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Producción y caracterización de materiales

compuestos con matrices de resina epoxi

reforzados con ripio de llanta y magnetita en

diferentes proporciones

Félix Enrique Salinas Tacumá

Universidad Nacional de Colombia

Facultad de Ciencias, Departamento de Física Maestría en Ciencias Físicas

Bogotá, Colombia

2018

Producción y caracterización de materiales

compuestos con matrices de resina epoxi

reforzados con ripio de llanta y magnetita en

diferentes proporciones

Félix Enrique Salinas Tacumá

Tesis como requisito parcial para optar al título de: Magister en Ciencias Física

Director:

Ph.D., MSc David Arsenio Landínez Téllez Codirector:

MSc Andrés Orlando Garzón Posada

Línea de Investigación: Nuevos Materiales

Grupo de Investigación: Grupo de Física de Nuevos Materiales

Universidad Nacional de Colombia Facultad de Ciencias, Departamento de Física

Bogotá, Colombia

2018

(Dedicatoria)

A mi madre María Gladys por su apoyo

incondicional, ya que, sin su esfuerzo y

dedicación, este sueño jamás hubiera sido

posible y por su puesto a DIOS que siempre me

bendijo en los momentos más difíciles de este

camino y siempre me llevo tomado de la mano.

Agradecimientos

Le agradezco a Dios, por ayudarme a culminar una etapa más de mi vida y por levantarme

en los momentos más difíciles de este camino. Al doctor David Arsenio Landinez Téllez, por

su orientación, y paciencia durante la elaboración de este trabajo. A mi codirector Andrés

Garzón Posada, por sus consejos y aportes. A Javier Cuervo compañero del grupo de Física

de Nuevo Materiales, quien con su dedicación y entereza me ayudó en la culminación de

este trabajo y por último a Julieth Cifuentes, por su colaboración constante.

Resumen

En el presente trabajo se produce un material compuesto con matriz de resina pre acelerada

reforzada con magnetita y ripio de llanta. A partir de DRX y refinamiento Rietveld, se realiza

el análisis cristalográfico. Donde se observa, que el incremento de la magnetita en la matriz

plástica hace que el compuesto pase de una estructura cristalina retroactiva a una semi

cristalina. Del estudio morfológico se observan picaduras en el material y un tamaño de

grano que varía entre 0,7 a 2,3 𝜇𝑚 .

Del estudio de las curvas de histéresis, se identifican curvas características de un material

ferromagnético. Por otro lado, se observa que las muestras a temperaturas entre 50,120 y

200K se comportan como materiales magnéticos blandos y para estas temperaturas las

muestras presentan temperaturas de irreversibilidad (temperatura de separación de las

curvas ZFC y FC). Además, se observa un incremento de la susceptibilidad magnética y

magnetización con el aumento de magnetita en polvo en la matriz plástica.

Por su parte en la caracterización eléctrica se observa un comportamiento no óhmico en el

material, como una pequeña reducción en su resistencia y resistividad.

Por ultimo las gráficas de esfuerzo de ingeniería vs deformación de ingeniería indican que

las muestras tienen un comportamiento viscoelástico. Asimismo, se determinó de las

gráficas que, con el aumento de la magnetita en la matriz plástica las muestras presentan

una mayor rigidez y una mayor capacidad a la deformación.

Palabras claves: Magnetita, susceptibilidad magnética, DRX, Ferromagnético,

Paramagnético, Óhmico.

Abstract

In the present work describes the procedure of a composite material with pre-accelerated

resin matrix reinforced with magnetite and waste tire. Using XRD and Rietveld refinement,

the crystallographic analysis is performed. In this is observed that with the increase of

magnetite in the plastic matrix the material go over from a crystalline structure retroactive to

a semi-crystalline. In the morphological study it's possible observe pitting in the material and

a grain size ranging from 0,7-2,3 𝜇𝑚.

In the study of the hysteresis curves, it is possible to identify that they are characteristic

curves of a ferromagnetic material. On the other hand, it is observed that the samples at

temperatures between 50,120 and 200 K show a behavior similar to the soft magnetic

materials and for these temperatures the samples show irreversibility temperature. Also, an

increase of the magnetic susceptibility and magnetization with the increase of magnetite

powder in the plastic matrix is observed. On the other hand, the electrical characterization it

is observe ohm behavior in the material like a small reduction in its resistance and resistivity.

last, the engineering strain vs. engineering deformation graphs indicate that the samples

have a viscoelastic behavior. Likewise, it was determined from the graphs that, with the

increase of the magnetite in the plastic matrix, the samples presented a greater rigidity and

a greater capacity to deformation.

Keyword: Magnetite, magnetic susceptibility, DRX ferromagnetic, paramagnetic ohmic.

Contenido

Resumen ........................................................................................................................... 5

Abstract ............................................................................................................................. 6

Introducción ....................................................................................................................... 1

Objetivos ............................................................................................................................ 3

1.1 Objetivo general ....................................................................................................... 3

1.2. Objetivos específicos............................................................................................... 3

2. Marco Teórico ................................................................................................................ 4

2.1. Llantas .................................................................................................................... 4

2.1.2. Partes de las llantas ............................................................................................. 4

2.1.3. Materiales que componen las llantas ................................................................ 6

2.2. Resina poliéster ....................................................................................................... 7

2.2.1. Formulación y procesos de fabricación de resinas poliéster.............................. 7

2.3. Polímeros ................................................................................................................ 8

2.3.1. Polímeros cristalinos ......................................................................................... 8

2.3.2. Cristales poliméricos ......................................................................................... 9

2.4. Magnetita .............................................................................................................. 10

2.4.1. Propiedades eléctricas .................................................................................... 10

2.5. Propiedades de los materiales. ............................................................................. 11

2.5.1 Propiedades eléctricas ..................................................................................... 12

2.5.2. Propiedades magnéticas ................................................................................. 13

2.5.3. Propiedades mecánicas de los materiales ...................................................... 16

3. Desarrollo experimental ............................................................................................... 20

3.1. Designación de los especímenes. ......................................................................... 20

3.2. Elaboración de las muestras ................................................................................. 21

4. Técnicas experimentales ............................................................................................. 23

4.1. Difracción de rayos X (DRX) .................................................................................. 23

4.1.1. Ley de Bragg. ................................................................................................. 23

4.1.2. Refinamiento Rietveld ..................................................................................... 24

4.1.3. Especificaciones del equipo utilizado .............................................................. 25

4.2. Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) ............................................................ 26

4.2.1. Funcionamiento del Microscopio Electrónico de Barrido (SEM) ...................... 26


4.3. Caracterización mecánica: .................................................................................... 27

4.3.1. Propiedades ante la compresión ..................................................................... 27


4.4. Caracterización Magnética: Medidas de Magnetización a temperatura ambiente y en

función de la Temperatura. ........................................................................................... 31


4.5. Caracterización Eléctrica: Medidas de resistividad eléctrica y curvas I vs V a

temperatura ambiente. ................................................................................................. 33

4.5.1. Métodos y técnicas ......................................................................................... 34

5. RESULTADOS Y DISCUSIONES. ............................................................................... 36

5.1. Caracterización estructural: difracción de rayos X (DRX) ...................................... 36

5.1.1. Comparación de los patrones de difracción .................................................... 40

5.1.2. Tamaño del cristal de los precursores y muestras .......................................... 41

5.2. Caracterización morfológica: Microscopia electrónica de barrido. ......................... 43

5.3. Pruebas de compresión ......................................................................................... 50

5.4. Caracterización magnética .................................................................................... 53

5.4.1 Curvas de Magnetización y susceptibilidad en función de la temperatura ........ 57

5.5. Medida de resistividad volumétrica y curvas I-V a temperatura ambiente. ............. 61

6. Conclusiones ............................................................................................................... 65

Bibliografía ....................................................................................................................... 67

Lista de figuras

Figura 1. Partes de una llanta [7] ..................................................................................... 6

Figura 2.Modelo esquemático del estado cristalino [12] ................................................... 9

Figura 3.Celda unitaria de la magnetita [13] ................................................................... 10

Figura 4. Materiales conductores, semiconductores y aislantes [15]. ............................. 12

Figura 5. Esquema de los dipolos magnéticos en un material diamagnético. a) en ausencia

de campo magnético. b) En presencia de campo magnético B0. Los dipolos se alinean en

sentido contrario al campo magnético aplicado. [15] ........................................................ 15

Figura 6. a) Momentos magnéticos al azar sin presencia del campo externo B0. b)

Momentos magnéticos al azar alineados en presencia de un campo externo B0. [15] ..... 16

Figura 7. Prueba de tensión a) la fuerza de tensión que se aplica en 1) y 2) da como

resultado el estiramiento del material; b) espécimen de prueba común; y c) disposición de

la prueba de tensión. Fuente: [10].................................................................................... 17

Figura 8.Desarrollo común de una prueba de tensión:1) inicio de la prueba, sin carga; 2)

estiramiento uniforme y reducción del área de la sección del transversal; 3) continuación

del estiramiento, se alcanza la carga máxima;4) formación de un estrangulamiento la carga

máxima;4) formación de un estrangulamiento la carga comienza a disminuir; y 5) fractura.

