GUÍA PARA ELABORAR PROBETAS DE MATERIAL COMPUESTO: RESINA POLIÉSTER COMO MATRIZ POLIMÉRICA Y CASCARILLA DE ARROZ COMO REFUERZO. Wilmo Marlon Vacacela Miranda. Facultad de Ingeniería Civil y Mecánica Universidad Técnica de Ambato Av. Los Chasquis y Rio Payamino Ambato, Ecuador
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RESUMEN Este articulo está enfocado en una guía de elaboración de probetas de material compuesto entre resina poliéster y cascarilla de arroz; mismo que en nuestro entorno es un material de desecho, se ha descrito en una forma breve los materiales y pasos que deben seguirse para la elaboración de probetas y para la realización de pruebas mecánicas en dicho material esto ha sido analizado en su totalidad en forma bibliográfica, obteniendo de la información recopilada una breve descripción de los materiales que intervienen en la caracterización de este material compuesto, así como de las pruebas y ensayos que deben realizarse para obtener un índice de valores en base a las propiedades del material.
PALABRAS CLAVE – Material Compuesto, resina poliéster, cascarilla de arroz.
ABSTRACT This article focuses on a guide of preparing specimens composite between polyester resin and rice husks; in our environment is a waste material, described in a brief way the materials and steps to be followed for the development specimens and for conducting mechanical tests on the material, that has been analyzed in its entirety in bibliographic form, information compiled it's a brief description of the materials involved in the characterization of this composite material, as well as tests and trials to be performed to obtain an value index based on the material properties.
KEYWORDS – Composite, polyester resin, rice husk.
INTRODUCCIÓN
facilidad de conseguirlas.
Desde el desarrollo de la industria una de las características claves de este desarrollo ha sido la búsqueda de nuevos materiales y el impacto del uso de fibras ha tenido un aporte positivo debido al bajo costo de las mismas y en cierto modo la
Hace muchos siglos atrás, se han venido utilizando en nuestra civilización fibras naturales para un sinnúmero de aplicaciones, en muchos países se han explorado las posibilidades para la
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utilización de fibras naturales de una diversidad de plantas, dentro de las cuales se encuadran: bagazo, paja de cereales, tallos de algodón, caña de maíz, kenaf, cascara de arroz, etc. La gran mayoría de las fibras han sido incorporadas principalmente en la producción de cartón duro y tableros particulados, gracias a la aparición de los polímeros a partir del siglo XIX los investigadores han tenido nuevos dimensionamientos para la utilización de fibras en campos más versátiles, la fibra natural a pasos lentos pero importantes, está ganando popularidad en diferentes aplicaciones debido a sus propiedades dimensionales, este interés ha dado lugar a nueva configuración y conformación de compuestos a base de fibras naturales que han logrado en una parte, algunas estar a la par de las sintéticas, lo que ha dado lugar a darles usos en aplicaciones industriales significativas como la industria Automotriz y una gran industria que se ha beneficiado de sus beneficios es la de la construcción. [1]
complejas a precios relativamente bajos. [2]
PROPIEDADES MATERIALES REFORZADOS NATURALES
Al hablar de propiedades mecánicas de los materiales compuestos de refuerzos de fibras naturales, estos no dependen en su totalidad de las propiedades intrínsecas de sus componentes, lo más viable es considerar los factores de: adhesión fibra – matriz, relaciones de longituddiámetro de la fibras, las interfaces, orientaciones geométricas, peso de la fibras al igual que las fracciones volumétricas e incluso su procesos de manufactura. [2]
LAS
FIBRAS VEGETALES COMO REFUERZO EN LOS MATERIALES COMPUESTOS
Se les atribuye un proceso relativamente bajo en cuanto a su caracterización, siendo uno de sus mejores atributos el hecho de su bajo costo, lo cual permite tratar otros aspectos de relevancia en cuanto al diseño de materiales, proveedores de materia prima y referente a lo ambiental; los enfoques primordiales vienen dados en base a que los tratamientos de los materiales no sean muy costosos y que les confieran características de adhesión a la matriz y resistencia mecánica que se buscan en la fibra. [3]
