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Compuestos Parte B 92 (2016) 94e132

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Compuestos Parte B Página de inicio: www.elsevier.com/locate/compositesb

Una revisión de investigaciones recientes sobre el uso de fibras celulósicas, tejidos de fibra reforzadas con cemento, geopolímeros y polímeros compuestos en ingeniería civil Libo Yan a, b, *, Bohumil Kasal a, b, Liang Huang c a

Departamento de Materiales de Construcción Básicos y Orgánicos, Universidad Técnica de Braunschweig, Hopfengarten 20, Braunschweig 38102, Alemania Centro de estructuras ligeras y respetuosas con el medio ambiente, Fraunhofer Wilhelm-Klauditz-Institut WKI, Bienroder Weg 54E, Braunschweig 38108, Alemania Facultad de Ingeniería Civil, Universidad de Hunan, Changsha 410082, China

b c

Información del artículo

Resumen

Artículo de historia:

Las fibras celulósicas monofilamento amigables con el medio ambiente se han usado ampliamente como alternativas para el refuerzo de acero convencional dentro del hormigón. Recientemente, el uso de fibras celulósicas y sus materiales compuestos de polímeros reforzados como materiales de refuerzo dentro y / o fuera de los materiales de construcción (por ejemplo, hormigón) ha ganado popularidad debido a su costo económico y propiedades mecánicas específicas favorables en comparación con los tejidos de fibras sintéticas (ejemplo. E-vidrio). Esta revisión presenta un resumen del desarrollo reciente de los compuestos celulósicos de Fibra Reforzada de Cemento (FRC) y Geopolímero Reforzado de Tela (FRG), así como sus compuestos de polímeros reforzados con tela celulósica (FRP) como refuerzos de concreto, mampostería y estructuras de madera para ingeniería civil aplicaciones. Esta revisión cubre: (1) las propiedades (es decir, la composición química, la microestructura, las propiedades mecánicas y el costo) de las fibras celulósicas monofilamento y su comparación con las fibras sintéticas, la relación entre la composición química de las fibras y las propiedades mecánicas de las fibras, los parámetros afectan las propiedades de los fragmentos; (2) propiedades (por ejemplo, fabricación de fibras monofilamento para telas y estructuras) de tejidos de fibra celulósica, propiedades de matrices de polímeros y propiedades (es decir, propiedades de flexión, tracción, impacto, aislamiento y fuego) de materiales compuestos de celulosa FRP; y (3) propiedades (compresivas, flexurales y de tracción y propiedades de impacto) de los compuestos celulósicos FRC y FRG y las propiedades de los compuestos celulósicos FRP de hormigón armado, mampostería y estructuras de madera. Además, se discuten los mecanismos de degradación de FRC celulósico y FRP. Además, se revisa la durabilidad de los compuestos FRC, FRG y FRP y se revisan y resumen los métodos para mejorar la durabilidad de los compuestos FRC, FRG y FRP de los aspectos de la modificación de la fibra y la modificación de la matriz. © 2016 Elsevier Ltd. Todos los derechos reservados.

Recibido el 3 de Noviembre 2015 Recibido en forma revisada el 27 de enero de 2016 Aceptado el 1 de Febrero 2016 Disponible en línea el 27 de febrero de 2016

Palabras clave: A. Fibras A. Telas /textiles A. Materiales poliméricos compuestos (PMCs) B. Interfaces B. Degradación ambiental

1. Introducción Debido a la creciente preocupación ambiental y al requisito de desarrollar materiales respetuosos con el medio ambiente y con energía eficiente, las fibras celulósicas monofilamento se han usado ampliamente como alternativas para fibras de acero o sintéticas como refuerzos dentro de compuestos de cemento durante décadas[1-8]. Estas fibras celulósicas incluyen: hacha, sisal, yute, cáñamo, bonote, hibisco cannabino, pulpa de eucalipto, malva, ramio, hoja de

* Autor correspondiente. Departamento de Materiales de Construcción Básicos y Orgánicos, Universidad Técnica de Braunschweig, Hopfengarten 20, Braunschweig 38102, Alemania. Tel .: þ49 531 220 7725. E-mail addresses: [email protected], [email protected] (L. Yan). http://dx.doi.org/10.1016/j.compositesb.2016.02.002 1359-8368/© 2016 Elsevier Ltd. All rights reserved.

piña, kenaf bast, hoja de sansevieria, hojas de abacá, vakka, bambú, plátano y palma y caña de azúcar, etc. Las fibras celulósicas están ampliamente disponibles en la mayoría de los países y son rentables con baja densidad. Son biodegradables, renovables, no peligrosos y no abrasivos. Además, sus propiedades mecánicas específicas (es decir, la resistencia y el módulo específicos) son comparables a las de las fibras sintéticas (por ejemplo, vidrio E) cuando se utilizan como materiales de refuerzo [9-11]. Estas ventajas hacen que las fibras celulósicas sean materiales convenientes como refuerzo de materiales a base de cemento. El propósito de agregar estas fibras celulósicas monofilamento es mejorar las propiedades mecánicas (p. Ej., Propiedades de tracción, flexión e impacto) de materiales de construcción frágiles, como cemento, mortero u hormigón, especialmente para mejorar la ductilidad y la dureza posterior al agrietamiento de los materiales compuestos a base de cemento

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proporcionados por las fibras después del inicio del craqueo [12e16]. Las fibras celulósicas monofilamento incrustadas unen las grietas de la matriz de cemento y transfieren las tensiones. Además, la adición de fibras celulósicas monofilamento puede reducir la contracción plástica libre [17] y la conductividad térmica [18], y mejorar la absorción del sonido [19] y las propiedades de amortiguación de vibraciones de los materiales de cemento [20]. Aunque existen muchas ventajas antes mencionadas, todavía existen varias deficiencias en la producción de materiales cementicos reforzados con fibras celulósicas a escala industrial: (1) Sospecha de durabilidad. Un obstáculo importante que debe superarse para la comercialización exitosa de materiales cementicos reforzados con fibras celulósicas es su durabilidad. La falta de datos relacionados con la durabilidad es un desafío crítico que debe abordarse antes de la aceptación e implementación generalizada de estos materiales en áreas de ingeniería [21-24], (2) el uso de pequeñas fracciones / contenido de fibra conduce a un efecto de refuerzo relativamente limitado. En la configuración de monofilamento, normalmente la cantidad de fibra celulósica utilizada dentro de los materiales de cemento es relativamente pequeña, es decir, la fracción de volumen de fibra se controla dentro del rango de 0.2 a 2.0% [2,16,23-28]. Como es bien sabido, para un compuesto de cemento reforzado con fibra celulósica monofilamento, un gran contenido de fibra puede causar dificultades en la mezcla y distribución concreta de fibra, e incluso una reducción significativa en la trabajabilidad del concreto fresco que puede generar un gran crecimiento de porosidad [25-28]. Por lo tanto, la mejora de las propiedades mecánicas de los compuestos de cemento mediante la adición de una pequeña cantidad de fibra celulósica es positiva, pero también relativamente limitada, y (3) variaciones significativas en las propiedades de los fragmentos. Las fibras celulósicas tienen variaciones significativas en las composiciones químicas, el diámetro, la longitud y la rugosidad de la superficie, lo que da como resultado una dispersión significativa en las propiedades mecánicas de fibras [29-33]. En consecuencia, esto puede causar la dispersión de las propiedades mecánicas de estos materiales cementicos reforzados con fibras celulósicas. Como los motivos antes mencionados, en los últimos años, hay una tendencia cada vez mayor a utilizar tejidos de fibra celulósica y sus compuestos de polímero reforzado con tela (FRP) como materiales de refuerzo de materiales de construcción convencionales. La matriz polimérica, reforzada por tejidos, es la forma de los compuestos que se han utilizado con mayor frecuencia en aplicaciones estructurales como aeronaves, barcos y automóviles[34]. Las ventajas de utilizar tejidos de fibras celulósicas y sus compuestos de materiales de construcción FRP (por ejemplo, hormigón) son los siguientes: (1) Buena estabilidad en las propiedades mecánicas. Las fibras celulósicas monofilamento largas, finas y regulares generalmente se hilan en hilos y, a continuación, se retuercen una serie de hilos de fibra en una hebra continua, y luego se tejen estos hilos de hebra en tejidos con diferentes estructuras de hilado tales como confección, alineación y empaque de fibras constituyentes en la sección transversal del hilo [35,36]. Con un proceso de fabricación estandarizado, el tejido celulósico permite el control de la orientación y la calidad de las fibras, buena reproducibilidad y alta productividad. En consecuencia, los problemas, como las variaciones significativas en las propiedades de fibra celulósica monofilamento, la dispersión difícil y la distribución aleatoria de las fibras celulósicas en la matriz cementosa (es decir, que pueden no estar a lo largo de la dirección de carga y no pueden proporcionar un refuerzo efectivo) pueden superarse de tejidos de fibras celulósicas. Por lo tanto, estas telas y sus compuestos FRP exhiben una buena estabilidad en las propiedades mecánicas, por lo que sus materiales estructurales reforzados, (2) proporcionan refuerzos efectivos en múltiples direcciones. En comparación con las fibras celulósicas monofilamento en matriz cementosa que solo proporcionan un efecto de refuerzo en la dirección longitudinal de la fibra, los tejidos celulósicos tejidos pueden ofrecer refuerzos efectivos para la matriz en múltiples direcciones (p. Ej., Tejido bidireccional en direcciones

de trama y envoltura), (3) no solo utilizado dentro pero también fuera de la matriz cementosa. En un compuesto cementoso reforzado con fibra celulósica monofilamento, estas fibras se incrustaron solo en la matriz de cemento. Pero para las telas de fibra celulósica y sus compuestos FRP, estos refuerzos pueden usarse dentro y / o fuera de los miembros de concreto para retroalimentar / fortalecer las estructuras de concreto existentes [p. Ej. Refs. [37-43]] y para crear nuevas estructuras de concreto compuesto híbrido [p. Refs. [44-52]] o para ser compuestos de geopolímero reforzado con tela nueva (FRG) [53-64], y (4) se pueden usar con otros materiales de construcción convencionales. A diferencia de las fibras monofilamento celulósicas normalmente incrustadas dentro de la matriz cementosa, las telas de fibras celulósicas y sus compuestos FRP pueden usarse como materiales de refuerzo de otros materiales de construcción convencionales, como madera [p. Ej. Refs. [65-69]] y mampostería [p. Refs. [70-75]]. Por lo tanto, este estudio presenta una visión general del desarrollo reciente en el uso de fibras celulósicas, sus compuestos de cemento reforzado con tela (FRC) y los compuestos de geopolímero reforzado con tela celulósica (FRG) y el tejido celulósico FRP compuesto de hormigón armado, estructuras de madera y mampostería para aplicaciones de ingeniería civil. En primer lugar, las propiedades físicas y mecánicas y el costo de varias fibras celulósicas se resumieron y compararon con las fibras sintéticas como el vidrio, el carbono y la aramida. A continuación, se presentaron las microestructuras de varias fibras de celulosas utilizadas más comúnmente (es decir, hacha, sisal, cáñamo, algodón y yute). Se discutió la relación entre las composiciones químicas y las propiedades mecánicas de las fibras celulósicas monofilamento. Luego, se sintetizaron los parámetros que in fluyen en las propiedades mecánicas de las fibras celulósicas. Después de eso, se discutieron las propiedades tales como la fabricación de tejidos a partir de fibras monofiltradas y estructuras de tejidos de fibra celulósica, propiedades de matrices poliméricas y las propiedades mecánicas de sus compuestos FRP. Posteriormente, se revisaron las propiedades mecánicas de los compuestos de tela FRC y FRG, y los de las estructuras de concreto, mampostería y madera reforzada con compuesto FRP. Además, se discutieron los mecanismos de degradación de los compuestos FRC y FRP celulósicos. Además, se revisaron la durabilidad de los compuestos FRC, FRG y FRP y se revisaron y resumieron los métodos para mejorar la durabilidad de los compuestos FRC, FRG y FRP de los aspectos de la modificación de la fibra y la modificación de la matriz. 2. Características de las fibras celulósicas. 2.1.