Si los elementos se unen como se ilustra en 6), es posible medir la longitud final. Fuente:

[10]. ................................................................................................................................. 17

Figura 9. Gráfica normal del esfuerzo-deformación de ingeniería durante una prueba de

tensión de un metal. [10] .................................................................................................. 18

Figura 10. Molde número 1 con forma circular. ............................................................. 21

Figura 11. Molde 2 con forma cuadrada con alcohol polimérico en proceso de secado. 21

Figura 12. Molde 3 en forma de hueso con 3 mm de espesor. ....................................... 21

Figura 13. Muestras depositadas sobre los moldes reposando en la cama a base de

aluminio y acetato. ........................................................................................................... 22

Figura 14. Diagrama de la ley de Bragg. [19] ................................................................. 23

Figura 15. Microscopio Electrónico de Barrido. .............................................................. 27

Figura 16. Prueba de compresión: a) fuerza de compresión que se aplica al ejemplar de

prueba en 1), y 2) cambio resultante de la altura; y b) disposición de la prueba, exagerando

el tamaño del espécimen de prueba [10]. ........................................................................ 28

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Figura 17. Curva esfuerzo-deformación común de ingeniería, para una prueba de

compresión. [10] .............................................................................................................. 29

Figura 18. Efecto de barril en una prueba de compresión: 1) comienzo de la prueba; y 2)

después de que ha tenido lugar una compresión considerable [10] ................................. 29

Figura 19. máquina universal de ensayos SHIMADZU AG-IS, equipada con una celda de

carga junto con una muestra tipo cilindro de 13.7mm. ..................................................... 30

Figura 20.Esquema con los Componentes básicos del equipo Versalab PPMS, junto con

un detalle de la varilla de sujeción de muestras [3]. ......................................................... 33

Figura 21. Electrómetro y modelo 8009 [21] ................................................................... 33

Figura 22. Técnica de medición de resistividad superficial [22]. ..................................... 35

Figura 23. Porcentaje en peso de las fases presentes en la magnetita en polvo. ........... 37

Figura 24. Patrón de difracción del precursor magnetita en polvo. Se identifican los picos

característicos de la fase hematita (H) y magnetita (M) con sus respectivos índices de Miller.

........................................................................................................................................ 38

Figura 25. Patrón de difracción del precursor resina epoxi. ............................................ 38

Figura 26. Patrón de difracción del precursor ripio de llanta en polvo. Se identifican los

picos característicos de la fase Cristobalite (C) con sus respectivos índices de Miller. .... 39

Figura 27. Patrones de difracción para todas las muestras con diferentes porcentajes en

volumen de magnetita en polvo c) comp 1 con un 0% de magnetita d) Comp 2 con un 3,3

% de ferrita e) Comp 3 con un 5,3 % de ferrita f) Comp 4 con un 7,8 % de ferrita g) Comp 5

........................................................................................................................................ 40

Figura 28. a) Variación del tamaño del cristal en peso de la fase magnetita con respecto a

la variación en volumen del precursor magnetita en la muestra. b) Variación del tamaño del

cristal en peso de la fase hematita con respecto a la variación en volumen del precursor

magnetita en la muestra. ................................................................................................. 42

Figura 29. Imágenes SEM del precursor magnetita (Fe3O4) tomadas con diferentes

escalas de longitud a) 5μm b) 10μm C) 50μm.................................................................. 43

Figura 30 . Imágenes SEM del precursor magnetita (Fe3O4) tomadas con diferentes escalas

de longitud a) 5μm b) 10μm C) 50μm, en círculos de color rojo los cristales laminares de

hematita. .......................................................................................................................... 45

Figura 31. Imágenes SEM del precursor ripio de llanta en polvo tomadas con diferentes

escalas de longitud: a) 5μm b) 10μm C) 50μm, en círculos de color verde son cristales de

hierro. .............................................................................................................................. 46

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Figura 32. Imagen SEM de las muestras estudiadas con diferentes %vol de Fe3O4 (Comp

2-Comp 5), tomadas a una escala de longitud de 2𝜇𝑚, a) 3,3% a 5,12 kx, b) 5,3% a 4,95

kx, c) 7,8% a 24 kx, d) 10,1% a 24 kx e) 3,3 a 35x. ......................................................... 47

Figura 33. Imagen SEM de las muestras estudiadas con diferentes %vol de Fe3O4 (Comp

1-Comp 5), tomadas a una escala de longitud de 2μm con diferentes aumentos zoom de

20x para, a) 3,3% y un aumento de 35x para b) 5,3%, c) 10,1%. .................................... 49

Figura 34. Curvas de esfuerzo de ingeniería vs deformación de ingeniería para diferentes

concentraciones en volumen de los precursores desde 0% hasta 10.13% de volumen de

Fe3O4. .............................................................................................................................. 50

Figura 35. a) Resistencia a la tensión vs % vol de Fe3O4. b) Modulo de elasticidad vs %vol

de Fe3O4. c) Ductilidad vs %vol de Fe3O4. ...................................................................... 52

Figura 36. Curvas de histéresis tomadas a diferentes temperaturas en función de un campo

magnético para cada una de las muestras: a) 300 K, b)120K, c)50K. .............................. 53

Figura 37.a) Magnetización de saturación para las muestras a diferentes %vol de Fe3O4

vs temperatura b) Magnetización remanente para las muestras a diferentes %vol de Fe3O4

vs temperatura. ................................................................................................................ 56

Figura 38. Magnetización en función de la temperatura para las muestras con diferente %

en volumen de magnetita: a) 0%, b) 3,3%, c) 5.3%, d) 7.8% y e) 10.1%. ......................... 57

Figura 39. Susceptibilidad magnética para las muestras con diferente % en volumen de

magnetita: a) 0%, b) 3,3%, c) 5,3%, d) 7,8% y e) 10,1%. ................................................. 58

Figura 40. Resistividad volumétrica de todas las muestras en función del porcentaje en

volumen de magnetita, la muestra etiquetada con la letra R se refiere a la muestra 100%

resina epoxi. .................................................................................................................... 61

Figura 41. Curvas I-V para las muestras del material compuesto con contenidos en

volumen magnetita de 0-10.13%...................................................................................... 63

Figura 42. Resistencia en función al porcentaje de volumen de magnetita en el compuesto

entre 3.27% a 10.13%. .................................................................................................... 64

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Lista de tablas

Tabla1 Porcentaje de sustancias presentes en una llanta [7] ........................................... 6

Tabla 2 Designación de las muestras y distribución en porcentajes en volumen. ............ 20

Tabla 3 .Caracterización FRX del caucho pulverizado ..................................................... 40

Tabla 4. Tamaño del cristal de la fase magnetita y hematita. .......................................... 42

Tabla 5. Tamaño del grano de los precursores y las muestras con diferentes porcentajes

en volumen de magnetita. ................................................................................................ 44

Tabla 6. Principales propiedades mecánicas de las muestras, resultantes de la curva

esfuerzo-deformación a compresión. ............................................................................... 51

Tabla 7. Propiedades magnéticas de las muestras a diferentes temperaturas:

Magnetización de saturación (Ms), Magnetización. .......................................................... 54

Tabla 8. Valores del Magnetización y susceptibilidad magnética de las muestras en función

de la temperatura. M es el momento magnético, χ la susceptibilidad magnética y T la

temperatura a la cual se alcanza el M máximo. ............................................................... 58

1

Introducción

En Bogotá cada día cerca de 2.000 llantas terminan invadiendo el espacio público a las

cifras indican que de cada 10 llantas que cumplen su vida útil tres terminan en andenes,

separadores, parques, humedales e incluso frente a las casas. Elmer Cardozo, director del

programa de pos-consumo de llantas Rueda Verde, formuló la siguiente hipótesis: Hay

depósitos que surgen como iniciativas de reciclaje, pero que luego no logran las condiciones

de mercado necesarias y, con el tiempo, terminan viéndose obligados a deshacerse de las

llantas. Para lo cual recurren a la forma más fácil y barata: arrojarlas en cualquier esquina

[1].

El uso de métodos convencionales tales como la quema y enterrar bajo tierra los

residuos de llantas, liberan una gran cantidad de dióxido de carbono y otras sustancias

tóxicas que causan cambio climático y graves contaminaciones [2].

Luis Jorge Hernández, médico epidemiólogo y docente universitario, advierte que la

incineración de las llantas accidental o provocada produce sustancias tóxicas que incluso

pueden llegar a ser cancerígenas. Las sustancias de combustión, que son las dioxinas y

los furanos, pueden ser inhaladas o ingresar al cuerpo a través de la piel, con efectos como

la irritación de los ojos y las enfermedades bronco-respiratorias, dice el especialista. Para

completar, el agua que se acumula en el interior de estas llantas abandonadas facilita la

proliferación de moscos, zancudos y hasta ratas, todos transmisores de enfermedades

gastrointestinales y otras que afectan la piel [1]; mostrando de esta manera que la población

es la más vulnerable frente a esta problemática ecológica.

Las ferritas son uno de los materiales magnéticos más útiles que encuentran una amplia

gama de aplicaciones tecnológicas, entre las cuales se puede nombrar núcleos de

transformadores, memorias magnéticas, aisladores, filtros de ruido, etc.

