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

Díaz Ramírez, German Adolfo

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

dc.contributor.advisor	Cruz Hernández, Ricardo Alfredo
dc.contributor.advisor	Mejía Ospino, Enrique
dc.contributor.author	Díaz Ramírez, German Adolfo
dc.contributor.evaluator	Vargas Ceballos, Óscar Andrés
dc.contributor.evaluator	Viáfara, Christian Camilo
dc.contributor.evaluator	Benjumea Royero, José Miguel
dc.contributor.evaluator	Gil Espert, Lluís
dc.contributor.evaluator	de Andrade Silva, Flavio
dc.date.accessioned	2023-07-27T21:06:06Z
dc.date.available	2023-07-27T21:06:06Z
dc.date.created	2023-07-27
dc.date.embargoEnd	2033-07-27
dc.date.issued	2023-07-27
dc.description.abstract	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.
dc.description.abstractenglish	Natural fibers are currently subject of great interest in development of new composite materials. Their application as reinforcing materials for various types of matrices, including polymeric ones, constitutes a sustainable alternative for the development of composites, due to factors such as their favorable specific mechanical properties, ease of production, and low cost per volume. The performance of composite materials is strongly linked to both the properties of their constituent materials and the adhesion between them. In this regard, natural fibers pose a challenge, due to their hydrophilic nature can cause their separation from the matrix and, consequently, poor performance of the composite. Therefore, it is necessary to modify fiber’s surface in order to improve its compatibility with the matrices, as well as its mechanical and thermal properties. In this doctoral work, the use of natural fique (furcraea spp.) fiber fabrics as reinforcement materials in thermosetting matrix polymeric composites was investigated. Fique fibers were mainly extracted from Santander region, Colombia, and obtained as industrial products (yarns and plain waves textiles). In order to improve the performance of the composites obtained, modifications were carried out on the surface of the selected yarns and textiles. These modifications consisted of coatings with titanium dioxide (TiO2) and reduced graphene oxide (rGO) nanoparticles jointly and separately. This research focused on analyzing the influence of the nanoparticle coating treatments on fiber’s properties as yarns and woven fabrics; likewise, the influence of variation in their manufacturing parameters on the mechanical and thermal behavior of the obtained composites was studied. The mechanical properties of fique fibers were evaluated in form of industrial yarns tested under tensile stress. Linear densities and twist degrees were varied in these yarns. In order to adequately calculate the strength values, a methodology was developed for the calculation of yarns’ cross-sectional areas, and the calculation was supported by statistical treatment of data obtained. In this research, it was proved that yarns’ tensile strength is influenced by their manufacturing parameters. Fique yarns tended to show higher resistance at lower linear density and higher twist degrees. Similarly, increasing textile’s weave density increased the tensile strength of manufactured textiles. While the variation in fabric architecture, by means of confinement mechanisms, also had an influence on the mechanical resistance of the fabrics, by promoting greater friction between the fibers. The results of this research showed that the alkalinization pretreatment with NaOH was effective in removing hemicellulose, lignin, and impurities present in the fibers. It also generated surface roughness, increased their stiffness, and decreased their cross-sectional areas. The proposed coating treatments showed that, in terms of increasing hydrophobicity, coating with rGO achieved the best results. On the other hand, both nanoTiO2 and rGO coatings contributed to increasing thermal degradation temperature of the fibers. The results of this research showed that alkalinization treatment with NaOH is effective in removing hemicellulose, lignin, and impurities present in fibers, with the additional increase in stiffness and decrease in the values of the cross-sections; the pretreatment additionally exposes their surface roughness, which contributed to anchoring the coating of the nanoparticles. On the other hand, nanoTiO2 coatings contributed to increasing the fibers´ thermal degradation temperature, while the rGO coating improved the interfacial shear strength related to epoxy resin matrix, as well as contributed to decreasing the fiber’s hydrophilic behavior. In relation to interfacial properties, evaluated to fique yarns by means of pull-out tests, nanoTiO2 coating showed the highest resistance to interfacial shear, with respect to other coatings proposed for yarns. Finally, the coating treatments to the fabrics, as well as modifications to fabric configuration, improved dynamic-mechanical behavior of the composites obtained, with respect to the thermosetting matrix. In addition, they improved the overall mechanical behavior of the composite.
dc.description.cvlac	https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/generarCurriculoCv.do?cod_rh=0001079735
dc.description.degreelevel	Doctorado
dc.description.degreename	Doctor en Ingeniería de Materiales
dc.description.googlescholar	https://scholar.google.com/citations?user=e55XsrwAAAAJ&hl=es&oi=sra
dc.description.orcid	https://orcid.org/0000-0001-6461-8545
dc.format.mimetype	application/pdf
dc.identifier.instname	Facultad de Ingeníerias Fisicoquímicas
dc.identifier.reponame	Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de Materiales
dc.identifier.repourl	https://noesis.uis.edu.co
dc.identifier.uri	https://noesis.uis.edu.co/handle/20.500.14071/14620
dc.language.iso	eng
dc.publisher	Universidad Industrial de Santander
dc.publisher.faculty	Facultad de Ingeníerias Fisicoquímicas
dc.publisher.program	Doctorado en Ingeniería de Materiales
dc.publisher.school	Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de Materiales
dc.rights	info:eu-repo/semantics/embargoedAccess
dc.rights.accessrights	info:eu-repo/semantics/openAccess
dc.rights.coar	http://purl.org/coar/access_right/c_abf2
dc.rights.creativecommons	Atribución-NoComercial-SinDerivadas 4.0 Internacional (CC BY-NC-ND 4.0)
dc.rights.license	Attribution-NonCommercial 4.0 International (CC BY-NC 4.0)
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
dc.subject	Compuestos poliméricos
dc.subject	Fibras de fique
dc.subject	Hilos de fique
dc.subject	Textiles de fique
dc.subject	Nanopartículas de TiO2
dc.subject	Óxido de grafeno
dc.subject.keyword	Polymer Composites
dc.subject.keyword	Fique Fibers
dc.subject.keyword	Fique Yarns
dc.subject.keyword	Fique Textiles
dc.subject.keyword	TiO2 Nanoparticles
dc.subject.keyword	Graphene Oxide
dc.title	Infuencia de la modificación superficial de fibras naturales y su arquitectura de refuerzo sobre el desempeño de un composito polimérico
dc.title.english	Influence of Natural Fibers Surface Modification and their Reinforcement Architecture on a Polymer Composite Performance
dc.type.coar	http://purl.org/coar/resource_type/c_db06
dc.type.hasversion	http://purl.org/coar/version/c_b1a7d7d4d402bcce
dc.type.local	Tesis/Trabajo de grado - Monografía - Doctorado