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1Materiales compuestos reforzados con fibras naturales

Laura Alejandra Díaz Consuegra 1102433 Alejandra Peña Guerrero 1102468 Juan Camilo Pérez España 1102469 Mayo 2016.

Universidad Militar Nueva Granada Facultad de Ingeniería Ingeniería civil Materiales de construcción Bogotá D.C. 2016

Abstract

2

Este trabajo se realiza con el fin de comprender y analizar los materiales reforzados con fibras naturales, pero para poder entender qué es y cómo se utilizan, se debe comprender qué es un reforzado y que son fibras naturales. A través de los años los materiales reforzados a través del tiempo se han usado para mejorar las propiedades de un material ya que estos son la unión de dos o más materiales los cuales difieren en forma y composición química y son insolubles entre sí, esto se hace con el fin de obtener una única combinación de propiedades, los materiales reforzados con fibras hacen parte de los materiales compuestos de los cuales hay tres tipos: los reforzados con partículas, los reforzados con fibras, y los compuestos estructurales. Este trabajo se enfocó en los materiales compuestos reforzados con fibras naturales los cuales están hechos a partir de materia naturales, estas aportan mayor rigidez aunque son más frágiles.

Objetivos

3



Conocer las características que ofrecen en todos los aspectos de la ciencia de los materiales como propiedades físicas, químicas entre otros beneficios que tendrán los materiales reforzados con fibras naturales.



Nombrar algunos materiales reforzados con fibras naturales, así como su uso adecuado y todas las ventajas y desventajas que podría traer su utilización en una obra de ingeniería



evaluar el impacto financiero que tendrá el uso de materiales reforzados con fibras naturales sobre el costo total de una obra reforzada con materiales comunes.



Observar la compatibilidad que tienen algunas fibras naturales con materiales como poliéster entre otros

4 Tabla de contenidos

Abstract Objetivosii Lista de tablasLista de figuras Introducción

1

Materiales compuestos.........................................................................................................1 Materiales compuestos reforzados con fibras naturales......................................................2 Tipos de fibras naturales..............................................................................................3 Origen vegetal.......................................................................................................3 Origen animal.......................................................................................................4 Propiedades..........................................................................................................................6 Procesos de fabricación ......................................................................................................7 Norma .................................................................................................................................8 Usos.....................................................................................................................................9 Referencias.........................................................................................................................11 Conclusiones......................................................................................................................12

5 Lista de tablas

Tabla 1. Característica de diferentes fibras

3

6 Lista de figuras Figura 1, fase dispersa y matriz………………………………………………………. Figura 2. Módulo de elasticidad en MPa para materiales compuestos y poliéster ………………………………..……………………………………………………………. 3 Figura 3, ensayo de tensión. Propiedades..…………………………………………………5

1. INTRODUCCIÓN

MATERIALES COMPUESTOS Un material compuesto es la unión de dos o más materiales los cuales difieren en forma y composición química y que son esencialmente insolubles entre sí, la necesidad de disponer materiales con propiedades específicas las cuales no se encontraban en materiales convencionales combinado con los avances tecnológicos dieron como resultado los materiales compuestos, los cuales suelen tener las mejores propiedades de sus constituyentes como puede ser la resistencia, la rigidez, el peso específico, resistencia a fracturas, entre otros. En un material compuesto hay dos fases la fase continua conocida como matriz que busca estabilizar y repartir las tensiones entre los esfuerzos, se conforma de un componente que puede ser de naturaleza mecánica, polimérica o cerámica a las cuales se les adicionan unos catalizadores para mejorar sus propiedades. La segunda fase es los refuerzos que ayudan a soportar la tensión mecánica del material.

