Análisis, modelado y diseño de un componente fabricado con materiales compuestos de matriz polimérica reforzado con fibra larga

Abstract

[ES] Uno de los mayores negocios del siglo XX se basa en el uso de recursos renovables y sostenibles para los nuevos materiales. Los compuestos son materiales cada vez más innovadores con propiedades mecánicas, físicas y químicas cada vez más interesantes. Sin embargo, a menudo necesitan procesos que requieren mucha energía y componentes no renovables. El objetivo de esta tesis de maestría es desarrollar y comparar un nuevo compuesto que provenga de recursos renovables pero que tenga tan buenas propiedades como un compuesto petroquímico. Un compuesto petroquímico se obtiene por reacción entre la epiclorhidrina y el bisfenol A (BPA). El BPA es un compuesto sintético obtenido de una reacción química entre un equivalente del fenol y la acetona. El BPA ha sido clasificado como reprotóxico de cuarta clase. La epiclorhidrina también es un compuesto tóxico en caso de contacto con la piel o por inhalación, pero no presenta ningún otro riesgo. Uno de los objetivos es determinar los componentes que permitan fabricar un epoxi de base biológica. Esto es posible con la epiclorhidrina biobasada y la catequina, un sustituto del BPA. Además, para tener un compuesto de base biológica, los refuerzos deben ser también de base biológica. Para ello, se eligen las fibras de lino, ya que se trata de un recurso inagotable y sostenible. Además, sus características mecánicas son muy buenas. Este compuesto se compara con un compuesto petroquímico cuya matriz es éter diglicidílico de bisfenol A (BADGE) y los refuerzos son fibras de vidrio. La matriz de BADGE es un compuesto fabricado por polimerización de un prepolímero BADGE y debido a su dudoso origen, se sospecha que es un disruptor endocrino. Sin embargo, este compuesto procedente de la petroquímica tiene excelentes propiedades mecánicas y es conocido en numerosos campos por ello. Por lo tanto, es interesante comparar dos compuestos cuyo origen es totalmente diferente y juzgar su capacidad para desempeñar un papel compuesto. De hecho, una vez que se determina este biocompuesto, es importante y necesario someterlo a pruebas mecánicas. Estos ensayos se refieren a la homogeneidad de la pieza y a sus propiedades mecánicas. Se realizan tres pruebas preexperimentales con el software ABAQUS FEA® (Dassault Systèmes). Se eligió una prueba de pandeo en el punto crítico en ambos casos, otra prueba de pandeo en el mismo valor y, finalmente, una prueba de flexión en tres puntos para comparar sus capacidades de resistencia a una carga. Se hace una prueba final, sobre un poste de salto y teniendo en cuenta todos los parámetros energéticos y mecánicos. Los resultados revelaron que para las pruebas preexperimentales, el compuesto epoxídico soporta mejor las cargas. Los desplazamientos son menores que para el biobasado y las tensiones son mayores. Muestra una mayor deformabilidad en lo que respecta al compuesto biobasado pero puede ser un problema para el deporte del salto con pértiga. De hecho, podría inducir una capacidad demasiado pobre para la transferencia de energía potencial elástica e implica un salto fallido o una puntuación débil. El objetivo de este trabajo sería ayudar a desarrollar un nuevo compuesto que fuera sostenible, renovable y con excelentes propiedades, permitiendo su uso en todos los campos. Por ejemplo, estos productos innovadores podrían estudiarse en diferentes deportes donde la flexión no es el estrés más importante. Por ejemplo, para los remos en piragüismo o incluso en los envases de cosméticos que siguen siendo un problema ecológico.

