Marco teórico Unlock Access to An
MATERIALES COMPUESTOS DE MATRIZ TERMOESTABLE
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Figura 1 - Material compuesto
La necesidad de obtener materiales con combinaciones de propiedades que no se encuentran en los existentes en la naturaleza impulsa a combinar materiales para obtener materiales compuestos. Un material compuesto se forma forma cuan cuando do dos dos o má máss ma mate teri rial ales es se co comb mbin inan an,, de ma mane nera ra que que las las propiedades de los compuestos sean diferentes y por lo general mejores, que las de los constituyentes individuales. Los ma mate teri rial ales es co comp mpue uest stos os es está tán n for forma mado doss por por me medi dios os co cont ntin inuo uoss y discontinuos. El medio continuo se denomina matriz. El medio discontinuo, denominado refu refuerz erzo, o, es má máss fuer fuerte te y resi resist stent ente. e. La Lass prop propied iedad ades es de un ma mate teria riall comp co mpue uest sto o depe depend nden en de las las prop propie ieda dade dess de los los ma mate teri rial ales es que que lo constituyen, constituyen, de su distribució distribución n e interacción interacción.. !a"mood, !a"mood, #$$#% &arg"oorn, &arg"oorn, #$$'( Los materiales compuestos de matriz polim)rica se dividen en compuestos* term termop oplá lást stic icos os,, term termoes oesta tabl bles es y elas elastó tóme mero ros. s. El pres presen ente te traba trabajo jo de inve invesstiga tigacción ión se cent entra en los los ma mate teri rial ales es co comp mpu ues esto toss de ma matr triz iz termoestable, y por ello solo se profundizará en el estudio de los mismos. En los pol+meros termoestables, las resinas l+quidas se convierten en sólidos duros y frágiles con enlaces covalentes, que llevan a la formación de una red red tridi tridime mens nsio iona nall de átomo átomoss de ca carb rbon ono o que que form forman an un sóli sólido do r+gi r+gido do.. Exis Existen ten ademá ademáss átomo átomoss de nitr nitróg ógeno eno,, ox+g ox+gen eno, o, azufr azufre e u otros otros átom átomos os formando parte de la red estructural. Las propiedades mecánicas dependen de las unidades moleculares que forman la red, y de la extensión y densidad de los enlaces cruzados. Lo primero está determinado por los productos qu+micos iniciales usados y lo segundo por el control de los procesos de unión reticular que están involucrados en el e l curado.
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El t)rmino termoestable supone que el calor es necesario para el endurecimiento permanente del pol+mero. in embargo, muc"os de estos pol+meros pueden ser endurecidos a temperatura ambiente solamente por Unlock Access to An la reacción qu+mica llamada reticulación o curado.
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Las resinas termoestables son normalmente isotrópicas, es decir que las propiedades son id)nticas en todas las direcciones. u propiedad más caracter+stica es su respuesta al calor ya que no se funden al calentarlas, pero pierden su rigidez a la temperatura de distorsión t)rmica, que de-ne Fibra de Cabuya un l+mite superior efectivo para su uso en componentes estructurales. Esta caracter+stica es una desventaja puesto que los pol+meros termoestables no Access pueden ser reciclados y reutilizados, yaNow que "an sufrido modi-caciones en su estructura qu+mica y a nivel molecular. ull, /001% mit", /002( No thanks, I don't want my exclusive trial
3abe se4alar que los materiales compuestos se pueden reforzar utilizando materiales naturales y sint)ticos. Los mismos que pueden tener diferentes formas tales como* -bras cortas, -bras continuas, láminas, tejidos, no tejidos, part+culas. 5ara cada tipo de refuerzo se presentan ventajas y desventajas, dependiendo del proceso de fabricación, la tasa de producción, costos y requisitos de una determinada aplicación. 6demás, cada tipo de refuerzo otorga diferentes propiedades al material compuesto. Entre los refuerzos más utilizados están las -bras. u ventaja radica en la facilidad de procesamiento que presentan y en que permiten obtener mejores propiedades mecánicas. 3om7nmente las -bras más utilizadas con matrices termoestables son las -bras de vidrio. Una gran variedad de resinas y sistemas de reacción están disponibles para aplicaciones en sectores como el automotriz, naval, construcción, deportivo, entre otros. En la tabla #.# se comparan varias propiedades de materiales compuestos de diferentes matrices termoestables reforzadas con -bra de vidrio. 8allenberger, &ing"am, /0#0( MATRIZ
