Resistencia a la fractura en medio II de un material compuesto con refuerzo lignocelulósico / Roberto Carlos Anaya Ramírez

Tesis (I.M.) .-- Instituto Tecnológico de Mérida, 2011.

Los materiales compuestos poliméricos tienen principalmente dos componentes, una matriz polimérica (fase continua) y una inclusión en forma de partícula o bien de fibra (fase discontinua); presentan características únicas y pueden ser utilizados eficientemente en aplicaciones estructurales. Las propiedades presentadas por los materiales compuestos son determinadas por los materiales constituyentes; es decir, la fibra y la matriz, y, en,muchos casos por la interfase fibra- matriz. La palabra "interfase" será usada como un término general para categorizar la región polimérica que rodea a la fibra. Actualmente es más aceptado el concepto de que las propiedades de la interfase no son similares alas de la matriz polimérica, ni alas de la fibra. La interfase consiste de material polimérico formado por la interacción química del tratamiento superficial o recubrimiento sobre la fibra y el de la matriz adyacente a ésta durante el proceso de fabricación del compuesto. [1] Las fibras tradicionales utilizadas en ingeniería tales como fibra de vidrio, fibra de carbono, etc. Han sido utilizadas extensivamente en materiales compuestos de matriz termoplástica para mejorar la rigidez y la resistencia. Pero hasta la presente fecha, el uso de materiales celulósicos para el reforzamiento de polímeros termoplásticos ha sido limitado. En años recientes, ha nacido un gran interés en la utilización de las fibras naturales. El refuerzo de ´polímeros termoplásticos con fibras naturales se ha hecho muy atractivo debido a las buenas propiedades mecánicas y el bajo costo de los materiales que se obtienen. La idea de utilizar fibras naturales para la elaboración de materiales compuestos poliméricos no es reciente; sin embargo, en los últimos años el interés de incorporar fibras celulósicas, como el henequén, sisal, jute, etc., ha venido incrementándose, ya que éstas han demostrado tener propiedades aceptables para actuar como refuerzo mecánico en matrices poliméricas termoplásticas. Las fibras naturales le imparten a los materiales compuestos termoplásticos ciertos beneficios como: menor densidad, un cierto grado de biodegradabilidad, menos abrasivas durante su procesamiento, la posibilidad de ser reciclados, entre otras. A pesar de estos beneficios, las fibras naturales no han desarrollado todo su poten,cial como elementos de refuerzo mecánico ya que su alto contenido de celulosa les confiere propiedades hidrofílicas, mientras que la mayoría de las matrices poliméri~as termoplásticas existentes, como el polietileno, polipropileno, poliestireno, etc., son hidrofóbicas. Esta diferencia de propiedades fisicoquímicas da como resultado una pobre compatibilidad entre la fibra y la matriz, reflejándose esto en una deficiente transferencia de esfuerzos de la matriz a la fibra, por lo que las propiedades, mecánicas efectivas del material compuesto son deficientes. Por lo tanto, es de primordial importancia el asegurar que exista una buena interacción entre las fibras naturales y la matriz polimérica para aprovechar la capacidad de reforzamiento de las fibras naturales. Para esto se han realizado muchos trabajos para mejorar la compatibilidad e interacción entre la fibra y la matriz utilizando agentes de acoplamiento tipo silano[1 ,3] Las fibras naturales se han utilizado en forma de refuerzos discontinuos (fibras cortas) de modo que los materiales compuestos que se obtienen, poseen una microestructura compleja, como consecuencia de la distribución y orientación de la longitud de la fibras, la existencia de una interfase y de las concentraciones de esfuerzos que existen en los extremos de las fibras, las cuales afectan las propiedades mecánicas del material compuesto, por lo que la interpretación de la resistencia, la tenacidad y módulo de estos compuestos no está bien establecida. Por lo tanto, en el diseño de un material compuesto reforzado con fibras naturales y en el proceso de selección del refuerzo, son parte fundamental debido a que la condición de la interfase que controla el modo de propagación de las microgrietas en los extremos de las fibras, actúan como concentraciones de esfuerzos. Por lo tanto, cuando existe una buena adherencia entre las fibras y la matriz, la falla no se propaga a lo largo de la longitud de la fibra y permanece la efectividad del reforzamiento de la fibra [1 ] En este proyecto se pretende estudiar en detalle el comportamiento del material compuesto de matriz termoplástica y refuerzo de tipo lignocelulósico, específicamente cuando éste es sometido a cargas de cortante. Es necesario mencionar, que debido a la dificultad de obtener un estado de corte puro, esto es, que existen típicamente utilizadas en la caracterización de los materiales compuestos, específicamente respecto al comportamiento interfacial fibra-matriz y la adhesión entre ellas. El constante crecimiento de la aplicación de materiales poliméricos, ya sean puros o reforzados, han incrementado la necesidad de desarrollar parámetros capaces de describir el comportamiento a la fractura de los mismos. La caracterización de materiales dúctiles siempre ha sido más complicada que la de los materiales frágiles, por lo cual se pretende analizar los modos de fallas del compuesto polimérico reforzado con fibras naturales de henequén utilizando para esto la prueba a cortante losipescu para un análisis experimental en modo de falladel compuesto bajo esfuerzos cortantes, en este caso se pretende analizar en modo II de fractura, basándonos en el concepto de Tra~ajo Esencial de Fractura (EWF). El estudio encontró que la resistencia ala fractura en modo II se puede determinar mediante el análisis de datos efectuando la doble regresión lineal[25], es decir, mediante la extrapolación de un trabajo específico de fractura el cual se define como la energía absorbida por fractura dividida por el área transversal del ligamento entre las puntas de muesca. Para efectuar este estudio se realizaron varias pruebas utilizando muestras las cuales contienen fibras con diferentes tratamientos superficiales con muescas que varían desde 1 mm, 2 mm, 3mm, y 4mm de profundidad, utilizando el método de prueba de losipescu descrito en la norma ASTM 05379, utilizando un accesorio para prueba a cortante Wyoming adaptado a la máquina de prueba universal.