The field of Tissue Engineering has developed in response to the shortcomings associated to the replacement of tissues lost to disease or trauma: donor tissue rejection, chronic inflammation, and donor tissue shortages. The driving force behind Tissue Engineering is to avoid these problems by creating biological substitutes capable of replacing the damaged tissue. This is done by combining scaffolds, cells and signals in order to create living, physiological, three-dimensional tissues.Scaffolds are porous biodegradable structures that are meant to be colonised by cells and degrade in time with tissue generation. Scaffold design and development is mainly an engineering challenge, and is the goal of this PhD thesis.The main aim of this thesis is to develop and characterise scaffolds for Tissue Engineering applications. Specifically, its objectives are: 1. To study, optimise and characterise two scaffold processing methods: Solvent Casting and Phase Separation. This is done by experiment design analysis. 2. To characterise the degradation, surface properties, and cellular behaviour of the scaffolds produced. The scaffolds are made of a composite of polylactic acid polymer and a calcium phosphate soluble glass. The comparison of the two processing methods reveals that in general, the solvent cast scaffolds have higher porosities and lower mechanical properties than the phase-separated ones. Two compositions containing 20 weight % and 50 weight % of glass particles were chosen for further characterisations including degradation, surface properties and cellular behaviour. The degradation of the scaffolds was studied for a period of 10 weeks. The evolution of various parameters such as: morphology, weight loss, mechanical properties, thermal transitions and porosity, was monitored. Scaffolds produced via solvent casting were found to be more severely affected by degradation than phase-separated ones. The surface properties of the scaffolds were measured by modelling the scaffold pore walls as thin composite films. The morphology, topography, surface energy and protein adsorption of the films was characterised thoroughly. Again, the processing method was critical in determining scaffold properties. Films made via phase-separation processing had markedly different properties due to extensive coating of the glass particles by the polymer. This made the surfaces rougher and more hydrophobic. When the glass particles are not completely coated with polymer, they increase the material's hydrophilic and protein adsorption properties, thus confirming the potential biological benefits of the inclusion of the calcium phosphate glass.The biological behaviour of the scaffolds was characterised by means of in vitro cell cultures with primary osteoblast stem cells and cells from a stable cell line, under static and dynamic conditions. Their morphology, proliferation and differentiation were monitored. Both types of scaffolds sustained osteblastic cell growth. The solvent cast scaffolds were easily colonised by cells which migrated throughout their structure. The cells on the phase-separated scaffolds, however, tended to form thick layers on the scaffold surface. Finally, an alternative characterisation technique was explored applying Synchrotron X-Ray Microtomography and in-situ micromechanical testing. These experiments allowed for the qualitative and quantitative analysis of the microstructure of the scaffolds both at rest and under strain. A finite element model of the solvent cast scaffolds was developed and a preliminary analysis was performed. This technique could be used to complement and overcome some of the limitations of traditional mechanical characterisation of these highly porous materials.

Este trabajo tiene como principal objetivo conocer el comportamiento de los materiales compuestos como elementos estructurales de reparación y refuerzo en estructuras de hormigón. Las investigaciones se centraron en la experimentación con dos tipos de materiales compuestos; polímeros reforzados con fibras de Carbono y polímeros reforzados con fibras de Aramida.Los ensayos realizados se enfocaron específicamente en el estudio del comportamiento de los materiales compuestos como elementos de refuerzo bajo la acción de esfuerzos a cortante en elementos de hormigón.Previa a la aplicación de los materiales compuestos fue necesaria la caracterización de éstos para posteriormente, determinar su comportamiento como elemento de refuerzo. Se realizaron diversas series de ensayos en los que por una parte se aplicaron refuerzos con diferentes tipos de orientación de adherencia del material compuesto con respecto a la dirección de los esfuerzos a cortante generados en cada probeta. Por otra parte se prepararon las probetas con diferentes condiciones superficiales en la zona de cizallamiento de éstas.Una vez terminada la fase experimental se efectuó un análisis gráfico comparativo del comportamiento de cada tipo de ensayo. Después se hizo un análisis para determinar las tensiones que se transmiten a los compuestos que actúan como material de refuerzo.Las principales conclusiones estarán dirigidas a mostrar las cualidades y limitaciones de los materiales compuestos como refuerzo a cortante de elementos de hormigón, conociendo propiedades como la capacidad de carga, deformaciones, esfuerzos y tipo de fallo o colapso durante la acción de cargas. Finalmente se proponen otras posibles líneas de investigación como continuación del presente estudio. / This work has as main