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• Juanjo Aguirre

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INGENIERÍA MECÁNICA TRANSFORMACIÓN DE POLÍMEROS II “Laminado de materiales compuestos con fibra natural”

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Tabla de contenidos 1. INTRODUCCIÓN 2. DEFINICIÓN 3. PRINCIPIOS FÍSICOS 4. CLASIFICACIÓN 5. CÁLCULOS 6. MAQUINARIAS Y COMPLEMENTOS 7. APLICACIONES 8. VIDEOS 9. CONCLUSIONES 10.BIBLIOGRAFÍA

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1. Introducción EJEMPLOS HISTÓRICOS

Muros de Barro reforzados con bambú. Madera laminada encolada. Egipcios (1500 aC)

Metales laminados en la forja de espadas (1800 dC)

En el siglo XX, los compuestos modernos se utilizaron en 1930, donde las fibras de vidrio reforzaron las resinas. 3

2. Definición • LAMINADO -Son materiales compuestos formados por apilamiento de capas de espesor muy pequeño, denominadas láminas. -Las lámina es la unidad de los materiales compuestos. Es un material de capa única de muy pequeño espesor (0,1-1 mm ). -Los laminados se forman a partir de la repetición de un número finito de láminas con diferentes orientaciones; [0° /45°/ 90°].

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2. Definición • MATERIALES COMPUESTOS CON FIBRA NATURAL -La palabra compuesto significa de una forma general heterogéneo, artificial, o a nivel técnico, formado por la mezcla de dos o más sustancias. -Los materiales compuestos (composites) tienen como fin, mejorar las propiedades, como, la buena rigidez, resistencia a la corrosión, bajo peso, buenas propiedades térmicas, mayor vida útil.

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2. Definición • FIBRAS NATURALES -Son estructuras continuas o discontinuas, unidireccionales o bidireccionales, trenzadas o con distribución aleatoria, son largas y delgadas tienen una longitud muy superior a su diámetro. Las fibras naturales pueden ser: animal, vegetales y minerales.

-Las fibras vegetales se están convirtiendo en una alternativa realmente llamativa para aplicaciones industriales por su bajo costo, peso ligero y por ser una materia prima renovable con propiedades superiores a otros materiales cuando se utiliza como refuerzo en materiales compuestos de matriz polimérica. 6

3. Principios Físicos

Fibra de abacá

Fibra de caña de azúcar

Fibra de cáñamo

Fibra de coco

Fibra de hoja de piña 7

3.Principios Físicos • MATRIZ -Es la responsable de transferir las solicitaciones mecánicas a las fibras además de protegerlas del ambiente externo. Entre las matrices más usadas destacan: las resinas (poliéster y epoxi), las minerales (carbono) y las metálicas (aleaciones de aluminio). -La matriz juega un papel importante en la capacidad de carga de tracción de una estructura compuesta. El agente aglutinante o matriz en el compuesto es de importancia crítica.

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3.Principios Físicos

Ejemplo de mapa de propiedades de materiales que ilustra las buenas características de los materiales compuestos de matriz polimérica cuando se analizan en términos de los indicadores de rendimiento E/ρ, E1/2/ρ y E1/3/ρ. 9

3.Principios Físicos Tabla 1. Producción anual de fibras naturales [1]

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3.Principios Físicos Tabla 2. Propiedades mecánicas de las fibras naturales [1]

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4. Clasificación

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4. Clasificación

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4. Clasificación

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5. Cálculos • LEY DE MEZCLAS -Es una técnica de homogenización más simple que se aplica en un material compuesto para determinar algunas propiedades del compuesto, para conocer su “micro mecánica”. -La fuerza se distribuye en la fibra y en la matriz -Las fibras deben ser continuas y unidireccionales

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5. Cálculos • FRACCIÓN VOLUMÉTRICA 𝑉𝑓 𝑉𝑓 = 𝑉𝑐

𝑉𝑚 𝑉𝑚 = 𝑉𝑐

𝑽𝒄 = 𝑽𝒇 + 𝑽𝒎 = 𝟏

𝑀𝑚 𝑀𝑚 = 𝑀𝑐

𝑴𝒄 = 𝑴𝒇 + 𝑴𝒎 = 𝟏

𝑦

• FRACCIÓN MÁSICA 𝑀𝑓 𝑀𝑓 = 𝑦 𝑀𝑐

𝒇, 𝒎, 𝒄: 𝑓𝑖𝑏𝑟𝑎; 𝑚𝑎𝑡𝑟𝑖𝑧; 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑢𝑒𝑠𝑡𝑜

• DENSIDAD DE LA LÁMINA 𝑴𝒇 𝑴𝒎 𝟏 = + 𝝆 𝝆𝒇 𝝆𝒎

* ESPESOR DE LÁMINA 𝒎𝒈 𝑴𝒎 𝒉= + 𝑉𝑓 ∙ 𝝆𝒇 𝝆𝒎

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5. Cálculos • PROPIEDADES ELÁSTICAS - Modulo de elasticidad 𝑬𝒄 = 𝑬𝒇 𝒇𝒇 + 𝑬𝒎 𝒇𝒎 → 𝒎𝒂𝒙𝒊𝒎𝒐 - Fuerza aplicada perpendicular a la fibra 𝟏 𝑬𝒄

=

𝒇𝒎 𝑬𝒎

+

𝒇𝒇

𝑬𝒇

- Conductividad térmica 𝒌 𝒄 = 𝒇𝒎 𝒌 𝒎 + 𝒇𝒇 ∙ 𝒌 𝒇 - Conductividad eléctrica 𝝈𝒄 = 𝒇𝒎 𝝈𝒎 + 𝒇𝒇 𝝈𝒇 17