36&U96
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Exclusive 30 Day Trial Fibra de Cabuya Figura 2 -Access Planta Now de cabuya
Nombre científico: furcraea andina
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Familia: Agaváceas Nombres comunes: cabuya, maguey, cardón, fique La cabuya es una planta típica en países como Perú, Ecuador, Bolivia y Argentina Es una !erbácea de !o"as verdes largas y delgadas provistas de espinas en sus bordes #e !o"as carnosas, grandes y muy fibrosas, que se reproduce por renuevos que brotan del contorno de sus raíces #e las fibras de cabuya se elaboran !ilos, de sus !o"as papel, de sus espinas agu"as y el e$tracto "abonoso de sus !o"as se utili%a como detergente Las sociedades pre!ispánicas las utili%aban para producir redes, sogas para puentes colgantes, cal%ados, cestería, etc Tabla 1 - Características fbra de Cabuya
1
:E;<&=6:> Unlock Access to An
Esta operación consiste en macerar, golpear y raspar la !o"a !asta de"ar libre la
Exclusive 30 Básicamente e$isten tres sistemas de e$tracción Day Trialde fibras utili%adas tanto en la fibra
parte artesanal como industrial y estas son& de forma manual y la utili%ación de Fibra de Cabuya máquina Access Now No thanks, I don't want my exclusive trial
:E;<&=6:> !6?U6L
Figura 3 - Fibra de cabuya
SISTM! " #$I!"% 'e procede a reali%ar unos atados con ( a )* !o"as amarradas fuertemente, estas son introducidos en unos tanques con agua durante un mes, o si se pudiere colocar en una quebrada con agua corriente se la mantendría durante + a ) días El largo tiempo que permanecen en el agua es con el fin de que la goma y la pulpa se descompongan y se desprendan fácilmente con sucesivos golpes o sacudones Esta tarea resulta muy demorosa ya que se necesita muc!o esfuer%o y su calidad no es la ideal para traba"ar
T!&&!"% Este sistema se reali%a utili%ando una cuc!illa de !ueso o de metal, la cual se utili%a para raspar la !o"a a mano, teniendo un rendimiento má$imo de - libras diarias y gran porcenta"e de desperdicio que sobrepasa el (*. Por tal ra%ón este procedimiento tampoco es aplicado en la actualidad ya que es ineficiente y los costos de producción serían muy elevados
2
M!'(I#! "SFI)$!"%$! Este m/todo de desfibrado con el empleo de una máquina, es el más Unlock to An eficiente, apropiado y utili%ado enAccess la actualidad
Exclusive 30 tambor 30* a 4* cm de diámetro5 con unas )( a * cuc!illas destinadas Day Trial a raspar, golpear y limpiar eliminando así las gomas y pulpa que La máquina funciona con un motor de 0 a - 1P 2 está provisto de un
acompa6a a la fibra
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Access Now El procedimiento inicia clasificando las !o"as de acuerdo a su grosor,
para así regular la No máquina para cada montón El operario desfibrara thanks, I don't want my exclusive trial primero la mitad de la punta y enseguida la parte restante de la !o"a E$iste un procedimiento más eficiente utili%ado en grandes plantaciones y consiste en la utili%ación de dos máquinas desfibradoras, la una desfibra la punta y la otra la base, esto tiene su e$plicación, ya que el grosor de la punta no es el mismo que en la base por ende la regulación de las cuc!illas es diferente Los obreros encargados del mane"o de la máquina deben estar provistos de un delantal, botas de cauc!o, gafas y guantes adecuados que los prote"an contra la acción del "ugo de la !o"a, para evitar irritaciones en la piel En producciones elevadas se suele utili%ar desfibradoras de alimentación continua que consiste de tres partes principales& ) 7na banda de alimentación de movimiento continuo #os cadenas centrales con movimiento sincroni%ado y lento, paralelas entre sí a la banda transportadora y perpendiculares a los volantes 0 #os volantes raspadores que giran a gran velocidad y en sentido contrario
@
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Access Now No thanks, Iextractora don't want myde exclusive Figura 4 - Maquina fibratrial de cabuya
36=63AE=<A<36 ;<<36 :E L6 ;<&=6 :E 36&U96 La cabuya se encuentra dentro del grupo de las fibras duras, ya que sus !o"as están constituidas de fibras elementales o fibrillas, unidas entre sí con una goma o cera que le proporciona rigide% y aspere%a a la misma 3cemento vegetal5 Las fibrillas elementales son relativamente muy cortas, pues solo miden entre y - milímetros de longitud, y su unión, forman esos largos filamentos conocidas en el mercado con el nombre de fibras o !ebras La función fisiológica de estos e"es fibrosos es l a de dar resistencia y rigide% a las !o"as y servir de base de sustentación a los vasos conductores de savia8 debido a estas funciones mecánicas, se les da tambi/n el nombre de 9fibras estructurales9 Las fibras están constituidas por un agregado de c/lulas que forman los e"es fibro:basculares y van asociados con los vasos conductores de savia8 estos !aces corren longitudinalmente a lo largo de la !o"a En un corte transversal se puede notar claramente que los e"es de fibras son más numerosas en la periferia y en la base de la !o"a, que en el centro y en su e$tremo terminal