objective to know the behavior of the composites materials as structural elements of repair and reinforcement in concrete structures. The investigations were centered in the experimentation with two types of composites materials; polymers reinforced with fibers of Carbon and polymers reinforced with fibers of Aramida. The carried out tests were focused specifically in the study of the behavior of the composites materials as reinforcement elements under the action of shear strength in concrete elements. Previous to the application of the composites materials it was necessary the characterization of these and later on to determine the tensions that were transmitted to these materials. They were carried out diverse series of tests, where on one hand reinforcements were applied with different types of orientation of adherence of the composite material with regard to the address of the shear strength generated in each specimen. On the other hand they got ready the specimens with different superficial conditions in the area of shear of these. Once finished the experimental phase a comparative graphic analysis of the behavior of each test type was made. Then an analysis was made to determine the tensions that are transmitted to the composites that act as reinforcement material. The main conclusions will be directed to show the qualities and limitation of the composite materials as reinforcement, knowing properties like the load capacity, deformations, strength and failure type or collapse during the action of loads. Finally they intend other possible investigation lines like continuation of the present study.

La necesidad de refuerzo estructural en una infraestructura existente puede venir motivada por la aparición de nuevos condicionantes de uso o por la degradación de los materiales. Desde finales de los años sesenta, la técnica del refuerzo mediante la adhesión de platabandas metálicas se ha llevado a la práctica como alternativa a otros métodos de refuerzo tradicionales. Sin embargo, las platabandas metálicas presentan algunas desventajas, como son su peso y su posible corrosión por agentes atmosféricos, que pueden solventarse sustituyéndolas por laminados de polímeros reforzados con fibras (FRP). Estos materiales poseen relaciones resistencia/peso y rigidez/peso mayores que el acero, facilitando su colocación, reduciendo costes y plazos de ejecución.En numerosos estudios empíricos se observa como la aplicación de laminados encolados puede resultar en una rotura frágil que conduce al desprendimiento prematuro del refuerzo antes de alcanzar la carga última.El principal objetivo de este trabajo es el desarrollo de un método simple y efectivo para dimensionar y comprobar el refuerzo de estructuras existentes con laminados adheridos de tal forma que se eviten los modos prematuros de rotura que conducen al desprendimiento del laminado. Se ha dedicado especial atención a la transferencia de tensiones de laminado a hormigón que resulta el punto clave del correcto comportamiento de este tipo de refuerzo.En el Capítulo 2, tras una revisión histórica de las líneas de investigación existentes, experimentales y teóricas, se ha evaluado mediante una base de datos experimental la fiabilidad de los modelos teóricos existentes para pronosticar y prevenir los modos de rotura prematuros antes mencionados. Esta base de datos experimental incluye resultados de la literatura existente y de una campaña experimental llevada a cabo por el autor en el Laboratorio de Tecnología de Estructuras de la Universidad Politécnica de Cataluña.Para resolver las deficiencias de los modelos teóricos existentes, en el Capítulo 3, se ha aplicado la teoría de la Mecánica de Fractura No Lineal a un caso de corte puro para modelizar el comportamiento de la interfase y sus roturas prematuras. Se han obtenido las distribuciones de tensiones en la interfase y en el laminado junto a la fuerza máxima transferida en función de tres parámetros (energía de fractura, máxima tensión tangencial y deslizamiento asociado a dicha tensión).La formulación de un caso de corte puro se ha extendido a un caso general de una viga bajo cargas transversales en el Capítulo 4. Se ha estudiado la evolución del desprendimiento del laminado en dos casos específicos: un elemento entre dos fisuras contiguas, y un elemento entre el extremo del laminado y la siguiente fisura. Se han obtenido las distribuciones de tensiones para las distintas fases del proceso. Cabe mencionar que la fuerza transferida entre dos fisuras alcanza su máximo valor cuando la tensión tangencial máxima llega a la fisura menos cargada. En este instante, ya se puede haber iniciado o no la formación de una macrofisura. El elemento entre el extremo del laminado y la siguiente fisura es similar al caso de corte puro.Las distribuciones de tensiones presentadas en el Capítulo 4 nos ayudan a comprender el comportamiento de un elemento reforzado con laminados adheridos en su cara traccionada, sin embargo, resultan complejas en la práctica. En el Capítulo 5 se describe un nuevo método de dimensionamiento y verificación basado en la obtención de una relación entre el máximo cortante antes de que se produzca el desprendimiento prematuro del refuerzo y el momento aplicado. Esta relación está asociada a la fuerza máxima transferida entre fisuras. A partir de la predicción del valor máximo de cortante, se verifica el desprendimiento del extremo del laminado evaluando la fuerza transferida entre dicho punto y la siguiente fisura. Se ha verificado la fiabilidad