Composiciones químicas de fibras celulósicas

Las fibras celulósicas son fibras naturales basadas en la clasificación según su origen o tipo botánico, como se muestra en la Fig. 1 [91]. La fibra celulósica en sí es un material compuesto que consiste en celulosa, hemicelulosa, lignina, cera y pectina como constituyentes principales y cantidades menores de azúcares, proteínas de almidón en cantidades variables. Las propiedades de una fibra celulósica dependen en gran medida de su composición química. Los componentes químicos básicos de una fibra celulósica son la celulosa, la hemicelulosa y la lignina. En una fibra celulósica, la celulosa es el componente orgánico más rígido y fuerte que proporciona a la fibra resistencia, rigidez y estabilidad. La celulosa es un polímero natural y las moléculas de celulosa incluyen unidades de glucosa unidas entre sí en sillas largas, que a su vez están alineadas en haces denominados microfibras [22]. Sin embargo, la celulosa es un polisacárido semicristalino con una gran cantidad de grupo hidroxilo. Esta naturaleza hidrófila provoca una pobre resistencia de la fibra celulósica a la absorción de humedad y al pobre enlace interfacial cuando estas fibras se utilizan como refuerzo de la matriz hidrofóbica, como el polímero [22,76]. Las hemicelulosas son polisacáridos unidos entre sí en cadenas de ramificación relativamente cortas. Están íntimamente asociados con micro-fibras de celulosa, incrustando la celulosa en una matriz [22]. La hemicelulosa tiene una estructura abierta y es completamente amorfa, incluyendo grandes cantidades de

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Fig. 1. Clasificación de las fibras naturales y sintéticas (Reproducido con permiso de la Ref.[91]).

grupos hidroxilo y acetilo. Por lo tanto, la hemicelulosa es soluble en agua y medios higroscópicos. La hemicelulosa está fuertemente unida a las fibras de celulosa mediante enlaces de hidrógeno [77, 78]. La lignina es amorfa, altamente compleja y principalmente aromática; polímeros de unidades de fenilpropano pero tienen la menor absorción de agua de los componentes de fibras celulósicas. Es un complejo polímero de hidrocarburo aromático que imparte rigidez a las plantas. Sin lignina, las plantas no podían alcanzar grandes alturas. La lignina es un polímero tridimensional que sirve como un adhesivo químico dentro y entre las fibras [22, 76,78]. La pectina es un nombre compuesto de heteropolisacáridos e imparte flexibilidad a las plantas, que se encuentra en bastones y frutas. Tanto la lignina como la pectina proporcionan la función de agentes de unión [22,31]. La mayoría de las ceras vegetales son mezclas de cadenas largas sustituidas de hidrocarburos alifáticos. Contienen ácidos alcalinos, grasos, alcoholes primarios y secundarios, cetonas, aldehídos y otros ingredientes. La cera en las fibras celulósicas impacta la humectabilidad y la adhesión de estas fibras [22,78]. Las composiciones químicas de varias fibras celulósicas se dan en la Tabla 1 [91]. Como se muestra en la Tabla 1, los contenidos de composición química varían de una fibra a otra. Algunas fibras, es decir, el algodón, el hacha, el cáñamo, el ramio, el sisal, son ricas en celulosa, lo que representa más del 70% de la composición química total. Estas fibras son las fibras celulósicas de uso común para fabricar telas tejidas estudiadas en la literatura debido a que sus altos contenidos en celulosa les permiten ser ampliamente utilizados como materiales de refuerzo de compuestos poliméricos. Las composiciones químicas de las fibras celulósicas están altamente influenciadas por la especie, las condiciones geográficas y climáticas y la variedad de la planta, las variables agrícolas tales como la calidad del suelo, las condiciones

meteorológicas, el nivel de madurez de la planta y la calidad de la retención proceso [22,78,79]. Todos estos factores podrían influir en las composiciones químicas de las fibras y, a su vez, en las propiedades de las fibras. 2.2. Propiedades físicas y mecánicas de las fibras celulósicas y su comparación con las fibras sintéticas Las propiedades mecánicas de las fibras celulósicas también dependen de las propiedades físicas de estas fibras, como el diámetro de fibra, la longitud, la densidad, el aumento de humedad y el ángulo de microfibra. La tabla 2 enumera las propiedades físicas de varias fibras celulósicas [22,78]. Como se enumera en la Tabla 2, las fibras varían en diámetro, longitud, densidad, ganancia de humedad y ángulo de microfibra. En general, la resistencia a la tracción de una fibra celulósica disminuye cuando aumenta la longitud de la fibra. Cuanto más larga es la fibra, mayor es la probabilidad de que contenga un defecto (por ejemplo, bandas de torcedura) y, por lo tanto, falle prematuramente en comparación con una fibra más corta [80]. Debido a que las fibras celulósicas son altamente hidrófilas, su alta absorción de humedad y su pobre estabilidad dimensional (hinchamiento) pueden degradar las propiedades del fuego. Además, las características hidrófilas de la fibra celulósica pueden causar una mala adherencia de fibra / matriz debido a la presencia de grupos hidroxilo colgantes y polares en los componentes, que conducen a una alta absorción de humedad y reducen seriamente las propiedades de las fibras y, por lo tanto, reducen el rendimiento mecánico de sus compuestos de polímeros reforzados con fibras. La Tabla 3 proporciona los volúmenes de producción estimados de varias fibras celulósicas

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L. Yan et al. / Composites Part B 92 (2016) 94e132 Tabla 1 Composiciones químicas de diferentes fibras celulósicas (Reproducido con permiso de la Ref.[91]). Celulosa (%)

Hemi-celulosa (%)

Pectina (%)

Lignina (%)

Cera (%)

Abacá

Fibras celulósicas

62.5

21

0.8

12

3

Alfa

45.4

38.5

-

38.5

2

Bagazo

37

21

10

22

-

Banana

62.5

12.5

4

7.5

-

Bambú

34.5

20.5

-

26

-

Bonote

46

0.3

4

45

-

Algodón

89

4

6

0.75

0.6 -

Curaua

73.6

5

-

7.5

Lino

72.5

14.5

0.9

2.5

-

Cáñamo

81

20

0.9

4

0.8

Henequén

60

28

-

8

0.5

Isora

74

-

-

23

1.1

Jute

67

16

0.2

9

0.5

53.5

21

2

17

-

67

30

-

11

-

80.5

17.5

4

8.3

-

Ramina

72

14

2.0

0.8

-

Sisal

60

11.5

1.2

8

-

Kenaf Phormium Piña

Tabla 2 Propiedades físicas de diferentes fibras celulósicas (Reproducido con permiso de la Ref. [78]). Fibra celulósica

Diámetro (mm)

longitud (mm)

Densidad (kg/m3)

Ganancia de humedad (%)

Ángulo de microfibra (grado)

18.2

4.9

1500

14

-

-

-

890

-

-

Bagazo

10-34

1.7

900

-

-

Banana

12-30

2.9

1325

-

11

Abacá Alfa

Bambú

12-30

2

1500

-

-

Bonote

10-460

1.3

1250

13

44

Algodón

10-45

42

1550

8.5

25

Curaua

7-10

-

1400

-

-

Lino

12-600

31.7

1450

12

10

Cáñamo

25-600

11.2

1200

12

6.2

Henequén

-

-

1200

-

-

Isora

-

-

1400

1.2

-

Jute

20-200

2.6

1400

17

8.1

Kenaf

19.8

2.4

1310

17

-

Phormium

15.9

5.4

-

-

-

50

-

1540

-

10

Ramina

20-80

160

1550

8.5

-

Sisal

8-200

2.5

1400

14

16

Piña

Tabla 3 Promedio estimado del volumen de producción global de diferentes fibras naturales (en millones de toneladas métricas por año) (Reproducido con permiso de la Ref.[22]). Fibre type Abacá Algodón Bonote Lino

Production per year (Million tonnes) 0.10 25 0.45 0.50-1.5

Main producer countries Philippines, Equator China, USA, India, Pakistan India, Sri Lanka China, France, Belgium, Ukraine

Cáñamo Henequen Jute Kenaf Ramina Seda

0.10 0.03 2.5 0.45 0.15 0.10

China Mexico India, Bangladesh China, India, Thailand China China, India

Sisal

0.30

Brazil, China, Tanzania, Kenya

a

La producción real de fl echa fue subestimada porque la producción de fl ujo en Canadá no se considera para el cálculo.

b

China anunció un plan para aumentar sustancialmente la producción de cáñamo para textiles en los próximos años a 1,5 millones de toneladas de fibra por año.

de uso común. El algodón tiene el mayor rendimiento. Las fibras de yute y flujo también tienen un rendimiento anual relativamente alto [22]. El rendimiento de producción de las fibras celulósicas debería ser suficiente una vez que se usen como materiales de construcción y de construcción.

La tabla 4 compara las fibras celulósicas y las fibras sintéticas en propiedades mecánicas [22, 82,83]. En esta tabla, el módulo específico se aproximó usando el promedio de los valores extremos (los valores superiores e inferiores) de rigidez y el promedio de los valores extremos de densidad encontrados en la literatura [9,22].

