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"Desarrollo de materiales compuestos con fibra natural y matriz polimérica para su ap l icac ión en la fab r icac ión de mobiliario"
Presenta
Wendy Adriana Hernández Arellano
Para la obtención del grado de Maestría
Mexicali, B.C. Diciembre 2011
Director de Tesis Dr. Álvaro González Ángeles
Desarrollo de materiales compuestos con fibra natural y matriz polimérica para su utilización en la fabricación de mobiliario.
Objetivo.
+ =
Hipótesis.
Utilizando desechos de algodón como fibra natural reforzada en una matriz polimérica, se puedan desarrollar nuevos materiales compuestos para la fabricación de mobiliario.
Ocho Metas Establecidas
Para el cumplimiento del objetivo
= Fibras cortas quebradizas y frágiles
No afecta en la planta del algodón Si afecta en el trigo
Metas cumplidas: 1. Determinar la influencia del tiempo en las
propiedades mecánicas de la fibra.
Cascarilla
Semilla
Algodón hueso
=
Fibras cortas
Partículas
=
Fibras largas
Diseño de experimentos =
Metas cumplidas: 3. Determinar la composición exacta y tiempo de curado
para obtener las óptimas propiedades de las resinas a utilizar.
Relación fibra cortas y partículas + resina: 50/50 y 60/40
Diseño de experimentos =
4. Determinar los tipos de resina a utilizar.
Resina poliéster PP250 Resina epóxica 105/E206slow West System
Metas cumplidas:
Prueba de Tensión Norma ASTM D638 ASTM D3039
Metas cumplidas: 5. Determinar las pruebas mecánicas, el tipo y tamaño
de muestra para su ejecución.
Flexión a tres puntos Norma ASTM D790
Flexión a cuatro puntos Norma ASTM D6272
Vaciado: Partículas y fibras cortas
Metas cumplidas: 6. Fabricación de los nuevos compuestos
por vaciado y laminado
Laminado: Fibras cortas y largas
Metas cumplidas: 7. Determinar la orientación de las fibras.
Aleatoria = material anisotrópico
Diagrama esfuerzo-deformación de varios materiales
Resina poliéster + fibras y partículas
Resina epóxica + fibras largas
Resina epóxica + fibras y partículas
Metas cumplidas: 8. Determinar las propiedades mecánicas del
nuevo material compuesto
Resistencia a la tensión (Carga máxima soportada)
Tipo de Resina Fibras Cortas
Partículas Fibras Largas
Poliéster PP250 94.06 lbf 84.08 lbf NA
Epóxica 105/E206
397.25 lbf 294.65 lbf 19.28 lbf
Constituciones analizadas
Fibras cortas
Partículas Fibras Largas
*Tableros Aglomerados de 5 a 25 mm
Resina poliéster PP250
94.08 84.08 --- 22.39 a 44.79
Resina Epóxica 105/206 WS
397.25 294.65 134.5
*Conformados de 3 a 4 capas (lbf)
Prueba de tensión ASTM D638/D3039 Resultados:
Constitución con Resina Epóxica
1 2 Promedio
(lbf) Fibras cortas cascarilla 60%
resina 40% 414.07 380.43 *397.25
Partículas cascarilla 60% resina 40%
294.84 294.45 294.65
Fibras largas + resina 133 136 134.5
La constitución que mayor propiedades mecánicas presenta es la de fibras cortas con resina epóxica.
Composición de la mezcla 1 2 3 4 5 Promedio
(lbf) Fibras cortas cascarilla 60%
resina 40% 98 84 95.4 86 106.9 *94.06
Fibras cortas semilla 50% resina 50%
93 79.7 80 89 84 85.14
Partículas cascarilla 60% resina 40%
89.9 86 79 78.5 87 84.08
Partículas semilla 50% resina 50%
82.6 80 81.3 79.8 81 80.7
Prueba de Flexión (3P) ASTM D790
El laminado constituido por fibras largas + resina epóxica presentó la curva de un material muy dúctil pero poco tenaz, el comportamiento fue similar al de la fibra de aramida (kevlar)
Composición de la mezcla
1 2 Promedio
(lbf) Fibras cortas
cascarilla 60% resina 40%
35.64 31.67 33.65
Partículas cascarilla 60% resina 40% 26 24.42 25.21
Fibras largas + resina 19.66 18.9 19.28
Resultados
La influencia del tiempo si afecta a las fibras y partículas obtenidas a partir de la planta de trigo, por lo que se descarta su uso para el desarrollo de materiales compuestos donde se requiera de resistencia mecánica.
Del algodonero se pueden ut i l izar la cascarilla, la semilla y el algodón hueso y pluma para obtener partículas, fibras cortas y fibras largas.
Con el diseño de experimentos se comprobó que el porcentaje de resina que ofrece mayores propiedades mecánicas en la relación fibra+resina, fibra+partículas es de 50/50 y la relación 60/40.
La resina epóxica utilizada (105/206 West System) aportó mayor ductilidad y ofrece mayor tenacidad que la resina poliéster PP250, en las combinaciones: resina+partículas, resina+fibras cortas, resina+fibras largas.
Resultados
De los cinco materiales nuevos tres pueden ser utilizados en la fabricación de mobiliario, la constitución de resina epóxica + fibras cortas y partículas, y la de resina poliéster y fibras cortas.
Los nuevos materiales compuestos pueden ser maquinados y procesados mediante los procesos manejados actualmente en la industria del plástico y los materiales compuestos.
Conclusiones
Se descubrió el potencial de la planta de algodón para su aprovechamiento fuera del ramo textil.
Los nuevos materiales compuestos obtuvieron resultados favorables en las pruebas mecánicas realizadas, lo que abre el panorama para su utilización en diversas áreas de la industria.
La utilización de fibras naturales tienen un menor impacto ambiental durante la siembra y cosecha.
Al sustituir fibras sintéticas por las naturales, mejora la salud ambiental y laboral por el empleo de fibras naturales frente a la fibra de vidrio.
Las fibras naturales presentan un balance energético positivo comparado con el de otras fibras sintéticas, además de poseer un carácter renovable que reduce el impacto ambiental negativo.
Usos y aplicaciones
Cronograma de Actividades.
* En proceso **Para presentar en el examen de grado ***Participación en el Congreso Internacional Vértice 2012
DESCRIPCIÓN 1 2 3 4
ETAPA ANALÍTICA
DETERMINAR EL PROBLEMA
INVESTIGACION DOCUMENTAL Y DE CAMPO
RECOLECCIÓN DE MUESTRAS
REVISION BIBLIOGRÁFICA
ETAPA EXPERIMENTAL
OBTENCIÓN DE ESPECÍMENES
REALIZACIÓN DE PRUEBAS
SINTÉSIS Y EVALUACIÓN
ETAPA DE COMUNICACIÓN
RESULTADOS PRELIMINARES
*ENVIAR TRES ENSAYOS PARA UBLICAR
*RESULTADOS PROPIEDADES MECÁNICAS
**CONSTRUCCIÓN DE PIEZAS ESPECÍFICAS
**PRESENTACIÓN DE EXAMEN DE GRADO jul-12
INICIAR CON LOS TRAMITES DE REGISTRO DE PATENTE
***Participación en el Congreso Internacional Vértice 2012 sep-12
Por su atención Gracias.