Efecto de las fibras de fique y su procesamiento por

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Jul 05, 2023

Efecto de las fibras de fique y su procesamiento por

Informes científicos volumen 12,

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 15143 (2022) Citar este artículo

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Este trabajo examina la morfología, propiedades mecánicas y térmicas de biocompuestos a base de resina epoxi-EP y fique (Furcraea andina), un cultivo nativo de América del Sur. Los biocompuestos de EP-fique se prepararon utilizando polvo de fique-FP, un desecho industrial generado durante el procesamiento del fique, mantas de fibra de fique no tejida-NWF y mantas de fibra de fique unidireccional-UF orientadas a 0° y 90°. La adición de fique a la matriz de EP restringe el movimiento de las cadenas de macromoléculas de EP y mejora la estabilidad térmica de EP. Las imágenes SEM mostraron que la forma de fique utilizada (polvo o fibra) y la disposición del tapete pueden generar cambios en la morfología de los biocompuestos. La caracterización mecánica muestra que el polvo de fique y las fibras de fique orientadas a 90° actúan como rellenos para la matriz epoxi mientras que las fibras de fique orientadas a 0° refuerzan la matriz EP aumentando el módulo de tracción y flexión hasta 5700 y 1100% respectivamente y la resistencia a la tracción y flexión hasta a 277% y 820% en comparación con EP puro. Los resultados obtenidos pueden aumentar el interés en investigar y desarrollar productos a partir de polvos de fique y otros subproductos del procesamiento de fibras naturales, reduciendo así la abundancia de desechos en el suelo y los vertederos y las preocupaciones ambientales y sugieren que los biocompuestos de EP-fique son prometedores para ser utilizados en la industria automotriz. sector.

Las Fibras de Fique se extraen de la planta de fique (Furcraea andina), originaria de la región andina de América del Sur, que tiene características muy similares al Sisal y al Henequén1. El Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural de Colombia estableció que durante 2020 se produjeron en el país alrededor de 19.000 toneladas de plantas de fique2. El procesamiento del fique comprende varias etapas: corte de hojas, triturado, fermentado, secado y empaque. Sin embargo, tiene un índice de eficiencia bajo, ya que solo el 4% de la hoja (fibras) se utiliza y comercializa y el 96% restante (polvo y bagazo) generalmente se desecha en suelos y vertederos, lo que genera serias preocupaciones ambientales debido a su alta producción. y acumulación (alrededor de 100 Toneladas por año). Las fibras se utilizan para la elaboración de artesanías y sacos con telares rústicos, utilizando tecnologías tradicionales con muy bajos rendimientos. En principio, el desafío para el sector agrícola e industrial del fique consiste en buscar alternativas para aprovechar los subproductos de descarte y fabricar productos de alto valor agregado con las fibras. Investigaciones recientes han demostrado que las fibras de fique pueden competir con otras fibras naturales conocidas para producir biocompuestos reforzados o compuestos reforzados con fibra natural (NFRC) para aplicaciones tecnológicas. El interés por utilizar fibras naturales, como el fique, para el desarrollo de materiales alternativos ha crecido en los últimos años. Principalmente, para la fabricación de nuevos productos sostenibles con menores costes y menores emisiones de CO2, posibilidades de reciclaje, biodegradabilidad, mejor rendimiento de matrices poliméricas y cementosas, menor peso y alta disponibilidad3,4. Estas características podrían considerarse una ventaja frente a los materiales compuestos basados ​​en en fibras sintéticas como el vidrio o el carbono, que presentan dependencia del petróleo y problemas de gestión de residuos después de su ciclo de vida.

Varios estudios han demostrado que las propiedades mecánicas de los biocompuestos están influenciadas por varios factores como el contenido de fibra5,6, los tratamientos químicos de las fibras7, la geometría y orientación de las fibras naturales8, y la diferencia en los mecanismos de falla entre partículas, fibras cortas y largas. biocompuestos reforzados9.

