91-2,00 50,0-51,7 186-215 Pobre Excel·lent

Pentex 1330-1390 2,59-2,85 2,37-2,43 79,4-83,4 57,8-62,3 Bé Excel·lent

Dacron 1290-1390 1,24-1,36 2,80-3,00 50-55 280-320 Bé Excel·lent

A partir de les dues taules anteriors es pot observar que no totes les propietats estudiades

coincideixen amb les teòriques descrites en les bases de dades del CES Edupack. Cal pensar però

que la base de dades únicament fa referència als materials polimérics sense cap tractament i sense

tenir en compte els reforços, la geometria de les fibres o el tipus de disposició d’aquest fibres vers a

l’esforç que s’està realitzant.

Un cas particular per analitzar són els resultats del Mòdul de Young, que en la majoria de casos, a

excepció del Kevlar, no són gaire exactes. Són únicament una estimació, donat que en la

determinació d’aquest paràmetre mecànic no s'han utilitzat les galges extensimètriques, un estri

indispensable que mesura exactament l'elongació de la proveta durant l’assaig. En l'estudi realitzat,

malauradament no es va disposar d'aquest estri, fet que justificaria el marge d'error tan ampli. A

excepció del Kevlar, el Dacron i el Pentex obtenen Mòduls de Youngs molts superiors, gairebé 8

vegades més.

L'elongació del Dacron és només del 12%. Això es degut a que el teixit emprat ha estat tractat

prèviament a la factoria que el produeix, per tal de poder obtenir un Módul de Young més gran (un

material més rígid) en detriment de l’elasticitat.

28

És curiosa la relació entre el Kevlar+C1 i el Kevlar+C2. Físicament parlant, l’única diferència que

hi ha entre ambdues és la quantitat de Kevlar que té cada proveta. El Kevlar+C1 té aproximadament

el doble de Kevlar que la proveta Kevlar+C2. Analitzant les dades del mòdul de Young i les del

límit elàstic, s'observa que el Kevlar+C1 millora les propietats respecte el Kevlar+C2. La diferència

és també d’aproximadament el doble. És possible establir una relació entre la densitat de les fibres

de Kevlar i la seva resistència a la tracció.

Només hi ha deformació plàstica en un polímer, el Dacron. Aquesta deformació es deguda al

trencament de fibres progressives. Són les provetes que queden més danyades després dels assaigs

realitzats en el laboratori.

Si s'analitza el Mòdul de Young respecte el cost, és possible determinar una relació proporcional

entre aquests dues magnituds. Com més gran és el Mòdul de Young, més car és el teixit.

Analitzant el Mòdul de Young respecte el percentatge d'elongació és pot establir una relació

inversament proporcional. El Dacron, Pentex i Nylon són teixits amb una gran capacitat per

deformar-se, però tenen un baix Mòdul de Young.

Per últim, el comportament d'aquestes fibres amb l'aigua i les radiacions UV, son bones. Destaquen

les fibres PEN i PET.

5.2.2. Provetes “pantaló”.

Les dades obtingudes a partir dels assaigs realitzats amb les provetes tipus “pantaló” són los que es

descriuen a continuació en la taula.

29

Taula 5.3. Propietats determinades en els assaigs mecànics.

Màxima força

soportada (N)

Màxima elongació

(mm) Elongació (%)

Kevlar 32,2 34,8 30,0

Kevlar + C1 38,0 58,0 50,0

Dacron 8oz 72,7 64,6 55,2

Pentex 65,3 60,2 51,9

Es disposa d'un petit estudi de tres de les propietats que han de permetre analitzar el comportament

dels diferents polímers objecte d’estudi i, determinar si aquests són aptes per a l'ús després de patir

petites ruptures en el teixit.

El resultat del Kevlar no es del tot correcte ja que va patir un defecte al assajar-ho. Mentra era

sotmès a una força de tracció uniaxial, el laminat es va desenganxar de la fibra i no va realitzar el

treball màxim.

El percentatge d'elongació és similar a les altres provetes, al voltant del 50-55%. La màxima

elongació és també una dada molt semblant en les tres provetes.

En canvi al considerar la màxima força suportada es pot observar-se que el Dacron i el Pentex són

més resistents. Això és degut al tipus de laminat utilitzat per cada material. Ha quedat demostrat que

el Kevlar no és un bon material en cas de petites ruptures en la estructura del teixit.

30

6. CONCLUSIONS.

A partir dels resultats i les discussions podem arribar a les següents conclusions:

1. Les experiències realitzades no són suficients per predir el comportament dels polímers

estudiats. No podem determinar una relació entre els assaigs i la base de dades perquè en els

assaigs son caracteritzats teixits, i la base de dades caracteritza fibres.

