Fabricación y caracterización físico-mecánica de biocomposites reforzados con fibras naturales. Aplicaciones en el sector náutico.

Abstract

En la presente tesis doctoral se ha llevado a cabo una exhaustiva caracterización físico-mecánica y a impacto, de materiales compuestos de matriz bioepoxi reforzada con distintas fibras naturales, antes y después de su inmersión en agua de mar. Además, se ha fabricado y caracterizado un nuevo material híbrido compuesto de resina bioepoxi reforzada con láminas de madera de pino y distintas fibras naturales.En definitiva, el objetivo de la presente tesis doctoral es validar distintos biocomposites y un novedoso material híbrido medioambientalmente sostenible, para la fabricación de futuras piezas para el sector náutico/naval, es decir, para piezas en contacto con el agua de mar que estén sometidas a solicitaciones mecánicas y que puedan sufrir impactos de baja energía.El trabajo de investigación se ha dividido fundamentalmente en tres partes:En la primera parte, se fabricaron mediante el proceso de infusión en vacío, diferentes biocomposites reforzados con fibras naturales trenzadas de lino, yute y fique y fibras tipo mat de lino y cáñamo. De cada bicomposite se fabricaron dos laminados, uno de los cuales se sumergió en agua de mar por un periodo de bioactividad marina de seis meses. Después, los biocomposites antes y después de su inmersión en agua de mar, se sometieron a ensayos de impacto biaxial de baja energía y a ensayos de tracción. Además, se analizaron todas las superficies de fractura mediante Microscopía Electrónica de Barrido (SEM).En la segunda parte de la tesis, se seleccionaron las fibras con mayores propiedades a impacto y tracción, y se realizó un estudio pormenorizado del comportamiento a impacto biaxial de baja energía de los biocomposites seleccionados, obteniendo sus perfiles energéticos antes y después de su inmersión en agua de mar Además, se inspeccionaron las probetas impactadas mediante la técnica no destructiva de ultrasonidos por inmersión.Finalmente, se fabricó un nuevo material híbrido tipo sándwich reforzado con láminas de madera de pino en las capas superior e inferior y tres capas de tejido trenzado en el centro con las fibras naturales previamente seleccionadas. De igual forma que en los biocomposites, el material híbrido fue sometido a inmersión en agua de mar durante seis meses y se realizó una caracterización físico-mecánica consistente en ensayos de: impacto de baja energía, tracción, flexión tres puntos y cortadura interlaminar. También se analizaron las superficies de fractura y se inspeccionó el daño por ultrasonidos.Los resultados indican que los biocomposites reforzados con fibras trenzadas de lino y yute, son los que mejores propiedades específicas tienen para competir con la fibra de vidrio en aplicaciones náuticas. Debido al carácter hidrofílico de las fibras naturales, se produce una plastificación tras la inmersión en agua de mar que permite al material soportar más cantidad de daño o energía de impacto en comparación con el biocomposite sin inmersión.Los resultados de la caracterización del nuevo material híbrido madera-fibra natural demuestran que la madera aporta un aumento considerable (35%) en la rigidez del material frente a sus respectivos biocomposites. También, se observó que la rigidez específica de los materiales híbridos aumento un 32% en comparación con el composite reforzado con fibra de vidrio. Sin embargo, en las propiedades mecánicas de impacto, disminuyen los umbrales de penetración y perforación con un 29% y 37% respectivamente en el caso de los híbridos sin inmersión y del 29% y 45% tras inmersión en agua de mar en comparación con los perfiles energéticos de sus respectivos laminados reforzados solo con fibra natural antes y después de su inmersión en agua de mar. Además, los resultados de los ensayos de cortadura interlaminar, muestran un valor mayor de ILSS en el material híbrido pino-fibra trenzada de lino, con un 11,5% más que el material hibrido de pino-yute. Esto quiere decir que hay un mejor comportamiento global (madera, fibra y matriz) a cizallamiento en el material reforzado con pino-lino. Sin embargo, los FWLs de lino y de pino, muestran una pérdida de resistencia a la cortadura interlaminar tras inmersión en agua de mar. Esta disminución está relacionada con el aumento de porosidad y pérdida de propiedades de la resina por efecto de la degradación física que produce el agua de mar, unida la absorción de humedad de la madera y la fibra que da lugar a una pérdida de adhesión en la interfaz fibra matriz.