B
El número total de fibra por !o"a y su distribución en la misma, depende considerablemente de la especie, y se puede distinguir claramente tres clases de fibras como son&
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Exclusive 30 Day Trial esparcidas en todo el par/nquima foliar8 raramente están asociadas con
FIBRAS MECANICAS. 'on más numerosas en la periferia de la !o"a, pero pueden estar Fibra de Cabuya
el te"ido conductor8 su sección transversal presenta la forma de !erradura y su longitud varía desde unos pocos milímetros !asta varios Access Now metros, las fibras tienen una gran finura a tal punto que se parten o No thanks, I don't want my exclusive trial
dividen longitudinalmente en el proceso de desfibrado FIBRAS SUELTAS Estas fibras son más numerosas en la parte central, aunque tambi/n se pueden !allar en otras partes de la !o"a, su sección transversal presenta la forma de luna creciente, estas se caracteri%an por ser las más largas y de tener buena resistencia, formando parte de la fibra comercial FIBRAS DEL XILEMA 'e encuentran en la línea media de la !o"a, y su sección transversal presenta forma de luna creciente irregular8 su longitud es variable Las paredes de las c/lulas que componen estas fibras son muy finas y frágiles, por lo cual se fragmentan durante el proceso de desfibrado y pasan a constituir gran parte de residuo CARACTERÍSTICAS La fibra de cabuya depende de los siguientes factores& tipo y calidad de suelo, clima, !umedad, región, la especie y los procesos mecánicos sometidos ;odos estos van a determinar características como& • • • • • •
L<=>?;7# #e (* A 0** cms Longitud promedio de )@0* cms A?<=: *,0 a *,4 .
C
'e argumenta que las fibras de climas fríos son menos resistentes y más finas que la de los climas cálidos 'e a6ade tambi/n que la cabuya bien Unlock Access to An
lavada es más resistente, pero en cambio la cabuya sucia posee un gran poder de elongación
L6D6:>
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onsiste en preparar unos tanquesFibra conde agua limpia y detergente de ( a @ g Cabuya Por metro cúbico de agua, esta operación ayuda a blanquear y limpiar la fibra Access aunque aumenta el costo de beneficio 7naNow ve% preparado los tanques se
sumerge la cabuya donde permanecerá de ) a )( !oras para luego lavarlas a No thanks, I don't want my exclusive trial
fondo en agua limpia o de ser posible en agua corriente8 con la finalidad de desprender las partículas de corte%a, pulpa, lignina, espinas y detergente que acompa6a a la fibra
E36:> La cabuya puede ser secada artificialmente y naturalmente, lo cual se detalla a continuación& SECADO ARTIFICIAL Este tipo de secado se lo puede poner en práctica en grandes empresas ya que estas son las únicas que pueden "ustificar su inversión, debido a su alto costo El equipo para el secado artificial de la fibra comprende de dos máquinas& de una centrífuga que elimina el e$ceso de agua, y una secadora automática El secado resulta de la acción combinada de la temperatura 3)**:** F5 y la ventilación Este sistema tiene las siguientes venta"as& ) 0 4 (
=o está su"eto a condiciones atmosf/ricas A!orro de tiempo y mano de obra La instalación ocupa un área reducida asi no !ay p/rdidas de fibra La fibra toma me"or aspecto
SECADO NATURAL
'
Este proceso es el más usado, y se lo reali%a e$poniendo la cabuya a los rayos directos del sol sobre un prado natural, sin embargo presenta Unlock Access to An
las siguientes dificultades de que la fibra se enreda fácilmente y se
Exclusive 30 gasta más tiempo en secarse8 y !ay mayor desperdicio de fibra Day Trial
ensucia8 tambi/n puede decolorarse por efecto de la !umedad del suelo8
El estrado en triangulo o caballete
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onsta de una serie de postes de madera de )* metros de altura, que Access Now
tiene colocado una cruceta de (* cm, a los ( cm a partir del e$tremo superior del poste Por las puntas de my lasexclusive crucetas No thanks, I don't want trial se colocan templan alambres
Figura * - Secado por caballete
El estrado plano o barbacoa.