Figura 1, fase dispersa y matriz

Vía http://www.uca.edu.sv/facultad/clases/ing/m210031/Tema%2018.pdf 2. MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS NATURALES Las fibras naturales se conocen por ser fragmentos o hebras las cuales tienen procedencia natural y permiten hilarse para dar origen a cuerdas. Algunas fibras son de origen vegetal como es el fique, el bagazo de caña , el coco poseen orígenes desiguales, como por ejemplo las fibras del fique se usan extensamente en el comercio dado que posee unas buenas propiedades mecánicas además de que alcanza grandes longitudes, es muy usada en geomenbranas y artesanías. Las fibras de coco generalmente se usan en geotextiles, aunque no es muy común dado que sus fibras son de muy corta longitud y dificultan todo el trabajo. Las fibras naturales tienen diferentes orígenes y dependiendo de este tendrá sus propias características y propiedades mecánicas, físicas y químicas, entre los orígenes más comunes tenemos: De semilla: como ejemplo esta el algodón, que es una fibra muy usada en la fabricación de ropa dado su alta capacidad de absorber la humedad. De tallo: en general son polímeros de celulosa como el algodón aunque es más fuerte y rígida, también es muy usada en la fabricación de ropa. De hoja: estas fibras en general tienen células largas y fuertes dado que son del soporte estructural de la hoja por ende tiene una buena resistencia mecánica, resistente al deterioro por agua con presencia de sales además de poseer una fibra larga que facilita su majeo y producción. Las fibras naturales como el coco, bagazo o fique tratadas con algún agente como etanol o siendo mercerizado, obtiene una mejora sustancial de sus propiedades tales como el modulo elástico, superando al poliéster he incluso llegando a un rango similar al de la fibra de vidrio que es un material que supera con creces la dificultad y el costo de producción de las fibras naturales utilizadas en el experimento que lo abala.

Figura 2. Módulo de elasticidad en MPa para materiales compuestos y poliéster Vía https://repository.eafit.edu.co/bitstream/handle/10784/297/JoseSantiago_GomezP._2009.pdf;jses sionid=AAAD617506E96BB3D1E699351936D987?sequence=1 TIPOS DE FIBRAS NATURALES  Origen vegetal: Estas fibras pueden ser extraídas de los tallos de las plantas, como también de las cascaras o la vellosidad de sus semillas, entre las más comunes tenemos; de abacá, bonote, ramio y yute, aunque

estas son principalmente usadas para textiles la naturaleza nos aporta otros tipos de fibras vegetales como lo son: Fibra de algodón: la cual es una fibra vegetal que es resistente a la rotura, la ficción, al calor y a las rasgaduras; es sedosa y elástica. Fibra de lino: que absorbe la humedad es decir que no acumula energía estática, es una fibra muy fuerte, flexible y resistente. Fibra de sisal: es resistente a microorganismos e incendios. Fibra de cáñamo: es de las más resistentes, es duradera y absorbente de agua. Fibra de Kenaf: es un aislante térmico y acústico se utiliza para elaborar paneles acústicos. Fibra de fique: sirve para crear refuerzos en los materiales de construcción ya que brinda resistencia a esfuerzos de tensión, compresión y flexión. Fibra de Esparto: Se utiliza para dar más resistencia a la tracción.

Las fibras naturales usadas como refuerzo de materiales que se consiguen con mayor facilidad en Colombia son el fique, cañamo, yute, guagua, cáscara de mazorca, entre otras. Sin embargo estas no se usan siempre ya que dependen de su adherencia entre la matriz y la fibra, cuando no se adhieren requieren de la aplicación de una solución en la fibra; las ventajas de estos materiales es que son renovables y se encuentran con gran abundancia; y las desventajas son la variación dimensional, alta absorción de la humedad y como se dijo anteriormente la incompatibilidad con las matrices poliméricas, ya que para lograr que sean compatible se usan muchos recursos químicos que producen contaminación en el ambiente. 

Origen animal: Estas fibras son extraídas de la lana, pelo y secreciones de los animales, son en su mayoría usadas para textiles como lo es, la

lana de alpaca, lana de angora (un tipo de conejo), cachemira, seda de arañas, larvas y embiópteros entre otros; pero también está el fieltro que su proveniencia es de la lana y sus usos varían entre pulir granito, vidrio y algunos metales, amortiguador de vibraciones para maquinaria y la protección térmica y acústica de estructuras.