Salman et al.10 estudiaron las propiedades mecánicas y morfológicas del kenaf tejido orientado a 0°/90° y 45°/ − 45° y sus biocompuestos elaborados con resinas epoxi, poliéster y viniléster. Sus resultados muestran que la orientación de la fibra 0°/90° induce las propiedades mecánicas más altas (resistencia a la tracción, a la flexión y módulo) en los biocompuestos. Otro estudio realizado sobre el efecto del contenido de fibra y la orientación en las propiedades mecánicas de los compuestos híbridos de epoxi-yute-Kevlar por Maharana et al.11 reveló que una carga de fibra del 40 % con una orientación de fibra de 30° mejora las propiedades de tracción del compuesto híbrido, mientras que las propiedades de flexión maximizado para una carga de fibra del 40 % con una orientación de fibra de 45°. Prabakaran et al.12 investigaron el efecto de la orientación de la fibra sobre las propiedades mecánicas de los compuestos de fibra de vidrio y epoxi orientados a 0°/90° y los compuestos de malla no tejida. Sus resultados muestran que los compuestos basados ​​en esteras no tejidas de espirógrafo exhiben una orientación de fibra casi isotrópica y un mejor rendimiento mecánico en comparación con los compuestos laminados tejidos. En los últimos años, se han informado y producido biocompuestos a base de epoxi que utilizan biomasa lignocelulósica como paja de trigo13, plátano, kenaf14, bambú15, sisal16, harina de hueso de dátil17.

Este documento se enfoca en si las esteras de fibra de fique (no tejidas y orientadas a 0° y 90°) y el polvo se pueden usar de manera efectiva para la fabricación de biocompuestos a base de epoxi. En este estudio, los biocompuestos a base de epoxi se fabricaron mediante el proceso de infusión de película de resina. También se evaluó el efecto del fique sobre la morfología, propiedades térmicas, de tensión y de flexión. Estas caracterizaciones son importantes para el desarrollo de soluciones alternativas para la industria. Nuestro objetivo es evaluar el uso de esta fibra natural y sus residuos de procesamiento en polvo como refuerzo de biocompuestos a base de epoxi para generar un impacto positivo en las economías regionales, el desarrollo tecnológico y ampliar el rango de aplicaciones del fique. El estudio de factibilidad, presentado aquí, utilizado para desarrollar prototipos de autopartes a partir de los biocompuestos presentados, utilizando un proceso escalable y la inclusión de un subproducto agroindustrial altamente producido como relleno para la producción de biocompuestos respalda la novedad de este artículo. Además, los resultados obtenidos pueden aumentar el interés en investigar y desarrollar productos a partir de polvos de fique y otros subproductos del procesamiento de fibras naturales, reduciendo así la abundancia de desechos en el suelo y los vertederos y las preocupaciones ambientales.

La Resina Epoxi utilizada (EP) fue un sistema Epoxi de bajo módulo y de propósito general basado en una resina Epoxi de baja viscosidad tipo Bisfenol A, referencia ''R3610", y un endurecedor de amina cicloalifática modificada, referencia ''E-1610". La resina Epoxi y el endurecedor fueron adquiridos de Sintepox (Bogotá-Colombia). El sistema epoxi se preparó mezclando la resina epoxi y el endurecedor, utilizando una proporción de mezcla de 50:50 (% p/p). La densidad de medición promedio del EP curado fue de 1,11 ± 0,03 g/cm3. Estas mediciones se realizaron siguiendo la norma ASTM D792-13 mediante el método de Arquímedes, utilizando un densímetro de sólidos multifunción DA-300 (Dahometer, China).

Las esteras de fique en polvo (FP) y fique unidireccional (UF) fueron provistas por "Empaques del Cauca" (Popayan-Colombia). La FP es un desecho de procesamiento generado durante el procesamiento de fibras de fique y solo fue tamizado a través de un tamiz de 400 µm. Los tapetes de fibra de fique industrial no tejida (NWF) fueron suministrados por "Empresa de Empaques de Medellín" (Medellín-Colombia). Los tapetes de UF y NWF se usaron tal como se recibieron y se secaron en un horno a 80 °C durante 24 h. antes de la fabricación de los biocompuestos. (Fig. 1). La densidad promedio del fique fue de 0.78 ± 0.09 g/cm3. La investigación experimental y los estudios de campo sobre plantas (tanto cultivadas como silvestres), incluida la recolección de material vegetal desarrollada en este trabajo, cumplen con las normas institucionales, nacionales pertinentes. , y directrices y legislación internacionales.