2

Recientemente, gran cantidad de investigaciones han tenido como objetivo el diseño y

fabricación de materiales compuestos para el blindaje de la interferencia electromagnética

(EMI) utilizando materiales poliméricos como matrices reforzadas con diferentes tipos de

cargas de variada naturaleza y morfología: partículas, nanotubos y fibras. La adición de

partículas o refuerzos conductivos en las concentraciones adecuadas dentro de la matriz

aislante polimérica tiene como fin inducir la absorción de la radiación electromagnética

limitando al mismo tiempo la reflexión total que produce en la superficie del material [3].

Por otro lado, los materiales compuestos de caucho de ferrita (RFC) se utilizan cada vez

más como absorbedores de microondas y otros dispositivos. El estudio de la conductividad

eléctrica en estos materiales presenta buenos resultados sobre la movilidad y activación de

cargas en estos materiales bajo un campo [4]. Razón por la cual las materiales RFC no solo

son un mecanismo útil para la reutilización de llantas en desuso, si no también brindan un

gran aporte tecnológico.

El desarrollo acelerado de sistemas eléctricos y electrónicos empleados en la industria, las

comunicaciones, la aviación, la computación, la medicina, sistemas de defensa militar, etc.,

ha traído consigo especial atención sobre materiales compuestos que combinan la

flexibilidad, el bajo peso, las buenas propiedades mecánicas y la facilidad de moldeo de los

polímeros junto con las propiedades magnéticas y eléctricas de materiales de refuerzo a

base de carbono y/o ferritas.

Para la fabricación de compuestos de matriz polimérica reforzados con partículas, fibras o

láminas, diferentes tipos de materiales han sido combinados como matrices: se han

empleado cauchos sintéticos o naturales y plásticos termoplásticos o termofijos. Como

materiales de refuerzo se utilizan comúnmente compuestos a base de carbón como: el

negro de carbón (CB), las fibras de carbono (CNF) o los nanotubos de carbono (CNTs) y

las láminas de grafeno (GS). También se pueden emplear partículas de ferritas blandas

como las ferritas de níquel, níquel zinc, ferrita de manganeso zinc y magnetita, ferritas duras

como la ferrita de bario, de estroncio o de cobalto. Igualmente, es posible encontrar

materiales de matrices poliméricas reforzadas con una combinación de los diferentes tipos

de refuerzo mencionados [5].

3

Objetivos

1.1 Objetivo general

Producir y caracterizar (mecánicamente, magnéticamente y estructuralmente),

Un material compuesto con matriz de resina pre acelerada reforzada con magnetita

y ripio de llanta.

1.2. Objetivos específicos

1. Obtener muestras de un material compuesto a base de ripio de llanta y magnetita,

a partir de diferentes proporciones de magnetita.

2. Determinar las características estructurales por difracción de rayos X.

3. Estudiar la respuesta eléctrica de las muestras del material compuesto.

4. Estudiar la respuesta magnética de las muestras mediante medidas de

magnetización en función de un campo magnético aplicado a temperatura ambiente.

5. Determinar las propiedades mecánicas en las muestras del material compuesto.

4

2. Marco Teórico

2.1. Llantas

Un neumático es básicamente un elemento que permite a un vehículo desplazarse

en forma suave a través de superficies lisas. Consiste en una cubierta

principalmente de caucho que contiene aire el cual soporta al vehículo y su carga.

Su invención se debe al norteamericano Charles Goodyear quién descubrió,

accidentalmente en 1880, el proceso de vulcanización, con el que se da al caucho

la resistencia y solidez necesaria para fabricarlo [6].

2.1.2. Partes de las llantas

Según el fabricante de llantas Bridgtestone las llantas están compuestas por

diferentes elementos como: Banda de rodamiento, Paredes (costados), Hombro,

Talones, Telas de cuerpo (carcasa), Telas estabilizadoras (cinturones

estabilizadores), Relleno del talón (Chafer). Las cuales se pueden observar en la

figura 1.

Banda de rodamiento

Es el componente de la llanta más resistente al desgaste por estar en contacto con

el camino. La goma (caucho) de la banda de rodamiento está compuesta de una

mezcla de SBR (Estireno butadieno) extendido en aceite y elastómeros de

polibutadieno (en neumáticos de gran tamaño también se usa caucho natural) que

tiene que ser formulada con adición de negro de humo, aceites, agentes

vulcanizantes, y otros compuestos químicos y pigmentos. La composición de la

goma (caucho) [7].

Paredes (costados)

Son las porciones del contorno de la llanta entre los talones y la banda de

rodamiento que tienen las funciones primarias de soporte y control en el manejo. El

termino pared también es utilizado para referirse al caucho que cubre a la carcasa

y protege de daños por los bordes del camino. El caucho de la pared es un

compuesto de alta flexibilidad y resistente al clima.

5

Hombro

Es la porción superior de la pared justo bajo el borde de la banda de rodamiento. El

diseño de los hombros afecta la generación de calor en la llanta y las características

de control direccional.

Talones

Están compuestos por alambres de acero de alta tenacidad conformados en un aro

inextensible. Las funciones del talón son anclar las telas de cuerpo (carcasa) y

retener el ensamble de la llanta con el aro (rin). La forma o contorno del talón se

adapta al borde de la rueda para prevenir que la llanta se deslice y desasiente del

aro.

Telas de cuerpo (carcasa)

Son capas de cuerdas que se extienden de talón a talón y son los miembros

estructurales y de refuerzo de la llanta. Las telas son volteadas hacia arriba

alrededor del talón, por lo que permiten bloquear al taloneen la carcasa de la llanta

[7].

Telas estabilizadoras (cinturones estabilizadores)

Son capas angostas de cuerdas colocadas directamente debajo de la capa de rodadura de

la llanta. Las telas estabilizadoras son de ángulo mayor que el de las telas de la carcasa y

actúan restringiendo el movimiento de estás. Debido a la alta rigidez, las telas

estabilizadoras permiten que la llanta resista deformaciones en el área de contacto de la

banda de rodadura con el camino. Las telas estabilizadoras deben ser diferenciadas de las

telas bajo rodado (cap – ply) que algunas veces se usan en la corona de la llanta. Las telas

bajo rodado (cap – ply) tienen un ángulo algo diferente al de las telas de cuerpo, pero no

las restringen. Innerliner. - Es el sellante. Es una capa delgada de caucho en el interior de

la llanta cuya función es contener el aire comprimido.

Relleno del talón (Chafer)

Son cintas angostas de material colocadas alrededor del exterior del talón para proteger las

telas de cuerpo (carcasa) contra el desgaste o cortes del aro (rin), distribuyen la flexión

sobre el aro y previenen la penetración de humedad y contaminación dentro del neumático

6

Figura 1. Partes de una llanta [7]

Según Carlos Mejía director comercial de RESOL Ltda. las partes de las llantas que

contiene caucho para reciclarlo son: la banda de rodamiento, la capa de rodado, la

base de Rodado, la goma de amarre de estabilizadores, la pared y el talón.

2.1.3. Materiales que componen las llantas

Según Encarnación Cano Serrano, en su estudio Valorización Material y energética

de Neumáticos Fuera de Uso, “las llantas se componen esencialmente de caucho

sintético o natural, negro de carbono, óxido de Zinc, azufre, acero, material textil y

otros aditivos” [7].En la tabla1 se observa las proporciones de sustancias contenidas

en una llanta.

Tabla1 Porcentaje de sustancias presentes en una llanta [7]

Material Porcentaje

Caucho/ elastómero

48

Negro de Carbono 22 Acero 15 Textil 5

Óxido de Zinc 1 Azufre 1

Aditivos 8

7

2.2. Resina poliéster

Estas resinas son líquidas, requieren un catalizador que las transforman en sólidos a

temperatura ambiente, a lo cual se le conoce como polimerización o curado, Además,

después de activadas, ellas también permanecen inalteradas durante algunos minutos (5,

10, 15 o más, dependiendo de las cantidades de catalizador y acelerador y de las

condiciones ambientales), luego pasan por una etapa gelatinosa antes de endurecer. Una

vez ocurrida la gelatinización o gel-time, el curado prosigue con gran desprendimiento de

calor (reacción exotérmica) hasta que la resina presenta, después del enfriamiento, las

características físicas de un sólido rígido que ya no puede ser transformado en líquido.

Los poliésteres insaturados son fabricados disueltos en un monómero insaturado,

generalmente estireno. Estas resinas tienen puntos de instauración en su cadena

molecular. Estos puntos de instauración son dobles enlaces covalentes entre dos átomos

de carbono adyacentes. Estos dobles en laces o instauraciones, pueden ser fácilmente

rotas por la acción de radicales libres provenientes de sustancias catalizadoras apropiadas

[8].

2.2.1. Formulación y procesos de fabricación de resinas poliéster

Las resinas poliéster están formadas por una mezcla homogénea de una cadena polimérica

central, en base a poliéster, que se encuentra disuelta en monómero estireno, el cual

además de ser usado como diluyente de la resina cumple una función estructural dentro del

curado de la resina. Otro componente de la resina es un inhibidor que permite que la resina

no reaccione espontáneamente, es decir no gele antes de agregar los promotores de la

reacción.

