3.5 Stable assignments
3.5.2 Optimality in stable workforce assignments
refuerzo. Los esfuerzos que actúan sobre la matriz se transmiten a las fibras a través de la interfaz, por lo que desempeña un rol importante en las propiedades de los compuestos. Es de vital importancia el estudio de los siguientes mecanismos de adhesión, ya que permiten explicar en parte la resistencia a la unión entre estos constituyentes (Hull, 2003, p 39).
1.3.1.1. Absorción y humedad
Para la humectación efectiva de una fibra, la resina líquida debe cubrir todas las rugosidades superficiales de esta, para eliminar el aire ocluido. La humectación pude verse afectada si en las fibras hay presencia de gases atrapados o agua en la superficie debido a las características hidrofílicas del refuerzo. Este mecanismo depende de las tensiones superficiales de los componentes (Hull, 2003, p. 39).
1.3.1.2. Interdifusión
Es la formación de un enlace entre dos superficies poliméricas por difusión molecular de una fase en otra. En materiales compuestos la difusión se promueve cuando las fibras son pre-cubiertas con un polímero antes de ser incorporadas en la matriz. La cantidad de difusión dependerá de la conformación molecular y la facilidad de movimiento molecular (Kim y Mai, 1998, p.12).
1.3.1.3. Atracción electrostática
La diferencia de cargas electrostáticas entre los componentes en la interfaz puede contribuir a la adhesión. El incorporar agentes de enlace como el silano en las fibras de vidrio, puede mejorar la atracción. Aunque no es un mecanismo decisivo, tiene gran importancia en algunos tipos de tratamiento superficial de refuerzos (Kim y Mai, 1998, p.13).
1.3.1.4. Enlace químico
Es formado entre un grupo químico en la superficie de la fibra y un grupo compatible en la matriz. Es la forma más eficiente de adhesión en materiales. Ocurre cuando se aplican agentes de acoplamiento en la superficie de la carga, los cuales sirven de puente entre el polímero y el refuerzo (Rabello, 2007, p. 180).
1.3.1.5. Adhesión mecánica
Es la formación de un enlace mediante el enclavamiento de la matriz en las rugosidades superficiales de las fibras de refuerzo (Neto y Pardini 2006, p. 150).
Otro inconveniente que origina una pobre adhesión entre la fibra y la matriz es la polaridad de los componentes. ‘’Las fibras son usualmente materiales fuertemente polares y con una alta hidrofilidad en contraste con la mayoría de matrices poliméricas que son no polares y mayoritariamente hidrofóbicas. Como resultado hay problemas significativos de adhesión entre la fibra y la matriz, que conducen a una débil interfaz y bajas propiedades mecánicas’’ (Pickering, 2008, p. 128).
Por ello, se han planteado métodos que mejoren la mojabilidad de la matriz en la superficie de la fibra y promuevan la adhesión de enlaces químicos. Sin embargo, la implementación de estos métodos incrementa el costo de fabricación por lo que solo se cita algunos de los métodos más empleados en la Figura 1.18.
Modificación de superficies
Modificación física Modificación química
Esterificación Agentes de acoplamiento Copolimerización Corona Plasma Mercerización Calentamiento
Figura 1.17. Métodos de modificación de superficie (Pickering, 2008, pp. 128-135)
Algunos investigadores analizaron el efecto del tratamiento alcalino de la fibra de coco, en las propiedades mecánicas de compuestos de matriz poliéster reforzados con fibra de coco y vidrio. Hallaron que al dar un tratamiento alcalino, se logró un significativo incremento en la resistencia a la tracción, además de una considerable disminución de la adsorción de humedad. Similar comportamiento han observado otros investigadores al tratar con refuerzos constituidos de fibra de bambú y fibra de vidrio en una matriz de PP así como también fibras de piña, sisal y vidrio en una matriz poliéster (Friedrich et al., 2005, p. 316).
1.3.2. FRACCIÓN VOLUMÉTRICA Y DISTRIBUCIÓN DE LAS FIBRAS EN EL MATERIAL COMPUESTO
En materiales compuestos, la cantidad de fibras en el compuesto se expresan en términos de fracción volumétrica, para ello, se emplea la ecuación 1.1:
ܺ ൌ௩
௩ [1.1]
Donde
ݒ= Volumen de las fibras.