Figura 3, ensayo de tensión. Propiedades Víahttps://prezi.com/4mcj5bza ahar/materiales-reforzadoscon-fibras-naturales/

3. PROPIEDADES Una gran ventaja de estas fibras naturales es que son un recurso renovable y biodegradable dado esto tienen un impacto ambiental muy bajo, medida muy exigida en las obras que se desean llevar acabo en los últimos tiempos. Pero otra de la ventaja más grande de las fibras naturales es la

facilidad para conseguirlas el costo reducido que tienen en comparación con otros materiales, entre sus principales características se encuentra su bajo peso y buen trabajo como aislante térmico y acústico y su excelente resistencia a la tensión, a continuación se van a presentar sus principales propiedades:            

Bajo costo respecto a otras fibras como lo es la de vidrio Bajo peso Buen aislante acústico, térmico y eléctrico Alta resistencia a tensión Fácil de manipular Resistencia a acción corrosiva Homogéneo y poco poroso Resistencia al fuego Resistencia a tracción y fatiga Resistencia a agentes externos Durabilidad Entre otras

Aunque estos materiales no solo nos presentan ventajas sino también desventajas sobre el mismo, las cuales pueden variar su calidad y estabilidad dimensional.

Tabla 1. Característica de diferentes fibras

4. PR OC ESO DE FABRICACIÓN 

Proceso por Hand Lay up: (sin matriz) fabricación por método de laminado con rectángulos de 15*20cm, con un espesor variable que

depende de la humectación de las fibras utilizando fibras naturales y de vidrio; los rectángulos formados con las fibras se cortan para obtener probetas de 12*3cm. El resultado de los materiales reforzados con fibras naturales se satura entre el 3 y 5% de fibra. Para las fibras vegetales como el poliéster, fibras de bagazo y de coco se demoran en el proceso de la aumentación; en cambio las fibras de fique humectan más rápidamente. Al retirar los materiales de la placa se obtiene una matriz pegajosa y poco rígida, lo cual hace que la unión del material con la fibra sea más difícil.  Fabricación de material compuesto asistido con vacío: Se realiza una laminación manual a la que se le coloca un marco de cinta doble faz, se cubre con un plástico con un eyector de vacío para lograr retirar el aire de la zona de fabricación del material y a su vez para aplastar las fibras. Pero este proceso debe ser controlado ya que si se libera mucho aire la polimerización no se desarrollara correctamente. Es útil para fabricación de materiales compuestos reforzados con fibras vegetales, el material que resulta a sido saturado en un 10% mostrando una mejor 

distribución en las resinas de las fibras. Fabricación del material compuesto con molde: busca lograr una mejor saturación y mayor humectación en las fibras. Busca centrar las fibras en una cavidad para lograr una mayor saturación. Para las fibras de fique la saturación del compuesto

es fácil sin embargo las fibras no se quedan por completo en la 

cavidad del molde. Fabricación por ensayos de desprendimiento: Se sumerge una fibra en la matriz que se está empleando para fabricar el material, para lograr la integración de estos, se utiliza un montaje con cilindros en el cual se coloca una resina liquida con el acelerador y catalizador; esta queda inmersa en los cilindros la cual se cura y hace que se obtenga un cilindro solido con la fibra en el centro incrustada, esto sirve para unir la matriz con la

fibra efectivamente. 5. NORMA El instituto colombiano de normas técnicas y certificación (ICONTEC) realizó un estudio para elaborar normas técnicas para el uso de las fibras en materiales de construcción debido a la experiencia internacional y el mercado de estas; las fibras naturales han estado siendo usadas para el mejoramiento respecto al desempeño del material, disminuir su fisuración, mejorar su esfuerzo a tensión. Este desarrollo de la norma abarcaría puntos como microfibras, macrofibras, fibras de acero, vidrio, sintéticas entre otras, propiedades específicas como tenacidad, flexión, asentamiento,

resistencia,

parámetros

de

diseño

entre

otras.