La cadena polimérica con base en poliéster es la unidad fundamental de la resina, y

dependiendo de los monómeros que componen dicha cadena, van a ser las características

propias que la resina pueda tener. Dicha cadena está formada por distintos tipos de:

• Glicoles, moléculas que tienen en su estructura dos grupos hidroxilo (OH).

• Ácidos saturados, moléculas que en su estructura tienen grupos carboxilo

(COOH).

• Ácidos insaturados, moléculas que además de un grupo carboxilo tienen en

su estructura instauraciones, las cuales se presentan como uniones dobles

entre carbono y carbono (C=C). Estas uniones dobles son las que luego se van

a unir con el monómero de estireno para producir la solidificación de la resina [8].

8

2.3. Polímeros

Los polímeros son grandes moléculas que están formadas por la unión de muchas unidades

repetitivas(monómeros). Frecuentemente, los polímeros involucran uniones covalentes

entre los átomos (generalmente) de carbono que constituyen la columna vertebral de la

cadena polimérica, la palabra polímero se deriva del griego poli = muchos y meros =

parte.

El término polímero incluye a los polímeros naturales y a los sintéticos, los polímeros

sintéticos pueden ser tanto orgánicos como inorgánicos; mientras que los naturales son

comúnmente llamados biopolímeros [9].

Los polímeros se dividen en plásticos y cauchos (hules), los materiales plásticos se

categorizan como termoplásticos (TP) y termoestables (TS). Los primeros son sólidos a

temperatura ambiente, pero si se les calienta a temperaturas de apenas unos cuantos

cientos de grados, se vuelven líquidos viscosos. Esta característica permite que adopten

formas de productos de modo fácil y económico. Se pueden sujetar repetidas veces al ciclo

de calentamiento y enfriamiento sin que el polímero se degrade en forma significativa. Por

otro lado, los polímeros termofijos, o termofijos (termoestables) no toleran ciclos repetidos

de calentamiento. Cuando se calientan de inicio, se suavizan y fluyen de modo que se

pueden moldear, pero las temperaturas elevadas también producen una reacción química

que endurece el material y lo convierte en un sólido que no se puede fundir. Si se le vuelve

a calentar, los polímeros termofijos o termoestables se degradan y carbonizan, en vez de

suavizarse.

Los cauchos o también llamados elastómeros (E) se tratan de polímeros que presentan

alargamiento elástico extremo si se le sujeta a un esfuerzo mecánico relativamente débil.

Algunos elastómeros son capaces de estirarse en un factor de 10 y aun así recuperar su

forma original por completo. Aunque sus propiedades son muy distintas de las de los

termofijos, tienen una estructura molecular similar a la de éstos, pero diferente de la de los

termoplásticos [10].

2.3.1. Polímeros cristalinos

La cristalinidad polimérica puede considerarse como el empaquetamiento de cadenas

moleculares para producir una disposición atómica ordenada [11].

El estado cristalino es un estado bifásico en el cual coexisten la fase cristalina junto con la

amorfa, la fase cristalina está constituida por zonas ordenadas que se encuentran inmersas

9

en una matriz formada por polímero amorfo. Esto se muestra esquemáticamente en la

Figura 2, la relación entre estas dos fases es lo que se conoce como cristalinidad [12].

Los polímeros cristalinos poseen una estructura química y estereoquímicamente regular.

su grado de cristalinidad vendrá dado por la constitución de la cadena y cualquier defecto

que reduzca la regularidad constitucional de la misma afecta negativamente esta propiedad.

La cristalinidad disminuye en polímeros de menor peso molecular debido al efecto que

ejercen los terminales de cadena [12].

2.3.2. Cristales poliméricos

Las macromoléculas de los polímeros cristalinos a alta temperatura (estado líquido) tienen

alta movilidad y se encuentran en un estado muy desordenado y entrelazado, existiendo

una gran proporción de volumen libre entre las cadenas. Al enfriar el polímero hasta su

temperatura de fusión (𝑇𝑓) y comenzar la cristalización, sus macromoléculas comenzarán

a reordenarse en una estructura regular y las cadenas llegan a alinearse localmente y

empaquetarse en formaciones cristalinas regulares, alrededor de núcleos de cristalización

estas regiones cristalinas se denominan cristalitas y están separadas unas de otras por

regiones amorfas, ya que entre los núcleos cristalinos en crecimiento siempre quedarán

atrapados segmentos de cadenas desordenadas. Las estructuras cristalinas son

asimilables a celdas unitarias a menudo muy complejas.

El proceso anterior es bastante lento, mucho más que la cristalización de un metal, pues el

movimiento de las largas cadenas del polímero es mucho más difícil que el correspondiente

a los átomos aislados de aquel.

Figura 2.Modelo esquemático del estado cristalino [12]

10

Las regiones cristalinas de los polímeros poseen defectos muy similares a los existentes en

otros sólidos cristalinos (metales y cerámicos). Existen defectos puntuales (lugares

vacantes, extremos de cadenas), dislocaciones y también defectos superficiales [11].

2.4. Magnetita

La magnetita es una ferrita blanda comúnmente encontrada en la naturaleza y de fácil

obtención en el laboratorio, que cuenta con propiedades ferrimagnéticas y con aceptables

valores de conductividad eléctrica generadas por su estructura de espinela inversa, donde

el catión divalente 𝐹𝑒2+ se encuentra en los sitios octaédricos, mientras el catión trivalente

𝐹𝑒+3 se halla en los sitios tetraédricos y octaédricos. El salto constante de electrones entre

los iones 𝐹𝑒2+ y 𝐹𝑒+3 que se encuentran en los sitios octaédricos imparten algunas

propiedades metálicas a la magnetita aun a temperatura ambiente [5].

La celda unitaria de la magnetita se puede observar en la figura 4.

Figura 3.Celda unitaria de la magnetita [13]

2.4.1. Propiedades eléctricas

La configuración electrónica del Fe+3 es 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d5 mientras que la del Fe+2 es

1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 3d6. Para los óxidos de hierro son precisamente los electrones del Fe de

la capa 3d los que determinan sus propiedades electrónicas, magnéticas e inclusive

algunas espectroscópicas, de ahí que los orbitales con estos electrones tengan un mayor

interés [13].

Hay 5 orbitales d disponibles cada uno con una orientación espacial diferente. En un átomo

aislado estos 5 orbitales están degenerados, por ejemplo, sus energías son iguales. En el

nivel más bajo de energía el Fe3+ tiene 5 electrones d desapareados, y el Fe2+ tiene 2

11

electrones apareados y 4 desapareados. La estructura espinela inversa de la magnetita

resulta del hecho de que el CFSE (crystal field stabilitation energy) del Fe2+ es mayor para

la coordinación octaédrica que para la tetraédrica, así que el Fe2+ ocupa preferentemente

los lugares octaédricos. Para el Fe3+ el CFSE es cero tanto para la coordinación octaédrica

como para la tetraédrica, de forma que este ión no tiene preferencia alguna por el tipo de

coordinación. la magnetita muestra casi todas las propiedades metálicas. Ahora, para que

un compuesto sea semiconductor la característica principal es que la separación entre la

banda de valencia de los orbitales y la banda de conducción sea menor de 5 eV y esta

condición la presenta los óxidos como la magnetita [13].

A temperaturas por encima de TV~120 K (llamada temperatura de Verwey) los

electrones en los sitios octaédricos se encuentran térmicamente deslocalizados

entre los iones Fe3+ y Fe2+ (fenómeno conocido como electron hopping), lo que da

lugar a la alta conductividad eléctrica y térmica de la magnetita en comparación con

otras ferritas.

(TVerwey = 120K ~ 153C) < T < (859K ~ 586C) [13].

Lo anterior ocasiona la mayor conductividad eléctrica y térmica en comparación con

otros óxidos de características similares. Debido a este hecho la magnetita es la

única ferrita que presenta comportamiento semimetálico [14].

Las propiedades de la magnetita son únicas porque es un óxido con una muy alta

saturación de magnetización (92-100 emu/g), además cuenta con una temperatura

de curie 859K a partir del cual pasa hacer paramagnético y una resistividad

volumétrica baja (1.068 × 10−2Ω𝑐𝑚) [5].

2.5. Propiedades de los materiales.

• Los materiales se pueden clasificar según Aljure [15] por sus propiedades:

• Propiedades eléctricas.

• Propiedades magnéticas.

• Propiedades térmicas.

• Propiedades ópticas.

• Propiedades mecánicas.

12

2.5.1 Propiedades eléctricas

La forma como responde un material a la aplicación de fuerzas y campos eléctricos depende

de cómo se hallan dispuestos sus átomos, sus enlaces y especialmente como pueden

moverse sus electrones. Entre los materiales se destacan cuatro propiedades eléctricas: la

conductividad, la superconductividad, la polarización y la piezoelectricidad [15].

Figura 4. Materiales conductores, semiconductores y aislantes [15].

