Characterization of the composite mater=
ial
made of polyester resin with particles of recycled rubber and its applicabi=
lity
in bodies.
Ing.
Segundo Manuel Espín-Lagos Mg[1]=
, Ing. Jorge Patricio=
Guamanquispe Toasa Mg
The
study of polymeric matrix composite every day increases its importance in t=
he
automotive and bodywork industry for its benefits such as low cost, new
properties and easy manufacturing. The objective of this research was to ob=
tain
a polyester resin matrix composite reinforced with rubber particles from
recycled tires with three different granule sizes varying its volumetric
fraction in 10%, 20%, 30%, 35% and 40%. The results show that tensile stren=
gth,
flexion and compression of composite materials decrease with increasing rub=
ber
particle content, as well as tensile modulus tends to decrease with an
increasing particle contents and a decreasing size of particle contents, wh=
ile
the elasticity module to flexion in the volumetric concentration of 10%, ev=
idences
an increase of 84.11% for G1; 91.16% for G2, and 155.93% for G3 compared to
pure polyester resin (without reinforcement), therefore, it is also determi=
ned
that it increases its flexural modulus of elasticity if the particle size is
higher. With the mechanical properties obtained through the tests, it is
determined that the composite with G3 granule size is suitable for bending =
work
since it increases its elasticity modulus turning it into an elastic materi=
al,
and it would be used in exterior body parts such as fenders, dust covers, in
bases between chassis and body to absorb vibrations, front and rear fender
protectors to absorb impacts, in masks and as insulating material of noise,
heat and electricity.
Keywords: Composite,
rubber particles, recycled tires, mechanical properties, bodywork.
El estudio de materia=
les
compuestos de matriz polimérica cada día incrementa su importancia en la
industria automotriz y carrocera por sus beneficios como bajo costo, nuevas
propiedades y facilidad de manufacturación. El objetivo de esta investigaci=
ón
fue obtener un material compuesto de matriz resina poliéster reforzado con
partículas de caucho de neumáticos reciclados con tres granulometrías
diferentes variando su fracción volumétrica de 10%, 20%, 30%, 35% y 40%. Los
resultados evidencian que la resistencia a tracción, flexión y compresión de
los materiales compuestos disminuyen al aumentar el contenido de partículas=
de
caucho, así como también el módulo de elasticidad a tracción tiende a dismi=
nuir
al aumentar el contenido de las partículas y al disminuir el tamańo de
partícula, mientras que el módulo de elasticidad a flexión en la concentrac=
ión
volumétrica de 10%, se evidencia un incremento del 84,11% para G1; 91,16% p=
ara
G2, y 155,93% para G3 comparado con la resina poliéster pura (sin refuerzo),
por lo tanto, también se determina que aumenta su módulo de elasticidad a
flexión si mayor es el tamańo de la partícula. Con las propiedades mecánicas
obtenidas mediante los ensayos, se determina que el material compuesto con
granulometría G3 es apto para trabajar a flexión ya que incrementa su módul=
o de
elasticidad convirtiéndole en un material elástico, y se utilizaría en part=
es
exteriores de carrocerías como en guardafangos, guardapolvos, en bases entre
chasis y carrocería para absorber vibraciones, en defensas de guardachoques
delantero y posterior para absorber impactos y en masacrillas.
Palabras Claves: Material
compuesto, partículas de caucho, neumáticos reciclados, propiedades mecánic=
as,
carrocería.
Introducción.
La
generación de neumáticos de desecho en todo el mundo es de aproximadamente =
un
millón de dólares por ańo y se espera que ésta cifra incremente en el futur=
o (Abu-Jdayil, Mourad, & Hussain, 2016)=
.
Según el Ministerio del Ambiente (MAE), en el Ecuador se desecha anualmente
millones de neumáticos, de los cuales un bajo porcentaje de estos son
reutilizados para el reencauche, pero la gran mayoría son incinerados o
depositados en basureros al aire libre, lo que presenta una amenaza contra =
el
medio ambiente (Ministerio del Ambiente, 2013).