Fique crudo: (a) polvo (FP), (b) manta no tejida (NWF), (c) manta unidireccional (UF).

Las láminas de biocompuestos EP y EP-fique puros se fabricaron mediante la técnica de Infusión de película de resina en un molde de teflón (300 mm × 300 mm). Para todos los biocompuestos, la composición de EP-fique fue 70/30 (% p/p) o 62/38 (% v/v) según las medidas de densidad. Para las esteras de EP-fique, la superficie del molde de teflón se recubrió primero con una capa delgada de EP, luego se colocaron las esteras de fique en el molde para obtener tres arreglos diferentes: EP-NWF usando el fique no tejido y EP-UF usando fibras orientadas a 0 ° y 90° (ver Fig. 4). Después de eso, las esteras de fique se llenaron con más EP y se dejaron absorber. Para el biocompuesto EP-FP, el EP y el FP se mezclaron manualmente hasta obtener una mezcla homogénea. Esta mezcla se dejó durante 5 min en una cámara de vacío para que perdiera todas las burbujas de aire producidas durante la mezcla durante 5 min y luego se extendió dentro del molde. Finalmente, el molde se colocó dentro de una película flexible y se dejó curar en condiciones de vacío durante 24 h a temperatura ambiente (Fig. 2).

Proceso de infusión de película de resina (izquierda) y láminas puras de biocompuestos EP y EP-FP obtenidas con el proceso de infusión de película de resina (derecha).

Las láminas de biocompuestos EP-fique obtenidas muestran que la técnica de Infusión de Película de Resina permite la fabricación de láminas homogéneas con fibras y polvo de fique bien distribuidos que podrían ser utilizados para piezas automotrices a gran escala. Al usar el método propuesto, las fibras naturales y los desechos procesados ​​pueden utilizarse en la producción industrial.

Cuando las láminas puras de biocompuestos EP y EP-fique estuvieron listas, se retiraron de los moldes y se cortaron en diferentes muestras de prueba de tracción y flexión utilizando un cortador de chorro de agua (Protomax-Omax, Kent, EE. UU.). Se seleccionó el procedimiento de corte por chorro de agua debido a que los materiales son sensibles a las altas temperaturas generadas en otros métodos de corte.

De los biocompuestos estudiados, se seleccionó el EP-UF 0° para ensamblar dos piezas automotrices para observar la funcionalidad de estos materiales en un proceso de fabricación real, como la infusión de película de resina. La fracción ponderal de EP-UF fue 70/30 (% p/p) o 62/38 (% v/v) y se seleccionó por sus resultados de caracterización mecánica (ver apartado "Propiedades mecánicas"). Para la obtención de las piezas prototipo, Se fabricaron a escala dos moldes compuestos por dos cavidades (macho y hembra) debido a las limitaciones de recursos en el área de trabajo de la fresadora CNC, donde se realizaba el corte de la madera, luego de preparados los moldes se procedió a la fabricación de las piezas, siguiendo la metodología explicado en la sección "Preparación de biocompuestos". La figura 3 muestra los moldes utilizados y la disposición de los tapetes y la resina dentro del molde antes del proceso de curado.

Moldes y configuración utilizados para la fabricación de piezas automotrices con el proceso de infusión de película de resina.

Se utilizó un microscopio electrónico de barrido (SEM) Phenom PRO X (Thermo Fisher Scientific, EE. UU.) para escanear el área de la sección transversal, la distribución de fibras y polvos de fique y las características morfológicas en la mayor parte de las muestras. Las muestras se sumergieron en nitrógeno líquido durante 15 min para obtener una fractura frágil y se recubrieron con oro para aumentar su conductividad eléctrica. Se aplicó un voltaje de 10 kV y se tomaron aumentos de 500 × y 2000 ×.