Se ha observado que a valores mayores a la fracción volumétrica de 0,8 (80 %) la matriz no rodea las fibras y se presentan dificultades en la manufactura. Por otro lado, la uniformidad de dispersión de las fibras en la matriz es un parámetro importante en la determinación de las propiedades mecánicas de los compuestos. En la Figura 1.19, se muestra una matriz de polipropileno reforzada en la parte superior con fibras abacá orientadas longitudinalmente y en la parte inferior con fibras cortas distribuidas al azar. Las regiones en las que las fibras están distribuidas uniformemente, incrementarán las propiedades del compuesto, no así, las regiones en las que hay más cantidad de matriz que fibras o zonas ricas en resina. La presencia de estas zonas, generan áreas débiles, las cuales bajo carga fallan fácilmente (Askeland, 1998, p. 522; Hoa, 2009, p. 15; Severina, Sadler y Maeva, 2011, p. 147).
Figura 1.18. Distribución de las fibras en una matriz; a) Longitudinalmente; b) Al azar (Cevallos y Tenesaca, 2012, p.139)
1.3.3. CANTIDAD LIMITADA DE POROS Y DEFECTOS
Defectos como delaminaciones, vacíos o porosidades, son producto de la aplicación de una baja presión durante el curado de la resina, la cual no compacta adecuadamente al refuerzo. La cantidad de vacíos aceptable es de alrededor del 1 % (Hoa, 2009, p. 16).
(a
(b) (a)
1.3.4. CONTROL DIMENSIONAL DE LA PIEZA FINAL
Durante el curado, las resinas se contraen en alrededor de 5 a 8 %, de acuerdo al tipo de resina. Esta contracción puede generar esfuerzos residuales e inducir deformaciones que pueden hacerse significativas en piezas de gran tamaño. Resinas con aditivos se utilizan generalmente para controlar este efecto (Hoa, 2009, p. 16).
1.3.5. PROCESAMIENTO DE MATERIALES COMPUESTOS
La procesabilidad de los materiales compuestos depende de la capacidad de combinar y unir sus componentes para formar un material. En el mercado comercial, cerca del 75 % de los compuestos están hechos a base de resinas termoestables, razón por la cual los métodos de fabricación con esta matriz son preponderantes. Entre los más importantes se tiene: moldeo manual, aspersión, moldeo por compresión y compuesto para moldeo de placas. En los siguientes acápites se describen estos procesos (Mazumdar, 2002, p. 115).
1.3.5.1. Estratificación manual
La estratificación manual es un proceso en el que el material de refuerzo se posiciona manualmente en un molde abierto. Se vierte una resina de baja viscosidad encima del refuerzo y se pasa un rodillo para mejorar la impregnación de las fibras, como se observa en la Figura 1.20. El laminado, se construye capa por capa de la mezcla fibra-resina hasta obtener el espesor deseado. En esta etapa se dispone el refuerzo en ángulos deseados, orientación específica, o en los lugares que se necesiten (Mazumdar , 2002, p. 116). En algunos casos es necesario reducir la viscosidad de la resina poliéster para facilitar el flujo alrededor de todas las fibras. Para ello se adiciona el monómero de estireno. Sin embargo, su adición disminuye levemente algunas propiedades mecánicas de la matriz como la resistencia a la tracción y flexión. Se recomienda no adicionar más del
Figura 1.19. Proceso de estratificación manual (Campbell, 2004, p. 401)
30 % (Anderpol, 2001). La cantidad máxima de refuerzo puede variar si se considera la disposición de las fibras y el tipo de fibra, alcanzándose hasta el 80 % de refuerzo con fibras sintéticas (Smith, 2006, p. 658).
El uso de rodillos en la fase de laminado y de prensas durante el curado, mejoran el contacto íntimo entre cada lámina o compactación, y eliminan el exceso de resina y aire atrapado. En la Escuela Politécnica Nacional se han obtenido piezas de compuestos por estratificación manual de excelente calidad sin la presencia de vacíos, al emplear una presión de 1 000 psi (Guerrero y Pontón, 2010).
El curado de las resinas puede darse a temperatura ambiente en un tiempo aproximado de 1h, lo cual reduce significativamente los costos de fabricación. El tiempo de curado depende de las concentraciones del activador y catalizador
Finalmente, una vez obtenido el material se despegan las piezas del molde con suma cautela, para evitar fallas superficiales. Cabe resaltar que las partes obtenidas presentan un solo lado con acabado excelente, es decir la superficie de contacto con el molde, mientras la otra superficie es un poco áspera. Así, se han fabricado piezas grandes y pequeñas como cascos de embarcaciones, paneles de construcción, paneles estructurales, partes de automóviles, etc.