Actualmente
la tasa de reutilización de neumáticos de desecho es mucho menor que el
producido, se prevé para el 2018 la demanda mundial de neumáticos reciclados
crecerá un 2,4% que representa 13,34 millones de toneladas mientras que el consumo total del caucho
aumentará a una tasa de 3,3% equivalente a 29,37 millones de toneladas con
respecto al ańo anterior (International Rubber Study Group, 2017)<=
/span>.
Una
de las aplicaciones de caucho reciclado con potencial en el futuro es la
incorporación del caucho particulado en matrices poliméricas para la obtenc=
ión
de materiales compuestos, los cuales son muy apetecidos en la industria act=
ual (Peláez, Velásquez, & Giraldo, 2017)<=
/span>. Las industrias manufactureras de índole
estructural y automotriz buscan la aplicación de materiales amigables con el
ambiente con propiedades mecánicas que satisfagan los esfuerzos sometidos a=
sus
productos finales (Paredes, Pérez, & Castro, 2017).
La
adición de partículas de caucho de neumáticos reciclados, en polímeros termorrígidos o termoplásticos ha sido el foco de la
investigación en esta área. (Silva et al., 2012),
promueven el reciclaje de neumáticos de desecho mediante la incorporación de
los residuos de caucho en una matriz polimérica, creando un material sosten=
ible
que cumpla con los estándares y normas técnicas de la industria brasileńa e
internacionales.
Su
estudio se basó sobre el efecto de las propiedades físicas y mecánicas de l=
os
materiales compuestos de matriz polimérica de resina epoxi con y sin adició=
n de
anhídrido maléfico (1.5% en masa) y fracciones en masa de las partículas pa=
ra
estudio fueron al 10%, 25% y 50%. Uno de los resultados más significativos =
del
estudio fue la composición de 25% en masa de partículas de caucho de tamańo
100/200 US-Tyler, mostrando aplicaciones prometedoras en ingeniería además =
de
un porcentaje significativo de reutilización de residuos de caucho en la
producción de este material.
(Olmos, Vela, Alvarez, & González, 2013),
utilizaron partículas de caucho de los neumáticos en desuso para modificar =
una
base epoxi termoendurecible con el objetivo de
estudiar el comportamiento mecánico del material. El contenido de partícula=
s de
caucho para los especímenes de estudio fue de 0%, 1%, 2%, 4% y 10%. Los
resultados obtenidos relacionados con el contenido de partícula fue, que pa=
ra
concentraciones menores al 4%, el comportamiento en condiciones más severas
(ensayo Charpy) se mantiene o aumenta ligeramente la energía absorbida por =
el
material, mientras que la fuerza máxima aplicada y la energía total absorbi=
da
en la ruptura aumentan cuando disminuye el tamańo de la partícula; tales
resultados evidencia que el tamańo de las partículas es un factor importante
para el rendimiento final de los materiales bajo estudio.
Ciertas
investigaciones han establecido que la adición de partículas en materiales
termoplásticos lleva a la fragilidad del compuesto debido a la formación y
propagación de un cuello en el polímero matriz sometido a tensión ADDIN CSL_CITAT=
ION {
"citationItems" : [ { "id" : "ITEM-1",
"itemData" : { "DOI" : "10.1134/1.1450666",
"ISSN" : "1028-3358", "author" : [ {
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ing-particle"
: "", "parse-names" : false, "suffix" :
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"family" : "Avinkin", "given" : "V.
S.", "non-dropping-particle" : "",
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"Bazhenov", "given" : "S. L.",
"non-dropping-particle" : "", "parse-names" :
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ue"
: "1", "issued" : { "date-parts" : [ [
"2002" ] ] }, "page" : "72-73", "title&q=
uot;
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c765badf9"
] } ], "mendeley" : { "formattedCitation" : "(Sere=
nko,
Avinkin, & Bazhenov, 2002)", "plainTextFormattedCitation"=
; :
"(Serenko, Avinkin, & Bazhenov, 2002)",
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"schema" :
"https://github.com/citation-style-language/schema/raw/master/csl-cita=
tion.json"
}(Serenko, Avinkin, & Bazhenov, 2002)<=
/span>.