de esta propuesta mediante la base de datos de ensayos a flexión.Finalmente, en el Capítulo 6 se resumen las principales conclusiones del trabajo presentado en esta tesis y se sugieren futuras líneas de investigación. / The strengthening of aging infrastructures is in most cases required because of the necessity for increased levels of service loads or because of the degradation of structural materials. The technique of strengthening by externally bonding steel plates has been in practice since the late 1960's. However, steel plates present some disadvantages in terms of weight and corrosion that can be solved by replacing them with fiber reinforced polymer (FRP) laminates. FRP laminates provide benefits such as high strength-to-weight and stiffness-to-weight ratios, corrosion resistance as well as reduced installation costs due to their easy-handling.Existing experimental work has shown that the application of externally bonded laminates can result in a catastrophic brittle failure in the form of a premature debonding of the laminate before reaching the design load.The main aim of this research has been the development of a simple effective method to design and verify the strengthening of an existing structure with an externally bonded plate while preventing the premature peeling failure that causes the laminate to debond. Special attention has been drawn on to transfer of stresses from laminate to concrete through the interface, which is the main key in the correct performance of externally reinforced concrete structures.After a historical overview of the existing experimental and theoretical lines of research, the suitability of using existing theoretical models to forecast and prevent peeling failures is evaluated in Chapter 2 by means of an experimental bending test database. This database includes results from the existing literature and results from an experimental program conducted by the author at the Structural Technology Laboratory of the Technical University of Catalonia.To solve the weaknesses of the existing theoretical models, in Chapter 3, Non-Linear Fracture Mechanics theory is applied in a pure shear case to model the interface behavior and its premature failures. The stress distributions, together with the maximum transferred force are obtained as a function of three model parameters (the fracture energy, the maximum shear stress and the sliding associated to this stress).The formulae of a pure shear specimen are then extended to a general case of a beam under transverse loads in Chapter 4. For this purpose, the evolution of the debonding process is studied for two specific cases: a beam element between two cracks, and a beam element between the laminate end and the nearest crack. The stress distributions are obtained for the different stages observed in the debonding process. A specific highlight observed was that the transferred force between cracks is at maximum when the maximum shear stress reaches the less-loaded crack. In this instance, a macrocrack may or may not have already initiated. Another point observed is related to the beam element between the laminate end and the nearest crack, which is similar to the pure shear specimen.The stress distributions derived in Chapter 4 allow us to understand the behavior of an externally reinforced element, but are awkward for design purposes. Chapter 5 describes both a new design and verification method based on a maximum shear force-bending moment relationship associated to the theoretical maximum transferred force between two consecutive cracks before peeling occurs. After calculating the predicted value for the maximum shear force from the peeling relationship, the developed method verifies the debonding at the laminate end by checking the transferred force between the laminate end and the first crack in the laminate. The reliability of this proposal is verified by means of the assembled bending test database.Finally, the main conclusions drawn from the work presented in this dissertation are summarized in Chapter 6. Future work and research lines are suggested as well.

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. / Fibre reinforced polymer (FRP) bars have emerged as an alternative to steel for reinforced concrete (RC) elements in aggressive environments due to their non-corrosive properties. This study investigates the short-term serviceability behaviour of FRP RC beams through theoretical and experimental analysis. Twenty-six RC beams reinforced with glass-FRP (GFRP) and one steel RC beam are tested under four-point loading. The experimental results are discussed and compared to some of the most representative prediction models of deflections and cracking for steel and FRP RC finding that prediction models generally provide adequate values up to the service load. Additionally, cracked section analysis (CSA) is used to analyse the flexural behaviour of the specimens until failure. CSA estimates the ultimate load with accuracy, but it underestimates the experimental deflection beyond the service load level. This increment is mainly attributed in this work to shear induced deflection and it is experimentally calculated.A discussion on the main aspects of the SLS of FRP RC is introduced: the stresses in materials, maximum crack width and the allowable deflection. A methodology for the design of FRP RC at the serviceability requirements is presented, which allows optimizing the overall depth of the element with respect to more generalised methodologies.