Colocación del refuerzo Vertido e impregnación del refuerzo con la resina
Construcción del laminado capa
El proceso se puede mejorar al realizar un pre-impregnado del refuerzo antes de colocarlo en el molde. Así también, se puede aplicar vacío para promover una mejor consolidación, y obtener laminados con espesores más uniformes y excelentes acabados superficiales (Campbell, 2004, p. 402).
1.3.5.2. Aspersión
Este proceso es similar al moldeo por estratificación, el cual emplea un molde abierto, con la ventaja de conseguir piezas con formas, difíciles de obtener por el método manual. Se usa una pistola en la que se carga las fibras y la resina catalizada como se presenta en la Figura 1.21.
Figura 1.20. Proceso de aspersión (Campbell, 2004, p. 404)
Estas se depositan simultáneamente dentro del molde. Luego se aplican rodillos o escurridores para sacar el aire atrapado y mejorar el remojo del refuerzo. Capas adicionales pueden ser agregadas hasta obtener el espesor deseado. El curado puede ser a temperatura ambiente o con aplicación de calor. El refuerzo máximo
alcanzado por este método es del 35 %. Una ventaja adicional del proceso de
aspersión es su facilidad de automatización, lo cual reduce los costos de mano de obra y la exposición de los trabajadores a gases potencialmente peligrosos (Campbell, 2004, p. 405; Smith, 2006, p. 667).
1.3.5.3. Moldeo por compresión
Es un método en el cual el material se coloca en el molde, se aplica presión y calor para que adopte la forma del molde, como se indica en la Figura 1.22.
Figura 1.21. Moldeo por compresión (Campbell, 2004, p. 413)
Este proceso permite alcanzar un mayor volumen de producción, formas complejas con excelentes acabados superficiales y buen control dimensional. En general, con este método el contenido de fibra de refuerzo es bajo (20-30 %). El moldeo por compresión de termoestables como la resina poliéster y la fibra de vidrio se puede realizar mediante técnicas adicionales como moldeo de placas, preformado (Campbell, 2004, p. 413).
1.3.5.4. Proceso del compuesto para moldeo de placas (CMP)
Es uno de los procesos más empleados en la fabricación de paneles frontales y capós en la industria automotriz. Permite un excelente control de la resina y obtener buenas propiedades mecánicas, con productos uniformes y de altos volúmenes de producción. El proceso es altamente automatizado como se observa en la Figura 1.23. El roving (mechas) de fibra de vidrio de hilos continuos se corta en longitudes pequeñas y se deposita en una capa de resina que se desplaza sobre una película de polietileno. Otra capa de pasta con carga y resina se deposita más tarde sobre la primera para formar un emparedado continuo de
Colocación de la carga
Cierre del molde
Curado bajo calor y presión
fibra de vidrio y resina con carga. El emparedado entre dos láminas delgadas de polietileno se compacta y se enrolla al tamaño requerido.
Figura 1.22. Proceso de moldeo por placas (Smith, 2006, p. 672)
Luego los rollos se cortan de acuerdo a alguna dimensión especifica y se colocan en un molde caliente. Este se prensa a 1 000 psi hasta que el material fluya y pueda moldear el producto final (Smith, 2006, p. 672).
2. PARTE
EXPERIMENTAL
En este capítulo se describen los materiales y equipos empleados en la obtención, caracterización y evaluación de las propiedades mecánicas de los compuestos híbridos. Así también, se detalla la metodología experimental seguida durante la experimentación.
2.1. MATERIALES
Para la elaboración de compuestos de matriz poliéster reforzados con fibra de coco y vidrio se emplearon los siguientes materiales:
· Cáscaras de coco maduro residual · Mats de fibra de vidrio
· Resina poliéster
Las fibras de coco empleadas en el proyecto se extrajeron de cáscaras de coco maduro residual recolectadas de mercados de la ciudad de Quito. Las cáscaras presentaron una longitud aproximada de 19 cm y ancho promedio de 5 cm. Se seleccionaron cáscaras sin presencia de mohos, y sin contaminación de residuos externos como basura, plásticos, entre otros. Estas, se secaron al ambiente bajo sombra y se almacenaron en un cuarto con buena ventilación.