2.5.1.1. Materiales conductores

Los materiales conductores, son aquellos cuya estructura electrónica les permite conducir

la corriente eléctrica a bajas temperaturas o a temperatura ambiente. Su resistividad al paso

de la corriente eléctrica es muy baja. De acuerdo con la teoría de bandas, son aquellos

materiales cuyas bandas de valencia y de conducción, se encuentran muy próximas entre

sí, a tal punto que en algunos casos estas bandas se encuentran superpuestas (ver figura

4). Los electrones de valencia en un átomo son los que se encuentran en el nivel energético

más externo y ellos permiten los enlaces entre los átomos de los compuestos o entre los

átomos del mismo tipo en una molécula o en un cristal. Por otra parte, los electrones de

conducción son los que se han movido a niveles energéticos vacíos, lo que da lugar a su

mayor movilidad y eventualmente da origen a las corrientes eléctricas

2.5.1.2. Aislantes o dieléctricos

Los materiales aislantes se caracterizan por tener una resistencia tan alta, que no es posible

la conducción eléctrica a través de ellos. Generalmente en este tipo de materiales los

electrones están fuertemente ligados al núcleo y por lo tanto son incapaces de trasladarse

13

por el interior del átomo, es decir no existen electrones de conducción. El “gap”de energía

entre la banda de valencia y la banda de conducción es muy grande aproximadamente de

10 eV (ver figura 4.c) [15].

2.5.1.3. Semiconductores

Un semiconductor es un elemento que, de acuerdo a determinados factores, actúa como

aislante o conductor. Estos semiconductores pueden ser clasificados como intrínsecos o

extrínsecos.

Los semiconductores intrínsecos o puros son cristales que, a través de enlaces covalentes

entre los átomos, desarrollan una estructura de tipo tetraédrico. A temperatura ambiente,

estos cristales tienen electrones que absorben la energía que necesitan para pasar a la

banda de conducción, quedando un hueco de electrón en la banda de valencia. Los

semiconductores extrínsecos son aquellos a los que les agregan impurezas para lograr su

dopaje, lo conlleva a modificar las propiedades eléctricas del semiconductor. En este tipo

de materiales la diferencia de energía entre la banda de valencia y la banda de conducción

no es muy grande, alrededor de 1 eV y los electrones pueden pasar a esta última al recibir

la energía suficiente (ver figura 4.b) [15].

2.5.2. Propiedades magnéticas

Los principales parámetros utilizados para caracterizar las propiedades magnéticas de los

sólidos son la susceptibilidad magnética,(𝜒), la permeabilidad (μ) y el momento

magnético(𝑚).

Cuando una sustancia se sitúa dentro de un campo magnético de fuerza H (unidades

Teslas), la intensidad de magnetización 𝑀 muestra por unidad de volumen [Am-1]se

relaciona con 𝐻 a través de la susceptibilidad magnética 𝜒 de la sustancia

𝜒 =𝑀

𝐻 (1)

Donde 𝜒 es un factor adimensional que depende del material.

Este ayuda a clasificar los materiales así:

• Si 𝜒 > 0 en cuyo caso 𝑀 está en la misma dirección que 𝐻, la muestra es

paramagnética.

• Si 𝜒 < 0 en cuyo caso 𝑀 está opuesto a 𝐻, la muestra es diamagnética.

14

Para sustancias ferromagnéticas no se cumple la función lineal entre M y H [13], [15].

La densidad de flujo magnético en un sólido situado en un campo magnético H se denomina

inducción magnética (B), definida según la siguiente relación:

𝐵 = 𝜇0(𝐻 + 𝑀) (2)

Donde,𝜇0 es la permeabilidad en el vacío que tiene un valor de 4 x 10-7 Wb/A.m. La

permeabilidad magnética μ, es La tendencia de las líneas magnéticas de fuerza a pasar a

través de un medio en relación con la tendencia a pasar a través del vacío.

La permeabilidad magnética es la relación entre la inducción magnética y la intensidad del

campo magnético, que puede interpretarse como la capacidad de una sustancia de

magnetizarse:

𝜇 =𝐵

𝐻 (3)

Otra forma de expresa la permeabilidad magnética es

𝜇 = 𝜇0(1 + 𝜒) (4)

Es costumbre usar la relación entre permeabilidad de un medio con la del vacío a la que

se le denomina permeabilidad relativa (𝜇𝑟) el cual es adimensional [13], [16], [15]:

𝜇𝑟 =𝜇

𝜇0 (5)

2.5.2.1. Clasificación de los materiales magnéticos

Los materiales se clasifican de acuerdo a la respuesta que presentan en presencia de un

campo magnético externo de acuerdo a lo anterior mente dicho los materiales magnéticos

los podemos clasificar como:

2.5.2.2. Diamagnetismo

Se presenta en sistemas que contienen todos sus electrones apareados y los sistemas

atómicos o iónicos que contengan los orbitales llenos, por tanto, los espines de los

electrones del último nivel se encontrarán apareados. Como resultado el momento

magnético de los espines es prácticamente nulo.

Los dipolos en presencia de un campo magnético externo son alineados en dirección

contraria al campo como se observa en la figura 5b [15].

15

Figura 5. Esquema de los dipolos magnéticos en un material diamagnético. a) en ausencia de campo magnético. b) En presencia de campo magnético B0. Los dipolos se alinean en sentido contrario al campo magnético aplicado. [15]

2.5.2.3 Paramagnetismo

El paramagnetismo aparece sólo cuando se aplica un campo magnético externo. En

ausencia de un campo magnético externo, los dipolos magnéticos que componen el

material están orientados al azar (figura 6a), pero cuando se aplica un campo magnético al

material, dichos dipolos tienden a alinearse en la dirección del campo magnético (figura 6b)

debido a la orientación de los dipolos el material posee una susceptibilidad magnética

(débil) positiva del orden de 10−15 a 10−3 y permeabilidad mayor que 1.Esta alineación se

ve afectada por la temperatura, de forma que si se calienta el material, la agitación térmica

se opone al efecto del campo magnético, es decir, los momentos magnéticos tienden a

desorientarse nuevamente. El proceso es reversible, ya que, si se elimina el campo externo

aplicado, el efecto del paramagnetismo desaparece.

La suma del campo externo y el campo originado por la orientación de los momentos

magnéticos genera un campo B resultante [15].

16

Figura 6. a) Momentos magnéticos al azar sin presencia del campo externo B0. b) Momentos magnéticos al azar alineados en presencia de un campo externo B0. [15]

2.5.2.4. Ferromagnetismo

Los materiales ferromagnéticos, muestran una fuerza de atracción hacia el campo

magnético externo aplicado. Se diferencia del paramagnetismo, ya que estos conservan

una magnetización llamada remanente cuando se retira el campo magnético externo [15].

2.5.3. Propiedades mecánicas de los materiales

las propiedades mecánicas de un material determinan su comportamiento cuando se le

sujeta a esfuerzos mecánicos. Estas propiedades incluyen el módulo de elasticidad,

ductilidad, dureza y distintas medidas de la resistencia [10].

2.5.3.1 Propiedades ante la tensión

La prueba de tensión es el procedimiento más común para estudiar la relación esfuerzo-

deformación, en particular para los metales. Durante la prueba, se aplica una fuerza que

tira del material y tiende a estirarlo y reducir su diámetro, como se ilustra en la figura 7a).

Los estándares de la ASTM (American Society for Testing and Materials) especifican el

modo de preparación del espécimen de prueba y de la realización de la prueba misma. En

la figura 7 b) y 7c) se ilustran el espécimen común y la preparación general de la prueba,

respectivamente. El ejemplar con que se inicia la prueba tiene una longitud original Lo y un

área Ao. La longitud se mide como la distancia entre las marcas de medición, y el área

como la sección transversal (circular, por lo general) del espécimen. Durante la prueba, el

ejemplar se estira, luego le aparece un estrangulamiento y por último se fractura, como se

17

muestra en la figura 8. La carga y el cambio de longitud del espécimen se registran

conforme la prueba se efectúa a fin de obtener los datos que se requieren para determinar

la relación esfuerzo-deformación [10].

Figura 7. Prueba de tensión a) la fuerza de tensión que se aplica en 1) y 2) da como resultado el estiramiento del material; b) espécimen de prueba común; y c) disposición de la prueba de tensión. Fuente: [10]

Figura 8.Desarrollo común de una prueba de tensión:1) inicio de la prueba, sin carga; 2) estiramiento uniforme y reducción del área de la sección del transversal; 3) continuación del estiramiento, se alcanza la carga máxima;4) formación de un estrangulamiento la carga máxima;4) formación de un estrangulamiento la carga comienza a disminuir; y 5) fractura. Si los elementos se unen como se ilustra en 6), es posible medir la longitud final. Fuente: [10].

18

Las curvas de esfuerzo-deformación las podemos dividir así:

• curva de esfuerzo-deformación de ingeniería.

• la de esfuerzo-deformación verdadera.

Cada uno de estos estilos de gráficas presentan una importancia diferente: La primera es

importante para el diseño, y la segunda lo es para la manufactura.

Un ejemplo de la gráfica esfuerzo-deformación de ingeniería la podemos observar en la

figura 9. El esfuerzo de ingeniería en cualquier punto de la curva se define como la fuerza

dividida entre el área original:

𝜎𝑒 =𝐹

𝐴0 (6)

𝜎𝑒 = esfuerzo de ingeniería, MPa (N/𝑚

2).

