Publicado

2018-07-01

Morphological and nanomechanical characterization of Guadua Angustifolia kunth fiber by means of SEM and AFM

Caracterización morfológica y nanomecánica de la fibra de Guadua Angustifolia kunth mediante SEM y AFM

Palabras clave:

fibers of Guadua Angustifolia kunth, morphology, nanoindentation, SEM, AFM (en)
fibras de Guadua Angustifolia kunth, morfología, nanoindentación, SEM, AFM (es)

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Autores/as

Recent developments in engineering have promoted the use of reinforced composite materials from natural fibers, which provides an opportunity to investigate such materials using state-of the-art tools. Here we present a morphological and nanomechanical characterization of the parallel section of the axis of guadua Angustifolia kunth fibers (GAK) from Colombia, focusing on properties such as hardness (nanoindentation), roughness and topography. Our method was based on the application of scanning electron microscope (SEM) and atomic force microscope (AFM). AFM provided curves of force by displacement, as well as characteristics of dynamic nanoindentation systems and images. Their analysis revealed ridges and valleys on the surface of GAK fibers. The estimated surface roughness of 9.51 nm suggests an adequate value to provide superior adhesion between polymer and fiber. The same conclusion follows from our measurements of hardness, reduced modulus and nanoscale topography. Due to their excellent properties, we conclude that GAK fibers represent an ideal reinforcement material in polymer matrices.
El desarrollo reciente en la ingeniería propone el uso de materiales compuestos reforzados a partir de fibras naturales, lo cual genera la iniciativa de estudiarlos mediante herramientas sofisticadas. En esta investigación se muestran los resultados de la caracterización morfológica y nanomecánica como dureza (nanoidentación), rugosidad y topografía de la sección paralela al eje axial de fibras de guadua Angustifolia kunth, con el fin de encontrar las propiedades mecánicas a nanoescala de las fibras. Para ello se emplearon los microscopios electrónico de barrido (SEM) y de fuerza atómica (AFM), con este último se obtuvieron curvas de fuerza vs desplazamiento, características de sistemas dinámicos de nanoindentación e imágenes, donde a partir de análisis se encontró que la guadua Angustifolia kunth (GAK) presenta crestas y ondulaciones en su superficie, las cuales le brindan una rugosidad adecuada otorgando adherencia entre el polímero y la fibra, además la dureza, el módulo reducido y la topografía a escala nanométrica, lo que permite concluir que las fibras de GAK presentan mejores propiedades para ser utilizadas como material de refuerzo en matrices poliméricas.

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Citas

Hidalgo, M.A., Muños, M.F. and Quintana, K.J. Desempeño mecánico del compuesto aluminio reforzado con agro fibras contínuas de fique. Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, 31 (2), pp. 187-194, 2011.

Ru-Min, W., Shui Rong Z. and Ya Ping, Z. Polymer matrix composites and technology. Georgia: Woodhead Publishing, 1, pp. 1-28, 2011.

Baptista, R., Mendão, A., Rodrigues, F., Figueiredo, C. G., Guedes, M. and Marat, R. Effect of high graphite filler contents on the mechanical and tribological failure behavior of epoxy matrix composites. Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 85, pp. 113-124, 2016. DOI: http://doi.org/10.1016/j.tafmec.2016.08.013

Khalili, P., Tshai, K.Y. and Kong, I., Natural fiber reinforced expandable graphite filled composites: evaluation of the flame retardancy, thermal and mechanical performances. Composites: Part A, 100, pp. 194-205, 2017. DOI: 10.1016/j.compositesa.2017.05.015

Pedrazzoli, D. and Pegoretti, A., Expanded graphite nanoplatelets as coupling agents in glass fiber reinforced polypropylene composites. Composites: Part A, 66, pp. 25-34, 2014. DOI: 10.1016/j.compositesa.2014.06.016

Papageorgiou, D.G., Kinloch, I.A. and Young, R.J., Hybrid multifunctional graphene/glass-fibre polypropylene composites. Composites Science and Technology, 137, pp. 44-51, 2016. DOI: 10.1016/j.compscitech.2016.10.018

Kwan, K., Hye, L., Jeong, A., Dong, C., Kay, A. and Byung, K., Recycling and characterization of carbon fibers from carbon fiber reinforced epoxy matrix composites by a novel super-heated-steam method. Journal of Environmental Management, 203, pp. 872-879, 2017. DOI: 10.1016/j.jenvman.2017.05.015

Sharma, M., Rao, I. and Bijwe, J., Influence of orientation of long fibers in carbon fiber-polyetherimide composites on mechanical and tribological properties. Wear, 267, pp. 839-845, 2009. DOI: 10.1016/j.wear.2009.01.015

Serrano, R., Cobo, A., Prieto, M.I. and González, M., Analysis of fire resistance of concrete with polypropylene or steel fibers. Construction and Building Materials, 122, pp. 302-309, 2016. DOI: /10.1016/j.conbuildmat.2016.06.055