2. S’ha pogut determinar una relació directa entre el valor del Mòdul de Young i el preu del

material essent aquesta directament proporcional. Entre totes les provetes destaca la del

Kevlar per sobre de les altres.

3. Tots el polímers es comporten com a polímers rígids. Cap ha estat assajat a una temperatura

superior a la seva temperatura de transició vítria. Això explica el perquè no s’han obtingut

deformacions plàstiques de les provetes. Totes es trenquen immediatament després de

superar el seu límit elàstic.

4. En una regata professional oceànica, amb les exigents condicions de navegació, amb

ràfegues de vent extrem, fort onatge així com dies de calma i molt sol, el material idoni per

navegar és el Kevlar laminat per un PET com és el Mylar. El Kevlar obté molta avantatge,

respecte els altres teixits en resistència a la tracció i límit elàstic. És un material molt car

però en les grans regates s'utilitza pel seu gran rendiment.

5. En la vela d’embarcacions d’esbarjo, poc ús de l'embarcació i mai en condicions extremes,

el material idoni per la fabricació és el Dacron. És un material molt més econòmic i té bones

propietats mecàniques. A més destaca la seva resistència als raigs UV i a l'aigua salada.

6. El material que ha obtingut millors resultats en la pràctica de proveta “pantaló” ha estat el

Dacron. Destaca el seu percentatge d'elongació, al voltant del 55%, i la seva resistència a la

tracció. És molt similar al Pentex, que també obté uns bons resultats.

7. Amb esforç i dedicació es possible fer un treball de recerca totalment pràctic.

Per acabar voldria dir que amb aquest treball he pogut sentir-me com un verdader investigador i

he gaudit de les meves experiències als laboratoris. He après molt del món dels materials i he

pogut descobrir una mica el món de la nàutica.

31

7. BIBLIOGRAFIA

Campbell, I.M. Introduction to synthetic polymers. Oxford, England: Oxford science publications

1984

Nicholson, J.W. The chemistry of polymers. London: RSC Paperbacks 1994

Wade Jr., L.G. Química organica. Pearson Prentice Hall 2007

Barcelona World Race 2010-2011, la guia. Revista oficial de la Barcelona World Race. Ed. Lasarte.

Programa CES EduPack 2010

WEBGRAFIA

http://www.engr.utk.edu/mse/Textiles/Nylon%2520fibers.htm (22/11/2010)

http://www.parmaplast.no/gml/uk/technical/PPmatr.htm#PA,%20Polyamid%20%28Nylon%29

(22/11/2010)

J. Guilliam History of Sailing Yacht Masts, Rigging and Sails: 1900.

http://boatdesign.net/articles/mast-materials (14/12/2010)

Kevlar. http://en.wikipedia.org/wiki/Kevlar (22/11/2010)

Materials Science and Engineering. Properties of Selected Fibres.

http://www.mse.mtu.edu/~drjohn/my4150/props.html 30/12/2010)

Mechanical Properties of Polymers. http://pslc.ws/spanish/mech.htm (30/12/2010)

Nylon 6. http://en.wikipedia.org/wiki/Nylon_6 (23/11/2010)

Nylon 6,6. http://en.wikipedia.org/wiki/Nylon_6,6 (24/11/2010)

Nylon. http://en.wikipedia.org/wiki/Nylon (24/11/2010)

Par-grup. http://www.par-group.co.uk/UserDocs/Plastics%20-%20Technical/Nylon%2066.pdf

(24/11/2010)

Plastic materyals.Nylon 6/6. http://www.plasticsintl.com/nylon.htm (24/11/2010)

Poliamides. http://www.chemguide.co.uk/organicprops/amides/polyamides.html (21/11/2010)

Polimers. http://www.polymerprocessing.com/polymers/index.html 17/11/2010)

Sailcloth.Wikipedia,the free encyclopedia. http://en.wikipedia.org/wiki/Sailcloth (04/01/2011)

San Francisco celebrates a new America’s Cup. http://www.americascup.com/ (11/01/2011)

TechnicalGuide. http://www2.dupont.com/Kevlar/en_US/assets/downloads/KEVLAR (22/11/2010)

Wikipedia.Articulos de vela. http://es.wikipedia.org/wiki/Categor%C3%ADa:Vela (04/01/2011)

Wikipedia.Polyethylene-naphtalate http://en.wikipedia.org/wiki/Polyethylene_napthalate

(30/11/2010)

Wikipedia.Polyethylene-terephthalate http://en.wikipedia.org/wiki/Polyethylene_terephthalate

(30/11/2010)

32