El tema central de la tesis es el estudio del sinterizado (coalescencia, densificación y consolidación) del polietileno de alta densidad en polvo en presencia de refuerzos de fibras naturales. Los procesos de fabricación relacionados con el sinterizado son el moldeo rotacional y el moldeo por compresión. El objetivo de la tesis es mostrar los mecanismos que rigen el sinterizado de partículas de polietileno en estado puro y cuando es reforzado con fibras de sisal hasta obtener resultados que se constituyan en herramientas teóricas y experimentales para optimizar los procesos de fabricación mencionados. Para efectos del presente estudio se diseñó y fabricó un horno de sinterizado, con un controlador de temperatura, para simular las condiciones de los procesos de fabricación, obteniendo por medio de un microscopio estereoscópico y una cámara digital imágenes secuenciales del sinterizado, registrando datos cuantitativos para caracterizar el proceso. Inicialmente se estudió el comportamiento del polietileno de alta densidad sin refuerzo para después proceder al estudio de las partículas de polietileno en presencia de las fibras naturales. Como resultado se muestran y describen los mecanismos del sinterizado para ambos casos. Se hizo una comparación de los resultados experimentales con los modelos teóricos obteniéndose aproximaciones aceptables. Ante la presencia de fibras naturales se concluyó que los modelos teóricos no son aplicables, pues las fibras inducen la separación entre las partículas dificultando la coalescencia de las mismas. En este contexto se presentan resultados de los mecanismos de formación, desarrollo, eliminación y la determinación del ciclo de vida de las porosidades internas del material, que permiten registrar referencias sobre tiempos de fabricación que garanticen la mínima presencia de vacíos interiores en el producto y como consecuencia materiales con mejores propiedades mecánicas. Para cuantificar la adhesión entre la fibra y la matriz se usó la técnica del ensayo de fragmentación de una fibra que permitió estimar el valor del esfuerzo de corte entre los componentes del compuesto. Se determinó que en el caso de fibras tratadas previamente con ácido esteárico se obtuvo aproximadamente un 25% de incremento en la resistencia de corte interfacial en comparación con las fibras sin tratamiento.

El objetivo principal del presente trabajo fue elaborar y caracterizar un jarabe polimérico de polimetilmetacrilato (PMMA), el cual se elaboró mediante una polimerización parcial en masa del metilmetacrilato (MMA) vía radicales libres. El jarabe obtenido fue usado para la elaboración de materiales compuestos poliméricos. La primera etapa consistió en la caracterización de un producto comercial, el cual fue un material compuesto de PMMA y ATH, conocido como Krion®, de la empresa Porcelanosa™. La segunda etapa fue el estudio de la polimerización parcial vía radicales libres del MMA para obtener el denominado “jarabe”. Para polimerizar parcialmente el metilmetacrilato, se estudió el control de la temperatura de polimerización de 75 a 85°C usando peróxido de benzoilo (PBO) al 0.1%. Posteriormente se estudió la influencia del etilenglicol dimercaptoacetato (EGDM), en cantidades 0,1, 0,2 y 0,3% en peso, en la reacción. Los resultados obtenidos muestran que la adición de una pequeña cantidad de iniciador y un adecuado control de la temperatura son necesarios para polimerizar y evitar el efecto Trommsdorff. A su vez, la autoaceleración es postergada también por efecto del agente de transferencia de cadena, el cual reduce significativamente la viscosidad del medio. Como resultado de este trabajo de investigación se determinó que los parámetros adecuados para la elaboración del jarabe, constituido por polimetilmetacrilato disuelto en metilmetacrilato, son: 0,1% en peso de PBO, 0,2% en peso de EGDM, 85°C de temperatura y aproximadamente 130 minutos de tiempo de polimerización, con una conversión de monómero entre 20 a 30% y 55000 g/mol de peso molecular del PMMA. La última etapa correspondió a un ejemplo de aplicación del jarabe para la elaboración de un material constituido por 40% de jarabe y 60% de ATH en peso, el cual fue caracterizado mediante ensayos de control tales: ensayo de flexión, dureza, resistencia al fuego y análisis termogravimétrico. / Tesis

