Modificació de fibres de jute per l'elaboració de plàstics reforçats reciclables

El treball que s'ha dut a terme es centra en la recerca d'agents modificants per a fibres cel·lulòsiques capaços de reduir la polaritat de les funcions alcohol de la seva estructura per formació de funcions ester. Les fibres de jute se sotmeten a reacció en un sistema tancat provist d'atmòsfera de nitrogen a fi d'evitar reaccions laterals que no són del nostre interés.L'obtenció dels resultats perseguits està lligat a les condicions experimentals aplicades durant les reaccions. La influència de les diferents variables escollides facilitarà en major o menor grau la reacció entre les molècules d'agent d'acoblament i cel·lulosa vinculades. Una gran part de l'atenció es centrarà en l'estudi de l'etapa de modificació, sobretot en l'efectivitat dels reactius addicionats per la reacció amb els grups hidroxil. Un cop comparats els experiments realitzats tant amb clorur d'oleïl com amb anhídrid metacrílic, es conclou que la majoria de condicions provades permeten assolir valors de modificació prou significatius. L'excepció ve donada quan la temperatura utilitzada és de 20ºC, llavors les mateixes condicions que a una temperatura de 60ºC condueixen cap a resultats poc satisfactoris. La reactivitat per part dels dos agents d'acoblament utilitzats no ha estat la mateixa. Els resultats per condicions experimentals del mateix tipus han conduït cap a valors força diferents. Pel que fa a la determinació dels paràmetres òptims es conclou que les variables amb les que el grau de modificació millora considerablement són: una temperatura de 60ºC, 10% de catalitzador respecte la quantitat de clorur d'oleïl o anhídrid addicionada, relació OH reactiu estequiomètrica 1:1 i 40mL de solvent. Un cop modificada la fibra, se sotmet a reacció amb el monòmer estirè. Es comprova que el grau de polimerització segueix el valor de modificació prèviament obtingut, a menor quantitat de funcions alcohol lliures major interacció amb el monòmer estirè. Les propietats inicials de la fibra no es corresponen amb les obtingudes després del tractament, l'increment de la resistència a l'atac de microorganismes i a l'absorció d'humitat s'explica per una reducció de la presència de funcions alcohol polars i per la capa d'estirè polimeritzat per unió amb els dobles enllaços introduïts amb els agents d'acoblament. Pel que fa referència a les dues tècniques de caracterització més utilitzades, l'anàlisis elemental permet quantificar d'una manera precisa la reacció de la fibra amb els agents d'acoblament i la posterior reacció de la fibra modificada amb el monòmer estirè. La caracterització per espectroscopia d'infraroig permet comprovar qualitativament la reactivitat del clorur d'oleïl i qualitativament-quantitativament la de l'anhídrid metacrílic amb les funcions alcohol de la cel·lulosa present en les fibres de jute. Els pics més característics apareguts seran utilitzats per avaluar la reactivitat de la funció carbonílica del reactiu modificant amb l'estructura cel·lulòsica i del doble enllaç de la cel·lulosa modificada amb la matriu polimèrica.

Analysis and Simulation of Transverse Random Fracture of Long Fibre Reinforced Composites

La present tesi proposa una metodología per a la simulació probabilística de la fallada de la matriu en materials compòsits reforçats amb fibres de carboni, basant-se en l'anàlisi de la distribució aleatòria de les fibres. En els primers capítols es revisa l'estat de l'art sobre modelització matemàtica de materials aleatoris, càlcul de propietats efectives i criteris de fallada transversal en materials compòsits. El primer pas en la metodologia proposada és la definició de la determinació del tamany mínim d'un Element de Volum Representatiu Estadístic (SRVE) . Aquesta determinació es du a terme analitzant el volum de fibra, les propietats elàstiques efectives, la condició de Hill, els estadístics de les components de tensió i defromació, la funció de densitat de probabilitat i les funcions estadístiques de distància entre fibres de models d'elements de la microestructura, de diferent tamany. Un cop s'ha determinat aquest tamany mínim, es comparen un model periòdic i un model aleatori, per constatar la magnitud de les diferències que s'hi observen. Es defineix, també, una metodologia per a l'anàlisi estadístic de la distribució de la fibra en el compòsit, a partir d'imatges digitals de la secció transversal. Aquest anàlisi s'aplica a quatre materials diferents. Finalment, es proposa un mètode computacional de dues escales per a simular la fallada transversal de làmines unidireccionals, que permet obtenir funcions de densitat de probabilitat per a les variables mecàniques. Es descriuen algunes aplicacions i possibilitats d'aquest mètode i es comparen els resultats obtinguts de la simulació amb valors experimentals.

