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Infuencia de la modificación superficial de fibras naturales y su arquitectura de refuerzo sobre el desempeño de un composito polimérico

Resumen

Las fibras naturales son actualmente objeto de gran interés en el desarrollo de nuevos materiales compuestos. Su aplicación como materiales de refuerzo para diversos tipos de matrices, incluidas las poliméricas, constituye una alternativa sostenible para la elaboración de composites, debido a factores como sus favorables propiedades mecánicas específicas, su facilidad de producción y su bajo costo por volumen. El desempeño de los materiales compuestos está fuertemente ligado tanto a las propiedades de sus materiales constituyentes como a la adhesión entre ellos. En este sentido, las fibras naturales suponen un reto, debido a que su naturaleza hidrofílica puede provocar su separación de la matriz y, en consecuencia, un mal rendimiento del composito. Por lo anterior, se hace necesario modificar la superficie de las fibras, en busca de mejorar su compatibilidad con las matrices, así como sus propiedades mecánicas y térmicas. En este trabajo doctoral se investigó el uso de tejidos de fibras naturales de fique (furcraea spp.) como materiales de refuerzo en compuestos poliméricos de matriz termoestable. Las fibras se extrajeron principalmente de la región de Santander, Colombia, obtenidas como productos industriales (hilos y tejidos planos). Con el fin de mejorar el rendimiento de los compuestos obtenidos, se llevaron a cabo modificaciones en la superficie de los hilos y textiles seleccionados. Estas modificaciones consistieron en recubrimientos con nanopartículas de dióxido de titanio (TiO2) y óxido de grafeno reducido (rGO) conjuntamente y por separado. Esta investigación se centró en analizar la influencia de los tratamientos de recubrimiento con nanopartículas en las propiedades de las fibras en forma de hilos y tejidos; Asi mismo, se estudió la influencia de la variación en los parámetros de fabricación de los hilos y tejidos en el comportamiento mecánico y térmico de los compuestos obtenidos. Las propiedades mecánicas de las fibras de fique se evaluaron en forma de hilos industriales ensayados a tracción. En estos se variaron densidades lineales y grados de torsión. Para calcular adecuadamente los valores de resistencia se desarrolló una metodología para el calculo de las areas de sección transversal de los hilos, y el cálculo se apoyo en un tratamiento estadístido de los datos obtenidos. En esta investigación se comprobó que la resistencia a la tracción de los hilos está influenciada por sus parámetros de fabricación. Los hilos de fique tendieron a mostrar mayor resistencia a menor densidad lineal y mayor grado de torsión. Del mismo modo, el aumento en la densidad de entramado de los tejidos, aumentó la resistencia a la tracción de los textiles fabricados. Mientras que la variación en la arquitectura de los tejidos, mediante mecanismos de confinamiento, también tiene influyó sobre la resistencia mecánica de los mismos, al promover mayor fricción entre las fibras. Los resultados de esta investigación mostraron que el pretratamiento de alcalinización con NaOH fue eficaz para eliminar la hemicelulosa, la lignina e impurezas presentes en las fibras. Generó además rugosidad superficial, aumentó su rigidez y la disminuyó sus áreas transversales. Los tratamientos de recubrimientos propuestos mostraron que, en cuanto al aumento de la hidrofobicidad, el recubrimiento con rGO logró los mejores resultados. Por otra parte, los recubrimientos tanto de nanoTiO2 como de rGO contribuyeron a aumentar la temperatura de degradación térmica de las fibras. En relación con las propiedades interfaciales, evaluadas a los hilos de fique mediante pruebas pull-out, el recubrimiento con nanoTiO2 mostró la mayor resistencia al corte interfacial, respecto a los demás recubrimientos propuestos a los hilos. Finalmente, los tratamientos de recubrimiento a los tejidos, así como las modificaciones a la configuración de los tejidos, mejoraron el comportamiento dinámico-mecánico de los compuestos obtenidos, respecto a la matriz termoestable. Además, mejoraron el comportamiento mecánico general del compuesto.