La resina epoxi pura, los biocompuestos a base de epoxi-fique, el polvo de fique y las fibras de fique se caracterizaron térmicamente mediante DSC y TGA (datos disponibles en la información complementaria). Las pruebas de DSC de resina epoxi pura, biocompuestos a base de epoxi-fique se llevaron a cabo utilizando un calorímetro diferencial de barrido TA Q2000 (Texas Instruments, Dallas, TX, EE. UU.) en las siguientes condiciones:

Atmósfera de nitrógeno

Velocidad de escaneo de 10 °C/min

Peso de la muestra 10 mg

Las muestras se sometieron primero a ciclos de calentamiento que oscilaron entre 20 y 150 °C para borrar el historial térmico relacionado con los eventos de procesamiento. Le siguieron ciclos de enfriamiento que bajaron la temperatura de 150 a -20 °C. Finalmente, los segundos ciclos de calentamiento aumentan de -20 a 150 °C. Para este estudio, se reportaron los ciclos de enfriamiento y segundo calentamiento.

Las pruebas de análisis termogravimétrico (TGA) se realizaron utilizando un termogravímetro TA Q500 (Texas Instruments, Dallas, TX, EE. UU.) con un aumento de temperatura que comienza en 25 a 600 °C a una velocidad de calentamiento de 10 °C/min. Las muestras de DSC y TGA se analizaron en crisoles de aluminio en atmósfera de N2.

Se realizaron ensayos de tracción y de flexión en tres puntos en una máquina de ensayo universal INSTRON Modelo 3366 (INSTRON, Norwood, MA, EE. UU.) en las siguientes condiciones:

El acondicionamiento se realizó a 23 °C y 50 % de HR durante siete días.

Los ensayos de tracción se realizaron con un extensómetro axial INSTRON modelo 2630 (longitud de calibre 50 mm) (INSTRON, Norwood, MA, EE. UU.) y especímenes tipo I (ASTM-D 638-14) con una velocidad de cruceta de 5 mm/min.

Se realizaron ensayos de flexión en barras de sección rectangular (12,5 mm * 3 mm), utilizando una velocidad de cruceta de 1,3 mm/min, una distancia entre tramos de apoyo de 50 mm hasta un 5% de deformación siguiendo la norma ASTM D 790- 17 estándar.

Los resultados se tomaron de un promedio de cinco muestras.

La Figura 4 muestra las probetas de biocompuestos EP-fique utilizadas para los ensayos de tracción y flexión. Para los biocompuestos EP-FP (Fig. 4a), se observaron partículas de polvo de fique bien distribuidas en la superficie. En los biocompuestos de las esteras de fique se pueden observar largas fibras de fique orientadas a 0° (Fig. 4b), 90° (Fig. 4c) y en disposición bidimensional aleatoria (Fig. 4d).

Muestras de tracción y flexión de (a) EP-FP (b) EP-UF 0° (c) EP-UF 90° y (d) biocompuestos EP-NWF.

Las propiedades de tracción y flexión de los materiales se sometieron a análisis de varianza (ANOVA) y se aplicó la prueba de Tukey con un nivel de significancia de 0,05. Todos los análisis estadísticos se realizaron utilizando Minitab Statistical Software Release 12 (Pennsylvania, EE. UU.).

La figura 5 muestra la influencia de la adición de fique en las propiedades mecánicas del EP (datos disponibles en la información complementaria). Estos resultados también se resumen y presentan en la Tabla 1.

Esfuerzo medio de tracción y flexión vs deformación de EP puro y sus biocompuestos EP-fique.

Los ensayos de tracción muestran que la incorporación de polvo y fibras de fique genera incrementos significativos (p < 0.05) en los valores del módulo de tracción (TM) entre 2600 y 5700% para EP-FP y EP-UF 0° (UF orientada paralela a la carga aplicada) en comparación con la matriz EP limpia. Este efecto de rigidez es causado por las propiedades mecánicas más altas del fique y una disminución en la movilidad EP debido a las fibras de fique observadas en las pruebas de DSC (sección "Propiedades Térmicas").

La resistencia a la tracción (TS) de EP-FP y EP-UF 90° (UF orientada perpendicularmente a la carga aplicada) no fue significativamente diferente de EP (p ≥ 0,05). Sin embargo, los valores de TS de EP-NWF y EP-UF 0° aumentaron 71 y 277% respectivamente, en comparación con EP. Estos resultados muestran que el polvo de fique y las esteras de fique unidireccionales orientadas a 90° actúan como relleno, mientras que las esteras de fique no tejidas y unidireccionales orientadas a 0° reforzaron la matriz de EP.