Modelización constitutiva y computacional del daño y la fractura de materiales compuestos

En el trabajo se definen modelos constitutivos que permiten reproducir el proceso de fallo de estructuras de materiales compuestos en distintas escalas bajo cargas estáticas. Se define un modelo constitutivo para determinar la respuesta de estructuras de materiales compuestos mediante la teoría de laminados. El modelo es validado mediante un programa de ensayos experimentales con probetas con un agujero central geométricamente similares. Se muestra la capacidad del modelo de detectar el efecto tamaño. Se define un modelo constitutivo para materiales transversalmente isótropos bajo estados tridimensionales de tensión. El modelo se valida analizando numéricamente el proceso de agrietamiento de la matriz. Finalmente se desarrolla un modelo analítico para determinar el agrietamiento de la matriz y la delaminación entre las capas.

Serviceability behaviour of fibre reinforced polymer reinforced concrete beams

El uso de materiales compuestos de matriz polimérica (FRP) emerge como alternativa al hormigón convencionalmente armado con acero debido a la mayor resistencia a la corrosión de dichos materiales. El presente estudio investiga el comportamiento en servicio de vigas de hormigón armadas con barras de FRP mediante un análisis teórico y experimental. Se presentan los resultados experimentales de veintiséis vigas de hormigón armadas con barras de material compuesto de fibra de vidrio (GFRP) y una armada con acero, todas ellas ensayadas a flexión de cuatro puntos. Los resultados experimentales son analizados y comparados con algunos de los modelos de predicción más significativos de flechas y fisuración, observándose, en general, una predicción adecuada del comportamiento experimental hasta cargas de servicio. El análisis de sección fisurada (CSA) estima la carga última con precisión, aunque se registra un incremento de la flecha experimental para cargas superiores a las de servicio. Esta diferencia se atribuye a la influencia de las deformaciones por esfuerzo cortante y se calcula experimentalmente. Se presentan los aspectos principales que influyen en los estados límites de servicio: tensiones de los materiales, ancho máximo de fisura y flecha máxima permitida. Se presenta una metodología para el diseño de dichos elementos bajo las condiciones de servicio. El procedimiento presentado permite optimizar las dimensiones de la sección respecto a metodologías más generales.

Simulation of interlaminar and intralaminar damage in polymer-based composites for aeronautical applications under impact loading

La aplicación de materiales compuestos de matriz polimérica reforzados mediante fibras largas (FRP, Fiber Reinforced Plastic), está en gradual crecimiento debido a las buenas propiedades específicas y a la flexibilidad en el diseño. Uno de los mayores consumidores es la industria aeroespacial, dado que la aplicación de estos materiales tiene claros beneficios económicos y medioambientales. Cuando los materiales compuestos se aplican en componentes estructurales, se inicia un programa de diseño donde se combinan ensayos reales y técnicas de análisis. El desarrollo de herramientas de análisis fiables que permiten comprender el comportamiento mecánico de la estructura, así como reemplazar muchos, pero no todos, los ensayos reales, es de claro interés. Susceptibilidad al daño debido a cargas de impacto fuera del plano es uno de los aspectos de más importancia que se tienen en cuenta durante el proceso de diseño de estructuras de material compuesto. La falta de conocimiento de los efectos del impacto en estas estructuras es un factor que limita el uso de estos materiales. Por lo tanto, el desarrollo de modelos de ensayo virtual mecánico para analizar la resistencia a impacto de una estructura es de gran interés, pero aún más, la predicción de la resistencia residual después del impacto. En este sentido, el presente trabajo abarca un amplio rango de análisis de eventos de impacto a baja velocidad en placas laminadas de material compuesto, monolíticas, planas, rectangulares, y con secuencias de apilamiento convencionales. Teniendo en cuenta que el principal objetivo del presente trabajo es la predicción de la resistencia residual a compresión, diferentes tareas se llevan a cabo para favorecer el adecuado análisis del problema. Los temas que se desarrollan son: la descripción analítica del impacto, el diseño y la realización de un plan de ensayos experimentales, la formulación e implementación de modelos constitutivos para la descripción del comportamiento del material, y el desarrollo de ensayos virtuales basados en modelos de elementos finitos en los que se usan los modelos constitutivos implementados.