Actualmente la producción de calzados de cuero es una actividad económica que crece principalmente al ritmo de la población de las grandes ciudades. En distintas etapas de la producción del calzado se realiza el corte del cuero y como producto de este proceso se obtienen grandes cantidades de mermas no utilizadas en la confección del calzado; éstas representan un 4% del total del cuero utilizado, los cuales normalmente son desechados incrementando el volumen de los residuos sólidos y, con ello, los problemas medioambientales. Entre las soluciones a este problema se plantea el recuperado de los residuos de cuero con el propósito de agregar valor a la cadena de producción del calzado; así, por ejemplo, producir a partir de estos residuos un material capaz de ser utilizado como suela falsa de botas de seguridad industriales. El objetivo de este trabajo es el estudio de las propiedades de los materiales compuestos de cuero recuperado aglomerados con resina polimérica. Con este propósito, se ha desarrollado este trabajo según las siguientes etapas: en primer lugar, se estudian los fundamentos teóricos relacionados con los materiales compuestos y procesos existentes que involucren residuos de cuero; seguidamente, se estableció la metodología experimental a seguir para la fabricación del material compuesto de cuero y resina polimérica, verificando mediante ensayos el proceso más adecuado para la obtención de las diferentes mezclas a evaluar y, finalmente, se fabricaron las muestras según el diseño experimental que considera la variación de la composición de las mezclas y del tamaño de partículas de cuero y se realizaron los distintos ensayos para determinar el material compuesto que posea las mejores propiedades mecánicas y otras físicas. Finalmente, se ha determinado un proceso de fabricación para la obtención de materiales compuestos de cuero recuperado aglomerados con resina poliéster; identificando las variables involucradas en las etapas de este proceso: Preparación del cuero y la resina, mezcla de los constituyentes, curado y prensado a temperatura ambiente y curado en horno. Asimismo, se determinaron las propiedades mecánicas de los materiales compuestos resultantes y además la densidad y absorción de agua de los mismos.

La eliminación de los desechos de la industria papelera es un problema de creciente importancia en el mundo debido a que aumenta con la demanda de papel y productos similares. Entre estos desechos se tienen a los lodos celulósicos, cuyo transporte hacia los rellenos sanitarios genera un gasto considerable a las empresas papeleras y un impacto negativo en el medio ambiente por la emisión de gases de efecto invernadero durante su descomposición. No obstante en los últimos quince años se han llevado a cabo investigaciones sobre los posibles usos de los lodos de papel, llegando hoy en día a tener aplicaciones en la agricultura, en la industria cerámica y fuentes energéticas, entre otros. El objetivo del presente trabajo es el estudio de las propiedades de mezclas de lodos de papel, cemento y arcilla del tipo bentonita sódica, en la perspectiva de obtener un material compuesto de propiedades adecuadas para la fabricación de materiales de construcción de bajo costo en el Perú. La metodología para el este estudio incluye la elaboración de muestras con distintas composiciones de mezcla de lodos de papel, pasta de cemento y pasta de bentonita sódica, de acuerdo al diseño experimental. Dichos constituyentes se mezclan para posteriormente comprimirlos en un molde a una presión determinada y eliminar el exceso de agua, así como conseguir una mejor compactación y acabado de la muestra. Las muestras resultantes fueron sometidas a ensayos de flexión, compresión, densidad y absorción de agua, para conocer las propiedades respectivas del material compuesto y establecer la posibilidad de su uso en la fabricación de paneles, calaminas y ladrillos teniendo como referencia las normas ASTM (American Society for Testing Materials). Como resultado, se determinó que el material compuesto con la mejor combinación de propiedades mecánicas para la fabricación de paneles y calaminas fue el obtenido a partir de 45% de cemento, 40% de lodos de papel y 15% de bentonita sódica, superando los valores de resistencia a la flexión, momento de rotura y manipulabilidad requeridos por la norma ASTM C1225. Así mismo el material compuesto de 50% de cemento, 30% de lodos de papel y un 20% de bentonita sódica supera la resistencia a la compresión mínima establecida por la NTP.399.611 y NTP 399.613, normas técnicas peruanas de pavimentos y ladrillos respectivamente.