Estudios previos realizados en biocompuestos de PP-Kenaf18 y HDPE-henequen19 sugirieron que los biocompuestos con fibras orientadas paralelamente a la carga aplicada (0°) podían contribuir con la misma carga aplicada y poseían una estructura de fibra mucho más larga debido a la rotura mínima de la fibra. Por lo tanto, ayuda en el fortalecimiento de la estructura del biocompuesto debido a una distribución homogénea de la carga. Por otro lado, los biocompuestos con orientación de 90° soportan menos cargas de tracción y resultaron en una mayor rotura de fibras18,19. Por lo tanto, el desempeño mecánico de los biocompuestos EP-fique depende en gran medida de la estructura y el ángulo de orientación de las fibras.

La Figura 6 muestra que la falla del material biocompuesto EP-UF 90° ocurre y se propaga a lo largo de las fibras de fique en ángulos de orientación de 90°. Esto también explica por qué el biocompuesto EP-UF alineado a 0° pudo mantener una buena resistencia a la tracción en comparación con las muestras EP-FP y EP-UF de 90°. Además, las fibras naturales con un mayor contenido de celulosa y una mayor relación de aspecto (L/D) pueden contribuir a una mayor eficacia de refuerzo, porque el contacto entre los elementos de refuerzo y la matriz se produce sobre una superficie mayor.

Modos de fractura observados en compuestos EP-FP, EP-UF 0°, EP-UF 90° después del ensayo de tracción.

Al mismo tiempo, la incorporación de fique disminuye la deformación a la rotura (εb) de la matriz de EP y podría estar relacionada con la débil unión interfacial entre fique y EP, así como con el efecto rigidizador de las discontinuidades de la interfaz que afectan la capacidad de deformación de los biocompuestos (ver Sección "Morfología''). Para las muestras de EP-FP el área interfacial entre la matriz y las partículas de fique aumenta debido a una mayor área superficial, como resultado los valores de εb disminuyen de 90 a 2.8%. entre 97 y 80% para EP-UF 90° y EP-UF 0° respectivamente en comparación con la matriz EP (p < 0.05), este resultado podría estar relacionado con una mayor transferencia de esfuerzos entre las fibras EP y fique y el deslizamiento de las fibras dentro de la matriz para la orientación EP-UF 0° Los resultados de las pruebas de flexión muestran que los valores del módulo de flexión (FM) aumentan alrededor de 340 y 1100 % para los biocompuestos EP-90° y EP-UF 0° respectivamente, en comparación con el EP puro. aumenta alrededor de 430 y 820% para EP-90° y EP-UF 0° respectivamente en comparación con EP puro.

En términos generales, la adición de fibras de fique mejoró las propiedades mecánicas de la matriz epoxi y genera un efecto de rigidez y refuerzo que podría resultar relevante para aplicaciones de productos como piezas de automóviles donde la rigidez y la resistencia son factores esenciales. Los resultados mostraron que las fibras largas de fique orientadas a 0° generaron las mejores propiedades mecánicas entre las muestras analizadas, por lo que la discusión sobre la orientación de las fibras de fique también es crucial ya que tiene efectos sobre el rendimiento y la calidad de los biocompuestos.

La Figura 6 muestra los especímenes y los mecanismos de fractura de los biocompuestos EP-FP y EP-UF después de las pruebas de tensión. Para los biocompuestos EP-FP y EP-UF 90°, cabe señalar que la fractura se genera por la falla simultánea de la matriz y las partículas de fique dispersas o fibras largas orientadas a 90° dentro de la matriz. En el caso de muestras EP-UF 0°, primero ocurre la falla de la matriz, seguida por las fibras de fique alineadas.

Esta diferencia en los mecanismos de fractura entre composites formulados con partículas y fibras orientadas ya ha sido observada por otros investigadores9,20. Estos estudios concluyeron que el plano de fractura se obtiene para la zona con la mínima resistencia de la interfase entre la matriz y las fibras o en la zona con falta de fibras o adherencia con la matriz.