3onsta de una serie de armazones en forma de A o U invertida, distanciados de 2 a B metros% la anc"ura var+a entre 0.'0 y # metro dependiendo de la longitud media de la cabuya% la altura es de # metro. Encima se coloca de 2 a B alambres galvanizados distanciados de /0 a /@ cm. Luego se procede a tender el material uniformemente sobre todo el estrado esperando su secado.
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Figura + - strado plano
3L6<;<363<>? 3onsiderando las exigencias y costumbres del mercado internacional de -bras duras, se propone la siguiente clasi-cación, la cual comprende cinco clases o calidades como son* PRIMERA CALIDAD • • • • • • • •
3olor de -bra blanca "asta crema. Longitud superior a #/0 cent+metros. &ien sacudida, libre de residuos de "ojas y materiales extra4os. 3orrectamente des-brada. Un / máximo de pulpa ad"erida a la -bra. 3ompletamente despuntada. Libre de enredos y motas. &ien empacado.
SEGUNDA CALIDAD • • • • • • •
;ibras de color claro o ligeramente oscuro. Longitud superior a # metro. 5orcentaje m+nimo de residuos de "oja y materiales extra4os. &ien des-brado. Un / a @ de pulpa sobre la -bra ?ormalmente sacudida. &ajo porcentaje de enredo y mota. #0
• •
Empacado aceptable. :espuntada.
TERCERA CALIDAD • • • • • • • • •
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3olor de -bra ligeramente oscuro. Longitud inferior a '0 cent+metros. Aiene ases de -bras pegados FtiesasG. 3on residuos sueltos del des-brado FpolvoG. Fibra de Cabuya !edianamente des-brada, con más de un @ de penca ad"erida. ?o bien despuntada. !al sacudidas. Access Now Ligeramente enredada, con un poco de mota. Empacado defectuoso. No thanks, I don't want my exclusive trial
CUARTA CALIDAD • • • • • •
;ibra de coloración muy oscura 3ontiene muc"o residuo suelto. !al des-brada y despuntada. 3on residuos más del ' de penca. Enredada y con motas. !al empacado.