MATERIALES COMPUESTOS Estos se obtienen a partir de la combinación de dos o más componentes, los mismos que sometidos a distintos procesos se conforman en uno, adquiriendo característica y propiedades especificas, dentro de las cuales está el aligeramiento de peso, resistencia a la corrosión, así también aislamiento térmico y eléctrico, el material continuo se lo denomina matriz el mismo que puede ser metálico, cerámico o polimérico. El material discontinuo se lo conoce como reforzarte y este puede ser constituido por fibras metálicas, naturales o sintéticas; material particulado como arena, grava, etc., o también estructural como los laminados y paneles de sándwich. [2]
VENTAJAS DE COMPUESTOS
LOS
DE LOS COMPUESTOS CON FIBRAS
MATRIZ - RESINA POLIÉSTER En el medio se cuenta con una gran variedad de resina de poliéster de distintos fabricantes, el principal factor que se debe tener en cuenta para la eficaz selección de una resina para el proceso necesario es la viscosidad y la reacción de la misma en relación con la temperatura, ciclo de curado, compatibilidad entre fibras reforzantes y matriz.[4] Se puede utilizar una resina termoestable más conocida como poliéster insaturado, la apariencia física es muy similar a la de un liquido viscoso, este material para llegar a un estado de solidificación debe ser sometido a una reacción química exotérmica denominada “curado”, misma que puede ser realizada a temperatura ambiente con ayuda o no de presión mediante la unión de dos compuestos químicos a los cuales se los denomina catalizador y acelerarte, La resina poliéster en la conformación del material compuesto es la encargada de configurar una matriz polimérica misma que
MATERIALES
-Alta resistencia.- se tiende a diseñar materiales compuestos para aplicaciones específicas.[2] -Peso ligero.- Mas específicamente en estructuras se utilizan los compuestos para logra una mayor efectividad peso-resistencia. [2] -Resistencia anticorrosiva. [2] -Protección a largo plazo de a temperaturas del medio ambiente y a químicos severos. [2] -Facilidad de moldeo en formas diversas y
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aglutinara el refuerzo del poliéster (Cascarilla de arroz). [5]
Figura 2: Cascarilla colombia.blogspot.com)
de
arroz
(www.bonsai-
Figura 1: Resina poliéster (www.bricolaje.facilisimo.com)
METODOLOGÍA REFUERZO:
CASCARILLA
Para un correcto procesamiento de la unión de la matriz con respecto al refuerzo se deben seguir varios pasos mismos que se describen a continuación:
DE
ARROZ
Se lo cataloga como un material desechable el mismo que proviene del resultado de la pilación del arroz, el mismo que se puede encontrar en las piladoras Ecuatorianas y en el presente no tiene una utilización relevante, no tiene valor alimenticio para el ser humano debido a sus características nutricionales muy pobres y su alto contenido de silicio lo que lo vuelve muy abrasiva para órganos respiratorios y digestivos. La principal característica es “poseer una epidermis con una iteración de celulosa rica en sílice”, exteriormente no es lisa tiene una aspereza singular, comúnmente es conocida por su forma piramidal configurada en cuadricula asemejándose mas a rectangular, su longitud esta en un rango entre 5mm a 10 mm, dependiendo del medio en que se encuentre tiende a ganar o perder humedad equilibrándose al entorno, se sabe que algunos de los usos más comunes de la cascarilla de arroz en países más industrializados es para: Combustible, forraje, fuente de sílice, fuente de carbón, material de empaque, pigmentos, fertilizantes, adsorbentes, aglomerados, etc. [6]
-Limpieza de la cascarilla de arroz.- Debido a que las cascarillas obtenidas o resultantes de la pilación del arroz suelen contener impurezas como polvo, arroz particulado y arena fina, este necesita ser limpiado para obtener un material puro, luego de lavarlo con agua lo aconsejable es dejarlo secar bajo el sol durante 8 horas. [7] estas cascarillas presentan unas dimensiones aproximadas de 8 mm de largo por 4 mm de ancho. [8] -Se procede a dosificar los componentes para la elaboración de la matriz en este caso la resina poliéster a la cual se le suma el endurecedor mediante una relación que se muestra en la ec. (1) fue expresada la dosificación que involucra a los componentes según los autores. [5][9] [100] : [1] [Resina] : [endurecedor]
(1)
-A continuación según autores, se procede a describir la secuencia de pasos utilizada para el mezclado de componentes. a) Se procede a mezclar en un recipiente la resina poliéster en combinación con el catalizador mismo que debe ser agitado por un periodo de 3 a 5 minutos.[7]
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b) Se añaden las cascarillas de arroz y se las mezcla poco a poco para permitir una dispersión total y apropiada de la fibra dentro del gel de la mezcla. [7]
respectivo procedimiento de caracterización y conformación de las mismas.