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Tabla 4 Propiedades mecánicas de las fibras celulósicas y fibras sintéticas (Reproducido con permiso de la Ref. [22]). Tipo de fibra Abacá Alfa Bagazo Bambú Banana Bonote Algodón Curaua Lino Cáñamo Henequen Isora Jute Kenaf Piasava Palf Ramina Sisal Aramida Carbón E-vidrio S-vidrio

Densidad relativa (g/cm3) 1.5 0.89 1.25 0.6-1.1 1.35 1.15-1.46 1.5-1.6 1.4 1.4-1.5 1.4-1.5 1.2 1.2-1.3 1.3-1.49 1.4 1.4 0.8-1.6 1.0-1.55 1.33-1.5 1.4 1.4 2.5 2.5

Resistencia a la tracción (MPa) 400-980 35 222-290 140-800 500 95-230 287-800 87-1150 343-2000 270-900 430-570 500-600 320-800 223-930 134-143 180-1627 400-1000 363-700 3000-3150 4000 1000-3500 4570

Modulo elástico (GPa) 6.2-20 22 17-27.1 11-32 12 2.8-6 5.5-12.6 11.8-96 27.6-103 23.5-90 10.1-16.3 30 14.5-53 1.07-4.59 1.44-82.5 24.5-128 9.0-38 63-67 200-240 70-76 86

Como se muestra en la tabla, la fibra de ramio tiene el mayor módulo específico de Young (hasta 60 GPa×cm3 / g), seguido de flujo, curaua, cáñamo y yute con un módulo superior a 30 GPa× cm3 / g. El módulo específico de las fibras de ramio, plátano y cáñamo es más grande que el de la fibra de vidrio sintético de uso común. El lino, el ramio, el kenaf, el yute y el cáñamo son las fibras más fuertes entre esas fibras celulósicas con alta resistencia a la tracción, que son relativamente similares a las de E-vidrio. Al tomar en cuenta la densidad, la resistencia específica a la tracción de algunas fibras celulósicas, p.ej. lino, es comparable a la de E- vidrio. Debe señalarse que el alargamiento a la rotura de las fibras celulósicas, como el hacha, el yute y el cáñamo, es significativamente mayor que el del vidrio E. La Fig. 2 muestra la comparación entre las fibras celulósicas y las fibras de vidrio electrónico en el costo por peso y el costo por unidad de longitud [9,22]. Está claro que el costo por peso de la mayoría de las fibras de celulosa es mucho más bajo que el del vidrio E, como se ilustra en la Fig. 2 (b). Para considerar una mejor manera de comparar los costos de varias fibras celulósicas, el rango de valores por costo por peso se multiplica por el rango de valores para la densidad de fibra y una carga supuesta de 100 kN y se divide por el rango de valores para la resistencia a la tracción, como se muestra en la figura 2 (b). El rango resultante de valores indica el costo potencial por longitud del material de fibra capaz de resistir la carga de 100 kN [9].

Modulo especifico (GPa × cm3/g) 9 25 18 25 9 4 6 39 45 40 11 30 24 2 35 60 17 46.4 157 29 34.4

Error de alargamiento (%) 1.0-10 5.8 1.1 2.5-3.7 1.5-9 15-51.4 3-10 1.3-4.9 1.2-3.3 1-3.5 3.7-5.9 5-6 1-1.8 1.5-2.7 7.8-21.9 1.6-14.5 1.2-4.0 2.0-7.0 3.3-3.7 1.4-1.8 0.5 2.8

Entre varias fibras celulósicas, la fl ujo de fibra ofrece la mejor combinación posible de bajo costo, peso liviano y alta resistencia y rigidez para aplicaciones estructurales [9,22]. La Fig. 3 muestra dos diagramas de Ashby, en los que se representan gráficamente las densidades de diversos materiales frente a la resistencia a la tracción y el módulo de Young en escalas logarítmicas para facilitar la comparación fácil de materiales con diferentes criterios de diseño [107]. Las líneas punteadas en la Fig. 3 son pautas para el diseño de peso, rayo y placa de peso mínimo. Esto significa que, de cualquier material que se encuentre en la misma directriz o en cualquier línea paralela a estos, una estructura, clasificada como un empate, una viga o una placa, puede diseñarse con el mismo peso y rigidez o fuerza equivalente [108]. La Fig. 3 muestra que las fibras celulósicas y las fibras de vidrio son comparables en rigidez específica y resistencia específica. Sin embargo, hay una amplia brecha al comparar las propiedades mecánicas de sus materiales compuestos de polímeros reforzados con fibra. Esta disparidad entre las propiedades de la materia prima y sus materiales compuestos se atribuye al uso de fracciones de bajo volumen de refuerzo corto y no alineado en los compuestos de polímeros reforzados con fibras celulósicas. Por lo tanto, al tomar en cuenta el costo (Fig. 2), el rendimiento (Tabla 3) y las propiedades mecánicas (Tabla 4 y Fig. 3), entre varias fibras

Fig. 2. Comparación entre el vidrio E y las fibras celulósicas: (a) costo por peso y (b) costo por unidad de longitud (capaz de resistir la carga de 100 k N) (Reproducido con permiso de la Ref. [22]

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Fig. 3. Módulo de tracción específico de densidad (a) y resistencia a la tracción (b) propiedades. Las líneas discontinuas indican un rendimiento constante del material para la rigidez del empalme E / q y la resistencia r / q, la rigidez del haz E1/2 /q y la resistencia r2/3 /q y la rigidez de la placa E1/3/q y la resistencia r1/2 /q (reproducido con permiso de la Ref. [107]).

celulósicas, el lino, el cáñamo, el yute, el sisal y el algodón son los candidatos más prometedores que pueden usarse para reemplazar las fibras de vidrio como materiales de refuerzo en aplicaciones compuestas. Cabe señalar aquí que a excepción de las fibras naturales enumeradas en la Tabla 4, más recientemente, más y más fiebres naturales nuevas como la fibra Ferula communis (chakshir) [221], Arundo donax L. [222], la fibra de Althaea de ficinalis L. (malvavisco) [223], fibra Sansevieria ehrenbergii [224], fibra Alcachofa (Cynara cardunculus L.) [225], fibra Piassava (Attalea funifera) [226] y fibra Okra (Abelmoschus esculentus) [227] ya que los materiales de refuerzo del polímero son compuestos. Estas fibras naturales nuevas y respetuosas con el medio ambiente tienen el potencial de ser utilizadas como materiales de refuerzo en ingeniería civil. 2.3. Estructura de las fibras 2.3.1. Lino El lino (Linum usitatissimum) es una de las fibras celulósicas más utilizadas. El lino es bastón originado del tallo de la planta de hacha. El lino es el más viejo y el más fuerte de las fibras celulósicas. Es relativamente suave, absorbe la humedad y se seca rápidamente. La Fig. 4 muestra una vista esquemática de las estructuras a escala múltiple de flujo desde el vástago hasta las fibras celulósicas [85]. A nivel macroscópico, un tallo plano se compone, desde el exterior hacia la parte interna, de corteza, floema, xilema y un vacío central [22]. A nivel mesoscópico, la sección transversal de un paquete contiene entre 10 y 40 fibras que están unidas principalmente por pectina [22, 84, 85].A escala microscópica, cada fibra elemental misma está hecha de paredes celulares concéntricas, que se diferencian entre sí en términos de espesor y disposición de sus componentes constitutivos [22]. En el

centro de la fibra elemental, los cilindros concéntricos con un pequeño canal abierto en el medio, es decir, la luz, que contribuye a la absorción de agua. En el lado externo, la delgada pared celular primaria recubre la pared celular secundaria más gruesa, que es responsable de la fuerza de la fibra y encierra la luz. Cada capa está compuesta por microfibras de celulosa que corren paralelas una a la otra y forman un ángulo de micro fi bra con la dirección de la fibra; este ángulo es mínimo en la pared celular secundaria [22,84]. La mayor parte de la fibra está constituida esencialmente por la capa S2 de la pared celular secundaria (que domina la sección transversal), como se muestra en la Fig. 5 [92]. Esta pared celular más gruesa (S2) contiene numerosas microfibras de celulosa cristalina y hemicelulosa amorfa que están orientadas a aproximadamente 10 ○ con el eje de la fibra y proporcionan su alta resistencia a la tracción [22].En la nanoescala, una micro fi bra está constituida por cadenas de celulosa (zonas cristalinas) incrustadas en una matriz amorfa compuesta principalmente de pectina y hemicelulosa [84]. Estas microfibras representan aproximadamente el 70% del peso de una fibra y funcionan como el material de refuerzo de la fibra [85]. En la Fig. 6 [84] se presenta la curva típica de tensión de tensión de una sola fibra de hacha. La curva está compuesta por: (i) una región lineal inicial (tensión de 0 a 0.3%) asociada a la deformación de cada pared celular, que permite la medición del módulo; (ii) una segunda región no lineal (tensión de 0,3 a 1,5%) asociada con una deformación elasto-visco-plástica de la fibra; especialmente de la pared celular más gruesa (S2), ya que la alineación de las microfibras celulósicas con el eje de tracción condujo a la reordenación de las partes amorfas de la pared (principalmente

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Fig. 4. Estructura del lino del tallo a las fibrillas celulósicas (Reproducido con permiso de la Ref. [85]).

Fig. 5. (a) La microestructura de una celda de fibra de lino y (b) sección transversal del tallo de lino (Reproducido con permiso de la Ref. [22]).

hecha de pectina y hemicelulosas) y (iii) la etapa lineal final (cepa de 1,5% a la ruptura), correspondiente a una respuesta elástica de los micro-fibrillas alineadas a la carga aplicada [22,84].

Fig. 6. Curva de resistencia a la tensión de una fibra de lino (Reproducido con permiso de la Ref. [22]).

2.3.2. Sisal Sisal (Agave sisalana) es una de las otras fibras celulósicas más utilizadas. El sisal se extrae de las hojas de la planta de sisal. La Fig. 7 muestra una fotografía de plantas de sisal. Una planta de sisal tiene 200 ± 250 hojas y cada hoja contiene 1000 ± 1200 haces de fibras que están compuestas por 4% de fibra, 0,75% de cutícula, 8% de materia seca y 87,25% de agua [86,87]. La hoja de sisal incluye tres tipos de fibras: mecánica, cinta y xilema. La Fig. 8 muestra la sección transversal de un paquete de fibra de cinta de sisal [86].

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Fig. 7. Fotografía de una planta de sisal (https://www.flickr.com/photos/40295335@N00/ 5219408347).

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Fig. 9. Resistencia a la tensión de tracción de una sola fibra de sisal (Reproducido con permiso de la Ref. [93]).

2.3.3. Cáñamo Después del lino y el sisal, el cáñamo (Cannabis sativa) es una de las fibras celulósicas más utilizadas como refuerzo en compuestos. El cáñamo también es una fibra de bastón originada del tallo de la planta de cáñamo. La figura 10 muestra una imagen de las plantas de cáñamo y la figura 11 muestra la representación esquemática de una fibra de cáñamo desde el tallo a la micro-fibrilla y la estructura esquemática de una pared celular de fibra de cáñamo [88]. Al igual que el lino, la fibra de cáñamo es un polímero de celulosa con una microestructura similar. El ángulo de micro-fibrilación informado de la fibra de cáñamo fue de 6,2° [78]. En la figura 12 [94] se muestra la curva típica de tensión de tensión de una sola fibra de cáñamo. La curva muestra la fibra que posee una respuesta no lineal durante el rango de prueba. 2.3.4. 2.3.5.

Fig. 8. Corte transversal de un haz de fibra de cinta (Reproducido con permiso de la Ref. [86]).

Las fibras mecánicas se extraen de la periferia de la hoja que son las más comercialmente útiles de las fibras de sisal [86]. La fibra de sisal es un paquete de subfibras huecas en las que las paredes celulares están reforzadas con celulosa orientada en espiral en una matriz de hemicelulosa y lignina. La composición de la superficie externa de la pared celular es una capa de material leñoso y sustancias céreas que unen la célula a sus vecinos adyacentes. El ángulo de microfibra de la fibra de sisal se informó entre 16° y 25° [78, 85,86]. En la Fig. 9 [93] se muestra la curva típica de tensión de tensión de una sola fibra de sisal. La fibra de sisal exhibe un Al igual que la fibra de lino, la curva de sisal también puede dividirse en tres partes: (i) una etapa lineal inicial con la deformación de 0 a 0.2%; (ii) una respuesta no elástica con la deformación del 0.2% al 5%, correspondiente a la deformación elastovisco-plástica de la fibra, ya que la alineación de las micro-fibrillas celulósicas con el eje de tracción llevó a la reordenación de las partes amorfas de la pared (principalmente hechas de pectina y hemicelulosas) y (ii) una respuesta lineal final (5.0% a la falla) que acompaña a una respuesta elástica de las microfibrillas alineadas a la carga de tracción aplicada.