65L<363<>? :E L6 ;<&=6 :E 36&U96 E? L6 EL6&>=63<>? 9 :? :E 5=>:U3A> 6=AE6?6LE. •
La investigación de nuestra tesis se basó siempre con el principal objetivo de tener una -bra suave, dócil e "ilable, para permitirnos elaborar una in-nidad de art+culos artesanales, los mismos que "a más de ser novedosos, llamativos por sus dise4os y colores, darán un valor agregado al producto. Estamos convencidos que en la actualidad existe una desmedida competencia de productos que reemplazar+an a los nuestros, con la gran diferencia que nuestro producto tendrá mayor aceptación por ser biodegradable, a bajo costo y presentar una variada gama de art+culos "ec"os a mano por nuestros artesanos, reactivando as+ nuestras costumbres, tradición, y arte% permitiendo mejorar los ingresos económicos de toda la gente dedicada a esta dura y sacri-cada labor, que "asta "ace poco se "a
•
estado perdiendo. 6qu+ en nuestro pa+s y esencialmente en nuestra provincia se está queriendo dar importancia a las -bras duras y especialmente a la cabuya, lo que no ocurre en otros pa+ses como 3olombia que ya "a organizado el quinto 3ongreso
que a4o tras a4o están dedicando a mejorar e incrementar los usos potenciales de la cabuya. Unlock Access to An
ELABORACION DE PRODUCTOS ARTESANALES. •
Exclusive 30 acuerdo a los procesos que se necesitan para su elaboración* Day Trial
?uestros productos que "emos obtenido, estarán clasi-cados de
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#/
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En la actualidad la cabuya !a ganado espacio y !a prolongado sus usos potenciales como indicamos en el siguiente cuadro&
#1
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REFUERZO
=E6 5>L
#2
necesita ser refor%ada con materiales que me"oren sus propiedades mecánicas Para este propósito se utili%an varios tipos de fibras naturales y sint/ticas
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Exclusive 30 e$terno A este proceso se denomina Para iniciar el curado se necesita Daycurado Trial La resina se solidifica mediante una reacción química inducida por un agente
la presencia de un catali%ador 3iniciador5 y un acelerante El acelerador Fibra de Cabuya
promueve la descomposición del iniciador por la ruptura del enlace de peró$ido para formar dos radicales libres ada unoNow de estos retiene un electrón del par Access de electrones roto y es una especie altamente reactiva Entonces se produce No thanks, I don't want my exclusive trial
una reacción en cadena, como radicales libres de peró$ido de captura de electrones a partir del monómero de vinilo, creando otro radical libre que reacciona con la instauración de la cadena de poli/ster El curado de una resina poli/ster se inicia tan pronto como se a6ade el iniciador La velocidad de la reacción depende de la temperatura y la reactividad de la resina y el catali%ador Es esencial disponer de cantidades suficientes de iniciador y acelerador para asegurar que se produ%ca adecuadamente el proceso de curado La reacción que se produce es una reacción e$ot/rmica que puede alcan%ar una temperatura de )-*G apro$imadamente #urante este proceso se presentan tres etapas& •
En la gelificación, la resina pasa de un estado líquido viscoso a un gel
•
blando En el endurecimiento, la resina pasa de un gel blando a sólido En la maduración, la resina adquiere todas sus propiedades mecánicas
•
y químicas Las dos primeras etapas son relativamente cortas, al contrario de la última que puede tardar varias !oras si se utili%a una estufa calefactora o varios días si se lo reali%a a temperatura ambiente HIaldonado y Paredes, *)*8 Ia%umdar, **J
#@
Las características de las resinas de poli/ster se pueden variar mediante la alteración de las proporciones de sus componentes químicos durante el Unlock Access to An
proceso de producción omo se mencionó anteriormente, el punto de partida
Exclusive 30 3saturados e insaturados5 y alco!oles Los grupos /ster se forman a trav/s de Trial la eliminación de agua entre Day los ácidos y los glicoles, resultando en una para la obtención de un sólido de poli/ster es la utili%ación de ácidos orgánicos
Fibra de Cabuya mol/cula de cadena larga conformada por unidades de ácido y glicol
alternadas El control cuidadoso de la proporción de ácidos saturados a ácidos Access Now
insaturados resulta en la incorporación de sitios de entrecru%amiento 3in No thanks, I don't want my exclusive trial saturación, o enlaces dobles carbono:carbono5 a intervalos regulares a lo largo
