Fabricación y Caracterización de Green Composites con Bioresina y Tejido de Fibra Natural de Lino mediante Moldeo por Transferencia de Resina

Abstract

[EN] Fibre reinforced polymer composites, represent a great technological advance and are present in many objects in our lives. Composites stand out for their excellent mechanical properties and low weight compared to other materials. Nevertheless, composites have generated serious environmental problems, due to their non-biodegradable nature and petroleum-based origin. In the context of sustainable development, an increasing environmental consciousness has encouraged the researchers to develop environmentally friendly polymers and composites.

The purpose of this Ph.D. Thesis is to manufacture and characterise Green Composites, derived from renewable resources, a natural fibre woven fabric of flax and a bio-based epoxy resin, by means of Liquid Composite Moulding Processes (LCM Processes). The methodology used involves experimental techniques of Thermogravimetric Analysis (TGA), Morphological Analysis (Scanning Electron Microscopy-SEM), Mechanical Analysis, measurement of the permeability of the reinforcement, and water absorption process. Natural fabric and bioresin are characterised from the point of view of the composite manufacture, with the objective of assessing their characteristics for use as reinforcement and matrix. The impregnation and compaction behaviour of the reinforcement in the manufacturing stages has been evaluated with the experimental measurement of its permeability, and by means of compression tests. Bioresin cure kinetics model has been obtained and proposed from the results of thermal degradation process of the cure resin, through TGA analysis. Mechanical, thermal and water absorption behaviour of Green Composites have been characterised. Tensile and flexural mechanical properties have been assessed as a function of fibre volume fraction. Composites have been immersed in water to study their water absorption behaviour and its effect on mechanical properties, including morphological analysis. The thermal analysis (TGA) has shown that thermal stability of natural fabric and composite, is assured during the manufacture and the service life. The validation of the results of the reinforcement and matrix characterisation has been carried out using a commercial software of LCM processes simulation to composite manufacture.

It can be concluded that the methodology proposed has permitted the suitable study and assessment of the materials and composite. It is possible that Liquid Composite Moulding Processes could be used to manufacture green composites successfully, with renewable flax fibre and bioepoxy matrix. Their good mechanical properties and water absorption behaviour, become green composites in a potential sustainable alternative to replace traditional synthetic composites, as glass fibre reinforced composites, to the use in certain engineering applications.

[ES] Los materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras "Composites", representan un gran avance tecnológico y están presentes en multitud de objetos en nuestra vida. Destacan por sus buenas propiedades mecánicas y su reducido peso, en comparación a otros materiales. Sin embargo, han generado graves problemas medioambientales, debido a su naturaleza no biodegradable y a su origen derivado del petróleo. En el contexto del desarrollo sostenible, el aumento de la conciencia medioambiental, ha animado a los investigadores a desarrollar polímeros y composites respetuosos con el medio ambiente.

El propósito de la presente Tesis Doctoral es fabricar y caracterizar Green Composites, desarrollados a partir de recursos renovables, un tejido de fibra natural de lino y una bioresina epoxi, mediante procesos de transferencia de resina líquida-Procesos LCM. Para ello, se ha utilizado una metodología basada en técnicas experimentales de análisis termogravimétrico (TGA), análisis morfológico (microscopía electrónica de barrido-SEM), análisis mecánico, medida de la permeabilidad del refuerzo, y proceso de absorción de agua. El tejido natural y la bioresina se caracterizan desde el punto de vista de la fabricación del composite, con el objetivo de estudiar sus características para su uso como refuerzo y matriz. El comportamiento del refuerzo en las etapas de impregnación y compactación se ha evaluado con la medida experimental de su permeabilidad, y mediante ensayos de compresión. Se ha obtenido y propuesto modelo de la cinética de la reacción de curado de la bioresina, a partir de los resultados del proceso de descomposición térmica de la resina curada con análisis TGA. Los Green Composites se han caracterizado en base a su comportamiento mecánico, térmico y de absorción de agua. Se han estudiado sus propiedades mecánicas a tracción y flexión en función del contenido en fibra. Los composites han sido sometidos a un proceso de absorción por inmersión en agua, para estudiar su comportamiento y su efecto en las propiedades mecánicas, incluyendo el análisis morfológico. El análisis térmico (TGA) ha mostrado que la estabilidad térmica del tejido natural y del composite, está garantizada durante la fabricación y vida en servicio. Los resultados de la caracterización del refuerzo y matriz han sido validados en un software comercial de simulación de procesos LCM para la fabricación de composites.