F = fuerza aplicada durante la prueba (N).

𝐴0= área original del espécimen de prueba, mm2 [10].

Figura 9. Gráfica normal del esfuerzo-deformación de ingeniería durante una prueba de tensión de un metal. [10]

19

La deformación de ingeniería en cualquier punto de la prueba está dada por

𝑒 =𝐿−𝐿0

𝐿0 (7)

Donde:

𝑒 =Deformación de ingeniería en 𝑚𝑚 𝑚𝑚 ⁄ .

L=Longitud en cualquier punto durante el estiramiento en 𝑚𝑚.

𝐿0= Longitud de medición original en 𝑚𝑚.

De la gráfica de la figura 9 podemos observar dos tipos de regiones las cuales indican dos

comportamientos:1) elástico y 2) plástico. En la primera de ellas se presenta una relación

lineal entre esfuerzo y deformación, debido a que regresa a su longitud original si la carga

(esfuerzo) se interrumpe. Dicha relación está dada por la ley de Hooke como sigue

𝜎𝑒 = 𝐸𝑒 (8)

E= módulo de elasticidad en MPA (N/𝑚2).

En la figura 9 podemos ver un punto de notado con Y en el eje vertical. Este punto indica el

límite de deformación, donde la pendiente al final de la región lineal presenta un cambio de

0,2%, llevando así a una transición a la región plástica, hasta que la fuerza aplicada llega a

un valor máximo, llamado resistencia a la tensión (TS). A partir de este punto la muestra

presenta una elongación denominada estrangulamiento, el cual con lleva a una fractura o

falla del material [10].

Ductilidad: es la cantidad de deformación que puede soportar un material antes que se

presente la fractura, y esta defina como.

𝐸𝐿 =𝑙𝑓−𝐿0

𝐿0 (9)

𝐸𝐿= Elongación.

𝑙𝑓= Longitud de la muestra en el momento de la fractura.

𝐿0 = Longitud inicial de la muestra.

20

3. Desarrollo experimental

3.1. Designación de los especímenes.

Para la elaboración del compuesto se emplea una resina. Esta resina polimeriza o cura a

temperatura ambiente, ofreciendo así un método más sencillo para la fabricación de las

muestras. Como relleno se utiliza caucho pulverizado y magnetita en polvo, siendo la

magnetita el único precursor que varía durante la fabricación de cada uno de los

especímenes. En la tabla 2 se observa la cantidad en porcentaje en volumen de cada uno

de los precursores. Como la matriz polimérica está constituida de resina epoxi, hay que

tener en cuenta el porcentaje de volumen de relleno que posee dicha matriz dado que López

[17] afirma que:

Como regla general conviene mantener lo más bajo posible el contenido de carga. Si hay

que utilizar carga finamente dividida, no debe incluirse carga de minerales en mayor

proporción en 25% en peso de resina. Para superficies decoradas pueden usarse mayores

cantidades de agregados minerales bastos siempre que el ph del agregado sea mayor de

8,5. Por lo anteriormente dicho los porcentajes utilizados para las muestras se pueden

observar en la tabla 2.

Tabla 2 Designación de las muestras y distribución en porcentajes en volumen.

Muestra % Vol 𝑭𝒆𝟑𝑶𝟒

% Vol caucho pulverizado

% vol resina % vol de carga en

resina

Comp 1 0 34 66 34

Comp 2 3,3 33 64 36,1

Comp 3 5,3 32,6 62,5 37,5

Comp 4 7,8 31,3 61 39,1

Comp 5 10,1 30,5 59,4 40,6

El término carga hace referencia a la mezcla entre caucho pulverizado y magnetita en polvo. Las densidades utilizadas para determinar el porcentaje de volumen son: caucho

pulverizado 0,54𝑔

𝑐𝑚3⁄, resina epoxi,

1,11𝑔𝑐𝑚3

⁄ , magnetita 5,2𝑔

𝑐𝑚3⁄, estos valores fueron

suministrados por Gestión y reciclaje integral de neumáticos (grin) y ficha técnica de resina epoxi.

21

3.2. Elaboración de las muestras

En la elaboración de las muestras se utilizan 3 tipos de moldes con diferentes geometrías,

los cuales son elaborados en función del tipo de prueba que se vaya a realizar a los

especímenes, el primer molde tiene unas dimensiones de espesor 3 mm y radio de 2.35

cm, como se observa en la figura 10. Mientras que el segundo molde tienen unas

dimensiones de 93mm x93mm con un espesor de 2mm tal como se ve en la figura 11 y el

tercer molde es en forma de hueso el cual posee unas dismensiones como indica el metodo

de prueba estandar para pruebas a comprensión de plásticos rígidos, regido bajo la norma

D695 − 10 (ver figura 12).

Figura 10. Molde número 1 con forma circular.

Figura 11. Molde 2 con forma cuadrada con alcohol polimérico en proceso de secado.

.

Los moldes deben tener una preparación antes de depositar sobre ellos los compuestos.

Dicha preparación consta de limpiar adecuadamente los moldes y esparcir una cantidad

Figura 12. Molde 3 en forma de hueso con 3 mm de espesor.

22

adecuada de alcohol polimérico sobre cada molde y dejar secar entre 5 a 15 minutos al aire

libre, lo cual permite desmoldar las muestras. Teniendo previamente preparados los moldes

se inicia con la elaboración del compuesto. Para este fin se debe seguir los siguientes

pasos: primero se debe pesar y mezclar el caucho pulverizado y la magnetita en polvo

respetando los porcentajes de volumen indicados en la tabla 2, seguido de ello se toma una

cierta cantidad de resina (ver tabla 2) sobre la cual se esparce un catalizador, este

catalizador inicia una reacción química necesaria para la fabricación de las muestras. La

cantidad de catalizador recomendada por el proveedor depende de la temperatura

ambiente. Para días calurosos 1% de catalizador y para días fríos 2 %, la mezcla entre

catalizador y resina se deben revolver aproximadamente por 3 minutos empezando desde

las paredes del recipiente. No se recomienda superar este tiempo debido a que la mezcla

resina catalizador empieza el proceso de solidificación a los 5 minutos. Finalmente, sobre

una lámina de vidrio se dispersa la mezcla de caucho - magnetita y sobre esta mezcla se

vierte la resina con catalizador que junto con una espátula se mezcla hasta obtener un

compuesto con una textura en forma de gel.

A continuación, se lleva el compuesto en forma gelatinosa (gel-time) al molde previamente

preparado, el cual reposa sobre una cama compuesta entre acetato en la parte superior y

aluminio en la parte inferior esto con el fin de obtener un buen proceso de polimerización y

un molde separable, lo cual ayuda en el momento de separar el molde de la muestra, como

se observa en la figura 13.

Figura 13. Muestras depositadas sobre los moldes reposando en la cama a base de aluminio y acetato.

Avanzando en el proceso de fabricación de las muestras, se inicia una etapa importante

que es la etapa de curado. En esta etapa, el tiempo de curado depende de los componentes

presentes como relleno en la resina. Para este caso el proceso de curado en los moldes

tardó aproximadamente dos semanas y el poscurado una semana. Todo se realizó en un

23

espacio a temperatura ambiente donde las muestras estaban bajo la sombra y en un lugar

libre de humedad, esto con el fin de no alterar el proceso de polimerización, ya que los

mejores resultados se obtienen dejando que el objeto moldeado se estabilice a la

temperatura del cuarto de trabajo [17].

4. Técnicas experimentales

4.1. Difracción de rayos X (DRX)

Los rayos X son una forma de radiación electromagnética de elevada energía y pequeña

longitud de onda, del orden de los espacios interatómicos de los sólidos. La técnica de

difracción de rayos X es una técnica no destructiva, en la cual por medio de un haz

monocromático de rayos X podemos estudiar propiedades de un material, tales como el

grado de cristalinidad, la textura, constantes de red, o fases cristalinas, realizando un

barrido de ángulos (θ) de incidencia del haz [18]

4.1.1. Ley de Bragg.

Esta ley se da solo cuando la interferencia es constructiva, es decir la diferencia de fase

entre la radiación emitida por los diferentes átomos es proporcional a 2𝜋.

Figura 14. Diagrama de la ley de Bragg. [19]

Ahora suponiendo que la difracción es una reflexión de los rayos X originada por un espejo

imaginario, formado por los planos de los átomos de una red cristalina cuando inciden los

rayos X y pasan por los centros dispersores. Debido a la naturaleza periódica del material

los planos se encuentran separados por una distancia dhkl. Cuando los dos haces de los

24

rayos X de longitud de onda 𝜆 inciden en una fase sobre los planos imaginarios con un

ángulo de incidencia 𝜃 y se forma un frente de ondas (primera línea verde de la izquierda

de la figura 14) al emerger estos frentes de onda lo harán en fase y esto producirá la ley de

Bragg. Estar en fase significa geométricamente que la diferencia de camino recorridos por

los frentes de onda OA y OB es un número entero de veces la longitud de onda, es decir

𝐴𝐵 + 𝐵𝐶 = 𝑛𝜆 (10)

Como 𝐴𝐵 = 𝐵𝐶 𝑦 𝐵𝐶 = 𝑑𝑠𝑒𝑛𝜃, la ecuación 10 se puede reescribir como

2𝑑ℎ𝑘𝑙𝑠𝑒𝑛𝜃ℎ𝑘𝑙 = 𝑛𝜆 (11)

Donde 𝜆 es la longitud de onda de la radiación incidente, 𝑑ℎ𝑘𝑙 es la separación de los planos

atómicos y ℎ𝑘𝑙 son los índices de Miller, con los cuales se puede establecer la magnitud de

la distancia entre los planos. El parámetro de red de la estructura cristalina se puede

calcular a través de la expresión

𝑎 = √ℎ2 + 𝑘2 + 𝑙2 (12)

En los cristales los ángulos de dispersión 𝜃ℎ𝑘𝑙 contienen la información del ordenamiento

de los átomos y la intensidad da cuenta de la ubicación de los electrones dentro del

ordenamiento atómico [15].

