Propiedades de los materiales compuestos reforzados con fibras de guadua: un estudio comparativo

Abstract

A numerical model for predicting the effect of the modification of a fiber´s surface on the mechanical properties of biocomposite panels made with bamboo fibers and vegetable resin was elaborated. For the study, the three surface treatments methods were mercerization, plasma, and ozone treatment. To analyze the influence of each treatment on the surface of the fibers, a study of their morphology, chemical composition, and crystallinity was carried out using scanning electron microscopy, X-ray energy dispersion spectroscopy, and X-ray diffraction. A characterization of the physical properties of the fibers was carried out by determining the density and the absorption capacity. The influence of the treatment on the mechanical properties of the fibers was analyzed by determining their tensile strength. These results were used to determine the elastic properties of the plies that make up the biocomposite, applying the modified mixing rule for anisotropic materials. The numerical models were elaborated using a commercial finite element program, considering a linear analysis. The composite was conceived as a laminate made up of layers of fibers oriented in different directions. To validate the numerical results, panels were made using fibers treated according to established treatment methods and a vegetable resin. For the construction of the panels, a compression system at standard room temperature was used. The fibers were placed in six 1.13 mm-thick layers, reproducing the conditions established in the numerical model. The determination of the physical properties of the composite was based on the determination of the density, the absorption capacity, and the percentage of swelling. The determination of the mechanical properties focused on obtaining the maximum strength for tensile, compression, and static bending. The results show that it is possible to improve the mechanical performance of the composite when the surface of the fibers that act as reinforcement is modified. According to the results, panels made with fibers treated with plasma and with ozone exhibited better mechanical performance, showing a good correlation between the results of the numerical models and the values obtained experimentallySe elaboró un modelo numérico para predecir el efecto de la modificación de la superficie de una fibra sobre las propiedades mecánicas de los paneles de biocompuestos fabricados con fibras de bambú y resina vegetal. Para el estudio, los tres métodos de tratamiento superficial fueron la mercerización, el plasma y el tratamiento con ozono. Para analizar la influencia de cada tratamiento en la superficie de las fibras, se realizó un estudio de su morfología, composición química y cristalinidad mediante microscopía electrónica de barrido, espectroscopia de dispersión de energía de rayos X y difracción de rayos X. Se llevó a cabo una caracterización de las propiedades físicas de las fibras mediante la determinación de la densidad y la capacidad de absorción. La influencia del tratamiento en las propiedades mecánicas de las fibras se analizó determinando su resistencia a la tracción. Estos resultados se utilizaron para determinar las propiedades elásticas de las capas que componen el biocompuesto, aplicando la regla de la mezcla modificada para materiales anisótropos. Los modelos numéricos se elaboraron utilizando un programa comercial de elementos finitos, considerando un análisis lineal. El compuesto se concibió como un laminado formado por capas de fibras orientadas en diferentes direcciones. Para validar los resultados numéricos, se fabricaron paneles utilizando fibras tratadas según los métodos de tratamiento establecidos y una resina vegetal. Para la construcción de los paneles se utilizó un sistema de compresión a temperatura ambiente estándar. Las fibras se colocaron en seis capas de 1,13 mm de espesor, reproduciendo las condiciones establecidas en el modelo numérico. La determinación de las propiedades físicas del compuesto se basó en la determinación de la densidad, la capacidad de absorción y el porcentaje de hinchamiento. La determinación de las propiedades mecánicas se centró en la obtención de la resistencia máxima a tracción, compresión y flexión estática. Los resultados muestran que es posible mejorar las prestaciones mecánicas del compuesto cuando se modifica la superficie de las fibras que actúan como refuerzo. De acuerdo con los resultados, los paneles fabricados con fibras tratadas con plasma y con ozono presentaron mejores prestaciones mecánicas, mostrando una buena correlación entre los resultados de los modelos numéricos y los valores obtenidos experimentalmente

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