Jute El yute (Corchorus capsularis (yute blanco) y Corchorus olitorius (yute oscuro)) también es una fibra de bastón originada de la corteza de la planta de yute, como se muestra en la Fig. 13. La fibra de yute, que forma solo una pequeña porción de la planta de yute (5-6% del peso verde) se encuentra entre la corteza externa y la médula central, o palo [90]. La fibra se extrae de la planta de yute sumergiéndola en agua (retintando). La estructura esquemática de una pared celular de fibra de yute se muestra en la Fig. 14 [90,91]. El ángulo de micro-fibrilada que se informa de fibras de yute 8.1° [22]. En la Fig. 15 [95] se muestra la curva típica de tensión de tensión de una sola fibra de yute, que muestra una respuesta lineal aproximada.

Fig. 10. Planta de cáñamo (http://www.hempwickbeeline.com/illegalhemp/).

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Fig. 11. (a) (a) Representación esquemática de una fibra de cáñamo desde el tallo a las micro-fibrillas y (b) estructura esquemática de una pared de celda de fibra de cáñamo (Reproducido con permiso de la Ref.[88]).

Fig. 13. Plantas de Jute (http://julzcrafts.com/tag/jute-harvesting-basic-processing/). Fig. 12. Curva de tensión de tracción de una sola fibra de cáñamo (Reproducido con permiso de la Ref. [94]).

2.3.6.

Algodón

El algodón (Gossypium) es la fibra más utilizada para la ingeniería textil en el mundo. Las fibras de algodón se obtienen de las semillas de la planta de algodón. El algodón absorbe la humedad y se seca rápidamente. Es lavable y se puede limpiar en

seco. Aunque no es el cultivo más ecológico para el cultivo, el algodón es relativamente barato de producir. Al igual que el lino, el cáñamo y el yute, la fibra de algodón también tiene una estructura compleja [92]. La capa de la cutícula consiste en materiales de cera y pectina. La capa exterior de cera protege la pared primaria, que está compuesta de fibrillas cristalinas de celulosa. Las fotos de las plantas de algodón y la fibra de algodón del tallo se muestran en las Figs. 16 y 17, respectivamente [92]. El ángulo de micro-fibrillas

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Fig. 14. Pared de la celda de fibra de yute (reproducida con permiso de la Ref. [90]).

Fig. 16. Plantas de algodón (https://simple.wikipedia.org/wiki/Cotton).

Fig. 15. Curva de resistencia a la tensión de una sola fibra de yute (Reproducido con permiso de la Ref. [95]).

de la fibra de algodón se informó de 25° [22]. El esquema de la microestructura de la fibra de algodón se muestra en la Fig. 18 [96]. Sobre la base de las descripciones anteriores, se puede concluir que para estas fibras celulósicas (es decir, lino, cáñamo, yute, sisal y algodón), su estructura macroscópica es un cilindro tubular con una cavidad central, llamada lumen. A escala microscópica, la fibra celulósica está hecha de dos paredes celulares: la pared celular primaria y la pared celular secundaria. La pared primaria es muy delgada y está recubierta con una matriz polimérica (designada como laminillas centrales y uniones intercelulares) que aseguran la cohesión intercelular en un haz de fibras. La pared celular primaria está compuesta de pectina, algo de lignina y hemicelulosa. La pared celular secundaria se puede dividir en tres capas desde el exterior al interior: S1, S2 (el espesor) y S3. Los principales componentes de la célula secundaria fueron las micro-fibrillas de celulosa con orientaciones particulares. La pared celular secundaria proporciona una fibra celulósica con resistencia a la tracción. 2.4. Relación entre la composición química y las propiedades mecánicas de las fibras celulósicas. Como se mencionó anteriormente, los constituyentes principales de las fibras celulósicas son los mismos, pero varían en contenido. Esta naturaleza hace que las fibras celulósicas se comporten de manera

diferente Komuraiah et al. [78] proporcionó un estudio sobre los coeficientes de correlación de rango de Pearson entre las composiciones químicas y las propiedades mecánicas de las fibras celulósicas. Para encontrar la correlación de rango entre las dos cantidades, la resistencia a la tracción, el módulo y la densidad de Young se consideraron como variable I y sus componentes de fibra de celulosa, hemicelulosas, lignina, pectina y cera se consideraron como variables II. Una vez que se encontró la correlación de rango, se dibujaron los gráficos de regresión, se pudo encontrar la ecuación de la línea de regresión y se reveló la influencia de las diversas composiciones químicas sobre las propiedades mecánicas de la fibra. Komuraiah et al. [78] informó que la celulosa tiene una correlación positiva con la resistencia a la tracción, la resistencia específica, el módulo específico de Young, el diámetro y la longitud de las fibras celulósicas. Además, la celulosa tiene un efecto insignificante en el diámetro de la fibra. Sin embargo, se dice que la celulosa tiene una correlación negativa con el ángulo de la microfibrilla de una fibra celulósica, pero un pequeño efecto en la ganancia de humedad y la tensión en la falla [78]. La hemicelulosa tiene una correlación positiva con el módulo de Young específico, la resistencia específica, el diámetro y la ganancia de humedad. Un aumento en el contenido de hemicelulosa aumenta estas características de las fibras celulósicas. La hemicelulosa tiene una fuerte correlación con el módulo de Young específico, la fuerza específica y la ganancia de humedad. Sin embargo, tiene un efecto insignificante en el diámetro de la fibra. También tiene una correlación negativa con la resistencia a la tracción, la densidad, el ángulo de la microfibra y la tensión de falla de las fibras celulósicas. Se informa que la lignina tiene una correlación positiva con el ángulo de la micro-fibrilla, la tensión de falla y la ganancia de humedad. La lignina tiene una correlación negativa con la resistencia a la tracción, la resistencia específica, el módulo específico de Young, la densidad, el diámetro y la longitud [78]. La lignina afecta fuertemente la resistencia a la tracción de la fibra

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Fig. 17. Fibra de algodón del tallo de algodón (Reproducido con permiso de la Ref. [92]).

Fig. 18. Esquema de la microestructura de fibra de algodón (Reproducido con permiso de la Ref. [96]).

celulósica, la resistencia específica, la longitud y el módulo específico de Young. El efecto de la lignina sobre la densidad y el diámetro de la fibra es pequeño. La pectina tiene una correlación positiva con la densidad, el ángulo de la micro-fibrilla, la tensión de falla, la resistencia específica de las fibras. La pectina afecta considerablemente la resistencia a cellulosic fibres to behave differently. Komuraiah et al. [78]. la falla, pero tiene un efecto insignificante en la fuerza específica. La pectina también tiene una correlación negativa con la fuerza específica, el aumento de humedad, el módulo de Young, la longitud y la resistencia específica. La pectina afecta considerablemente la ganancia de humedad y el módulo de Young y tiene un efecto insignificante sobre la resistencia a la tracción y el diámetro de las fibras. La cera tiene una correlación positiva con el módulo específico de Young y la ganancia de humedad. Con el contenido creciente de cera, el módulo específico de Young y la ganancia de humedad aumentan.

La cera tiene una correlación negativa con la densidad, la longitud, la tensión de falla, el diámetro y la resistencia específica de las fibras. Tiene un efecto considerable en la densidad, la longitud, la tensión de falla y el diámetro, pero tiene un efecto insignificante en la resistencia a la tracción y el ángulo de la microfibra. En general, la resistencia a la tracción y el módulo Young de las fibras celulósicas aumentan con un aumento en el contenido de celulosa. El alto contenido de celulosa en la fibra da como resultado su alta resistencia a la tracción. El contenido de celulosa afecta el ángulo de la micro-fibrilla. Las fibras son rígidas y tienen una alta resistencia a la tracción si las fibrillas están alineadas con el eje de la fibra. Una disminución en el contenido de celulosa aumenta el ángulo de microfibrillas de la fibra, reduciendo así la resistencia a la tracción de la fibra. La falla de tracción de las fibras celulósicas puede describirse mediante la teoría del compuesto [78]. La fibra celulósica se puede considerar como un material compuesto que consiste en celulosa, hemi-celulosas, pectina, lignina y ceras. Los elementos de refuerzo de las fibras celulósicas son micro-fibrillas de celulosa; Las micro-fibrillas están rodeadas por los elementos de la matriz: hemicelulosas y lignina. Cuando se aplica una carga, las micro-fibrillas se alinean con el eje de la fibra. La falla de la fibra se produce cuando el elemento matriz pierde su unión con las fibrillas de refuerzo y se rompe el enlace de hidrógeno en la micro-fibrilla de celulosa. Por lo tanto, cuanto menor es el contenido de celulosa, menor es la resistencia a la tracción de la fibra. Una fibra celulósica contiene más hemicelulosas, el contenido de celulosa es menor. Por lo tanto, un aumento en el contenido de hemicelulosas disminuye la resistencia a la tracción de la fibra. Un aumento en el contenido de hemicelulosa aumenta la absorción de humedad de las fibras celulósicas. El contenido de lignina en las fibras celulósicas afecta sus propiedades estructurales y su morfología. Un aumento en el contenido de lignina aumenta la absorción de agua de la fibra. Un aumento en el contenido de lignina también aumenta la tensión de falla de la fibra celulósica. La pectina se produce en las fibras maduras y las une. Cuando falla una fibra, la carga se transfiere a otras fibras a través de la pectina. Como el contenido de ceras en las fibras naturales es el menor, su influencia en la fibra es la más pequeña. Las fibras celulósicas con ángulos bajos de micro-fibrilla en la capa S2 de la pared celular son rígidas y muestran un rendimiento marginal antes de la ruptura. Por el contrario, las fibras celulósicas con ángulos altos de microfibra de celulosa son menos rígidas en un corto rango elástico inicial y experimentan grandes deformaciones plásticas después del rendimiento [97]. 2.5. Los parámetros afectan las propiedades mecánicas de las fibras celulósicas. A diferencia de las fibras sintéticas, las fibras celulósicas tienen una gran variabilidad en sus propiedades mecánicas debido a las condiciones experimentadas en el campo y al daño potencial que surgen de los

