Caracterización y modelamiento de la fibra de ichu para su uso como refuerzo en materiales compuestos laminados

Abstract

En esta tesis se realizó la caracterización de las propiedades mecánicas como la resistencia mecánica, modulo elástico y máxima deformación unitaria de las fibras extraídas de la planta Stipa Obtusa (ichu) mediante la prueba de tensión siguiendo los lineamientos de las normas ASTM C1557 y ASTM D3033, con el fin de evaluar su potencial como refuerzo en materiales compuestos de matriz polimérica. Se optimizaron las propiedades mecánicas de la fibra al someterla tratamientos termoquímicos con 0.5 M NaOH, con una duración de 1.5, 3.5 y 5 horas y a una temperatura constante de 70°C. La compatibilidad de las fibras tratadas con una matriz de poliéster no saturado fue estudiada mediante la prueba de fragmentación a fibras individuales, siguiendo los lineamientos propuestos por la Technical University of Denmark. De los resultados de compatibilidad y propiedades mecánicas, el mejor tiempo de tratamiento se fijó a 3.5 horas. Posteriormente, estas fibras fueron utilizadas para evaluar sus propiedades a diferentes longitudes de fibra, velocidad de deformación y ante una deformación cíclica; mostrando una disminución en la resistencia mecánica y deformación con el incremento de la longitud, una reducción de resistencia y modulo a velocidades de deformación en el orden de 0.2 mm/min y un incremento en el módulo elástico al ser sometido a deformaciones cíclicas. Para los casos evaluados, los resultados muestran que la resistencia de la fibra de Ichu se encuentra en el rango de 362 a 514 MPa, su módulo elástico de 21.8 a 28.6 GPa y una deformación unitaria entre 1.7 y 2.3%. Finalmente, para determinar el resto de propiedades mecánicas de la fibra, se utilizó un modelamiento analítico basado en la homogenización por el método de los cilindros concéntricos, obteniendo las propiedades mecánicas de la fibra, que no serían posible de obtener mediante caracterización experimental. Los resultados muestran que la fibra de Ichu posee potencial para utilizarse como refuerzo en materiales compuestos de matriz polimérica.

In this thesis, the characterization of mechanical properties like strength, elastic modulus and strain to failure of the fibers extracted from the Stipa Obtusa plant (ichu) was performed according to the ASTM C1557 and ASTM D3033 standards, in order to evaluate their potential as reinforcement in polymer matrix composites. The mechanical properties of the fiber were optimized using a thermochemical treatment with 0.5 M NaOH, with a treatment time of 1.5, 3.5 and 5 hours at a constant temperature of 70 °C. Fiber-matrix compatibility of the treated fibers and unsaturated polyester matrix was studied via the single fiber fragmentation test, following the guidelines of the Technical University of Denmark. From compatibility and mechanical properties results, the best treatment time was set to to 3.5 hours. Afterwards, these fibers were used to evaluate their properties at different fiber lengths, strain rates and cyclic deformation; showing a decrement in strength and strain with an increase in fiber length, a reduction of strength and elastic modulus when the strain rate is around 0.2 mm/min, and an increment in the elastic modulus when subjected to a cyclic strain. For the evaluated cases, results shows that the Ichu fiber strength is in the range of 362 to 514 MPa, the elastic modulus from 21.8 to 28.6 GPa, and the failure strain is in the range between 1.7 to 2.3%. Finally, to determine the remaining mechanical properties of the fiber, an analytical modelling based on the concentric cylinder method was used, obtaining the mechanical properties of the fiber that cannot be obtained by experimental characterization. Results shows that the Ichu fiber has potential to be used as a reinforcement in polymer matrix composites.