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. / En los últimos años, gran parte del interés científico e industrial se ha centrado en el desarrollo de los materiales compuestos. El uso mayoritario de las fibras de vidrio como material de refuerzo en este tipo de materiales ha conducido hacia la búsqueda de refuerzos alternativos capaces de satisfacer requisitos tanto a nivel económico como medioambiental. Las fibras naturales se muestran como firmes candidatas a ejercer de refuerzo, ofreciendo una alternativa comercial. La fibra que se obtiene de la planta de yute es una fibra reciclable y biodegradable, y su fabricación está ligada a un consumo energético más bajo si se compara con la fabricación de las fibras sintéticas. Por lo tanto, es una fibra cuya manipulación tiene un coste competitivo y además ofrece un amplio mercado donde ser adquirida, condiciones que la hacen económicamente viable [Gómez, I. L. y col., 1998]. Muchos polímeros, especialmente termoplásticos son no-polares (hidrofóbicos), sustancias incompatibles con las fibras naturales (hidrofílicas) generándose una adhesión pobre. Con el fin de poder mejorar esta adhesión se utilizan los agentes de acoplamiento, compuestos con los que se trata la superficie de las fibras facilitando el enlace químico con la matriz polimérica. El trabajo que se expone se divide en dos partes, una primera teórica y una segunda experimental. En la primera parte, se describen aspectos fundamentales de las fibras naturales y más concretamente de la fibra de yute que se pretende utilizar como refuerzo. También se habla de los materiales compuestos y de sus propiedades y finalmente se centra la atención en los procesos de modificación química con agentes de acoplamiento. En la parte experimental se exponen todos y cada uno de los reactivos utilizados seguido por la descripción de las reacciones teóricas. Además, se describen las técnicas que van a aplicarse en la evaluación de los resultados con el fin de comprobar si las reacciones han tenido lugar y cuantificar el grado de modificación. Finalmente, se presentan los resultados obtenidos. El objetivo global de este proyecto es la modificación química de las fibras de yute y estudiar sus propiedades con el fin de utilizarlas como refuerzo en un material compuesto. Este proceso requiere de dos pasos a seguir, por una parte modificar químicamente las fibras incorporando un agente de acoplamiento bifuncional capaz de reaccionar con los grupos hidroxilos. Por otra parte, y una vez realizada la modificación, unir el agente compatibilizante que ha reaccionado con las fibras, a los dobles enlaces del precursor del polímero, en el caso de este estudio el monómero estireno. Todo esto, conlleva a un estudio de la etapa de modificación con el fin de evaluar el enlace entre la fibra y el agente de acoplamiento y también comprobar, si es que realmente se da, un cambio en las propiedades de absorción de humedad responsables de las variaciones dimensionales de las fibras.Haciendo referencia al primer apartado de los resultados, se realiza una caracterización previa de la fibra de yute. Se estudia su composición, concretamente el contenido en ceras, resinas, esteres de los ácidos grasos y sustancias no saponificables, así como también el porcentaje de lignina. También se realiza una medida de la longitud de fibra utilizando el analizador de tamaño denominado "Kajaani". Sigue una caracterización morfológica de las fibras que permitirá conocer su aspecto longitudinal y transversal a través de las técnicas de microscopia óptica y electrónica. Las micrografias y fotografias obtenidas, muestran una fibra lisa sin nudos y con un grosor de pared que varia a lo largo de una misma fibra. Su lumen o canal interior, no es regular sino que presenta un tamaño variable. El diámetro y grosor de la pared primaria es variable observándose paredes más delgadas en los extremos de la fibra. Calculando el diámetro promedio por un número apreciable de fibras se obtiene un valor de 14.3m para el canal externo y uno de 4.5m para el interno. El análisis por espectroscopia infrarroja (FTIR) muestra una fibra básicamente formada por celulosa y, los resultados obtenidos por análisis elemental muestran ciertas diferencias entre su composición y la de la celulosa pura. A partir del tratamiento con estireno de la fibra pura, se comprueba la falta de reacción entre la fibra de naturaleza polar y el estireno de naturaleza no-polar. Esto conduce hasta el tratamiento de la fibra con dos agentes de acoplamiento bifuncionales: el cloruro oleico y el