A novel approach to processing high-performance polymers that exploits entropically driven ring-opening polymerization

Blends of the poly(ether sulfone) derived from 4,4'-biphenol and 4,4'-dichlorodiphenylsulfone (Radel-R(TM)) with its homologous macrocyclic oligomers show greatly lowered melt viscosities relative to that of the parent polymer, potentially enabling more facile production and fabrication of fiber-reinforced composite materials. The macrocycles can then undergo entropically driven ring-opening polymerization in situ. The required blends can be obtained easily in one step, by carrying out polycondensations at concentrations lower than those usually used for polymer synthesis.

Solid supported micellar analysis: some syntheses and characterisations

A synthetic method for chemically tethering organic based surfactant molecules and fluorous surfactant molecules onto a high surface and pore volume silica has been developed. It is shown that heterogenisation of a simple water-soluble ions (i.e. molybdate ion and Co2+) can be accomplished onto these composite materials. They display an excellent activity and selectivity for oxidation of organic molecules in bulk organic solvent or in supercritical CO2. Characterisations indicate that catalysis occurs within the surface supported surfactant assemblies (chemically tethered reversed micelles) in the porous silica structure. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Aerogel-coated metal nanoparticle colloids as novel entities for the synthesis of defined supported metal catalysts

Nanometer metal particles of tailored size (3-5 nm) and composition prepared via inverse microemulsion were encapsulated by ultrathin coatings (<2.5 nm) of inorganic porous aerogels covered with surface -OH groups. These composite materials formed metastable colloids in solvent(s), and the organic surfactant molecules were subsequently removed without leading to aggregation (the ethanolic colloid solution was shown to be stable against flocculation for at least weeks). We demonstrate that the totally inorganic-based composite colloids, after the removal of surfactant, can be anchored to conventional solid supports (gamma-alumina, carbons) upon mixing. Application of a high temperature resulted in the formation of strong covalent linkages between the colloids and the support because of the condensation of surface groups at the interface. Detailed characterizations (X-ray diffraction (XRD), pore analysis, transmission electron microscopy (TEM), CO chemisorption) and catalytic testing (butane combustion) showed that there was no significant metal aggregation from the fine metal particles individually coated with porous aerogel oxide. Most of these metal sites on the coated nanoparticles with and without support are fully accessible by small molecules hence giving extremely active metal catalysts. Thus, the product and technology described may be suitable to synthesize these precursor entities of defined metal sizes (as inks) for wash coat/impregnation applications in catalysis. The advantages of developing inorganic nanocomposite chemical precursors are also discussed.

Mechanical effects of plant cell wall enzymes on xyloglucan/cellulose composites

Xyloglucan-acting enzymes are believed to have effects on type I primary plant cell wall mechanical properties. In order to get a better understanding of these effects, a range of enzymes with different in vitro modes of action were tested against cell wall analogues (bio-composite materials based on Acetobacter xylinus cellulose and xyloglucan). Tomato pericarp xyloglucan endo transglycosylase (tXET) and nasturtium seed xyloglucanase (nXGase) were produced heterologously in Pichia pastoris. Their action against the cell wall analogues was compared with that of a commercial preparation of Trichoderma endo-glucanase (EndoGase). Both 'hydrolytic' enzymes (nXGase and EndoGase) were able to depolymerise not only the cross-link xyloglucan fraction but also the surface-bound fraction. Consequent major changes in cellulose fibril architecture were observed. In mechanical terms, removal of xyloglucan cross-links from composites resulted in increased stiffness (at high strain) and decreased visco-elasticity with similar extensibility. On the other hand, true transglycosylase activity (tXET) did not affect the cellulose/xyloglucan ratio. No change in composite stiffness or extensibility resulted, but a significant increase in creep behaviour was observed in the presence of active tXET. These results provide direct in vitro evidence for the involvement of cell wall xyloglucan-specific enzymes in mechanical changes underlying plant cell wall re-modelling and growth processes. Mechanical consequences of tXET action are shown to be complimentary to those of cucumber expansin.

Structural transformation of graphite by arc-discharge

The formation of novel structures by the passage of an electric current through graphite is described. These structures apparently consist of hollow three-dimensional graphitic shells bounded by curved and faceted planes, typically made up of two graphene layers. The curved structures were frequently decorated with nano-scale carbon particles, or short nanotubes. In some cases, nanotubes were found to be seamlessly connected to the thin shells, indicating that the formation of the shells and the nanotubes is intimately connected. Small nanotubes or nanoparticles were also sometimes found encapsulated inside the hollow structures, while fullerene-like particles were often seen attached to the outside surfaces. With their high surface areas and structural perfection, the new carbon structures may have applications as anodes of lithium ion batteries or as components of composite materials.