Se puede concluir que la metodología propuesta ha permitido la correcta caracterización de los materiales y del composite. Es posible fabricar con éxito mediante procesos de transferencia de resina líquida Green Composites, a partir de fibra de lino en matriz epoxi de origen renovable. Sus buenas propiedades mecánicas y su comportamiento ante la absorción de agua, los convierte en una potencial alternativa sostenible para reemplazar a tradicionales composites sintéticos, como los reforzados con fibra de vidrio, en ciertas aplicaciones de uso en ingeniería.

[CA] Els materials compostos de matriu polimérica reforçats amb fibres "Composites", representen un gran avanç tecnològic i estan presents en multitud de objectes de la nostra vida. Destaquen per les seues bones propietats mecàniques i el seu reduït pes, en comparació a altres materials. No obstant això, han generat greus problemes mediambientals, per la seua naturalesa no biodegradable i al seu origen derivat del petroli. En el context del desenvolupament sostenible, el augment de la consciència mediambiental, ha animat els investigadors a desenvolupar polímers i composites respectuosos amb el medi ambient.

El propòsit de la present Tesi Doctoral és fabricar i caracteritzar Green Composites, desenvolupats a partir de recursos renovables, un teixit de fibra natural de lli i una bioresina epoxi, mitjançant processos de transferència de resina líquida-Processos LCM. Per a això, s'ha utilitzat una metodología basada en tècniques experimentals d'anàlisi termogravimètric (TGA), anàlisi morfològic (microscòpia electrònica de rastreig - SEM), anàlisi mecànic, mesura de la permeabilitat del reforç, i procés d'absorció d'aigua. El teixit natural i la bioresina es caracteritzen des del punt de vista de la fabricació del composite, amb l'objectiu d'estudiar les seues característiques per al seu ús com a reforç i matriu. El comportament del reforç en les etapes d'impregnació i compactació s'ha avaluat amb la mesura experimental de la seua permeabilitat, i per mitjà d'assaigs de compressió. S'ha obtingut i proposat model de la cinètica de la reacció de curat de la bioresina, a partir dels resultats del procés de descomposició tèrmica de la resina curada amb anàlisi TGA. Los Green Composites s'han caracteritzat en base al seu comportament mecànic, tèrmic i d'absorció d'aigua. S'han estudiat les seues propietats mecàniques a tracció i flexió en funció del contingut en fibra. Els composites han sigut sotmesos a un procés d'absorció per immersió en aigua, per a estudiar el seu comportament i el seu efecte en les propietats mecàniques, incloent l'anàlisi morfològic. L'anàlisi tèrmic (TGA) ha mostrat que la estabilitat tèrmica del teixit natural i del composite, està garantida durant la seua fabricació i vida útil. Els resultats de la caracterització del reforç i matriu han sigut validats en un software comercial de simulació de processos LCM per a la fabricació de composites.

Es pot concloure que la metodologia proposta ha permés la correcta caracterització dels materials i del composite. És possible fabricar amb èxit Green Composites, mitjançant processos de transferència de resina líquida, a partir de fibra de lli en matriu epoxi d'origen renovable. Les seues bones propietats mecàniques i el seu comportament davant l'absorció d'aigua, els convertixen en una potencial alternativa sostenible per a reemplaçar a tradicionals composites sintètics, com els reforçats amb fibra de vidre, en certes aplicacions d'ús en enginyeria.