Kakooe, S., Md-Akil, H., Jamshidi, M. and Rouhi, J., The effects of polypropylene fibers on the properties of reinforced concrete structures. Construction and Building Materials, 27, pp. 73-77, 2012. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2011.08.015

Amine, M., Hegde, K., Rouissi, T., Kaur, S., Galves, R., Sorelli, L., Ben, R., Paiva, M. and Abokitse, K., Green synthesis of novel biocomposites from treated cellulosic fibers and recycled bio-plastic polylactic acid. Journal of Cleaner Production, 164, pp. 575-586, 2017. DOI: 10.1016/j.jclepro.2017.06.235

Ramos, J. and Cely, M., Exposición personal a asbestos en dos talleres de frenos para vehículos de flota pesada en la ciudad de Bogotá. Fundación Mapfre, [Online]. 2011. [date of reference: November 4th of 2017]. Available at: https://es.scribd.com/document/ 384252215/ASBESTO-EN-LOS-TALLERS-DE-VEHICULOS

Jaramillo, G. y Zapata, L.M., Aprovechamiento de los residuos sólidos orgánicos en Colombia, Esp. Tesis, Facultad de Ingeniería, Universidad de Antioquia, Medellín, Colombia, 2008.

Águila, I. y Sosa, M., Evaluación físico química de cenizas de cascarilla de arroz, bagazo de caña y hoja de maíz y su influencia en mezclas de mortero, como materiales puzolánicos. Revista de la Facultad de Ingeniería U.C.V [Online]. 23(4), 2008. [date of reference November 4th of 2017]. Available at: http://saber.ucv.ve/ojs/ index.php/rev_fiucv/article/view/5078

Bordoloi, S., Hussain, R., Garg, A., Sreedeep, S. and Zhou, W.-H., Infiltration characteristics of natural fiber reinforced soil. Transportation Geotechnics, 12, pp. 37-44, 2017. DOI: 10.1016/j.trgeo.2017.08.007

Steffens, F., Steffens, H. and Ribeiro, F., Applications of natural fibers on architecture. Procedia Engineering, 200, pp. 317-324, 2017. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.07.045

Balakrishnan, P., John, M., Pothen, L., Sreekala, M. and Thomas, S., Natural fibre and polymer matrix composites and their applications in aerospace engineering. Advanced Composite Materials for Aerospace Engineering, pp. 365-383, 2016. DOI: 10.1016/B978-0-08-100037-3.00012-2

Ashik, K.P. and Sharma, R., A review on mechanical properties of natural fiber reinforced hybrid polymer composites. Journal of Minerals and Materials Characterization and Engineering, 3, pp. 420-426, 2015. DOI: 10.1016/j.matpr.2017.11.276

Rodríguez, L., Sarache, W. and Orrego, C., Compuestos de poliéster reforzados con fibra de plátano/banano (musa paradisiaca) modificada químicamente. Comparación con Fibra de Vidrio y Fique (Furcraea andina). Información tecnológica, 25(5), pp. 27-34, 2014. DOI: 10.4067/S0718-07642014000500005

Danso, H., Properties of coconut, oil palm and bagasse fibres: as potential building materials. Procedia Engineering, 200, pp. 1-9, 2017. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.07.002

Wang, W. and Chouw, N., The behaviour of coconut fibre reinforced concrete (CFRC) under impact loading. Construction and Building Materials, 134, pp. 452-461, 2017. DOI: 10.1016/j.conbuildmat. 2016.12.092

Mwaikambo, L., Review of the history, properties and application of plant fibres. African Journal of Science and Technology (AJST) [Online]. 7(2), 2006. [date of reference November 17th of 2017]. Available at: https://www.researchgate.net/publication/284760719_ Review_of_the_history_properties_and_application_of_plant_fibres

Hidalgo, M., Muñoz, M. y Quintana, K., Análisis mecánico del compuesto polietileno aluminio reforzado con fibras cortas de fique en disposición bidimensional. Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales [Online]. 32(1), 2012. [date of reference November 19th of 2017]. Available at: http://www.rlmm.org/ojs/index.php/rlmm/ article/view/117

Pietroniro, M. y Bloem, C., Ventajas del algodón frente al fique como refuerzo en compuestos poliméricos. Ciencia e Ingeniería [Online]. 36(1), 2015. [date of reference November 20th of 2017]. Available at: http://erevistas.saber.ula.ve/index.php/cienciaeingenieria/article/view/5495/0

Karaduman, Y., Gokcan, D. and Onal, L., Effect of enzymatic pretreatment on the mechanical properties of jute fiber-reinforced polyester composites. Journal of Composite Materials, 47(10), pp. 1293-1302, 2012. DOI: 10.1177/0021998312446826

Bursi, N., Gualtieria, A.F., Pollastria, S. and Tibaldib, E., Assessment of asbestos body formation by high resolution FEG-SEM after exposure of Sprague-Dawley rats to chrysotile, crocidolite, orerionite. Journal of Hazardous Materials, 306, pp. 95-104, 2016. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2015.11.050