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procesos de producción y las condiciones de medición. Estos factores que afectan las propiedades mecánicas de las fibras celulósicas se resumen en la Tabla 5 [22]. En el proceso de producción de fibras celulósicas, hay varias etapas diferentes: El crecimiento de la planta, la recolección, la extracción de la fibra y el suministro. Excepto por la estructura y la propiedad de la fibra misma, las condiciones experimentales tales como la longitud de referencia de fibra, la velocidad de ensayo, etc., tienen efecto sobre las propiedades mecánicas de las fibras celulósicas. Es bien conocido que las propiedades mecánicas (p.ej. las propiedades extensibles) de la fibra celulósica sola tiene una gran variabilidad que se atribuye principalmente a varios factores, como los parámetros de prueba, las condiciones de prueba, las mediciones del área y las características de la planta. Por estas razones, se necesita un enfoque estadístico para evaluar las propiedades mecánicas. Los datos experimentales obtenidos por caracterización mecánica se analizaron estadísticamente utilizando una distribución de Weibull de dos parámetros, un método ampliamente utilizado para analizar las propiedades mecánicas y físicas de las fibras celulósicas, como lo sugiere Charlet et al. [29], Andersons et al. [103], De Fiore et al. [225] y De Rosa et al. [227]. Dado que las fibras celulósicas son altamente hidrófilas, sus módulos de tracción dependen en gran medida de la humedad relativa ambiental (RH). Tanto los módulos estáticos como los dinámicos de fibras celulósicas (por ejemplo, lino) disminuyeron notablemente con un aumento de RH (es decir, valores de RH del 30% al 90%) [98]. En general, una fibra celulósica que posee una mayor resistencia a la tracción si la longitud de la fibra utilizada es corta durante la prueba de tracción de la fibra. En otras palabras, la resistencia a la tracción de la fibra disminuye con un aumento en la longitud de la fibra. Esto se debe a que: (i) cuanto más larga es la fibra, mayor es la probabilidad de que contenga un defecto (por ejemplo, bandas de torcedura) y, por lo tanto, falle prematuramente en comparación con una fibra más corta. A medida que aumenta la longitud de la prueba, también aumenta el número de enlaces débiles o imperfecciones, lo que da como resultado una reducción de la resistencia a la tracción [22], y (ii) el mecanismo de falla de las fibras monofilamento celulósicas con una longitud de sujeción más corta es diferente de la longitud de sujeción más larga. En una longitud de sujeción grande, la falla de la fibra celulósica tiene lugar a través de la interfase de pectina relativamente débil que une las fibras elementales juntas. La interfase de pectina está orientada predominantemente en la dirección longitudinal de la fibra, se rompe por falla de corte. A la longitud de la sujeción por debajo de la longitud de la fibra elemental, la falla ya no puede tener lugar a través de la interfase de pectina, pero la grieta ahora debe atravesar la pared celular celulósica más fuerte de las fibras elementales [99]. Los tratamientos químicos, como el silano y la alcalinización, pueden mejorar notablemente las propiedades de tracción de las fibras celulósicas debido a que la eliminación de algunas sustancias por tratamientos químicos aumenta la proporción de celulosa en el material, el componente que da las propiedades mecánicas de las fibras [100]. Además, las propiedades de tracción de las fibras celulósicas dependen en gran medida de la medida de longitud de referencia utilizada para la medición. La resistencia a la tracción de una fibra celulósica disminuye notablemente con un aumento en la longitud de referencia. A excepción del efecto de la longitud de referencia, los diámetros de las fibras también impactan en las propiedades de tracción. El módulo y la fuerza de Young tienden a disminuir con un aumento del diámetro de la fibra, aunque se produce una gran dispersión de los resultados de la prueba [101,102]. La dispersión de las propiedades de la

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fibra celulósica se debe a la variación del contenido de celulosa de una fibra a otra y también es el resultado de la aleatoriedad de la ubicación y el tamaño de los defectos a lo largo de cada fibra, en lugar de la dispersión de la microestructura (con respecto al diámetro del lumen de la fibra, la porosidad) de las fibras celulósicas debería ser responsable de la dispersión de las propiedades de tracción [103,104]. Los defectos de la pared celular en las fibras celulósicas también son uno de los parámetros más importantes que determinan las propiedades de tracción de la fibra. La resistencia de la fibra se determina en gran medida por defectos de la pared celular como bandas de retorcimiento, ya que la presencia de bandas retorcidas limita la resistencia a la tracción de las fibras celulósicas. El defecto en la fibra también es una razón para una gran dispersión en las propiedades de tracción de las fibras celulósicas [99, 103,105]. 2.6. De fibras celulósicas monofilamento a tejidos. Al igual que la agricultura, los textiles han sido una parte fundamental de la vida humana desde los albores de la civilización. Fragmentos de artículos de algodón datados desde 5000 a.C. fueron excavados en México y Pakistán. La fibra celulósica como el yute se ha cultivado desde la antigüedad. Si bien los métodos utilizados para fabricar tejidos han cambiado mucho desde entonces, sus funciones han cambiado muy poco: hoy en día, la mayoría de las fibras celulósicas todavía se utilizan para confeccionar vestimenta y contenedores y para aislar, suavizar y decorar nuestros espacios habitables [106]. En la ingeniería textil, las fibras celulósicas largas y regulares (por ejemplo, lino, cáñamo, yute) generalmente se hilan en hilos para textiles. Por ejemplo, la tela de lino mantiene un nicho tradicional fuerte entre los textiles caseros de alta calidad, como la ropa de cama, los tejidos de decoración y los accesorios de decoración de interiores. Las fibras de lino más cortas producen hilos más pesados adecuados para toallas de cocina, velas, carpas y lona. Los grados inferiores de fibra como refuerzo y relleno en compuestos se usan en sustratos y muebles para interiores de automóviles [79]. Las fibras monofilamento son el componente básico de los tejidos. Las fibras celulósicas se retuercen entre sí para formar hilos que luego se tejen o se tejen en telas. El hilo es el nombre de un grupo de fibras con o sin torsión que tiene una longitud considerable y una sección transversal relativamente pequeña. En hilos retorcidos, la fricción resultante de la torsión consolida las fibras. Se tuerce un hilo de filamento continuo mediante un giro. Para un hilo retorcido hecho de fibras grapadas, el proceso se llama hilado e implica una larga cadena de operaciones preparatorias. Existen diferentes procesos de hilatura de hilados (hilado de anillo, hilado de extremo abierto, hilatura a fricción) que conduce a hilados con distribuciones internas distintivas de fibras [118]. Al girar fibras de monofilamento a hilados, un número de filamentos de fibra se retuercen en una cadena continua produciendo fuerzas radiales que provocan movimientos de algunos de estos filamentos con relación a otros, y conduce a un empaquetamiento más cercano de todos los filamentos dentro de cualquier sección transversal dada. Sin embargo, la resistencia a la tracción del haz monofilamento de fibras celulósicas no puede alcanzar la del el hilo porque, cerca de la falla, algunas fibras monofilamento se rompen y el resto se desliza [34].Para el tejido con empaquetadura suelta de fibras en los hilados, el mecanismo de falla del hilado está dominado por deslizamiento, por lo

Tabla 5 Factores que afectan las propiedades mecánicas de las fibras celulósicas (Reproducido con permiso de la Ref. [22]).Ref. [22]). Factores que afectan las propiedades mecánicas de las fibras celulósicas (Reproducido con permiso de la Ref. [22]). El crecimiento de la planta. Especímenes de plantas, cultivos, cultivos de origen geográfico, ubicación de fibras en plantas, clima local, p.ej. precipitación y temperatura durante el crecimiento. Etapa de recolección. Madurez de la fibra, que afecta: grosor de la pared celular, grosor de las fibras, adherencia entre las fibras y la estructura circundante, tamaño y forma de la luz, porosidad, ángulo de microfibrilla Etapa de extracción de fibra Proceso de decorticación, tipo de método de retratamiento, condiciones de separación. Etapa de suministro Condiciones de transporte, condiciones de almacenamiento, edad de las fibras Condiciones de medición La velocidad del ensayo de tracción, la longitud de referencia inicial, la humedad, la temperatura, la diferente sección transversal de las fibras en diferentes puntos Tratamiento de superficies Tratamiento químico, mejora de tratamiento, tratamiento de agua, tratamiento de secado, etc.

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tanto, la capacidad de carga de la fibra deslizada se reduce drásticamente y la resistencia final del hilo es pobre. Tres tipos de comunes distintivos de tela son telas tejidas, hechas a punto y no tejidas producidos por tejido, tejido de punto y varios procesos no tejidos, respectivamente La Fig. 19 muestra diferentes tipos de estructura de tejido. Las telas tejidas generalmente consisten en dos conjuntos de hilos que están entrelazados y se encuentran en ángulo recto entre sí. Los hilos que corren a lo largo de la tela se conocen como extremos de urdimbre mientras que los hilos van desde el orillo al orillo, es decir, de un lado al otro del tejido, son los hilos de trama. Con frecuencia, simplemente se los denomina extremos y selecciones [119]. La tela tejida consiste en hilos entrecruzados, ya sea de trama (tejido de trama) o de urdimbre (tejido de punto de urdimbre). El tejido de punto de urdimbre es un método de fabricación de un tejido por medio de tejido estándar, en el que los bucles hechos de cada urdimbre se forman sustancialmente a lo largo de la tela mientras que el tejido de punto de trama es un método de producción de una tela mediante medios normales de tejido, por cada hilo de trama se forman considerablemente a lo ancho del tejido [120]. Un no tejido es una estructura textil producida por la unión o el entrelazado de fibras, o ambas, realizadas mediante medios mecánicos, químicos, térmicos o solventes y combinaciones de los mismos [118]. Una de las principales ventajas de la fabricación no tejida es que generalmente se realiza en un proceso continuo directamente de la materia prima a la tela terminada, aunque hay algunas excepciones a esta [121]. Los tipos de tela mencionados son las estructuras habituales de un solo plano también conocidas como telas 2-D en las que están disponibles fibras de alto rendimiento. Hoy en día, las telas en estructuras multi-plano o en telas tridimensionales pueden fabricarse tejiendo, tejiendo urdimbres, trenzas, no tejidas y otras técnicas especialmente modificadas. Las diversas técnicas de fabricación de telas permiten más flexibilidad para adaptar el material textil que se podría usar en diversas aplicaciones [118]. Scardino [119] dividió las estructuras textiles o las formas del refuerzo en cuatro categorías que incluyen telas simples (2-D) y telas avanzadas (3-D). Este tipo de refuerzo es utilizado preferiblemente por el fabricante o investigador porque básicamente son fáciles de manejar. La Fig. 20 muestra algunas telas textiles comunes utilizadas como refuerzo compuesto [118,123]. La utilización de tejidos 2-D así como 3D hechos de fibras celulósicas se puede usar para diversas aplicaciones y propósitos. 2.7. De tejidos a materiales compuestos de polímeros reforzados con tela. Cada vez más, los textiles tradicionales se utilizan para fines industriales, así como en materiales compuestos de polímeros reforzados con fibra textil (FRP). En los compuestos de FRP, la matriz polimérica mantiene juntas las fibras para proporcionar una