Los resultados de las pruebas de tracción muestran que las fibras de fique unidireccionales orientadas a 0° actúan como un refuerzo de la matriz EP, aumentando la resistencia a la tracción en casi un 300% en comparación con el fique en polvo y las fibras de fique orientadas a 90°, lo que no generó diferencias significativas en la tracción. fortaleza. El esfuerzo generado durante el ensayo de tracción provoca esfuerzos cortantes (τ) entre la fibra y la matriz que generan un despegue de la interfase. En el borde de la interfaz, la transferencia de tensión de la matriz a las fibras depende de τ en la interfaz axial. Para los biocompuestos EP-FP y EP-UF 90°, la interfase entre las partículas, las fibras orientadas y la matriz es fácil de despegar durante el ensayo, pero en el caso de los biocompuestos EP-UF 0° la tensión (τ) generada en el borde de la interfaz es más alto debido a la mayor adherencia de las fibras de EP y fique, así como a una mayor superficie de contacto entre los elementos de refuerzo y la matriz. De esta forma, se explican los mecanismos de fractura observados y el refuerzo observado en los biocompuestos con fibras de fique unidireccionales.

Las curvas de enfriamiento muestran la ausencia de exotermias de cristalización, lo que indica que los biocompuestos EP y EP-fique no presentan cristalización durante el enfriamiento (Fig. 7a). El segundo ciclo de calentamiento (Fig. 7b) muestra la temperatura de transición vítrea (Tg) del EP a 22 °C. La adición de polvo de fique y fibras de fique aumenta esta temperatura a 29 y 57 °C respectivamente. Este aumento en los valores de Tg indica que la presencia de fique afecta la movilidad de las cadenas EP. Sin embargo, este efecto es mayor para los biocompuestos EP-UF. Puede estar relacionado con un mayor efecto reforzante de las fibras de fique en comparación con el polvo de fique, lo que restringe el movimiento de las cadenas de macromoléculas de EP. Resultados similares fueron reportados recientemente por Hidalgo y Correa para biocompuestos EP-NWF mat3.

(a) Enfriamiento y (b) Segundo Calentamiento para EP puro y sus biocompuestos de fique.

Se utilizaron curvas de termogravimetría (TG) y termogravimetría derivada sobre temperatura (DTG) para determinar la estabilidad térmica del polvo de fique, fibras de fique, EP y sus biocompuestos de fique. Los resultados son visibles en los gráficos. 8 y 9. Los resultados térmicos de estas pruebas también se resumen en la Tabla 2.

(a) TGA y (b) DTG de Fibras de fique y polvo de fique.

TGA de resina Epoxi pura y Biocompuestos EP-fique.

Para las fibras y el polvo de fique, se observaron tres sectores principales de pérdida de masa. La primera zona ubicada entre 60 y 100°C está relacionada con la evaporación de la humedad presente en la superficie de la muestra. Los otros dos se ubicaron entre 250–350 °C y 350–600 °C y están relacionados con la degradación de hemicelulosa y celulosa respectivamente. Las temperaturas de degradación de inicio (To) de estas regiones son más altas para las fibras de fique en comparación con el polvo de fique. Esto está relacionado con el polvo de fique que proviene de la zona exterior de las fibras de fique y que se produce a escala industrial durante el proceso de desenredado de las fibras. Este polvo de fique puede contener ceras y contenido celular, lo que podría reducir su estabilidad térmica. Las curvas DTG muestran un primer pico relacionado con la temperatura máxima de tasa de pérdida de peso (Tmax) de la hemicelulosa ubicada a 256 °C para el polvo de fique y 298 °C para las fibras de fique. El segundo pico está relacionado con que la Tmax de la celulosa es mayor para las fibras de fique.

La altura de los picos observados en las curvas DTG también está relacionada con las concentraciones de varios materiales, como mezclas poliméricas21 y residuos lignocelulósicos22. De las curvas DTG se observa que la altura del pico relacionado con la descomposición de la celulosa es mayor para las fibras de fique en comparación con el polvo de fique, lo que podría estar relacionado con un mayor contenido de celulosa en las fibras de fique.