de la cadena La variación de la densidad de las %onas insaturadas en la cadena polim/rica tiene efectos fundamentales en la estructura de curado de la resina y sus propiedades finales, aunque el impacto total de la alta in saturación solo se logra con alta temperatura despu/s del curado, cuando la reacción de entrecru%amiento va a terminar onsiderando que los niveles de ácido insaturado "uegan un papel importante en la determinación de la densidad de entrecru%amiento de una resina poli/ster cuando se !ace reaccionar con monómeros 3tales como estireno, IIA, vinil tolueno y estireno, alfa:metil5, otras propiedades como la resistencia química y resistencia al fuego se verán influenciadas por el ácido saturado y el glicol utili%ado Por otro lado, los poli/steres generalmente se clasifican según el material utili%ado en su fabricación 3ortoftálico, isoftálico, ?'<:=P>, bisfenol A5 abe se6alar, que la densidad de reticulación tiene una marcada influencia en las propiedades8 este efecto es más notable cuando se compara la misma resina curada en frío y despu/s de completado el curado En muc!as aplicaciones se utili%an resinas curadas en frío, aun cuando estas no alcancen las me"ores propiedades 'in embargo, es necesario indicar que precisamente la posibilidad de curar en frío las resinas poli/ster es lo que las !ace muc!o más adecuadas que cualquier otro sistema de resina para la manufactura de estructuras de gran tama6o
#B
#e los resultados e$puestos se puede notar que las propiedades mecánicas me"oran cuando la resina poli/ster está completamente curada La resistencia Unlock Access to An
a la tracción me"oró apro$imadamente en un -. y el módulo de elasticidad en
Exclusive 30 tracción, esto se debe a que los procesos de deformación plástica manifiestos Trial a compresión no se producen Day a tracción por la rotura prematura que está un *. La resistencia a la compresión es muy superior a la resistencia a la
Fibra de Cabuya relacionada con las grietas en el material y en las superficies de las muestras
de ensayo H1ull, **0J
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Tabla 2 - Propiedades mec,nicas y ísicas de .arios tipos de resinas poli/ster ollaay4 15567 No thanks, I don't want my exclusive trial
Fuente0
Ortoftálico de reactividad Iediana )- !oras a
Alta Tipo de poliéster
Resistencia a la
Ba"a )- !oras a
ompletado
4*G o +
ompletado
4*G o +
el curado
días a
el curado
días a
temperatura
temperatura
ambiente
ambiente
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-+
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@(
(@
-(
((
tracción [MPa Módulo de elasticida d [!Pa "eformación [# Resistencia a la compresión [MPa Módulo a la compresión [!Pa Resistencia a la fle$ión [MPa Módulo a la fle$ión [!Pa Má$ima temperatura de uso [%&
#C
"ure'a (arcol
4+
!ravedad específica
),)
)dsorción de a*ua durante +, -oras [m*
0*
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4
),0 : Unlock Access to An
Exclusive 30 * )Day Trial
4(
40
),
:
)-
)(
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En la figura se muestra la curva esfuer%o:deformación de la resina poli/ster 'e Access Now
observa que la resina tiene un comportamiento frágil, puesto la curva esfuer%o deformación es lineal y no posee %ona deformación No thanks, I don'tde want my exclusive trialplástica abe se6alar que las probetas de resina poli/ster fueron ensayadas transcurridos )( días desde su elaboración
Figura 8 - Cur.a esuer9o-deormaci:n de la resina poli/ster
Fuente0 Tesis de grado P#
La resistencia a la tracción y el módulo de elasticidad de la resina poli/ster utili%ada en el presente proyecto de investigación es de 4 y )*() IPa, respectivamente Iientras que su deformación es del 4,(. y la de las fibras de abacá y vidrio son del 0,-+. y 4,(., respectivamente HPáe%, **@8 ?nternet )J Por esto, se espera que la fibra de abacá pueda rigidi%ar el compuesto !íbrido, especialmente cuando las fibras est/n dispuestas en dirección de la carga de ensayo
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BILIOGRAFÍA
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#iego Ponce 3*))5 Obtención de Materiales compuestos de matriz polimérica biodegradable reforzada con fibra natural. uito, Ecuador, Proyecto preio a la obtención del t!tulo de "ngeniero Mec#nico en la $scuela Politécnica %acional Fibra de Cabuya
1/ctor Millacis 3*))5 Obtención de Materiales compuestos &!bridos de matriz poliéster reforzados con fibra de idrio y abac# mediante estratificación. uito,Access Ecuador, Now Proyecto preio a la obtención del t!tulo de "ngeniero Mec#nico en la $scuela Politécnica %acional No thanks, I don't want my exclusive trial =orma A';I # 0*0K N # 0*0K I O ** $st#ndar 'est Met&od for 'ensile Properties of Plymer Matrix (omposite Materials
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