forma y transferir la carga a las fibras por adhesión y / o fricción. La matriz también proporciona rigidez y forma al miembro estructural, protege las fibras de químicos, la corrosión, influye en los comportamientos de rendimiento como el impacto y la ductilidad. La matriz polimérica tiene dos categorías, que son termoplásticos y termoestables. Las propiedades de algunos termoplásticos y termoestables de uso común se enumeran en las Tablas 6 y 7, respectivamente [22]. Los termoplásticos tienen muchas ventajas sobre los polímeros termoestables en la fabricación de compuestos tales como bajo procesamiento, flexibilidad de diseño y facilidad de moldeo de piezas complejas. Sin embargo, el desarrollo de compuestos poliméricos reforzados con fibra celulósica termoplástica está restringido por la temperatura de procesamiento [22]. Generalmente, la temperatura debe estar por debajo de 230 ° C para evitar la degradación de las fibras celulósicas. Entre los polímeros termoplásticos, PP es el más utilizado en compuestos. Hoy en día, cada vez más investigadores están mirando hacia el uso de termoestables, ya que los polímeros termoestables superan a los termoplásticos en los aspectos de propiedades mecánicas, resistencia química, estabilidad térmica y durabilidad general [22]. Además, los termoestables permiten más flexibilidad en las configuraciones de fibra estructural y, a menudo, se pueden procesar a temperatura ambiente o a temperaturas confortables dentro del rango seguro para fibras celulósicas. Entre los termoestables, el epoxi es el más común. Más recientemente, la investigación de fibras celulósicas reforzadas con polímeros biodegradables compuestos "verdes" ha aumentado sustancialmente, como se muestra en la Tabla 8. Los polímeros biodegradables se pueden clasificar según el origen: natural o sintético. Los polímeros naturales están disponibles en grandes cantidades a partir de fuentes renovables, mientras que los polímeros sintéticos se producen a partir de recursos no renovables basados en petróleo [22]. Sin embargo, una limitación principal de estos biopolímeros es su alto costo inicial. La mayoría de las resinas biodegradables actualmente cuestan de tres a cinco veces las resinas comúnmente usadas, como PP [22]. Dependiendo de las diferentes matrices poliméricas, se deben seleccionar las técnicas de fabricación adecuadas para la fabricación de compuestos poliméricos reforzados con fibra celulósica. Para los compuestos termoendurecibles reforzados con fibra celulósica, las técnicas son el moldeo manual y la pulverización, compresión, transferencia, moldeo por transferencia de resina, moldeo por inyección, inyección por compresión, moldeo por bolsas a presión, pultrusión, moldeo por transferencia de resina asistida por vacío, moldeo por inyección de fundición y moldeo de espuma de poliuretano. Para los compuestos termoplásticos reforzados con fibra celulósica, las técnicas de procesamiento incluyen extrusión, moldeo por inyección, termoformado, método de compresión, prensado en frío, calentamiento, arrollamiento de filamentos, moldeado de espuma, moldeado rotacional, calandrado y co-extrusión. Se pueden obtener más detalles sobre las diferentes técnicas de fabricación, encontradas en las Refs. [22, 219,220]. La Fig. 21 presenta el cuadro de selección de materiales para los materiales compuestos de polímeros reforzados con fibra celulósica fabricados con resinas termoplásticas (globos sin rellenar) o

Fig. 19. Tipos de tejido común; (a) tejido, (b) tejidos de punto y (c) telas no tejidas (Reproducido con permiso de la Ref. [118]).

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Fig. 20. Estructura de la tela textil; (a-c) telas tejidas 2-D, (d) Tejidos tridimensionales 3-D, (e y f) tejidos trenzados, (g y h) tejidos de punto e (i) múltiples - tejidos de punto de multiaxiales. (Reproducido con permiso de Ref. [118]).

Tabla 6 Propiedades de los polímeros termoplásticos típicos utilizados en la fabricación de materiales compuestos de fibra natural (Reproducido con permiso de la Ref. [22]). Propiedades

PP

LDPE

HDPE

PS

Densidad Absorción de agua (24 h@20 ° C) Tg ( °C)

0.899-0.920 0.01-0.02 -10 a-23’

0.910-0.925 854

14.5-38 0.4-1.5 2.0-130 26.7-1068

25-69 4- 5 1-2.5 1.1

PP= Polipropileno, LDPE = polietileno de baja densidad, HDPE= polietileno de alta densidad y PS= poliestireno.

Tabla 7 Propiedades de los polímeros termoendurecibles típicos utilizados en los compuestos poliméricos reforzados con fibra celulósica (Reproducido con permiso de la Ref. [22]). Propiedades

Epoxy

Poliéster 1.2-1.5 2-4.5

Éster de vinilo 1.2-1.4 3.1-3.8

Densidad (g/cm3) Modulos elasticos (GPa)

1.1-1.4 3-6

Resistencia a la tracción (MPa) Resistencia a la compression (MPa) Elongacion (%) Curado de la contracción. (%) Absorción de agua (24 h@20 ° C) Temperatura de curado ( °C) resistencia al impacto Izod (J/m) Costo(US$/kg)

Fenólico 1.29 2.8-4.8

35-100

40-90

69-83

35-62

100-200

90-250

100

210-360

1-6 1-2 0.1-0.4

2 4-8 0.1-0.3

4-7 N/A 0.1

1.5-2 0.1-0.36

25-200

25-200

25-150

25-200

0.3

0.15-3.2

2.5

-

3-20

1.5-4.0

3.2-6.4

6.5-12.0

termoestables (globos rellenos), refuerzos de fibra de alineación corta o aleatoria y varias rutas de fabricación [220]. La figura será beneficiosa para los investigadores para seleccionar una técnica de fabricación adecuada para la fabricación de compuestos poliméricos reforzados con fibra celulósica con configuración de fibra específica y matriz de polímero.

3.

Propiedades mecánicas de las estructuras reforzadas FRC, FRG y FRP. 3.1. Compuestos de tejido celulósico FRC 3.1.1. Fabricación de compuestos de tejido celulosico FRC. Los tejidos celulósicos se han utilizado como materiales de refuerzo, dentro de compuestos basados en cemento para aplicaciones de ingeniería civil [p.ej. Refs. [53-57, 169,170]]. Hakamy et al. [54] informó sobre el uso de tejidos de cáñamo como refuerzo de materiales compuestos de cemento. El tejido de cáñamo tenía una densidad de 600 kg / m3, un módulo de elasticidad de 38-58 GPa y una resistencia a la tracción de 591-857 MPa. Para la fabricación de materiales compuestos de cemento reforzado con tela, los tejidos de cáñamo fueron primero empapados en la matriz de cemento en las aberturas de las telas.Los detalles de fabricación de las muestras de material compuesto de cemento reforzado con tela de cáñamo fueron las siguientes: Primero, se vertió una capa delgada de matriz en el molde, luego se colocó encima la tela de cáñamo previamente empapada, luego se vertió otra capa de matriz en el molde seguido por otro tejido de cáñamo pre-impregnado y la capa final de matriz. La cantidad total de tela de cáñamo en cada muestra fue de aproximadamente 2.5% en peso. Luego, las muestras se desmoldearon, después de 24 h de colada y se mantuvieron en agua para curar durante 28 días [54].

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Tabla 8 Propiedades de algunos polímeros biodegradables utilizados en compuestos poliméricos reforzados con fibras celulósicas (Reproducido con permiso de la Ref. [22]). Propiedades Densidad (g/cm3) Modulos elasticos (GPa) Resistencia a la tracción (MPa) Elongacion (%) Temperatura de fusión ( °C) Temperatura de transición del vidrio (°C)

PEA

PLA

SPI

PHB

PHBV

1.18 0.42 16.4 85-119 175

0.9-1.27 1.5-2.7 60 8 160-190

1.2-1.5 0.1 6.0 170-236 4-8

1.25 0.93 21 5.2e8.4 161

1.25 2.38 25.9 1.4 153

-

56-65

—10

—1

Nota: PEA: Poliesteramida, PLA: poliláctidos, SPI: resina aislada de proteína de soya, PHB: polihidroxibutirato, PHBV: polihidroxibutirato-co-hidroxivalerato

Fig. 21. Tabla de selección de materiales para materiales compuestos reforzados con fibras celulósicas fabricados con resinas termoplá sticas (globos sin rellenar) o termoestables (globos rellenos), refuerzos shortrandom o refuerzos de fibra alineados largos y diversas rutas de fabricación. Los gráficos muestran (a) propiedades absolutas, (b) propiedades específicas, (c) propiedades por costo unitario y (d) propiedades por unidad de impacto ecológico (Reproducido con permiso de Ref. [220]).

3.1.2.

Propiedades mecánicas de los compuestos de tejido celulósico FRC 3.1.2.1. Propiedades térmicas. La estabilidad térmica de los materiales compuestos cementados nanoarcilla reforzados con tela de cáñamo (HF) se estudió mediante análisis termogravimétrico (TGA) en términos de pérdida de peso en función de la temperatura (una tasa de calentamiento de 10° C / min de 25 a 1000° C) en Atmósfera de argón [53,54]. La Fig. 22 proporciona las curvas TGA para la nanoarcilla, tela de cáñamo, pasta de cemento, compuestos de cemento reforzado con HF y compuestos de nanoarcilla de cemento reforzado con HF. Las curvas TGA presentan tres etapas distintas de descomposición en nanoarcilla, tela de cáñamo, pasta de cemento, compuestos de cemento reforzado con tela de cáñamo y nanocompuestos de cemento reforzado con tela: (i) Temperatura entre la habitación y 230°C, que estuvo relacionada con la descomposición de Ettringita y deshidratación del gel de hidrato de silicato de calcio

(C-S-H). Los nanocompuestos de cemento reforzado con tela de cáñamo muestran una estabilidad térmica mucho mejor que la de la pasta de cemento debido a la resistencia de la nanoarcilla a la descomposición, (ii) la temperatura entre 420 y 500 ºC, correspondió a la descomposición de Ca (OH)2. En esta etapa, los nanocompuestos de cemento reforzado con tela de cáñamo que contienen 1% en peso de nanopartículas muestran una mejor estabilidad térmica que todas las demás muestras debido a la nanomatriz densa y compacta a través del consumo de hidróxido de calcio (CH) y la formación de geles C-S-H secundarios durante la reacción puzolánica, (iii) temperatura entre 670 y 780 ° C, correspondió a la descomposición de CaCO3. A 800-1000° C, los nanocompuestos de cemento reforzado con tela de cáñamo que contienen 1% en peso muestran estabilidad térmica ligeramente menor que la de la pasta de cemento, pero mejor que las otras muestras. A 1000 ° C, el residuo de carbón de la pasta de cemento y el compuesto de cemento. El residuo de carbón de los nanocompuestos

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Fig. 22. Curvas de análisis termogravimétrico de nanoarcilla, tejido de cáñamo (HF), pasta de cemento, compuesto de cemento reforzado con HF y nanocompuestos reforzados con HF (Reproducido con permiso de la Ref. [54]).

de cemento reforzado con tela de cáñamo que contenían 1% en peso tuvieron mejor desempeño en estabilidad térmica con mayor residuo de carbón de 74.9% en peso que otras muestras [54]. 3.1.2.2. Propiedades estructurales. La Fig. 23 muestra la resistencia a la flexión de los nanocompuestos de nanoarcilla y cemento reforzados con tela de cáñamo como una función del contenido de nanoarcillas y la carga frente a los desplazamientos de los materiales compuestos de cemento reforzado con tela con y sin nanoarcilla [55,56]. Está claro que la adición de nanoarcilla en el cemento condujo a una mejora Por lo tanto, la adherencia de la matriz de nanocompuestos reforzada con tela de cáñamo se mejora principalmente mediante el consumo de CH por nanoarcillas, especialmente en el caso de usar una nanoarcilla de 1% en peso, lo

que es evidente a partir del más alto valor de resistencia a la flexión. 3.1.2.3.