La Figura 9a muestra que la descomposición de EP y sus biocompuestos de fique ocurren en un proceso de dos pasos, lo que indica que estos materiales tienen un comportamiento de degradación térmica similar. El primer paso de degradación ocurre entre 90 y 200 °C, atribuido a la descomposición de pequeñas moléculas del PE. El segundo paso de degradación, observado en el rango de 250 a 500 °C, muestra la descomposición de la cadena polimérica principal3,23. Para ambos pasos de degradación, los valores de To de los biocompuestos de fique fueron más altos que los valores de To de la EP pura. El resultado ya ha sido observado e informado para los biocompuestos de estera EP-NWF3.

Los valores de Tmax de los biocompuestos de fique fueron más altos que los observados para el EP puro (Fig. 8b). Muestran que el polvo de fique y las fibras de fique mejoran la estabilidad térmica del EP. Estos resultados han sido reportados para varios materiales biocompositos basados ​​en matrices termoplásticas 5,24,25 y termoendurecibles 3,11 y pueden ser considerados como una ventaja en el desempeño y temperatura de servicio de estos materiales.

Las micrografías SEM de los biocompuestos EP-fique se muestran en la Fig. 10. En estas imágenes se puede observar que el tipo de fique utilizado (polvo o fibra) y la disposición de la estera de fique generan cambios en la morfología de los biocompuestos.

Micrografías SEM del área transversal de biocompuestos EP-fique.

Para los biocompuestos EP-FP, se observaron partículas de polvo de fique semicirculares y alargadas dentro de la matriz EP con diámetros de alrededor de 100 µm. La estera de fique utilizada y la orientación de las fibras, genera cambios en la dirección y dispersión de las fibras dentro de la matriz. Para los biocompuestos EP-UF 0° y EP-UF 90°, las fibras están alineadas perpendicular y paralelamente al plano de fractura respectivamente, mientras que en los compuestos EP-NWF, las fibras están en una disposición aleatoria bidimensional. Además, los espacios interfaciales observados (círculos amarillos en la Fig. 10) indican una unión interfacial débil entre el fique y la matriz Epoxi y podrían estar relacionados con la disminución observada en la deformación a la rotura (sección "Propiedades mecánicas").

El proceso de diseño de las autopartes se realizó utilizando el módulo de superficies de SolidWorks que permite generar croquis de las líneas principales y revestimientos con superficies de geometrías complejas que de otra forma sería imposible generar. Uno de los beneficios del módulo de superficies es que se puede realizar un proceso de modelado 3D, en el que se utilizan las principales perspectivas de un objeto. A su vez cada uno se dispone en su plano correspondiente, para generar un sistema lineal en el espacio, cuyas coordenadas se ven afectadas por cada plano correspondiente. Al hacerlo, las vistas lateral, superior y frontal se pueden dibujar por separado y unir para generar bocetos complejos. Para este estudio se diseñó un automóvil a escala completa, y se fabricaron dos partes (puerta y capó) utilizando biocompuestos EP-UF 0° (Fig. 11). Esta selección se debió al mayor módulo y resistencia logrados durante las pruebas de tracción y flexión. Las fibras de fique orientadas paralelamente a la carga aplicada durante las pruebas mecánicas y el efecto rigidizador de las fibras permitieron obtener un material biocompuesto rígido con resistencia a la tracción y flexión (36.6 y 21.2 MPa, respectivamente) comparable a otros productos comerciales automotrices reportados en la literatura18 . Además, el proceso de infusión de la película de resina podría generar una presión considerable dentro del molde, lo que luego permite una compactación homogénea de las fibras de fique y EP durante el curado. De esta manera, es posible obtener piezas de automóviles escaladas con espesores uniformes y con buena homogeneidad, que pueden ser escaladas para la producción de piezas de automóviles.

Piezas de automoción (puerta y capó) producidas a partir de biocompuestos EP-UF 0° (escala 1:5).