4.1.2. Refinamiento Rietveld

El método Rietveld es una técnica de refinamiento de estructuras cristalinas. El cual,

consiste en ajustar un modelo teórico a un patrón experimental de difracción de rayos X

utilizando el método de mínimos cuadrados hasta obtener el mejor ajuste entre ellos. Este

patrón de difracción teórico se basa en un modelo que incluye aspectos estructurales como

el grupo espacial, parámetros de red, posiciones atómicas, entre otros [20].

Además, al llevar a cabo un refinamiento Rietveld se debe tener en cuenta la difracción

causada por el instrumento con el cual se determinó el patrón de rayos X. La función que

se minimiza por mínimos cuadrados es denominada como función residuo, y se define como

𝑆𝑦 y se calcula de acuerdo con la ecuación 13.

𝑆𝑦 = ∑ 𝑊𝑖(𝑦𝑖(𝑜𝑏𝑠) − 𝑦𝑖(𝑐𝑎𝑙𝑐))2

𝑖 (13)

Donde 𝑦𝑖(𝑜𝑏𝑠) y 𝑦𝑖(𝑐𝑎𝑙𝑐) corresponden respectivamente a las intensidades experimentales y

teóricas calculadas en un punto 𝑖 del patrón de difracción 𝑊𝑖 es el peso pertinente a las

intensidades, mientras que la sumatoria es sobre todos los puntos del patrón de difracción.

25

Es preciso obtener valores óptimos de todos los parámetros de tal forma que 𝑆𝑦 adopte el

valor mínimo posible.

Los criterios de ajuste más usados son:

El residuo del patrón pesado (𝑅𝑤𝑝). Criterio que muestra el progreso del refinamiento ya

que el numerador contiene la función residuo que está siendo minimizada durante el

refinamiento Rietveld. Se calcula mediante la siguiente ecuación:

Rwp =∑ Wi(yi(obs)−yi(calc))

2

∑ Wi(yi(obs))2

(14)

Donde,

𝑦𝑖(𝑜𝑏𝑠): intensidad observada en el paso 𝑖.

𝑦𝑖(𝑐𝑎𝑙𝑐): intensidad calculada en el punto 𝑖.

Wi: es el peso asignado [20].

El valor esperado 𝑅𝑒𝑥𝑝 es el criterio que refleja la calidad de los datos obtenidos en la

medición del patrón de difracción, cuya fórmula es:

𝑅𝑤𝑝 = [𝑁−𝑃

∑ 𝑊𝑖𝑦𝑖(𝑜𝑏𝑠)2]

12⁄

(15)

Dónde,

N: número de datos observados.

P: número de parámetros a refinar.

𝑊𝑖: peso asignado.

𝑦𝑖(𝑜𝑏𝑠): intensidad observada en el paso i [20].

4.1.3. Especificaciones del equipo utilizado

La difracción de rayos X es una técnica ampliamente usada en caracterización estructural

de materiales. Los usos más comunes son la identificación de estructura cristalina,

composición e identificación de fases de un material. Para este fin se utilizó el equipo de

difracción de rayos X de marca X-Pert PRO MPD de panalytical. Dicho dispositivo cuenta

con tubos de generación de rayos X con ánodos de Cu (cobre), dispuestos en la geometría

Bragg Brentano, en un rango de recorrido desde10°a 10°. El análisis de patrones de

difracción se realizó mediante el software X´Pert Highscore plus de panalytical B. V [20].

Para la identificación de las fases presentes en el material se utilizó la base de datos

COD_2013 incorporada al programa.

26

4.2. Microscopía Electrónica de Barrido (SEM)

Está técnica consiste en hacer incidir un barrido de haz de electrones sobre una muestra

que previamente ha sido preparada por la técnica llamada sputtering o por otras técnicas.

Si la muestra no es conductora, se debe hacer una adaptación a la misma a través de un

recubrimiento con una capa muy fina de oro o carbón.

4.2.1. Funcionamiento del Microscopio Electrónico de Barrido (SEM)

El funcionamiento del equipo de microscopia electrónica de barrido se fundamenta en el

postulado de De Broglie (dualidad onda partícula), debido a que los electrones en

movimiento presentan una onda asociada con una longitud de onda de varios ordenes de

magnitud menos que la longitud de onda de la luz visible.

Al hacer incidir un haz de electrones, muy intenso y estable sobre la superficie de la muestra

se producen diversos efectos que serán captados y visualizados en función del equipo.

Electrones retrodispersados, electrones dispersados y rayos X.

Los electrones secundarios se producen cuando un electrón del haz pasa muy cerca del

núcleo de un átomo de la muestra, proporcionando la suficiente energía a uno o varios de

los electrones interiores para saltar fuera de la muestra, estos electrones son de baja

energía (por debajo de 5eV), que resultan de la emisión por parte de los átomos

constituyentes de la muestra, por lo que deben encontrarse muy cerca de la superficie para

poder escapar.

De estos electrones se obtiene información topográfica de la muestra, mediante la cual es

posible obtener una imagen de apariencia tridimensional del material que ha sido expuesto

al haz de electrones.

Los electrones retrodispersados se producen cuando un electrón del haz interactúa de

manera directa con el núcleo de un átomo de la muestra, la intensidad de dicho efecto varia

proporcionalmente con el numero atómico de la muestra, pues los átomos más pesados

producen mayor cantidad de electrones retrodispersados, por esta razón se utilizan para

obtener un mapa con información sobre la composición superficial de la muestra y las

imágenes obtenidas revelan diferencias en la composición del material a través de

diferencias de contraste [20].

27


La morfología de cada uno de los precursores (magnetita, resina y ripio de llanta) como de

las muestras a diferentes porcentajes en volumen de magnetita, se caracterizaron por

microscopía electrónica de barrido (SEM) usando un Microscopio de Barrido 𝑉𝑒𝑔𝑎 3 𝑆𝐵 (ver

figura15) perteneciente a la Universidad Nacional de Colombia sede Bogotá que es

controlado por Pc con un filamento caliente de tusteno.

Figura 15. Microscopio Electrónico de Barrido.

Posee bombas turbo-moleculares y rotativas que garantizan un intercambio de muestras

rápido y sencillo para alcanzar un vacío de trabajo. El microscopio electrónico de barrido

muestra el objeto examinado por medio de una sonda electrónica delgada, el microscopio

de barrido y puede operar con una cámara de vacío en modo de alto ( > 9𝑥10−4𝑃𝑎), medio

(3-150Pa) y baja < 9𝑥10−4𝑃𝑎).

4.3. Caracterización mecánica:

4.3.1. Propiedades ante la compresión

Una prueba de compresión aplica una carga que comprime una muestra cilíndrica colocada

entre dos placas, como se ilustra en la figura 16. Conforme se comprime, su altura se reduce

y el área de su sección transversal se incrementa. El esfuerzo de ingeniería se define como

28

𝜎𝑒 =𝐹

𝐴0 (16)

Donde 𝐴0 = área original del espécimen. Ésta es la misma definición del esfuerzo de

ingeniería que se utilizó en la prueba de tensión. La deformación de ingeniería se define

como

𝑒 =ℎ−ℎ0

ℎ0 (17)

Figura 16. Prueba de compresión: a) fuerza de compresión que se aplica al ejemplar de prueba en 1), y 2) cambio resultante de la altura; y b) disposición de la prueba, exagerando el tamaño del espécimen de prueba [10].

donde h = altura del espécimen en un momento particular de la prueba, mm; y h0 = altura

inicial, mm. Debido a que durante la compresión la altura disminuye, el valor de e será

negativo. El signo negativo por lo general se ignora cuando se expresan los valores de la

deformación por compresión.

En una prueba de compresión se grafica el esfuerzo de ingeniería en función de la

deformación de ingeniería, el resultado se asemeja a la figura 17.

29

Figura 17. Curva esfuerzo-deformación común de ingeniería, para una prueba de compresión. [10]

Figura 18. Efecto de barril en una prueba de compresión: 1) comienzo de la prueba; y 2) después de que ha tenido lugar una compresión considerable [10]

Como antes, la curva se divide en las regiones elástica y plástica, pero la forma de la parte

plástica es diferente de aquella correspondiente a la prueba de tensión. Debido a que la

compresión ocasiona que la sección transversal se incremente (en vez de disminuir, como

en la prueba de tensión), la carga se incrementa con mayor rapidez que antes. Esto da

como resultado un valor más alto del esfuerzo de ingeniería calculado.