Propiedades de impacto. I La resistencia al impacto se puede definir como la capacidad de un material para soportar la carga de impacto [54]. La Fig. 24 muestra que la presencia de nanoarcilla mejoró la resistencia al impacto para los nanocompuestos de cemento reforzado con tela de cáñamo notablemente [54].La resistencia al impacto de los nanocompuestos reforzados con tela de cáñamo que contenían 1% en peso de nanoarcilla era de 2,45 kJ / m2, que fue de aproximadamente un 23% de mejora en comparación con la del compuesto de cemento reforzado con tela de cáñamo. Esto se puede interpretar por una buena unión interfacial entre las fibras y

Fig. 23. Resistencia a la flexión como una función del contenido de nanoarcillas de nanoclay-cemento reforzado con tela de cáñamo nanocompuestos (a) y curvas de deflexión de carga vs. mid-span para compuestos de cemento refractado HF y nanocompuestos de cemento reforzados con HF (b) (Reproducido con permiso de Ref. [57]).

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la nano-matriz [54]. Pero, la fuerza del impacto disminuyó cuando aumentó la carga de arcilla. Por ejemplo, la resistencia al impacto de los nanocompuestos reforzados con tela de cáñamo que contenían 3% en peso de nanoarcillas fue de 2. .25 kJ/m2, que fue aproximadamente 13% de reducción en comparación con el compuesto de cemento reforzado con tela de cáñamo. Esta reducción en la resistencia al impacto a una mayor carga de arcilla se atribuyó a la formación de aglomerados de arcilla y vacíos que resultaron en una fibra reducida y una adhesión de matriz nanométrica. Los estudios de seguimiento [57,58] indicaron que el uso del tratamiento con NaOH (es decir, los tejidos de cáñamo se sumergieron en solución de NaOH (pH = 14) durante 48 horas a 25 ° C y luego se neutralizaron con ácido acético al 1% vol.) En el tejido de cáñamo puede mejorar la resistencia al impacto de los compuestos de cemento nanoarcilla reforzado con tela de cáñamo notablemente (hasta un 10% de aumento). Por lo tanto, la buena relación entre el tejido de cáñamo y la matriz de cemento se debió a la resistencia a la fractura de las telas de cáñamo, lo que dio como resultado una mayor disipación de energía de la desviación de la fibra en la interfaz de matriz de fibra, desbastado de fibras, fractura de fibras, como lo explica Hakamy y colaboradores [57]. 3.1.3.Mecanismo de falla de los materiales compuestos de celulosa FRC Para los compuestos de FRC celulósicos, los mecanismos de falla dominados incluyen desacoplamiento interfacial de fibra / cemento, extracción de fibra y ruptura de fibra y fractura de la matriz de cemento[54e58]. La Fig. 25 muestra las micrografías de microscopio electrónico de barrido (SEM) de la superficie de fractura y la interfaz HF / matriz de material compuesto de cemento reforzado con HF y nanocompuesto de cemento reforzado con HF que contiene un 1% en peso y nanoarcilla al 3% en peso después del ensayo de resistencia a la fractura. El examen de la superficie de fractura de los nanocompuestos reforzados con HF que contienen un 1% en peso de nanoarcilla muestra una buena penetración de la matriz entre los filamentos de cáñamo (véase la Fig. 25 (c)) así como la superficie rugosa de la fibra de cáñamo (ver Fig. 25 (d)) [57].Sin embargo, se observa una mala adherencia entre las fibras y la matriz en el compuesto de cemento reforzado con HF ((ver Fig. 25 (a) y (b)). En el nanocompuesto de cemento reforzado con HF que contiene 3% en peso de nanoarcilla, se observa macro- como se muestra en la Fig. 25 (e), y también se produce el desprendimiento de la fibra (véase la Fig. 25 (f)). El tratamiento con NaOH de los tejidos de cáñamo antes de la fabricación de los composites de cemento fue una técnica efectiva para mejorar la matriz de tejido / cemento enlace interfacial ya que el tratamiento introdujo las superficies ásperas de fibra de tela que facilitaron el entrelazado mecánico entre las telas y la matriz de cemento [58].

Fig. 24. Resistencia al impacto como una función del contenido de nanoarcillas para compuestos reforzados con HF y nanocompuestos reforzados con HF.Ref. [54]).

3.2. Tejidos celulósicos compuestos FRG 3.2.1. Introducción de geopolímero El cemento Portland ordinario (OPC) es un aglutinante de uso común en concreto. Actualmente, la industria del concreto enfrenta desafíos para satisfacer la creciente demanda de cemento Portland debido a las reservas limitadas de piedra caliza, el lento crecimiento de la manufactura y el aumento de los impuestos al carbono. Los impuestos sobre el carbono surgen de los problemas ambientales y las emisiones de gases de efecto invernadero resultantes de la producción de OPC[109]. Esto requiere el desarrollo de aglutinantes alternativos (como cemento activado con álcali, cemento de sulfoaluminato de calcio, cemento de oxicarbonato de magnesio, etc.) para cemento Portland con el objetivo de reducir el impacto ambiental de la construcción, el uso de una mayor proporción de puzolana de desechos y también para mejorar el rendimiento concreto[110]. Geopolímero es uno de estos aglutinantes alternativos que atrae considerables atenciones debido a su resistencia a la compresión temprana, baja permeabilidad, buena resistencia química y excelente comportamiento resistente al fuego. Debido a estas ventajas, el geopolímero se considera un candidato prometedor para reemplazar OPC por desarrollar diversos productos sostenibles en la fabricación de materiales de construcción, revestimientos de hormigón, resistentes al fuego, compuestos de geopolímero reforzados con fibra y soluciones de inmovilización de desechos para industrias químicas y nucleares. Además, uno de los intereses para usar el geopolímero también se debe a su comportamiento térmico, adhesivo excepcionalmente alto ya su durabilidad a largo plazo. Geopolymer es un material respetuoso con el medio ambiente cuya fabricación genera menos emisión de CO2 que la de OPC[111,112]. El término "geopolímero" se usa genéricamente para describir un aluminosilicato alcalino amorfo que también se usa comúnmente como "polímeros inorgánicos", "cementos activados con álcali", "geocontaminación", "cerámica unida a álcali", "hidrocerámica", etc [109]. esta variedad de nomenclatura, estos términos todos describen materiales sintetizados utilizando la misma química[113]. Consiste esencialmente en una unidad de repetición de monómero de silicato (-Si-O-Al- O-). Una variedad de materiales de aluminosilicato tales como caolinita, feldespato y residuos sólidos industriales tales como cenizas volantes, escorias metalúrgicas, desechos mineros, etc. se han utilizado como materias primas sólidas en la tecnología de geopolimerización.[109,113]. 3.2.2. Fabricación de compuestos de FRG de celulosa. A pesar de las propiedades deseables antes mencionadas, el geopolímero sufre una falla frágil. Sobre la base de esto, en los últimos años, geopolímero reforzado con monofilamento de fibras celulósicas han sido estudiados por diferentes investigadores Refs. [59,114]. Estos estudios mostraron la mejora en las propiedades físicas y mecánicas del geopolímero debido al uso de fibras monofilamento celulósicas como refuerzo[59,116]. Sin embargo, estos estudios también señalaron que el uso de fibras monofilamento celulósicas se puede limitar al daño de la fibra, la aglomeración de fibras y la generación de vacíos, lo que compromete la calidad del compuesto geopolímero[59-64]. Por lo tanto, más recientemente, se ha investigado la utilización de fibras celulósicas continuas, es decir, fibras de tejido en lugar de monofilamento, como refuerzo de geopolímero, lo que mostró resultados prometedores para los compuestos de geopolímero reforzados con tela celulósica[58]: En general, la fabricación de materiales compuestos de celulosa FRG incluye varias etapas: (1) preparación de molde, (2) pre-secado de la fabricación, (3) mezcla de geopolímero, (4) aplicación de cebador de primera capa, (5) aplicación de tela, (5) repetición de la aplicación de la capa de geopolímero y la capa de tela hasta el grosor designado, y (6) el curado de las muestras. 3.2.3. Propiedades mecánicas de los materiales compuestos de celulosa FRG 3.2.3.1. 3.2.3.1. Densidad y porosidad. Alomayri [58-64] y colaboradores informaron que la densidad del tejido de algodón FRG estaba entre 1.50 y 1.85 g / cm3. La densidad de los compuestos de

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Fig. 25. Imágenes de SEM que muestran las superficies de fractura de muestras con aumento bajo y alto: (a) y (b) compuesto de cemento reforzado con HF, (c ) y (d) nanocompuesto reforzado con HF que contiene 1% en peso de nanoarcilla, (e ) y (f) nanocompuesto reforzado con HF que contie ne nanoarcilla de 3% en peso.Ref. [57]).

FRG disminuyó con un aumento de las capas de tejido de algodón. En comparación con el hormigón normal (por ejemplo, 2.25 g/cm3), la densidad del algodón FRG es mucho menor. Se encontró que un aumento en el número de capas de tela de algodón también causó un aumento gradual en la porosidad de los compuestos, que se informó entre 20% y 30%. El aumento de la porosidad de los compuestos de FRG de algodón se atribuyó a los vacíos que quedaron atrapados debajo de las hojas de tela de algodón durante la colada, lo que a su vez causó una mayor porosidad. La alta porosidad puede conducir a una mala adhesión entre la fibra y la matriz, como lo explica Alomayri et al[59]. Para reducir la porosidad y evitar la posible unión pobre de fibra / matriz interfacial de los compuestos de FRG de tejido celulósico, se recomendó la adición de un pequeño contenido de nanoarcilla, como las plaquetas de nanoarcilla (Cloisite 30B) y nano-SiO2 durante la mezcla debido a la buena efecto de relleno de estas nanopartículas. [64,117]. 3.2.3.2. Propiedades termales. TGA es un método eficaz para evaluar la estabilidad térmica de los compuestos de tela FRG. Los termogramas de geopolímero puro, compuesto de algodón FRG y tejido de algodón se muestran en la figura 26[60].. Está claro que el tejido de algodón muestra una pérdida de peso significativa debido a la pérdida de humedad y la descomposición de la fibra. Por el contrario, tanto el compuesto de geopolímero puro como el de algodón de FRG experimentaron una pérdida de peso menor a

Temperaturas elevadas (hasta 800 ° C), degradación térmica debido a su posible función de barrera Reducir la entrada de aire y la degradación oxidativa resultante[59]. En otras palabras, el uso de pasta geopolimérica para fibras celulósicas puede mejorar la resistencia a la degradación térmica de las fibras. 3.2.3.3. Propiedades de flexión. Como se muestra en la Fig. 27, el uso de refuerzo de tela de algodón aumenta notablemente la resistencia a la flexión y el módulo de los compuestos de FRG de tela de algodón[60]. El aumento de la resistencia a la flexión debido al refuerzo de tela de algodón de 2 capas, 3 capas, 4 capas y 6 capas es aproximadamente del 35%, 64%, 50% y 48% respectivamente. El aumento en el módulo de flexión debido al aumento de las capas de tejido de algodón es del 37%, 83%, 66% y 42%, respectivamente. El aumento de las propiedades de flexión resulta de la orientación de los tejidos dentro del geopolímero. El compuesto de FRG puede alcanzar las propiedades de flexión máximas si la orientación de la tela es paralela a la dirección de carga aplicada donde la tensión se distribuye uniformemente entre las fibras[60-62]. Sin embargo, esto no puede lograrse en materiales compuestos cementosos o geopolímeros reforzados con fibra monofilamento debido a la distribución aleatoria de las fibras cortas en las matrices.

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Fig. 28. Resistencia a la fractura en función del contenido de OPC para geopolímeros con y sin tejido de algodón. Ref. [64]).