El presente trabajo expone la necesidad ambiental de reciclar, recuperar y re-utilizar los residuos sólidos que se generan actualmente en las ciudades e industrias del país; para ello, el objetivo de este trabajo es el diseño de un molde capaz de fabricar, por medio de compresión térmica, probetas de ensayo conformadas por un material compuesto de matriz plástica y refuerzos celulósicos que pueda ser compatible con la gran variedad de residuos plásticos reciclados y desechos de la industria maderera, para así obtener tableros y paneles que sean utilizados en la construcción de viviendas, muebles y accesorios ecológicos de bajo costo. Asimismo, se ha establecido que las probetas estén compuestas por una matriz plástica y refuerzos celulósicos, principalmente; PET y desechos madereros, respectivamente. El diseño se ha basado en los requerimientos que establece la norma internacional ASTM 1037 - 06a “Standard Test Methods for Evaluating Properties of Wood-Base Fiber and Particle Panel Materials”. El procedimiento metodológico adoptado para este trabajo ha sido, en primer lugar, el análisis individual de las propiedades mecánicas y físicas de los elementos constituyentes de la probeta y su comportamiento bajo las condiciones de procesamiento. Seguidamente, se elaboró una comparación cuantitativa de posibles alternativas de diseño para obtener la mejor posibilidad tecnológica; a continuación, mediante un análisis mecánico y térmico del molde y demás accesorios necesarios, se ha diseñado el equipo de moldeo: tanto planos de despiece y fabricación, como los costos involucrados en materiales y manufactura. Finalmente, el trabajo concluye que es posible diseñar un molde capaz de cumplir con las especificaciones de fabricación de probetas de madera compuesta, en lo referente a dimensiones y tolerancias, según la norma internacional ASTM D 1037 – 06a. Asimismo, los refuerzos de madera no se degrada instantáneamente a altas temperaturas, sino que existe un período de tiempo que posibilita conservar, de forma parcial, las propiedades mecánicas y físicas de aquellas, durante del proceso de fabricación de la probeta.

En la actualidad, debido al constante crecimiento que está experimentando la economía nacional y en consecuencia el aumento de la producción industrial, se generan elevados volúmenes de residuos sólidos que son desechados sin ser reciclados, recuperados o reutilizados. Existen altos porcentajes de residuos de plástico y de madera, los cuales se producen en las casas, industrias, comercios y áreas públicas. Por lo general, la eliminación de estos residuos aún no se realiza de manera adecuada generándose una problemática ambiental complicada de solucionar. En esta perspectiva, se viene desarrollando un proyecto de investigación en la PUCP, denominado QAUCHU KULLU, y entre sus objetivos se pretende diseñar y fabricar un sistema de moldeo para la fabricación de piezas de material compuesto utilizando residuos de plástico y madera. En el mismo sentido, se ha determinado que el rubro de la industria mobiliaria es un campo apropiado para la aplicación de este nuevo material. El objetivo del presente trabajo fue realizar el diseño mecánico de un molde para la fabricación de superficies de carpetas ergonómicas (tablero, asiento y respaldo) utilizando termoplásticos reciclados y madera recuperada; así como el diseño térmico de sus sistemas de calentamiento y enfriamiento. Para conseguir los objetivos planteados, se propuso el siguiente procedimiento metodológico: en primer lugar, la definición de los parámetros de diseño relacionados con las propiedades de los componentes del material compuesto y las variables de moldeo, asimismo, la evaluación de las alternativas de solución para cada función parcial del proceso; posteriormente, el diseño mecánico del molde y térmico de los sistemas complementarios (calentamiento y enfriamiento), realizando los cálculos mecánicos y térmicos correspondientes y, finalmente, la realización de los planos de fabricación y la determinación de los costos involucrados. El trabajo concluye que el molde diseñado es capaz de producir superficies de carpetas ergonómicas que cumplen con los requisitos de dimensiones y tolerancias establecidos y que, a su vez, brindan la resistencia adecuada para garantizar la seguridad del usuario durante su empleo.