Este estudio tuvo como objetivo investigar el uso de fibras naturales de fique y sus subproductos de procesamiento para la producción de biocompuestos a base de resina epoxi, utilizando la infusión de película de resina, y los efectos de la forma y orientación de la fibra natural en las propiedades mecánicas y térmicas de estos materiales. Dados los resultados presentados en este trabajo, se puede llegar a la siguiente conclusión:

La caracterización mecánica indicó que las fibras de fique alineadas en un ángulo de orientación de 0° aumentan los módulos de tracción y flexión hasta un 5700% y 1100% respectivamente en comparación con EP puro. Además, el polvo de fique (un subproducto del procesamiento de las fibras de fique) y las fibras de fique orientadas a 90° actúan como rellenos para la matriz de epoxi, mientras que las fibras de fique orientadas a 0° refuerzan la matriz de EP aumentando la resistencia a la tracción hasta un 277 % y la resistencia a la flexión. hasta 820%. Este comportamiento está relacionado con una distribución homogénea de la carga debido a la orientación de las fibras y una mayor relación de aspecto (L/D) que puede contribuir a una mayor eficacia de refuerzo para los biocompuestos EP-UF 0°. Por lo tanto, el desempeño mecánico de los biocompuestos EP-fique depende en gran medida de la estructura y el ángulo de orientación de las fibras.

La caracterización térmica muestra que el polvo de fique y las fibras de fique restringen el movimiento de las cadenas de macromoléculas de EP y mejoran la estabilidad térmica de EP. Estos resultados pueden considerarse una ventaja para el comportamiento y temperatura de servicio de los biocompuestos a base de fique. La caracterización mecánica de tracción y flexión mostró que la incorporación de polvo y fibras de fique indujo un efecto de rigidez de la matriz EP.

Las imágenes SEM mostraron que la forma de fique utilizada (polvo o fibra) y la orientación de la fibra (0° o 90°) generaron cambios en la morfología de los biocompuestos y en los espacios interfaciales, que indican una unión interfacial débil entre el fique y la matriz epoxi. Así, podrían generar una disminución de la deformación a la rotura, como se observa en este trabajo.

El método de proceso de infusión de película de resina permite la producción de láminas de biocompuestos y prototipos de piezas de automóviles con espesores uniformes y buena homogeneidad. Estas piezas podrían fabricarse para la producción de piezas a gran escala. Estos hallazgos muestran claramente la posibilidad de considerar los biocompuestos EP-fique como materiales alternativos para aplicaciones en el sector automotriz como productos a base de fibras naturales, y podría aumentar el interés en investigar y desarrollar productos a partir de polvos de fique y otras fibras naturales procesando subproductos reduciendo su acumulación. en suelos y rellenos sanitarios, preocupaciones ambientales y generar un impacto positivo en las economías regionales, desarrollo tecnológico y ampliar la gama de aplicaciones del fique.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y sus archivos de información complementaria.

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We present our acknowledgements to the Universidad Autónoma de Occidente (Cali-Colombia), for the technical and financial support; to the Centro de Excelencia en Nuevos Materiales from Universidad del Valle (Cali-Colombia) for SEM measurements. The authors wish to thank to "Compañia de Empaques de Medellin" (Medellin-Colombia) for providing the nonwoven industrial Fique mats and to "Empaques del Cauca" (Popayan-Colombia) for providing raw fique fibers and powders.

Research Group for Manufacturing Technologies GITEM, Universidad Autónoma de Occidente, Cali, Colombia

Nicolas Centeno-Mesa, Oscar Lombana-Toro, Juan P. Correa-Aguirre & Miguel A. Hidalgo-Salazar

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NCM: Curación de datos, Análisis formal, Investigación, Redacción—Borrador original. OLT: Curación de datos, Análisis formal, Investigación, Redacción—Borrador original. JPC: Curación de datos, análisis formal, investigación, redacción: revisión y edición. MHS: Conceptualización, Análisis formal, Obtención de fondos, Metodología, Investigación, Supervisión, Redacción—Revisión y Edición. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondence to Juan P. Correa-Aguirre.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Centeno-Mesa, N., Lombana-Toro, O., Correa-Aguirre, JP et al. Efecto de las fibras de fique y sus subproductos de procesamiento sobre la morfología, propiedades térmicas y mecánicas de biocompuestos a base de epoxi. Informe científico 12, 15143 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-18934-x

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Recibido: 24 enero 2022

Aceptado: 22 de agosto de 2022

Publicado: 07 septiembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18934-x

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