Manufacturing, characterization and modelling of biodegradable composite materials
- Autores: Ángel López Rubio
- Directores de la Tesis: Carlos Santiuste Romero (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad Carlos III de Madrid ( España ) en 2016
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Fernández Sáez (presid.), Eugenio Giner Maravilla (secret.), Samuel Charca Mamani (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial por la Universidad Carlos III de Madrid
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: e-Archivo
- Resumen
En las últimas décadas se ha producido un gran auge en el desarrollo de materiales renovables debido a la concienciación en el cuidado del medio ambiente. Parte de la investigación en dichos materiales se ha focalizado en el desarrollo de plásticos de origen vegetal, lo que ha dado pie a la producción de materiales compuestos biodegradables (biocomposites) empleando fibras naturales como refuerzo de dichos plásticos ‘verdes’. El uso de los biocomposites puede suponer una gran reducción en el impacto ambiental de componentes industriales tras su ciclo de vida, por lo que el desarrollo de herramientas para el diseño con biocomposites significaría un gran avance para su implementación en la industria.
En el presente trabajo se han planteado por primera vez las bases para el desarrollo de herramientas para el modelizado de los biocomposites desarrollando un modelo constitutivo que los defina, basándose dicho modelo en la simulación de su comportamiento mecánico por medio de elementos reológicos. Los siete parámetros del modelo han sido ajustados mediante ensayos a tracción cuasi-estáticos, mientras que la validación de los mismos se ha realizado con éxito por medio de ensayos de relajación y de ensayos de tracción a distintas velocidades de deformación. El modelo constitutivo ha demostrado ser válido para compuestos de PLA reforzado con algodón, lino y yute, permitiendo una mayor comprensión del comportamiento de los biocomposites, tal como el hecho de que los comportamientos viscoplásticos tienen origen en las fibras y no en la matriz. La existencia de un modelo constitutivo para biocomposites abre las puertas a su aplicación en componentes de responsabilidad estructural reduciendo enormemente los costes de diseño. Sin embargo, no ha sido posible aplicar el modelo en ACC (All Cellulose Composites), fabricados mediante infusión por vaciado, lo que significa la gran variación del comportamiento mecánico de los materiales compuestos biodegradables dependiendo del método empleado para su producción.
Dichos materiales han sido fabricados al no ser posible encontrarlos comercialmente dado su reciente desarrollo y se ha optado por desarrollar cuatro materiales para comprobar la versatilidad del modelo constitutivo. Los materiales compuestos biodegradables de PLA se han fabricado mediante modelizado por compresión en caliente, empleando dos tipos de PLA y tres fibras naturales (lino, algodón y yute). Por otro lado, los ACC han sido fabricados mediante la disolución de la celulosa superficial de las fibras, que tras una regeneración conforma la matriz del compuesto. Por lo tanto, se han fabricado con éxito cuatro biocomposites diferentes en el marco de la tesis.
Los parámetros que influyen en el proceso de fabricación de los compuestos de PLA (temperatura, presión, número de capas, tipo de fibra y tipo de matriz) han sido optimizados para la obtención de un material con una resistencia superior a los 100 MPa, lo que revela su potencial aplicación para la sustitución de los materiales compuestos tradicionales, especialmente los compuestos de fibra de vidrio. Esto hace prever un gran incremento en su uso en aplicaciones industriales tales como la automoción o la aviación. Sin embargo, también se ha podido observar que los biocomposites presentan un comportamiento viscoso con deformaciones permanentes, lo que dista del comportamiento elástico lineal hasta rotura de los materiales compuestos tradicionales. Esto ha motivado el desarrollo de herramientas de cálculo para los biosomposites para la predicción de su comportamiento en condiciones dinámicas tales como impactos o mecanizados.
Se han realizado ensayos de impactos en torre de caída en compuestos de lino/PLA, lo que ha revelado una gran absorción de energía de los mismos, superior a la absorbida por compuestos de fibra de carbono en el rango de energías analizado. También se ha estudiado su resistencia residual a compresión tras los impactos, así como el tipo de daño que se produce en el material, en el que no se han encontrado delaminaciones, principal forma de daño en los composites tradicionales. Los ensayos de impacto han servido para el desarrollo con éxito de simulaciones de su comportamiento, implementando en FEM la dependencia con la velocidad de deformación obtenida en ensayos de tracción a diferentes velocidades de deformación. También se ha realizado una aproximación de comportamiento elástico lineal hasta rotura en ACC en ensayos en torre de caída realizados por otros autores.
Por último, se han estudiado los distintos mecanismos de daño inducidos en el taladrado de compuestos de PLA. Para ello, se ha estudiado el daño ante distintas velocidades de corte, avances y geometrías de broca, destacando que en este caso tampoco se han localizado delaminaciones como modo de fallo, revelando una buena cohesión entre fibra y matriz. También cabe destacar que se ha determinado una reducción del daño con el incremento de la velocidad de avance, lo que supone una novedad que puede reducir los tiempos de procesado de estos materiales en la industria. Estos ensayos son la base para la aplicación de un modelo numérico basado en el modelo constitutivo definido en este trabajo.