En la prueba de compresión ocurre algo más que contribuye al aumento del esfuerzo.

Conforme el espécimen cilíndrico se comprime, la fricción en sus superficies que están en

contacto con las placas tiende a impedir que los extremos del cilindro se expandan. Durante

la prueba se consume energía adicional debido a esta fricción, lo que da como resultado

una fuerza aplicada más grande. También se muestra un incremento en el esfuerzo de

ingeniería calculado. Así, debido al aumento del área de la sección transversal y a la fricción

30

entre el espécimen y las placas, se obtiene la curva esfuerzo-deformación de ingeniería

característica de una prueba de este tipo según se aprecia en la figura 17. Otra

consecuencia de la fricción entre las superficies es que el material cercano de la parte media

del espécimen sí puede incrementar su área mucho más que los extremos. Esto resulta en

que la muestra adopte una forma característica de barril, como se ilustra en la figura 20.

Aunque hay diferencias entre las curvas de esfuerzo-deformación de ingeniería

correspondientes a la tensión y a la compresión, cuando se grafican los datos respectivos

como esfuerzo-deformación verdaderos, las relaciones son casi idénticas (para casi todos

los materiales) [10].


Las muestras compuestas a base de magnetita, caucho y resina epoxi, utilizadas para el

ensayo de compresión son cilindros de una altura aproximada de 13.7 mm. Se utilizó una

máquina universal de ensayos SHIMADZU AG-IS, equipada con una celda de carga de 5

kN y 50kNy una velocidad de compresión de 1mm/min. La máquina hace parte de los

laboratorios interfacultades de la Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá (Ver

figura 21).

Figura 19. máquina universal de ensayos SHIMADZU AG-IS, equipada con una celda de carga junto con una muestra tipo cilindro de 13.7mm.

31

4.4. Caracterización Magnética: Medidas de Magnetización a temperatura ambiente y en función de la Temperatura.

Para la caracterización magnética se hace uso de dos técnicas Zero fiel cooling (ZFC) y

Field Cooling (FC). La ZFC consiste en enfriar la muestra a bajas temperaturas sin

presencia de campo magnético, luego se aplica un campo magnético y se va aumentando

la temperatura (grados Kelvin) mientras se realiza la medida de magnetización [3].

Por otro lado, en el proceso FC se enfría el sistema en presencia de campo magnético y se

mide la magnetización en el proceso. En este caso, debido a la energía térmica

suministrada por la temperatura, es fácil que el campo aplicado oriente los espines

paramagnéticos del sistema de modo que, al formarse los dominios magnéticos en la

temperatura de Curie, no exista aleatoriedad en la distribución de los momentos magnéticos

de los mismos, ocasionando que la respuesta sea puramente ferromagnética y siguiendo

un comportamiento de susceptibilidad diferente (generalmente mayor) que el observado

durante el procedimiento ZFC [15].

Para determinar las curvas de histéresis se determina el momento magnético a temperatura

constante con campo magnético variable. La magnetización de una muestra de material se

obtiene por medio de la medición de su momento magnético dividido por la masa de la

muestra donde la magnetización tiene como unidades emu/g. por otra parte la

susceptibilidad se obtiene de dividir la magnetización por el campo aplicado sus unidades

son emu/Oe·g.


Las medidas de magnetización a temperatura ambiente y en función de la temperatura

manteniendo un campo constante se efectuaron empleando un magnetómetro VersaLab 3

Tesla, Cryogen-free PPMS (Physical Property Measurement System) de Quantum Design.

Este equipo de medición es una plataforma de caracterización de materiales con una

cámara criogénica que no usa fluidos para su enfriamiento con un rango de temperatura de

50 a 400K.

Al igual que todos los instrumentos de Quantum Design, VersaLab es un equipo

completamente automatizado con una interfaz fácil de usar que utiliza la tecnología PPMS

(Physical Property Measurement System) desarrollada por Quantum Design, la cual es una

32

arquitectura abierta, con un sistema de temperatura y campo variable que permite realizar

una variedad de mediciones automatizadas.

El magnetómetro consta principalmente de dos partes: el sistema criogénico superaislado

que usa gas Helio para su enfriamiento y el sistema de control constituido por el ordenador

que gobierna los controladores encargados de la traslación de la muestra, las fuentes de

corriente, la dosificación del gas y demás sistemas de instrumentación de temperatura.

El portamuestras con el espécimen de estudio está contenido en la varilla de sujeción

muestras y se ubica en el medio de un campo magnético constante, mientras el motor

transmite un movimiento lineal a la muestra en torno al centro de las bobinas sensoras que

captan el cambio en el flujo magnético, de esta forma las bobinas sensoras producen una

señal que es proporcional a la magnetización de la muestra, ver figura 22.

El equipo VersaLab trabaja en un rango de temperaturas que va desde los 50 hasta los 400

grados Kelvin, con un rango de campo magnético de ±3 Tesla, una resolución de 60 mOe,

con una velocidad de respuesta de 0.1 to 300 Oe/s, con una sensibilidad de < 10−6 emu o

0.5% con un 1 s promedio. El equipo utilizado se encuentra en la Universidad Pedagógica

y Tecnológica de Colombia, sede Tunja, a cargo del grupo de Investigación en Física de

Materiales [3].

Se tomaron medidas de magnetización a temperatura constante para las muestras del

material compuesto con una proporción en volumen del 0%,3,3%, 5,3%,7,8% y 10,1% de

magnetita, con un campo variable de ±3 Tesla y una temperatura constante de 300 Kelvin.

Posteriormente y aplicando un campo constante de 0,05 y 0,3 Teslas se tomaron medidas

de magnetización en función de la temperatura (50-300 K) para las muestras en contenido

de magnetita respectivamente.

33

Figura 20.Esquema con los Componentes básicos del equipo Versalab PPMS, junto con un detalle de la varilla de sujeción de muestras [3].

4.5. Caracterización Eléctrica: Medidas de resistividad eléctrica y curvas I vs V a temperatura ambiente.

Para las mediciones de resistividad volumétrica, así como la determinación de las curvas I

vs V a temperatura ambiente de las muestras del material compuesto se utilizó el

Electrometer/High Resistance Meter 6517A de Keithley junto con su accesorio el MODEL

8009 Resistivity test fixture (Ver figura 21).

Figura 21. Electrómetro y modelo 8009 [21]

El modelo 6517A ofrece una distribución automática completa en todo el rango de

mediciones de corriente, resistencia, voltaje y carga como se indica a continuación:

34

• Medición de corriente 1fA a 20mA.

• Mediciones de voltaje de 10μV a 200V.

• Medidas de resistencia de 50Ω a 1016Ω.

• Medidas de carga de 10fC a 2μC.

La resistividad volumétrica de algunos aisladores, como el zafiro y el Teflon, puede ser de

hasta 1016 a 1018 ohm-cm. Debido a tales grandes magnitudes, medir la resistividad de los

aisladores puede ser difícil a menos que se utilicen métodos de prueba e instrumentación

adecuados. Un método de prueba utilizado a menudo para medir la conductividad, la

resistividad volumetrica y superfcial de los aisladores es ASTM D-257, norma que es

contemplada en los electrometros que permiten medir corrientes pequeñas [21].

4.5.1. Métodos y técnicas

La resistividad de un aislador se mide obteniendo un voltaje conocido, midiendo la corriente

resultante y calculando la resistencia usando la Ley de Ohm. A partir de la medición de la

resistencia, la resistividad se determina en función de las dimensiones físicas de la muestra

de prueba.

La resistividad depende de varios factores. Primero, es una función del voltaje aplicado. A

veces, el voltaje puede variarse intencionalmente para determinar la dependencia del

voltaje de un aislador. La resistividad también varía en función de la duración del tiempo de

electrificación. Cuanto más tiempo se aplica el voltaje, mayor es la resistividad porque el

material continúa cargándose exponencialmente. Los factores ambientales también afectan

la resistividad de un aislador. En general, cuanto mayor es la humedad, menor es la

resistividad. Para hacer comparaciones precisas con una prueba específica, el voltaje

aplicado, el tiempo de electrificación y las condiciones ambientales deben mantenerse

constantes de una prueba a la siguiente. De acuerdo con el estándar ASTM, una condición

de prueba comúnmente utilizada es un voltaje de 500V aplicado por 60 segundos.

Dependiendo de la aplicación, el volumen o la resistividad de la superficie, o ambos, se

pueden medir [22].

4.5.2. Resistividad volumétrica

La resistividad volumétrica está definida como la resistividad eléctrica a través de un cubo

de material aislante. cuando se expresa en ohmios-centímetros, sería la resistencia

eléctrica a través de un cubo de un centímetro de material aislante. se expresa en ohmios-

pulgadas, sería la resistencia eléctrica a través de una pulgada de material aislante.

35

la resistividad volumétrica se mide aplicando un potencial de voltaje a través de los lados

opuestos de la muestra del aislador y midiendo la corriente resultante a través de la muestra

como se muestra en la figura 22.