c) Los moldes deben ser tratados previamente con un agente de liberación para evitar que los materiales obtenidos finalmente se adhieran al molde, [7] los mismos que deben ser fabricados previamente con las medidas y formas deseadas, un buen material para este puede ser el de silicón blanco debido a la facilidad de adopción de forma requerida.[6] d) Finalmente, luego que la mezcla se haya vertido en el molde se debe dejar reposar por un lapso de 24 horas para asegurar completamente el curado y endurecido.[7]
Figura 4: Ejemplos de probetas caracterizadas bajo Norma ASTM D638 [9]
PROBETAS PARA PRUEBAS PRUEBAS Y ENSAYOS
Se alistan probetas de carga con 5%, 10%, 15% y 20% de cascarilla de arroz, las probetas de ensayos para este tipo de compuesto se deben realizar mediante norma ASTM D638 – Tipo I. El tamaño del molde es de 200 mm (longitud L) x 150 mm (ancho, w) x 3 mm (espesor, T) [9]
Dentro de los ensayos y pruebas mecánicas asignados a verificar y/o analizar la efectividad o no de la unión han permitido obtener resultados que ayudan a decisiones dentro de los parámetros de criterio de diseño y el diseño en si con respecto a los materiales compuestos, una de las más importantes es que las fibras deben proveer la rigidez del conjunto, también se puede decir que al momento de en qué las fibras se deslizan rozando con fricción sobre la interface con la matriz es donde se puede observar un mejor comportamiento inelástico. [3] En lo que comprende el material de la matriz se consideran aspectos de diseño, de igual que en el caso de las fibras y en sí de todo el compuesto, esto se da en base a conclusiones de carácter teórico acerca de los fenómenos físicos subyacentes o asistidas por ciertas técnicas de microscopia las que podemos mencionar como observaciones experimentales.[3] Para efectuar evaluaciones de comportamiento mecánico del compuesto final obtenido se asiste al soporte y revisión de normas bajo las cuales se rigen todas las evaluaciones al material. El ensayo de tracción de las probetas se deben realizar bajo norma ASTM D-638, las de flexión bajo norma ASTM D-790, las de resistencia al impacto bajo norma ASTM D-276, las de densidad bajo norma ASTM D-792, de intemperismo bajo norma ASTM D-154 y la más recomendable para las mediciones de dureza son la norma ASTM D-2240. [2] [10]
Figura 3: Norma ASTM D638 (www.astm.org)
A continuacion se muestra un ejemplo de cómo deben quedar las probetas una vez realizado el
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Ensayo de Tensión.- Para este ensayo se utiliza la asistencia de una maquina universal para lo cual se emplea la norma ASTM 638 para tensión y ASTM D-790 para flexión, una vez realizado el ensayo se obtiene la curva esfuerzodeformación, también el valor del esfuerzo máximo alcanzado durante la prueba y a se procede a realizar los cálculos para obtener el valor del módulo de flexión, cabe mencionar que el módulo de elasticidad es obtenido a partir de pendiente inicial de las curvas esfuerzo contra deformación unitaria. [2]
cual se puede tener un amplio mercado, siendo una excelente opción debido a la compatibilidad con el medio ambiente. Se debe tener muy en cuanta sobre cuáles son las normas ASTM que se debe utilizar para la elaboración de probetas y obtención de resultados. En la actualidad existen softwares relacionados con la temática de análisis de resultados los cuales pueden ser de mucha utilidad para una rápida y efectiva obtención de análisis de resultados.