Design of a biomimetic skin for an octopus-inspired robot - Part II: Development of the skin artefact

In order to develop skin artefact for an octopus-inspired robot arm, which is designed to be able to elongate 60% of its original length, silicone rubber and knitted nylon sheet were selected to manufacture an artificial skin, due to their higher elastic strain and high flexibility. Tensile and scissors cutting tests were conducted to characterise the matrix and reinforcing materials and the skin artefact. Material properties of the individual and the composite materials were compared with the measured properties of real octopus skin presented in Part I. The Young’s modulus of the skin should be below 20 MPa and the elastic strain range should be over 60%. The fracture toughness should be at least 0.9 kJ·m−2. Tubes made of the skin artefact filled with liquid were tested to study volume change under deformation. Finite element analysis model was developed to simulate the material and arm structure under tensile loading. Results show that the skin artefact developed has similar mechanical properties as the real octopus skin and satisfies all the design specifications of the OCTOPUS robot.

Developing sensorized arm skin for an octopus inspired robot

Soft skin artefacts made of knitted nylon reinforced silicon rubber were fabricated mimicking octopus skin. A combination of ecoflex 0030 and 0010 were used as matrix of the composite to obtain the right stiffness for the skin artefacts. Material properties were characterised using static uniaxial tension and scissors cutting tests. Two types of tactile sensors were developed to detect normal contact; one used quantum tunnelling composite materials and the second was fabricated from silicone rubber and a conductive textile. Sensitivities of the sensors were tested by applying different modes of loading and the soft sensors were incorporated into the skin prototype. Passive suckers were developed and tested against squid suckers. An integrated skin prototype with embedded deformable sensors and attached suckers developed for the arm of an octopus inspired robot is also presented.

Thermal wave scattering by two overlapping and parallel cylinders

In this paper an analytical solution of the temperature of an opaque material containing two overlapping and parallel subsurface cylinders, illuminated by a modulated light beam, is presented. The method is based on the expansion of plane and cylindrical thermal waves in series of Bessel and Hankel functions. This model is addressed to the study of heat propagation in composite materials with interconnection between inclusions, as is the case of inverse opals and fiber reinforced composites. Measurements on calibrated samples using lock-in infrared thermography confirm the validity of the model.

NMR study of slow motions of HDA hydrocarbons chains inside lamellar structures

Measurements of H-1 and C-13 Nuclear Magnetic Resonance (NMR) for the nano-composite materials formed by the intercalation of hexadecylamine (HDA) in metal oxides (TiO2, V2O5 and MoO3), are reported. The H-1 NMR spin-lattice relaxation in the rotating frame was described by using the spectral density due to Davidson and Cole, which incorporates a distribution of correlation times characterized by a width parameter epsilon. The fitting of the data was obtained for epsilon = 0.74, indicating that the correlation times are distributed over a narrow range in this system. High-resolution C-13 NMR techniques were used to resolve the NMR lines of middle-chain methylene groups in the spectra and variable contact time cross-polarization {H-1-}C-13 experiments were employed to analyze the reorientation dynamics of the CH3 and CH2 groups in the HDA chains.

Luminescence characteristics of YAP:Ce scintillator powders and composites

Cerium doped yttrium aluminate perovskite YAlO(3) (YAP) powders are pursued as interesting alternatives to bulk crystals for application in scintillating devices. The emissions of these materials in the near-UV and visible spectral regions originate from electric dipole transitions between 4f and 5d energy levels of Ce(3+) and largely depend on the environment occupied by the ion. In search for improved synthesis conditions that can lead to phase pure powders with optimized structural and spectroscopic characteristics, in this work we have employed the polymeric precursor (Pechini) method to prepare crystalline and amorphous YAP:Ce powders doped with 1-10 mol% Ce(3+). Interesting composite materials were also obtained by dispersing some of the YAP:Ce powders in silica xerogels. A comparative structural and spectroscopic study of all the samples was done by XRD, FT-IR, emission, excitation and excited state lifetime measurements. In agreement with previous reports, excitation at 296 nm results in intense emission in the range 315-425 nm with an average decay time of 30 ns. (c) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.