Esto se puede atribuir a una buena penetración de CSH en el tejido de algodón, que mantiene firmemente los filamentos de la tela juntos y condujo a una adhesión interfacial de tejido / matriz de mejora[60-62].

Fig. 26. Curvas TGA de: (a) geopolímero puro, (b) compuesto de algodón FRG y (c) tejido de algodón. Ref. [60]).

3.2.3.4. Fractura de energía. En la figura 28 [64]se muestra la influencia del contenido de OPC en la resistencia a la fractura de la matriz de geopolímero y los compuestos de FRG de tela de algodón. Entre todos los compuestos, la tenacidad a la fractura del compuesto de FRG que contiene el 5% en peso de OPC es más alta. Además, la resistencia a la fractura del compuesto de algodón FRG es mucho mayor que la de la matriz de geopolímero puro con y sin OPC. Esto puede interpretarse por los efectos de puenteo de fibra de algodón que resultaron en un aumento de la disipación de energía de la desviación de la fisura en la interfaz de fibra / matriz, deshuesado de fibras, puente de fibra, extracción de fibra y fractura de fibra. Sin embargo, la tenacidad a la fractura disminuyó cuando el contenido de OPC aumentó más allá del 5% en peso. La adición de OPC dio como resultado propiedades de resistencia deseables como resultado de una mejora en la adhesión de fibra / matriz, que también hizo que los compuestos se comportaran frágil. La adición de OPC aumentó la adhesión de fibra / matriz, pero por otro lado, capacidad favorable para absorber la energía de impacto. Comparado con el FRG de algodón sin OPC de 6,9 kJ / m2, el uso de 5% en peso, 8% en peso y 10% en peso de OPC mejoró la resistencia al impacto de los compuestos 7,3 kJ / m2, 7,5 kJ / m2 y 7,8 kJ / m2 , respectivamente

3.2.3.5. Fuerza de impacto. La fuerza de impacto de la matriz geopolimérica que contiene diferentes contenidos de OPC se muestra en la figura 29[64]. Está claro que la resistencia al impacto de la matriz de geopolímero que contiene OPC es más alta que la del geopolímero puro. La resistencia al impacto del geopolímero aumenta con un aumento en el contenido de OPC, lo que podría interpretarse por la mayor tenacidad y la capacidad de absorber energía mediante la formación de tortuosas vías de propagación de grietas que mejoran la resistencia al impacto[62,64]. Por lo tanto, un aumento en el contenido de OPC es muy útil para mejorar la resistencia al impacto de una matriz de geopolímero. Además, el uso de tela de algodón también aumenta la resistencia al impacto de todos los compuestos de FRG de algodón, notablemente debido a la capacidad favorable para absorber la energía de impacto. Comparado con el FRG de algodón sin OPC de 6,9 kJ / m2, el uso de 5% en peso, 8% en peso y 10% en peso de OPC mejoró la resistencia al impacto de los compuestos 7,3 kJ / m2, 7,5 kJ / m2 y 7,8 kJ / m2, respectivamente Esto se puede atribuir a una buena penetración de CSH en el tejido de algodón, que mantiene firmemente los filamentos de la tela juntos y condujo a una adhesión interfacial de tejido / matriz de mejora [64]. 3.2.3.6. Fuerza compresiva. La Fig. 30 muestra la resistencia a la compresión de los compuestos geopolímeros reforzados con tela de lino[180]. Como se puede ver, el aumento del contenido de tela de lino conduce a un notable aumento de la resistencia a la compresión de los materiales compuestos de tela FRG, es decir, la resistencia a la compresión de la pasta geopolimérica pura aumentó de 19,4 a 91 MPa después de la adición de tejido de lino al

Fig. 27. Resistencia a la flexión (a) y el módulo de flexión (b) de los compuestos geopolímeros reforzados con tela de algodón en función del contenido de fibra de algodón. Ref. [60]).

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estudios de SEM lo que indica una buena adhesión interfacial de la matriz de fibra y geopolímero. Con respecto a las técnicas para mejorar las fibras celulósicas / adhesión geopolímero, se pueden encontrar estudios raros en la literatura. Los futuros estudios deberían enfocarse en este tema para mejorar aún más la unión interfacial de la matriz de fibra / geopolímero y, por lo tanto, las propiedades mecánicas compuestas. 3.3. Estructuras de construcción reforzadas con tejido celulósico FRP

Fig. 29. Fuerza de impacto en función del contenido de OPC para geopolímeros con y sin tejido de algodón (CF) (Reproducido con permiso de la Ref. [64]).

al 4,1% correspondiente a un aumento del 369,1%. Cabe señalar aquí que, basándose en el mejor conocimiento de los autores, nunca se ha informado en la literatura dicha mejora significativa en la resistencia a la compresión de los compuestos geopolímeros o cementosos debido a la adición de fibras monofilamento celulósicas. Se creía que la enorme mejora en la resistencia a la compresión del compuesto de lino FRG se atribuía a la interfaz entre el tejido de lino y la matriz que no estaba expuesta a ninguna carga de cizalladura y, a su vez, reducía la posibilidad de desprendimientos de tela o delaminación de la matriz a altas cargas, como explicado por Assaedi y sus colaboradores. Alomayri [59,60] y colaboradores sobre compuestos de FRG de tela de algodón informaron una notable mejora notable en la resistencia a la compresión.

3.2.4. Mecanismos de falla de los materiales compuestos de celulosa FRG Assaedi [180] y colaboradores también estudiaron los mecanismos de falla de los compuestos de FRG de tejido de lino. Afirmaron que la rotura de la fibra, la desviación de la fibra, la rotura de la fibra y la extracción y la fractura de la matriz del geopolímero son los mecanismos de falla dominados de los compuestos de FRG de la tela. La Fig. 31 muestra los mecanismos de falla de los compuestos de FRG de lino, que son similares a los de los compuestos de cemento reforzado con tejido celulósico (FRC) ilustrados en la referencia [58]. Los

3.3.1. Propiedades mecánicas de los compuestos de FRP de tejido celulósico. Yan [34] y colaboradores estudiaron el efecto del tratamiento con álcali sobre las propiedades mecánicas del tejido de lino / compuestos epoxi. Los estudios SEM indicaron que la rotura de la fibra a lo largo de la dirección de la carga, el desdoblamiento de la fibra, la extracción de la fibra y la fractura frágil de la matriz son los mecanismos de falla dominados de los materiales compuestos de tela de lino / epoxi, que son similares a los de los compuestos de FRC de celulosa. Fig. 25 y compuestos de FRG de tela celulósica en la Fig. 31. Además, se confirmó que el tratamiento con álcali es beneficioso para limpiar la superficie de la fibra, modificar la química en la superficie de la fibra, disminuir la absorción de humedad e incrementar la rugosidad de la superficie de la fibra. El tratamiento también eliminó las impurezas y sustancias céreas de la superficie de la fibra y creó una topografía más áspera que facilitó el entrelazado mecánico entre la fibra y el polímero. El tratamiento con álcali mejoró la adhesión de fibra / matriz de lino, aumentando así las propiedades de tracción de los compuestos epoxi reforzados con tela de lino. Sin embargo, la resistencia a la fractura del compuesto de tela de lino / epoxi está dominada por la fracción de volumen de fibra, en lugar de la arquitectura de refuerzo. Una mejora en el diseño de hilos y textiles conduce a un equilibrio superior de rigidez, resistencia y tenacidad de los materiales compuestos reforzados con tela de lino [22]. Porras [228] y colaboradores investigaron un nuevo tejido natural extraído de la palma Manicaria saccifera como material de refuerzo en un compuesto polimérico y estudiaron más las propiedades termomecánicas de un nuevo compuesto verde de poliuretano láctico (PLA) reforzado con tejido Manicaria. Encontraron que el tejido Manicaria mostró buena estabilidad térmica, baja densidad, bajo contenido de humedad y buenas propiedades de tracción. Además, sus propiedades son

Fig. 30. Resistencia a la compresión en función del contenido de tela de lino de los compuestos geopolímeros reforzados con tela de lino. Ref. [180].

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Fig. 31. Las imágenes SEM de la superficie de la fractura para compuestos geopolímeros reforzados con fibras de lino muestran (a) desp rendimiento de fibras, (b) impronta y extracción de fibras, (c) unión de fibras, grietas entre fibra y matriz) y (f) ) fractura de fibra.Ref. [180].

comparables a la mayoría de las telas de celulosa natural y algunas telas sintéticas, como las telas de fibra de vidrio. El compuesto PLA reforzado con tejido Manciaria saccifera exhibió buenas propiedades de tracción y excelentes capacidades de absorción de energía. Huang y Netravali [124]estudiaron materiales compuestos biodegradables verdes de proteína de soja concentrada reforzada con tela de lino con una fracción de volumen de tela del 43%. La resistencia a la tracción y el módulo evaluados fueron 62 MPa y 1.2 GPa para la dirección de la urdimbre, 81.9 MPa y 1.3 GPa para la dirección de la trama, respectivamente. La resistencia a la flexión y el módulo de flexión fueron de 25.2 MPa y 1.3 GPa para la dirección de la urdimbre, 46.7 MPa y 1.5 GPa para la dirección de la trama, respectivamente. Assarar [126] y sus colaboradores compararon las propiedades de tracción del tejido de lino / epoxi y los materiales compuestos de tela de vidrio / epoxi, que fueron fabricados mediante un proceso de colocación manual. Se descubrió que la resistencia a la tracción de los composites de lino alcanzaba hasta 80 MPa, haciéndolo cercano al de los compuestos epoxi reforzados con tela de vidrio. Jawaid et [125] Jawaid y colaboradores investigaron compuestos de epoxi reforzados con fibra de yute y fibra de palma de aceite (EFB). Se encontró que las propiedades de tracción aumentaron con un aumento de la tela de yute en los compuestos híbridos. El análisis mecánico dinámico mostró que el módulo de almacenamiento, el módulo de pérdida y la temperatura de transición vítrea también aumentaron ligeramente con el incremento de la carga de yute. Afirmaron que el material compuesto de palma aceitera / híbrido de yute podría reemplazar los compuestos sintéticos utilizados en la

construcción, la industria automotriz y aeroespacial si se diseñaba adecuadamente. Liang [127] y sus colaboradores realizaron un estudio comparativo del comportamiento de fatiga de los materiales compuestos de epoxi reforzado con tela de lino (FFRE) y epoxi reforzado con tela de vidrio (GFRE). Ambos compuestos están hechos de rodillos secos de telas que no se engarzan con pesos de lino de 235 g / m2 y vidrio de 434 g / m2. Se fabricaron dos secuencias de apilamiento de compuestos, es decir [0/90]3S y (b) [± 45]3S. El espesor medido y la fracción×de volumen de fibra de FFRE y GFRE son 2.18 mm y 43.7%, y 2.33 mm y 42.5%, respectivamente. Los resultados de las pruebas de carga por fatiga de tensión tensora indicaron que el número de tensiones específicas de los ciclos a las curvas de falla, muestra que para las muestras [0/90]3S, el epoxi reforzado con tela de lino tiene menor resistencia a la fatiga que el epoxi reforzado con tela de vidrio, pero [± 45 ] Las probetas epoxi reforzadas con tela de lino 3S ofrecen una resistencia a la fatiga específica mejor que el epoxi reforzado con tela de vidrio similar, en el rango de vida estudiado (