Fang, C.-H., Jiang, Z.-H., Sun, Z.-J., Liu, H.-R., Zhang, X.-B., Zhang, R. and Hua Fei, B., An overview on bamboo culm flattening. Construction and Building Materials, 171, pp. 65-74, 2018. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2018.03.085

Kaminski, S., Lawrence, A. and Trujillo, D., Structural use of bamboo: Part 1: Introduction to bamboo. The Structural Engineer [Online]. 94(8), 2016. [date of reference November 20th of 2017]. Available at: https://www.researchgate.net/publication/305808084_Structural_use_of_bamboo_Part_1_Introduction_to_bamboo

Zakikhani, P., Zahari, R., Sultan, M. and Majid, D., Extraction and preparation of bamboo fibre-reinforced composites. Materials & Design, 63, pp. 820-828, 2014. DOI: /10.1016/j.matdes.2014.06.058

Valarezco, L.E., Obtención experimental de un material biocompuesto a base de una matriz polimérica y reforzada con fibras naturales de guadúa angustifolia proveniente del Ecuador,

Pregrado. Tesis, Facultad de Ingeniería, Universidad Politécnica Salesiana, Cuenca, Ecuador, 2013.

Luna, P., Marriaga, J. and Mariño, A., Guadua angustifolia bamboo fibers as reinforcement of polymeric matrices: An exploratory study. Construction and Building Materials, 116, pp. 93-97, 2016. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.04.139

AL-Oqla, F.M. and Sapuan, S.M., Natural fiber reinforced polymer composites in industrial applications: feasibility of date palm fibers for sustainable automotive industry. Journal of Cleaner Production, 66, pp. 347-354, 2014. DOI: 10.1016/j.jclepro.2013.10.050

Salas, E., Actualidad y futuro de la arquitectura de bambú en Colombia, PhD. Tesis, Departamento de Construcciones Arquitectónicas, Universidad Politécnica de Cataluña, Barcelona, España, 2006.

Hao, H., Tam, L.-H., Lu, Y. and Lau, D., An atomistic study on the mechanical behavior of bamboo cell wall constituents. Composites Part B: Engineering, In Press, 2018. DOI: /10.1016/j.compositesb.2018.05.046

Rao, J., Bao, L. Wang, B., Fan, M. and Feo, L., Plasma surface modification and bonding enhancement for bamboo composites. Composites Part B: Engineering, 138, pp. 157-167, 2018. DOI: 10.1016/j.compositesb.2017.11.025

Mohanty, A., Khan, M. and Hinrichsen, G., Influence of chemical surface modification on the properties of biodegradable jute fabrics—polyester amide composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 31(2), pp. 143-150, 2000. DOI: /10.1016/S1359-835X(99)00057-3

Herrera, P. and Valadez, A., Mechanical properties of continuous natural fibre-reinforced polymer composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 35(3), pp. 339-345, 2004. DOI: 10.1016/j.compositesa.2003.09.012

Focher, B., Palma, M., Canetti, M., Torri, G., Cosentino, C. and Gastaldi, G., Structural differences between non-wood plant celluloses: evidence from solid state NMR, vibrational spectroscopy and X-ray diffractometry. Industrial Crops and Products, 13, pp. 193-208, 2001. DOI: /10.1016/S0926-6690(00)00077-7

Shanmugasundaram, N., Rajendran, I. and Ramkumar, T., Characterization of untreated and alkali treated new cellulosic fiber from an Areca palm leaf stalk as potential reinforcement in polymer composites. Carbohydrate Polymers, 195, pp. 566-575, 2018. DOI: 10.1016/j.carbpol.2018.04.127

Chegdani, F. and El Mansori, M., Friction scale effect in drilling natural fiber composites. Tribology International, 119, pp. 622-630, 2018. DOI: 10.1016/j.triboint.2017.12.006

Sreenivasulu, S. and Chennakeshava, A., Mechanical properties evalution of bamboo fiber reinforced composite materials. International Journal of Engineering Research, [Online]. 3(1), pp. 187-194, 2014. [date of reference November 20th of 2017]. Available at: https://www.researchgate.net/publication/269412 025_Mechanical_ Properties_Evaluation_of_Bamboo_Fiber_

Huanga, Y., Benhua, F., Penglian, W. and Chang, Z., Mechanical properties of bamboo fiber cell walls during the culmdevelopment by nanoindentation. Industrial Crops and Products, 92, pp. 102-108, 2016. DOI: 10.1016/j.indcrop.2016.07.037

Arroyave, M., Nanocaracterización estructural y macánica de recubrimeintos duros de TiN y ZrN producidos por descarga de arco pulsado, MSc. Tesis, Departamento de física y química, Facultad de Ciencias y Administración, Universidad Nacional de Colombia, Manizales, Colombia, 2004.

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