Materiales Compuestos de Fibras Naturales

Resumen

Desarrollar una industria ecológica basada en materiales renovables, tecnologías sostenibles y procesos óptimos con bajo impacto ambiental es un objetivo fundamental, pero sigue siendo un desafío considerable por lograr. A pesar de la gran cantidad de investigaciones sobre materiales compuestos basados en fibras naturales, limitadas investigaciones se han llevado a cabo sobre la metodología de fabricación más adecuada para desarrollar un material estructural a nivel industrial. La mayoría de soluciones propuestas, han desarrollado solo paneles a nivel laboratorio con diferentes fibras naturales. Sin embargo, las metodologías y valores medios obtenidos no se pueden extrapolar a nivel industrial, ni considerarlos como referencia puesto que la mayoría de estudios no se basan en una normativa estándar. La industria de productos con la fibra de bambú ha aumentado en el sector estructural secundario, en aplicaciones como la construcción de viviendas, puentes, tarimas y dispositivos deportivos, porque es una de las materias primas de menor coste y altas propiedades mecánicas específicas. A nivel industrial, los productos se fabrican solo con la región interna e intermedia de la caña de bambú. Sin embargo, se ha determinado que las propiedades mecánicas de la sección externa son considerablemente mayores. Por lo tanto, se ha realizado un proceso de extracción mecánico de tiras esbeltas de fibra continua de bambú (1,5 mm de grosor y 1500 mm de largo) de dicha zona, seguido de un proceso de laminado manual en la dirección y forma basada en la norma, para fabricar paneles con propiedades mecánicas específicas comparables al material compuesto fibra de vidrio-E y resina epoxi, en términos de resistencia y rigidez. Las tiras de bambú se unieron mediante una matriz de ácido poliláctico termoplástico (PLA) natural para cumplir con los requisitos de biodegradabilidad. Por otra parte, con la resina termoestable epoxi y fenólica, para tener una mejor adhesión en la interfase. El innovador proceso de extracción mecánica, permite extraer refuerzos de tiras naturales con altas propiedades mecánicas específicas, con un impacto ambiental mínimo, al no utilizarse tratamientos químicos para la extracción. A su vez, se ha considerado fibras aisladas como el lino, sisal, seda y algodón, para desarrollar una cinta unidireccional semi impregnada mediante un proceso de bobinado de fibras continuas. El lino ha sido considerado como fibra técnica, fabricado para la empresa Safilin; otro objetivo principal de la tesis es determinar los verdaderos permisibles del compuesto, ya que las empresas y muchas investigaciones siguen publicando una gama de valores no coherentes. Además, para validar las aplicaciones estructurales del material compuesto, las propiedades mecánicas han sido analizadas tras condiciones de envejecimiento, con el fin de determinar las limitaciones, principalmente relacionadas con las propiedades de la interfase. Finalmente, además de la extensa campaña de ensayos, se han fabricado cinco demostradores para mostrar la capacidad de usar los materiales desarrollados en aplicaciones estructurales secundarias con geometrías no simples. Los materiales compuestos podrían satisfacer los requisitos de propiedades mecánicas específicas y las restricciones futuras en términos medioambientales del ciclo de vida en sectores industriales como el eólico o la automoción. ----------ABSTRACT---------- Developing an eco-friendly industry based on green materials, sustainable technologies, and optimum processes with low environmental impact is a general societal goal, but this remains a considerable challenge to achieve. Despite the large number of researches on green composites materials, limited investigation has taken place into the most appropriate manufacturing methodology to develop a structural material at industrial level. Laboratory panels have been manufactured with different natural fibers but the methodologies and values obtained could not be extrapolated at industrial level and considered as reference because the studies have not been performed based on standards. Bamboo industry products have increased in the secondary structural sector such as building application, flooring and sport device, because it is one of the cheapest raw material and highest specific mechanical properties. At industrial level, the panels are manufactured with only the inner and intermediate region of the bamboo culm. However, it has been found that the mechanical properties of the external shells of bamboo culm are much better than the average cross-sectional properties. Thin strips of bamboo (1.5 mm thick and 1500 mm long) were machined and arranged with the desired lay-up and shape to obtain laminates with specific properties better than those of conventional E-Glass/epoxy laminates in terms of both strength and stiffness. The strips of bamboo were bonded together by a natural thermoplastic polylactic acid (PLA) matrix to meet biodegradability requirements, epoxy and phenolic thermoset resin, to have better interphase adhesion. The innovative mechanical extraction process developed in this Thesis can extract natural strip reinforcements with high performance and high rate, with no negative environmental impact, as no chemical treatments are used. The process can be performed at the industrial level. Isolated fiber such as flax, sisal, silk and cotton have been considered, in order to develop a semi impregnated unidirectional tape by a filament winding process. The flax has been considered as technical fiber, manufactured for the Safilin Company, the main aim of this study is to determine the real allowable of the composite, because the companies and many researches are still publishing non-coherent range of values. Furthermore, in order to validate the structural applications of the composite, the mechanical properties were analyzed under ageing conditions, in order to determine the limitations, mainly related with the interphase properties. Finally, moreover of the extensive test campaign, five demonstrators have been manufactured in order to demonstrate the capability to use the developed materials in secondary structural applications with nonsimple geometry. The composite materials could satisfy the requirements for adequate mechanical properties and Life cycle costs at industrial sectors such as energy or automotive.