El uso de los materiales compuestos, entre ellos los conocidos comercialmente como materiales de superficies solidas (en inglés: solid surface materials) se ha intensificado en diversas áreas de la industria, debido a sus cualidades estéticas, sus propiedades mecánicas y moldeabilidad que hacen posible fabricar piezas con geometría complicada y buena apariencia. Estos materiales se presentan como una alternativa versátil frente a los materiales naturales tales como granito, mármol, cuarzo, entre otros. Sin embargo la obtención de cada producto y por tanto sus características son diferentes, dado que las superficies solidas provienen de un proceso industrial y las piedras naturales son el resultado de la creación de la naturaleza. Es así que intentando obtener un producto innovador con características propias de las superficies sólidas y resaltando la belleza de la textura, color y propiedades mecánicas de las piedras naturales, se planteó la fabricación de un material compuesto de superficie sólida, al cual se le incorpore como relleno cargas minerales no metálicas oriundas del Perú. En esta perspectiva, el objetivo del presente trabajo es fabricar y caracterizar materiales compuestos, de matriz polimérica reforzado con partículas, a partir de un jarabe parcialmente polimerizado de polimetil metacrilato, trihidróxido de aluminio y cargas minerales no metálicas de origen nacional. El procedimiento experimental propuesto para la fabricación de estos materiales consta de cuatro etapas. Inicialmente se caracterizó el producto comercial Krion® como referencia para evaluar las principales propiedades mecánicas, químicas y térmicas de los materiales fabricados, así mismo se seleccionaron las cargas minerales no metálicas de origen nacional en función a su fácil acceso para su obtención, su abundancia en distintas canteras de la región peruana, su bajo costo a nivel local y su apariencia estética, para luego caracterizarlas. En la segunda etapa se elaboró el jarabe parcialmente polimerizado de polimetil metacrilato (PMMA) disuelto en su monómero (MMA). En una tercera etapa, se fabricaron materiales compuestos, variando los siguientes parámetros: iniciador, entrecruzador y proporción en peso de trihidróxido de aluminio (ATH). En la última etapa, habiéndose definido las mejores condiciones de trabajo para la fabricación del material compuesto de mejores propiedades obtenido en la etapa anterior, se adicionaron a éste las cargas minerales no metálicas de origen nacional; los que finalmente se caracterizaron mediante ensayos normalizados de dureza, resistencia a la flexión, al desgaste y al fuego; adicionalmente se realizaron pruebas cualitativas para evaluar su apariencia estética. Se demostró que es posible fabricar materiales compuestos constituidos por una matriz de polimetil metacrilato (PMMA) y partículas de trihidróxido de aluminio (ATH) como refuerzo. El material compuesto de mejores propiedades se ha fabricado a partir de una mezcla de 40% de jarabe (PMMA/MMA), elaborado y caracterizado en una investigación previa, y 60% de trihidróxido de aluminio en peso; utilizando adicionalmente 0,1% de peróxido de benzoilo como iniciador, 2% de etilenglicol dimetacrilato como entrecruzador y mediante una polimerización final a una temperatura de 60°C durante 7 horas. Este material compuesto presenta una buena resistencia al fuego, una dureza promedio de 86 HRM, un módulo de flexión de 6953 MPa, una resistencia a la flexión de 41 MPa y una pérdida de peso de 0,16 % por cada 25 revoluciones como medida indirecta de la resistencia al desgaste. Asimismo, se estudió el efecto que tiene el tipo de cargas minerales nacionales sobre las propiedades de los materiales compuestos de matriz de PMMA reforzado con cargas de ATH. El material fabricado con 2,5% en peso de partículas de cuarzo, cuya granulometría es muy similar a la del ATH, presenta las mejores propiedades mecánicas y visuales en comparación a los materiales fabricados con partículas de marmolina y mica. / Tesis