Para el concreto reforzado con fibras: 

Asentamiento: NTC 3696 ensayo que determinaría la fluidez de un



concreto reforzado con fibras Flexión: ASTM 1018 prueba estándar de flexión y tenacidad, resistencia a



la primera grieta del concreto reforzado con fibras Tenacidad: ASTM 1550 prueba estándar para la flexión del hormigón forzado con fibras



Entre otras, serían las normas a evaluar por el subcomité de Fibras de ICONTEC

NORMA TÉCNICA COLOMBIANA NTC 5517 Etiquetas ambientales tipo I, sello ambiental Colombiano, criterios ambientales para embalajes, empaques, cordeles, hilos, sogas y telas de fibras de fique. Esta norma en su numeral 0.3 EL SELLO AMBIENTAL COLOMBIANO PARA EMBALAJES, EMPAQUES, CORDELES, HILOS, SOGAS, Y TELAS DE FIBRA DE FIQUE; nos habla de la historia de las fibras naturales a través de la vida del hombre en la elaboración de textiles, vivienda u objetos para su ayuda, también estas fibras son usadas en el ámbito automotriz, construcción, empaques entre otras. Con el fin del fomento en la producción de las fibras, competitividad del cultivo del fique se estableces unas estrategias como lo son la certificación de los productos en fique dentro del programa de mercados verdes, convenios de producción limpia con esto surge la iniciativa para elaborar esta norma como base para el otorgamiento del sello ambiental Colombiano.

6. USOS EN INGENIERÍA Entre los usos que tienen estos materiales en ingeniería se tienen las tuberías, escaleras, rejas, vigas de por su elevado aguante a la acción de sustancias corrosivas ya sean tanto alcalinas o básicas, como acidas. Su utilización en otras áreas se debe a su impacto en el costo de la obra dado que su valor es menor que otros materiales posibles para llevar a cabo la obra, estos materiales compuestos se pueden encontrar en componentes de molinos de viento dado su bajo peso, como soporte de placas solares, pontones, remos, señales, semáforos, estanterías por su

bajo costo de producción y peso de estructura, en cualquier estructura aislante ya sea de sonido o de calor por sus excelentes propiedades y su bajo costo. Como se puede apreciar estos materiales se pueden usar en cualquier obra grande o pequeña dado las propiedades tan variadas que se pueden obtener al reforzar cualquier material con estas fibras.

Lista de referencias

1. Juan Pablo Usuga Cadavid (2015) Materiales reforzados con fibras naturales URL. https://prezi.com/4mcj5bzaahar/materiales-reforzados-con-fibras-naturales/ 2. Ester Rojo Recio (2011) Formulación y caracterización de materiales compuestos de matriz fenólica reforzados con fibras celulósicas modificadas tipo viscosa URL. http://eprints.ucm.es/14749/1/T33497.pdf 3. QUINTO CONGRESO INTERNACIONAL DE FIBRAS NATURALES Con énfasis en Materiales de Construcción Aprovechamiento de residuos de fibras naturales como elementos de refuerzo de materiales poliméricos URL http://www.upv.es/VALORES/Publicaciones/Ecuador_Fibras%20naturales_Amig %F3.pdf 4. Fibras naturales URL http://www.sc.ehu.es/iawfemaf/archivos/materia/industrial/libro11b.pdf 5. Ángela Marcela Pinilla & Laura Tatiana Veloza (2010). Fibras naturales y biocomposites 6. Subcomité de Fibras ICONTEC (2007). Artículo revista Noticreto, núm. 84, agosto/septiembre/octubre vía http://www.imcyc.com/ct2008/feb08/materia.htm 7. Norma técnica colombiana NTC 5517 (2007), etiquetas ambientales tipo I, sello ambiental Colombiano, criterios ambientales para embalajes, empaques, cordeles, hilos, sogas y telas de fibras de fique. 8. José Santiago Gómez (2009). Diseño de un material compuesto con fibra natural para sustituir la utilización de la fibra de vidrio URL https://repository.eafit.edu.co/bitstream/handle/10784/297/JoseSantiago_GomezP._2009 .pdf;jsessionid=A82458C568389D5003D8514EB6D59BE9?sequence=1

Conclusiones 

Los materiales reforzados con fibras naturales son de gran importancia a la hora de construir ya que muchos de estos que se extraen fácilmente y se ven con mucha abundancia traen propiedades como la elasticidad, resistencia a rotura, entre otras; las cuales ayudan a que el material sea mas rígido y en caso de algún cambio vuelva siempre a su estado original.