Densidad.- La densidad de los productos finales se puede determinar mediante el procedimiento descrito en la norma ASTM D-792, de los resultados se obtiene una densidad promedio para el compuesto. [2]
REFERENCIAS 1. Rai, A. Jha, C. N. Natural fibre composites and its potential as building materials. Development Officer, BMTPC, New Delhi.
Solo se hacen referencia los ensayos de tención y de densidad debido a que son los más relevantes en cuanto al análisis y estudio de un material compuesto.
2. Caldera, C. Miramontes, D. Hernández, A. Trujillo-Barragan, M. (2012). Caracterización de materiales compuestos de matriz polimérica con fibra de ixtle.
CONCLUSIONES Dado a lo explicado anteriormente se puede concluir que la preparación de un compuesto con refuerzo de fibra natural en si encierra una ardua labor en cuanto a la preparación de los elementos y materiales que intervienen.
3. Barrera, M. Hidalgo, M. Mina, J. (2012). Compuestos laminados de matriz polimérica reforzados con fibras naturales: Comportamiento mecánico. Scientia et Technica año XVII, No. 51, pp. 51-59. ISSN 0122-1701
Se puede obtener en el mercado un sin número de resinas poliéster y los datos que se han registrado en este documento en cuanto a la relación de resina sumada al acelerante es una composición promedio para el curado de la matriz.
4. Jaramillo, L. Patiño, I. (2012). Selección de resinas de poliéster insaturado para procesos de transferencia de resina en molde cerrado. Rev. Tecno Lógicas No. 28 pp. 109-127. ISSN 01237799. 5. Chanchí, J. y otros. (2008). Caracterización comportamental de vigas I hechas de un material construido por una matriz polimérica de resina poliéster y un llenante de cascarilla de arroz. 12th International conference on project engineering. Pp. 361-371.
En cuanto a la fabricación esta presenta en muchas facetas una ventaja en cuanto a la utilización de los equipos industriales, debido a que es mucho más económica y versátil, en los procesos se puede utilizar una variedad de moldes y en extensión de variedad de formas como planas, curvas, cóncavas, cilíndricas, etc.
6. Fuentes, R. Rocha, J.Mendoza, D. Amézquita. F. (2008). Comportamiento mecánico del poliuretano reforzado con fibras de yute y fibras de cascarilla de arroz. Enlace Químico-revista electrónica Vol 2. No. 1.
Los parámetros explicados en este documento pueden ser empleados como guía en composiciones de matriz resina poliéster en combinación con otra fibra natural.
7. Hardinnawirda, K. SitiRabiatull, I. (2012). Effect of rice husks as filler in polymer matrix composites. JMES e-ISSN: 2231-8380; Vol. 2 pp. 181-186.
RECOMENDACIONES
8. Desirello, C. Cerini, S. Charadía, R. Scalfi, R. Liberman, C. Stefani, P. (2004), Efecto de las condiciones de procesado sobre las propiedades
La temática de materiales compuestos en nuestro medio es algo no muy explotado razón por la
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mecánicas de aglomerados de cascara de arroz. Congreso CONAMET/SAM. 9. Syed, S. (2013). Effect of fiber volume fraction on tensile properties of rice husk reinforced polyester composites. Advances in Enviromental Biology, ISSN: 1995-0756; 7(6): 1101-1104. 10. Ahmad, I. Abu Bakar, D. R. Mokhilas, S. N. Ramli, A. (2005). Recycled pet for rice husk/polyester composites. AJSTD Vol. 22 Issue 4 pp. 345-353.
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