El presente trabajo de tesis tiene por objetivo la preparación de un nuevo material compuesto (composite) a base de armazones metales orgánicos (MOF-235) soportados en carbones activados (CA), estos últimos provenientes de la semilla de aguaje. El composite fue elaborado para mejorar la capacidad de adsorción de DMA obtenida inicialmente con los materiales precursores del composite. El CA fue preparado a partir de las semillas de aguaje (Mauritia Flexuosa) por activación química con ácido fosfórico a las razones de impregnación de 0,5; 0,75; 1,0; 1,5 gH3PO4/gprecursor y a la temperatura de activación de 600°C. La caracterización de los materiales adsorbentes se realizó mediante las técnicas instrumentales: FTIR, TGA, SEM, EDX, DRX y sorción de N2. Para conocer la química superficial de los carbones activados se obtuvo el valor del punto de carga cero y se realizó la titulación Boehm para la determinación de la acidez superficial. Los carbones activados son estructuras amorfas que por DRX presentan dos planos grafíticos (d100 y d002). Estos materiales presentaron áreas superficiales mayores a 600 m2.g-1, con alta microporosidad en su conformación. La porosidad del material fue también observada en las micrografías SEM. Se identificaron grupos oxigenados y fosforados en su composición por espectroscopía infrarroja (FTIR), siendo confirmados por titulación Boehm. Por otra parte, el armazón metal orgánico MOF-235 fue sintetizado por el método solvotérmico empleando como metal de aporte al hierro y como ligando orgánico al ácido tereftálico. En la caracterización del MOF por difracción de rayos X se identificó que presenta una estructura cristalina con fórmula estructural [Fe3O(C8H6O4)3(DMF)3][FeCl4]·(H2O). Además por esta técnica, se pudo identificar la celda unitaria del MOF, siendo de estructura hexagonal. Los MOF también fueron observados en las micrografías SEM donde los cristales mostraron una estructura hexagonal vista como romboides en las imágenes. Los grupos funcionales obtenidos del FTIR, así como el análisis TGA y el difractograma de rayos X evidenciaron la pureza del MOF-235 obtenido. Para la preparación de los composites se consideraron dos métodos de preparación, el primero por rotaevaporación y el segundo por síntesis directa del MOF sobre la superficie del CA. Las pruebas de caracterización permitieron determinar la relación de CA:MOF óptima para la preparación del composite, identificando al método de síntesis directa como el que produjo un composite con una distribución más homogénea de MOF sobre el carbón, sin obstrucción de poros. El composite preparado por este último método presenta las características fisicoquímicas y propiedades de ambos materiales, juntos permiten potenciar la capacidad de adsorción del material resultante. Considerando como variable el grado de impregnación, se obtuvieron los siguientes composites: CA-0,5-MOF; CA-0,75-MOF; CA-1,0-MOF y CA-1,5-MOF. La capacidad de adsorción de los composites fue mayor que la de los carbones activados y MOF. Para una concentración de 2000 ppm de DMA, el orden considerando la capacidad de adsorción de los composites fue el siguiente: CA-1,5-MOF > CA-1,0-MOF > CA-0,75-MOF > CA-0,5-MOF. Los modelos cinéticos que presentaron una mejor correlación con los resultados experimentales de CA, MOF y CA-MOF fueron los de pseudo segundo orden y Elovich indicando que la adsorción de DMA se realiza en sitios heterogéneos principalmente quimisorbidos en la superficie del adsorbente. Los resultados experimentales de las isotermas de adsorción para los carbones activados se correlacionaron mejor con los modelos de Langmuir y Temkin indicando una adsorción sobre una superficie energéticamente homogénea. Por su parte, los resultados de la isoterma del MOF-235 se correlacionaron mejor con el modelo de Langmuir y fue confirmada por el modelo de Redlich-Peterson, indicado que la adsorción ocurre en los sitios activos con energía equivalente. / Tesis