Los mats de fibra de vidrio utilizados fueron de la marca Du Tanpro; constituidos de filamentos individuales de 50 mm de largo, espesor de 0,56 mm y una relación
peso/área de 0,0338 g/cm2. La matriz poliéster que se usó fue una ortoftálica de
marca Anderpol 859 con las características presentadas en la Tabla 2.1.
Para el curado de la resina se emplearon como diluyente al monómero de estireno, como activador de la reacción al octoato de cobalto al 6 % de Co y al peróxido de metil etil cetona (MEKP) como catalizador.
Tabla 2.1. Características de la resina Anderpol 859
Características Valor
Viscosidad Brookfield a 25ºC, (Cps) 1 500-2 500 % Sólidos 68 a 72 Tiempo de gel a 25ºC, (min) 7-10 Temperatura de exotermia, (ºC) 130-145
Tiempo de exotermia, (min) 15-25
(Anderpol, 2010)
2.1.1. EQUIPOS EVALUADOS EN LA EXTRACCIÓN DE FIBRA DE COCO Para la evaluación de la extracción de fibra de coco se usaron tres equipos:
· Trituradora universal modelo WCSJ 20A, con motor eléctrico de 960 rpm y malla media con agujeros de 2,8 cm de diámetro.
· Cepillos metálicos.
· Grata metálica a la que se adicionó un regulador de frecuencia.
2.1.2. EQUIPOS EMPLEADOS EN LA FABRICACIÓN DE LOS COMPUESTOS HÍBRIDOS
La elaboración de las probetas y tableros de compuestos híbridos se ejecutaron en el Laboratorio de Nuevos Materiales de la Escuela Politécnica Nacional. Se utilizaron los siguientes equipos:
· Prensa hidráulica manual de 30 t de capacidad, para la aplicación de presión de moldeo a las probetas.
· Balanza digital Adam, Modelo PGL 6001 con apreciación de 0,1 g, para el pesado de las fibras y otros materiales.
· Moldes de acero para obtener probetas de flexión y tracción según las normas ASTM D 3039 y ASTM D 7264, respectivamente.
· Molde de armazón desarmable de 40 cm × 40 cm para la obtención de probetas de impacto.
· Moldes de madera para la fabricación de tableros.
· Pesos de cemento de 345 kg y de 69 cm × 69 cm para suministrar la presión de moldeo en la elaboración de tableros.
2.1.3. EQUIPOS EMPLEADOS EN LA CARACTERIZACIÓN MECÁNICA La caracterización mecánica de los compuestos híbridos se llevo a cabo en el Laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones de la Facultad de Ingeniería Mecánica. Los equipos utilizados fueron los siguientes:
· Máquina universal de ensayos Tinius Olsen modelo H25KS para ensayos de tracción y flexión de probetas, según las normas ASTM D 3039 y ASTM D 7264, respectivamente.
· Máquina universal de ensayos Tinius Olsen modelo Súper L para ensayos de tracción y flexión de tableros, según las normas ASTM D 3500 y ASTM D 3034, respectivamente.
· Máquina de impacto con caída de dardo para ensayos de impacto según la norma ASTM D 5628.
Para el análisis de la factibilidad técnica de fabricación del compuesto híbrido, se realizaron pruebas de: facilidad en el corte, perforación, clavado, lijado y pegado de piezas. Para ello, se emplearon herramientas usadas en la fabricación de estructuras de madera como: caladora, cepillo de madera, y taladro. Así, se verificó la facilidad de manejo artesanal del compuesto.
2.2. MÉTODOS DE ENSAYO
En la Figura 2.1 se presenta un esquema del procedimiento experimental seguido en el proyecto.
Establecimiento de un método de extracción de la
fibra de coco
Definición de parámetros de procesamiento de los compuestos híbridos por
estratificación Fabricación de probetas de compuesto híbrido Caracterización mecánica Selección de la mejor formulación Tracción Flexión Ensayos de impacto Elaboración de tableros Elaboración de un prototipo Dosificación y tiempo de curado Presión de moldeo Temperatura Flexión Tracción Caracterización mecánica Ensayos preliminares Determinación de las fracciones volumétricas de refuerzo
Disposición de las fibras en el refuerzo Definición de una
distribución de longitudes de fibra de coco
Figura 2.1. Esquema del procedimiento experimental
Para obtener materiales compuestos híbridos primero se estableció un método de extracción de la fibra de coco a partir del mesocarpo del fruto. El procedimiento más apropiado fue definido con base en los siguientes factores: facilidad de extracción de fibra, disponibilidad de equipo, tipo y cantidad de fibra extraída, cantidad de polvo y residuos sólidos generados. En este punto se definió una distribución de longitudes de fibra.
