Mechanical behavior of a composite material using a polyester matrix reinforced with Guadua angustifolia bamboo fibers (2020)
Las fibras naturales se han convertido en un recurso valioso para la industria de los materiales compuestos. Su uso como refuerzo de matrices poliméricas le proporciona múltiples beneficios al material compuesto, siendo destacable la resistencia mecánica por unidad de peso y el bajo costo de producción por unidad de volumen. El comportamiento mecánico de los materiales compuesto está fuertemente influenciado por las propiedades de los materiales constituyentes y de la uni ́on entre matriz y fibras. Debido a la naturaleza hidrófila de las fibras naturales y al comportamiento hidrófobo de los polímeros comúnmente empleados, existe una incompatibilidad físico-química entre las fases del material compuesto. Esta incompatibilidad trae como consecuencia una deficiente transferencia de esfuerzos desde la matriz hacia las fibras, y por lo tanto, un inadecuado desempeño mecánico del material compuesto. As ́ı, es necesario tratar las fibras o las matrices poliméricas para mejorar las propiedades finales del material compuesto. Tradicionalmente, en aplicaciones industriales los tratamientos esta ́ direccionados a la modificación de las fibras naturales. El objetivo de esta investigación es usar fibras de bambú Guadua angustifolia (fibras de guadua) como refuerzo de matrices de poliéster. Para aumentar la compatibilidad entre las fases, antes de la fabricación del material compuesto, las fibras de bambú se trataron usando enfoques químicos o físicos. En el enfoque químico, se utilizaron tratamientos alcalinos (con hidróxido de sodio) para reducir las características hidrófilas de las fibras de guadua, lo que induce una mayor compatibilidad química con la matriz de poliéster. En el enfoque físico, se usaron tratamientos plasma (de grabado en seco) para aumentar la rugosidad superficial de las fibras de guadua, aumentando así el agarre mecánico (por fricción) con la matriz. Así, en esta investigación se estudió la influencia de las dos técnicas de compatibilización en las propiedades (físicas, microestructurales, químicas y mecánicas) de las fibras de guadua y del compuesto guadua-poliéster. El programa experimental se enfoco ́ en la extracción y caracterización de fibras de guadua, así como en la caracterización de la matriz de poliéster y del compuesto. Los resultados obtenidos muestran que los tratamientos alcalinos disminuyen la resistencia a tracción de las fibras de guadua cerca de un 42% para la concentración ma ́s alta. En contraste, los tratamientos con plasma no afectan considerablemente la resistencia a tracción de las fibras. Además, ambas técnicas de compatibilización mejoran la resistencia a tracción y flexión de los compuestos guadua-poliéster, debido al incremento en la adherencia entre las fases del material compuesto. Finalmente, se propone un modelo anal ́ıtico para describir el comportamiento macroscópico del material compuesto ante cargas de tracción, obteniendo diferencias cercanas al ±3% entre los valores medidos y los calculados. Esta tesis demuestra la potencialidad del uso de fibras naturales como refuerzo de materiales compuestos, los cuales pueden ser usados en diversas aplicaciones de ingeniería debido a su adecuado desempeño mecánico.