(Abu-Jdayil et al., 2016),
formularon y desarrollaron un compuesto de poliéster insaturado con caucho =
como
material aislante con 8 diferentes concentraciones en volumen de caucho (5%,
10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35% y 40%) cuyos resultados mostraron que la mezcl=
a de
partículas de caucho con la matriz poliéster disminuyó tanto la resistencia=
a
la compresión como a la tensión y módulos del compuesto. Además, a medida q=
ue
aumenta el contenido de caucho reduce notablemente las resistencias del
compuesto, y mientras el tamańo de la partícula sea menor, menor será su
resistencia y módulo de elasticidad.
(Valáek, Müller, & Rubarský, 2014)<=
/span>,
en su estudio corroboraron la hipótesis de obras de otros autores, la prese=
ncia
de partículas inorgánicas tiene un impacto negativo con respecto a las
propiedades mecánicas del material, sin embargo, en las pruebas realizadas
evidenciaron que mientras aumenta la concentración de partículas de caucho
reciclado lleva a disminuir proporcionalmente valores de dureza, resistenci=
a a
la tracción y cizalladura, pero pese a los resultados obtenidos establecen =
que
es necesario preferir el uso de materiales de desecho debido a que es un ti=
po
de reciclaje rentable y respetuoso con el medio ambiente adecuado para
aplicaciones donde no se requiere valores altos de resistencia.
La
industria automotriz y carrocera tiene el reto de reemplazar las partes ext=
ernas
de los vehículos por materiales biodegradables, reciclables o al menos
incinerables para transformarles en alguna fuente de energía como la térmic=
a,
con el propósito de preservar el medio ambiente y el planeta. El reemplazo =
de
componentes exteriores es más complicado ya que estas partes no están
protegidas de las condiciones climáticas, por lo que una alternativa sería
obtener un material compuesto con matriz polimérica reforzado con partícula=
s de
neumáticos desechados, para la construcción de partes exteriores de carroce=
rías
y que resistan las inclemencias del medio ambiente, y una vez cumplida su v=
ida
útil podamos incinerarlos y transformarlos en energía térmica.
Materiales y métodos.
Para
iniciar el estudio se elaboraron probetas del material compuesto mediante el
método de estratificación manual a compresión atornillada utilizando moldes
metálicos con distintos porcentajes de partículas de caucho de neumáticos
reciclados de tres granulometrías diferentes G1 (0,05mm 0,6mm), G2 (0,6
1,18mm) y G3 (1,18mm 2,36mm) para posteriormente realizar ensayos de
tracción, flexión y compresión, bajo normas ASTM D3039-14 (ASTM D3039/D3039M-14, 2014),
ASTM D7264-15 (ASTM D7264/D7264M−15, 2015)
y ASTM D695-15 (ASTM D695-15, 2015)
respectivamente, se preparó el molde metálico limpiándole y untándole de ce=
ra
desmoldante marca AUTO CARE, se ańadió el 10% de estireno monómero a la res=
ina poliester ortoftálica de
propósito general marca andercol POL R 33000 al=
70%
en sólidos más el 0.5% en peso de octoato de co=
balto
al 12% de Co y 2% en peso de MEK peróxido metil=
etil cetona al 9% de oxígeno activo, las partículas de
caucho se ańadieron a la mezcla variando el porcentaje de refuerzo en 10%, =
20%,
30%, 35% y 40% para ser coladas en el molde metálico y ser cortadas con
cortadora laser después de 21 días de curado con las dimensiones que especi=
fica
las normas ASTM, como se observa en las figuras 1, 2 y 3.
Figura =
1.
Fuente:
Grupo de investigación.
Figura =
2.
Fuente:
Grupo de investigación.
Figura =
3.
Fuente:=
Grupo de investigación.
Para
el ensayo de tracción, flexión y compresión se utilizó la máquina universal
para polímeros Metrotest modelo 50 KN serie 821=
0M002
del laboratorio de resistencia de materiales del Centro de Fomento Producti=
vo
Metalmecánico Carrocero de Tungurahua, que se muestra en la figura 4.
Figura =
4. Máquina
Universal Metrotest
modelo 50 KN serie 8210M002.
Fuente:
Para
analizar la estructura interna del material compuesto se utilizó un microsc=
opio
electrónico de barrido TESCAN modelo VEGA 3 SBU, del laboratorio de materia=
les
de la Carrera de Ingeniería Mecánica de la Universidad Técnica de Ambato.