[CA] Un dels majors negocis del segle XX es basa en l'ús de recursos renovables i sostenibles per als nous materials. Els compostos són materials cada vegada més innovadors amb propietats mecàniques, físiques i químiques cada vegada més interessants. No obstant això, sovint necessiten processos que requerixen molta energia i components no renovables. L'objectiu d'esta tesi de mestria és desenrotllar i comparar un nou compost que provinga de recursos renovables però que tinga tan bones propietats com un compost petroquímic. Un compost petroquímic s'obté per reacció entre l'epiclorhidrina i el bisfenol A (BPA) . El BPA és un compost sintètic obtingut d'una reacció química entre un equivalent del fenol i l'acetona. El BPA ha sigut classificat com reprotóxico de quarta classe. L'epiclorhidrina també és un compost tòxic en cas de contacte amb la pell o per inhalació, però no presenta cap altre risc. Un dels objectius és determinar els components que permeten fabricar un epoxi de base biològica. Açò és possible amb l'epiclorhidrina biobasada i la catequina, un substitut del BPA. A més, per a tindre un compost de base biològica, els reforços han de ser també de base biològica. Per a això, es trien les fibres de lli, ja que es tracta d'un recurs inesgotable i sostenible. A més, les seues característiques mecàniques són molt bones. Este compost es compara amb un compost petroquímic la matriu del qual és èter diglicidílico de bisfenol A (BADGE) i els reforços són fibres de vidre. La matriu de BADGE és un compost fabricat per polimerització d'un prepolímer BADGE i a causa del seu dubtós origen, se sospita que és un disruptor endocrí. No obstant això, este compost procedent de la petroquímica té excel·lents propietats mecàniques i és conegut en nombrosos camps per això. Per tant, és interessant comparar dos compostos l'origen del qual és totalment diferent i jutjar la seua capacitat per a exercir un paper compost. De fet, una vegada que es determina este biocompuesto, és important i necessari sotmetre-ho a proves mecàniques. Estos assajos es referixen a l'homogeneïtat de la peça i a les seues propietats mecàniques. Es realitzen tres proves preexperimentals amb el programari ABAQUS FEA® (Dassault Systèmes) . Es va triar una prova de bombament en el punt crític en ambdós casos, una altra prova de bombament en el mateix valor i, finalment, una prova de flexió en tres punts per a comparar les seues capacitats de resistència a una càrrega. Es fa una prova final, sobre un pal de bot i tenint en compte tots els paràmetres energètics i mecànics. Els resultats van revelar que per a les proves preexperimentals, el compost epoxídic suporta millor les càrregues. Els desplaçaments són menors que per al biobasado i les tensions són majors. Mostra una major deformabilidad pel que fa al compost biobasado però pot ser un problema per a l'esport del bot amb perxa. De fet, podria induir una capacitat massa pobra per a la transferència d'energia potencial elàstica i implica un bot fallit o una puntuació dèbil. L'objectiu d'este treball seria ajudar a desenrotllar un nou compost que fóra sostenible, renovable i amb excel·lents propietats, permetent el seu ús en tots els camps. Per exemple, estos productes innovadors podrien estudiar-se en diferents esports on la flexió no és l'estrés més important. Per exemple, per als rems en piragüisme o inclús en els envasos de cosmètics que continuen sent un problema ecològic.

[EN] One of the biggest deal of the twentieth century is based on the use of renewable and sustainable resources for the new materials. Composite are materials more and more innovative with mechanical, physical and chemical properties more and more interesting. However, they often need processes asking lots of energies and unrenewable components. The goal of this Master’s thesis is to develop and compare a new composite which will come from renewable resources but having as good properties as a petrochemical composite. A petrochemical composite is obtained by reaction between epichlorohydrin and BPA. BPA or bisphenol A, is a synthetic compound obtained from a chemical reaction between an equivalent of phenol and acetone. BPA has been classed as reprotoxic of fourth class. Epichlorohydrin is also a toxic compound in case of contact with skin or inhalation but doesn’t present any other risks. One of the objective is to determine components allowing to manufacture a biobased epoxy. It is possible with biobased epichlorohydrin and catechin, a substitute of BPA (Bisphenol A). Furthermore for having a biobased composite, reinforcements must be biobased as well. For that, flax fibres are chosen, as seeing this is an inexhaustible and sustainable resource. Moreover its mechanical characteristics are very good. This composite is compared to a petrochemical composite which the matrix is BADGE and the reinforcements are glass fibres. BADGE matrix or Bisphenol A diglycidyl ether matrix is then a compound fabricated by polymerisation of a prepolymer BADGE and due to its to doubtful origin, it is suspected to be an endocrine disruptor. However, this composite coming from petrochemistry has excellent mechanical properties and is known in numerous fields for that. Thus it is interesting to compare two composite which the origin is totally different and to judge their capacity to play a composite role. Indeed, once this biobased composite is determined, it is important and necessary to submit it to mechanical tests. These tests concern the homogeneity of the piece and its mechanical properties. Three pre-experimental tests are carried out using the software ABAQUS FEA®(Dassault Systèmes). A buckling test at the critical point in both cases, another buckling test at the same value and finally a three points bending tests were chosen in order to compare their capacities to resist to a load. A final test is made, on a vaulting pole and taking into account all the energetical and mechanical parameters. The results revealed that for the pre-experimental tests, epoxy composite supports better the loads. The displacements are lower than for the biobased and the stresses are higher. It shows a higher deformability concerning the biobased composite but it can be a problem for the pole vaulting sport. Indeed it could induce a too poor capacity for the transfer of elastic potential energy and involves a failed jump or a weak score. The aim of this work would be to help with developing a new composite which would be sustainable, renewable and having excellent properties, allowing to be used in all fields. For example these innovative product could be studied in different sports where flexion doesn’t play the most important role, for example for the oars in rowing or even in cosmetic packaging which remains an ecological scourge.