Hoy en día la manufactura aditiva está teniendo una gran acogida tanto en el campo académico como industrial, ya que con ella se pueden fabricar piezas con geometrías complicadas sin la necesidad de usar moldes o los clásicos procesos de manufactura por remoción de material, donde un gran porcentaje del material es desperdiciado sin la opción en muchos casos a poder reciclarlos. En cambio con la manufactura aditiva se pueden obtener piezas de manera directa partiendo de un modelo tridimensional hecho por un programa de diseño asistido por computador (CAD). Sin embargo el limitado uso de materiales y la anisotropía de las propiedades mecánicas de piezas obtenidas por manufactura aditiva, no la hacen muy llamativa en ciertas aplicaciones donde se requiera una alta exigencia mecánica. En ese sentido el objetivo del presente trabajo es desarrollar materiales compuestos de matriz termoplástica: Acrilonitrilo Butadieno Estireno (ABS) Y Poliácido Láctico (PLA), reforzadas con nanoarcillas, utilizando la técnica de modelado por deposición fundida (FDM: Fused deposition modeling) empleada en manufactura aditiva. La investigación se desarrolló principalmente en dos etapas. Primero, se estudió el efecto de los principales parámetros de impresión sobre las propiedades mecánicas de piezas obtenidas por FDM con el objetivo de seleccionar valores de dichos parámetros que permitan una fácil impresión para generar piezas de ABS y PLA con buenas propiedades mecánicas. Segundo, se evaluaron las propiedades mecánicas de probetas impresas mediante FDM a partir de filamentos de material compuesto de matriz termoplástica (ABS y PLA) reforzado con nanoarcillas. Se demostró que las propiedades mecánicas de las probetas impresas mediante FDM varían considerablemente con la temperatura de impresión, altura de capa y ángulo de impresión, encontrando resistencias a la tracción desde 28.3 MPa hasta 43.4 MPa para el ABS y desde 52.9 MPa hasta 61.2 MPa para el PLA. Así mismo se logró una adecuada impresión 3D de materiales compuestos, aumentando la resistencia a la tracción del ABS con contenido de nanoarcillas, pero una caída en la resistencia al impacto. Mientras que para el PLA la resistencia a la tracción disminuyo sensiblemente al introducir las nanoarcillas, pero su resistencia al impacto se incrementó con un contenido de 3% de nanoarcillas. / Tesis

The escalating global energy demand, propelled by rapid industrial expansion, has underscored the imperative of transitioning to cleaner and more sustainable energy sources to combat pollution and mitigate the adverse effects of global warming. Triboelectric nanogenerators (TENGs) have emerged as a promising technology capable of harnessing ambient mechanical energy and converting it into electrical power. This research initiative seeks to advance the field by focusing on the development of composite materials derived from a synergy of biopolymers extracted from natural sources, particularly potatoes, and inorganic fillers. The comprehensive objectives of this study encompass the extraction of biopolymers from natural resources, the meticulous characterization of composite materials to ascertain their mechanical, physicochemical, and morphological properties, the fabrication of TENGs employing these composite materials, and an exhaustive evaluation of the TENGs' performance metrics. Remarkably, the composite materials exhibit outstanding dielectric properties, characterized by exceptional dielectric permittivity (ε) values. At a fundamental level, these materials showcase impressive dielectric constant (ε') values, with specific examples reaching into the millions at a frequency of 1 Hz. Furthermore, the dielectric loss (ε'') values, representing the imaginary component of permittivity, also exhibit notable characteristics. For instance, certain composite materials demonstrate ε'' values that mirror the remarkable ε' values, signifying their potential to excel in energy storage applications. What sets this research apart is not only the development of materials with exceptional dielectric properties but also the exploration of their practical application in triboelectric nanogenerators. The TENGs fashioned from these composite materials consistently exhibit remarkable voltage outputs, further underscoring their potential for various energy harvesting applications.