Resultados.
Una
vez obtenidas las probetas del material compuesto de matriz polimérica
reforzado con partículas de caucho de neumáticos reciclados con las tres
granulometrías (G1, G2 y G3), y variando la fracción volumétrica del materi=
al
de refuerzo (0%, 10%, 20%, 30%, 35% y 40%) se procedió a ensayarlas
mecánicamente a tracción, flexión y compresión, obteniendo los resultados q=
ue
se evidencian a continuación:
Resultados del ensayo a tracción.
En
la tabla 1, figura 5 y figura 6, se muestra los resultados promedio obtenid=
os
del ensayo a tracción para las tres granulometrías (G1, G2 y G3), utilizand=
o la
norma ASTM D3039-14.
Tabla 1.
Resultados del ensayo de tracción.
Fuente:
Figura SEQ Figura \* =
ARABIC
5.
Curvas fluencia a tracción Vs concentración volumétrica.
Fuente:
En
la figura 5, se puede observar que el límite de fluencia del material somet=
ido
a tracción, en primer lugar, disminuye al aumentar la concentración volumét=
rica
y en segundo lugar para concentraciones de alrededor del 10 % es mayor con
partículas de caucho cuya granulometría es la G1 y disminuye progresivament=
e a medida
que la granulometría aumenta a G2 y G3 respectivamente. Además, se puede
apreciar que para concentraciones del 20% se tiene límites de fluencia
similares para las granulometrías G2 y G3, y por último se observa que a me=
dida
que la concentración aumenta a valores de entre 35 % y 40 % el límite de
fluencia es similar con los tres tipos de granulometrías ensayados.
Figura =
6.
Fuente:
E
Resultados del ensayo a flexión.
En
la tabla 2, figura 7 y figura 8, se muestra los resultados promedios obteni=
dos
del ensayo a tracción para las tres granulometrías (G1, G2 y G3), utilizand=
o la
norma ASTM D7264-15.
Tabla
2.
Fuente:
Figura SEQ Figura \* =
ARABIC
7.
Curvas fluencia a flexión Vs concentración volumétrica.
Fuente:
En
la figura 7, se representa la relación que existe entre el límite de fluenc=
ia a
flexión y concentración volumétrica y granulometría, de la cual se observa
básicamente que el límite de fluencia a flexión disminuye a medida que la
concentración aumenta, sin embargo, la variación de la granulometría no inf=
luye
en el mismo.
Figura SEQ Figura \* =
ARABIC
8.
Curvas módulo de elasticidad Vs Concentración Volumétrica.
Fuente:
En
la figura 8, se presenta, en primer lugar, la relación que existe entre el
módulo de elasticidad y la concentración volumétrica de probetas ensayadas a
flexión se puede apreciar que a medida que aumenta dicha concentración el
módulo disminuye. Además, existe una tendencia a disminuir a medida que aum=
enta
la granulometría, sin embargo, para granulometrías G1 y G2 con concentracio=
nes
de alrededor al 35 % el módulo de elasticidad es similar.
Resultados del ensayo a compresión.
En
el ensayo a compresión las probetas fueron colocadas entre dos plataformas =
de
la máquina, la carga fue aplicada a 100 mm de desplazamiento y a una veloci=
dad
de deformación constante de 5 mm/min, aplicando la norma ASTM D695-15. En la tabla 3, se muestran los
resultados de este ensayo para cada concentración volumétrica y granulometr=
ía.
Tabla 3.
Resultados del ensayo a compresión.
Fuente:
Figura SEQ Figura \* =
ARABIC
9.
Curvas esfuerzo a compresión Vs concentración volumétrica.
Fuente:
En
la figura 9, se puede observar que la resistencia a compresión del material
compuesto, en primer lugar, disminuye al aumentar la concentración volumétr=
ica y en segundo lugar, no se observan cambios significati=
vos al
cambiar la granulometría.
Resultados de la microscopía electrónica de Barrido
(SEM).
Al
realizar el análisis interno del material compuesto mediante microscopia
electrónica de barrido (SEM) de tres fracciones volumétricas (10%, 20% y 30=
%),
presentó la morfología que se muestra en la figura 10.