Como segunda fase se definieron los parámetros de procesamiento de materiales compuestos híbridos por estratificación, tales como: presión de moldeo, cantidad de catalizador, activador y tiempo de curado. Se fijó una presión de moldeo que
aseguró obtener probetas libres de imperfecciones superficiales e internas, con una adecuada compactación del material y con dimensiones reproducibles de acuerdo con las normas de la Sociedad Americana para Ensayos y Materiales (ASTM). La cantidad de catalizador y activador de la reacción de curado se definió de acuerdo a la facilidad de mezclado de la resina con las fibras y al tiempo de gelificación de la misma. El tiempo de curado se estableció con base en la facilidad de desmoldeo del material.
Posteriormente, se fabricaron probetas de material compuesto híbrido bajo los parámetros de estratificación definidos. Se analizó la influencia de la variación de la fracción volumétrica de las fibras de coco y vidrio en las propiedades mecánicas del compuesto. De igual manera, se estudió la incidencia de la fracción volumétrica del refuerzo híbrido en dichas propiedades. Así, se consideraron dos fracciones volumétricas de refuerzo híbrido. Las probetas obtenidas fueron caracterizadas mecánicamente mediante ensayos de resistencia a la tracción y flexión de acuerdo con las normas ASTM D 3039-00 y ASTM D 7264-07, respectivamente. El compuesto híbrido que presentó las mejores propiedades mecánicas fue sometido a ensayos de impacto según la norma ASTM D 5628-07.
Finalmente, se elaboraron tableros con la formulación de material compuesto híbrido que exhibió las mejores propiedades mecánicas. Estos fueron caracterizados a través de ensayos de tracción y flexión de acuerdo a las normas ASTM D 3500-R03 y ASTM D 3043-00. Adicionalmente, se fabricó un prototipo con los tableros obtenidos.
2.3. ENSAYOS PRELIMINARES
Esta sección describe las pruebas realizadas para determinar las condiciones adecuadas de manufactura de probetas para ensayos de tracción y flexión, las fracciones volumétricas a emplearse y la disposición de las fibras en el refuerzo. Para ello se siguió la estrategia metodológica mostrada en la Figura 2.2.
Determinación de las fracciones volumétricas de
refuerzo
Establecimiento de la disposición de las fibras
en el refuerzo Ensayos preliminares Fabricación de probetas de flexión Disposición Fv-Fc-Fv Disposición Fc-Fv-Fc Caracterización mecánica
Selección de la disposición con mejores propiedades Elaboración de probetas de tracción norma ASTM
D 3039
Elaboración de probetas de flexión norma ASTM
D 7264
Determinación de la máxima fracción volumétrica admisible en las probetas
Figura 2.2. Estrategia metodológica seguida en los ensayos preliminares
Las fracciones volumétricas a utilizarse se definieron sobre la base de la facilidad de elaboración de probetas de tracción y flexión. Para la conformación del refuerzo híbrido se evaluó la facilidad de ingreso de las fibras con el aumento progresivo de la fracción volumétrica. Así, dentro de cada fracción volumétrica se varió las proporciones de fibra de coco/vidrio en 25 %, es decir, en relaciones coco/vidrio de 25/75, 50/50, 75/25 y se observó su efecto en la fabricación. Previo a la formulación de las probetas se calculó la densidad de las fibras empleadas como se muestra en el Anexo I.
Para la selección de la fracción volumétrica, en caso de encontrarse fracciones adecuadas distintas para cada ensayo, sea el caso de 15 % para ensayos de flexión y 20 % para ensayos de tracción, se escogió la menor fracción con el fin de analizar las propiedades a una sola fracción y potenciar su comparación con resultados bibliográficos. Finalmente, a la fracción volumétrica seleccionada se le reducirá su fracción para analizar su incidencia en las propiedades mecánicas. Posteriormente, se estableció el orden en que se debían colocar las fibras de vidrio y coco en el refuerzo. Para la elección, se consideró la disposición de las