5. Cálculos Laminados Paralelo al laminado • 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 → 𝜌𝑐 = σ 𝑉𝑖 𝑝𝑖 • 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎 → 𝜎𝑐 = σ 𝑉𝑖 𝜎𝑖 • 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎 → 𝑘𝑐 = σ 𝑉𝑖 𝑘𝑖 • 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑 → 𝐸𝑐 = σ 𝑉𝑖 𝐸𝑖 Perpendicular al laminado • 𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑑𝑎𝑑 → • 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑒𝑙𝑒𝑐𝑡𝑟𝑖𝑐𝑎

𝜌𝑐 = σ 𝑉𝑖 𝑝𝑖 → 1/𝜎𝑐 = σ 𝑉𝑖/ 𝜎𝑖

• 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑐𝑡𝑖𝑣𝑖𝑑𝑎𝑑 𝑡𝑒𝑟𝑚𝑖𝑐𝑎

→ 1/𝑘𝑐 = σ 𝑉𝑖/ 𝑘𝑖

• 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑙𝑎𝑠𝑡𝑖𝑐𝑖𝑑𝑎𝑑

→ 1/𝐸𝑐 = σ 𝑉𝑖/ 𝐸𝑖

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6. Máquinas y Complementos Moldeo manual de materiales compuestos (hand lay-up) -Es el método más sencillo para preparar una pieza reforzada con fibra. El proceso se lleva a cabo en un molde abierto, debidamente acondicionado. La resina utilizada se mezcla con un catalizador o endurecedor. -A continuación, el molde se moja con la mezcla mediante vertido o brochas. Las láminas de fibra natural se colocan sobre el molde y se asientan en el molde con rodillos. -El material debe estar firmemente compactado contra el molde, el aire no debe quedar atrapado en medio de la fibra y el molde. Resina adicional se aplica y posiblemente laminas adicionales de fibra. 19

6. Máquinas y Complementos En la Figura 1 podemos observar el proceso completo de obtención de una lámina de fibra natural.

Figura 1. Obtención de Lamina de Fibra Natural

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6. Máquinas y Complementos Proceso de moldeado laminar de compuestos -Este proceso es relativamente nuevo, ya que con un molde cerrado se usa para producir piezas de plástico reforzado con fibras, particularmente en la industria del automóvil. Este proceso permite conseguir un excelente control de la resina y buenas propiedades de resistencia mecánica al tiempo que productos voluminosos, de gran tamaño y altamente uniforme. -El compuesto moldeado en láminas se fabrica siguiendo un proceso de flujo continuo altamente automatizado. Mechas de fibra natural en cordón continuo se cortan en longitudes y se depositan sobre una capa de resina la cual se transporta en una película de polietileno. Otra capa de resina se deposita más tarde sobre la primera capa. -Esta mezcla con la capa superior y la del fondo cubiertas de polietileno se compacta y se arrolla en rodillos de embalaje calibrados. 21

6. Máquinas y Complementos En la Figura 2 podemos observar el esquema del proceso de moldeado laminar completo

Figura 2. Esquema de Proceso laminar moldeado

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6. Máquinas y Complementos Método de ensayo tracción

Los ensayos mecánicos de tracción de la matriz fenólica y de los materiales compuestos se realizan de acuerdo con el procedimiento descrito en la norma ASTM D 638. Se muestran las dimensiones, en mm, de las probetas de los ensayos de tracción en forma de “hueso de perro”. 23

6. Máquinas y Complementos Método de ensayo de flexión

Se mide, en este caso, la capacidad del material para soportar la fuerza en flexión y las deformaciones que se producen hasta su rotura. El número de réplicas a realizar para cada muestra, como en el caso de los ensayos de tracción, es de al menos cinco. 24

7. Aplicaciones

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7. Aplicaciones

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8. Videos Extracción fibra de coco: https://www.youtube.com/watch?v=Yy34J51WY0A&spfreload=10 Compuestos de fibra de coco: https://www.youtube.com/watch?v=Yfgh9PuckcY Extracción de fibra de sisal: https://www.youtube.com/watch?v=ijHvfn2vcss

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9. Conclusiones - Los compuestos reforzados con fibras naturales comparado con las sintéticas tienen mayor aplicación industrial y proporcionan el camino para el desarrollo económico en las áreas rurales. - El compuesto de fibra natural fabricado mediante el proceso de colocación manual proporciona una oportunidad de reemplazar los materiales existentes con una alternativa de mayor resistencia y bajo costo que es respetuosa con el medio ambiente. - Las fibras naturales son materias primas provenientes de fuentes renovables y altamente disponibles, si bien para su uso adecuado se requiere generar mayor conocimiento sobre sus propiedades para que los diseñadores puedan incluirlas en nuevos proyectos. 28

10. Bibliografía • [1] S.Taj, Ali Munawar and S. Khan, “Natural fiber-reinforced polymer composites”. University of the Punjab, Lahore, Pakistan (2007). • [2] F.G. Torres, M.L. Cubillas. Study of the interfacial properties of natural fibre reinforced polyethylene. (2005). • [3] Askeland, D. Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Cuarta Edición, 2006. Editorial Thomson. • [4] Comportamientos Recientes y Aplicaciones de Polímeros Rellenos de Fibra Natural. Andrzej K. Bledzki, Volker E. Sperber. Universität Kassel, Alemania

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