Figura =
10.
Fuente:
Las
micrografías evidencian que el material compuesto en los tres casos presenta
una distribución normal del particulado de caucho con una excelente adheren=
cia
a la matriz (resina poliéster).
Conclusiones.
ˇ&nb=
sp;
Se ha investigado el comportamiento mecánico del material
compuesto de resina poliéster con partículas de caucho de neumáticos recicl=
ados
con tres tamańos de partículas y cinco concentraciones volumétricas de
contenido de caucho. Los resultados evidencian que tanto el esfuerzo a
tracción, flexión y compresión de los materiales compuestos disminuyen al
aumentar el contenido de partículas de caucho. El módulo de elasticidad a
tracción tiende a disminuir al aumentar el contenido de las partículas y al
disminuir su tamańo, mientras que el módulo de elasticidad a flexión en la
concentración volumétrica al 10% de partículas de caucho en la que se evide=
ncia
un incremento del 84,11% para G1; 91,16% para G2 y 155,93% para G3, compara=
do
con la resina poliéster pura (sin refuerzo), por lo tanto, también se deter=
mina
que incrementa su módulo de elasticidad a flexión al incrementar el tamańo =
de
partícula.
ˇ&nb=
sp;
Con las propiedades mecánicas obtenidas mediante los ensa=
yos,
se determina que el material compuesto con granulometría G3 es apto para
trabajar a flexión ya que incrementa su módulo de elasticidad convirtiéndol=
e en
un material elástico, por lo que se aplicará en partes exteriores de
carrocerías como en guardafangos, guardapolvos, en bases entre chasis y
carrocería para absorber vibraciones, en defensas de guardachoques delanter=
o y
posterior para absorber impactos, en masacrillas y como material aislante d=
el
ruido, calor y electricidad.
Agradecimiento.
A la Dirección de Investigación y Desarrollo de la
Universidad Técnica de Ambato por el financiamiento del proyecto de
investigación Aplicabilidad de un material compuesto con matriz polimérica
reforzado con partículas de neumáticos reciclados en partes exteriores de
carrocerías de la industria carrocera de Tungurahua del que es parte esta
investigación.
Al Centro de Investigación y Desarrollo de la Fuer=
za
Aérea Ecuatoriana y Carrocerías Santacruz, por su apoyo incondicional al
desarrollo del proyecto.
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https://doi.org/10.1590/S1517-70762012000400006
Valáek, P., Müller, =
M.,
& Rubarský, J. (2014). Using Recycled Rubber Particles as Filler of Polymers.
Para citar el
artículo indexado.
Espín S., Guamanquispe J., Acosta E., Jara A., León G. & Se=
villa
M. (2018). Caracterización del material compuesto de
resina poliester con partículas de caucho recic=
lado y
su aplicabilidad en carrocerías. Re=
vista
electrónica Ciencia Digital 2(2), 48-63. Recuperado desde:=
http://cienciadigital=
.org/revistacienciadigital2/index.php/CienciaDigital/article/view/72/67
El
artículo que se publica es de exclusiva responsabilidad de los autores y no
necesariamente reflejan el pensamiento de la Revista Ciencia Digital.
El
articulo queda en propiedad de la revista y, por tanto, su publicación parc=
ial
y/o total en otro medio tiene que ser autorizado por el director de la Revista Ciencia Digital.
[1=
]Universidad Técnica de Ambato,
Ecuador, sespin@uta.edu.ec
[2]Universidad Técnica de Ambato,
Ecuador, jp.guamanquispe@uta.edu.ec
[3]Universidad
Técnica de Ambato, Ecuador, cacosta0908@uta.edu.ec
[4]Centro de Investigación y
Desarrollo de la Fuerza Aérea Ecuatoriana, lenin.jara@cidfae.gob.ec
[5]Centro de Investigación y
Desarrollo de la Fuerza Aérea Ecuatoriana, gleon@fae.mil.ec
[6]Universidad Técnica de Ambato,
Ecuador, marthaesevilla@uta.edu.ec
www.cienciadigital.org Vol. 2, N°2, p. 48=
-63, Abril
- Junio, 2018