anhídrido metacrílico. Con ambos agentes se pretende crear un punto de unión entre la fibra y la matriz termoplástica. La reacción de esterificación reduce el número de grupos hidroxilos presentes en la fibra dando lugar a una funcionalidad ester de menor polaridad.Por otro lado, la cadena introducida proporciona un doble enlace carbono-carbono capaz de reaccionar con el doble enlace alifático de la molécula del monómero utilizado. Por lo tanto, se abre la posibilidad de inicializar la polimerización con el estireno. El estudio de las diferentes variables de reacción utilizadas permite deducir el efecto de todas y cada una de ellas sobre el grado de modificación. Destacar que la presencia de catalizador en el medio, una menor cantidad de solvente, un valor más elevado de temperatura, un incremento en la cantidad de reactivo y tiempos de reacción largos favorecen el avance de la reacción. En el caso de las reacciones realizadas con el cloruro oleico se han utilizado dos solventes de distinta naturaleza, la piridina de naturaleza polar y el diclorometano de menor polaridad. Con la adición de piridina se incrementa la superficie de contacto con el agente de acoplamiento, facilitando el acceso hacia los grupos hidroxilos libres. Por lo tanto, las reacciones de modificación realizadas en piridina mejoran la accesibilidad y reactividad con el sustrato celulósico debido a un incremento del contacto por hinchamiento. En el caso del diclorometano no se mejora la accesibilidad y se necesita de la adición de una base complementaria ya que a diferencia de la piridina este solvente no puede actuar como base y por lo tanto, el ácido liberado durante la reacción no es neutralizado. La adición de trietilamina desplaza la reacción hacia los productos evitando que el ácido clorhídrico quede libre. Del ensayo de tinción realizado a las fibras de yute modificadas con el cloruro oleico, los resultados indican que las fibras que se han sometido a modificación presentan mayor resistencia a la tinción debido a una reducción del número de grupos hidroxilos.El segundo bloque ha sido realizado con el anhídrido metacrílico. En este caso, y a diferencia del cloruro oleico sólo se utiliza la piridina como solvente. Las reacciones también muestran resultados significativos y de forma equivalente al cloruro son analizadas por espectroscopia infrarroja y análisis elemental. Alguno de los procesos también ha sido evaluado por incremento de peso.En este segundo bloque, también se ha determinado el grado de modificación a partir de la técnica de espectroscopia de infrarrojo. El cálculo se ha realizado partiendo de las bandas de absorción en infrarrojo más características. Comparando los valores con los obtenidos a partir de análisis elemental se comprueba que los resultados experimentales han sido reproducidos satisfactoriamente. También se ha evaluado la influencia del tratamiento con estireno de la fibra modificada tanto con el cloruro oleico como con el anhídrido metacrílico. La capa de polímero que se forma encima de la superficie de las fibras disminuye significativamente el ataque por parte de microorganismos y la absorción de humedad. El tratamiento protege la fibra aunque los resultados indican que esta protección no es total. Se ha establecido comparación entre la reactividad de los dos agentes de acoplamiento y los resultados del grado de modificación para reacciones equivalentes indican reacciones más extensas en el caso del cloruro oleico. Ambos agentes de acoplamiento disminuyen significativamente la hidrofília característica de las fibras. En último lugar se describe el test de efectos realizado al conjunto de reacciones. Se analiza el efecto de las variables de reacción sobre el grado de modificación, indicándose cuales son las variables más significativas en la reacción entre los agentes de acoplamiento y la fibra: tipo de solvente, tiempo, tipo de reactivo y su concentración en el medio. / In the last years, great part of the scientific and industrial interest has been centered in the development of the composites. The majority use of material fiber glasses as of reinforcement in this type of materials has lead towards the search of alternative reinforcements able to satisfy requirements at economic level as much as environmental. The natural fibers are firm candidates to exert of reinforcement, being offered a commercial alternative. The fiber that is obtained from the jute plant is a recycleable and biodegradable fiber, and its manufacture is bound to a lower power consumption if it is compared with the manufacture of synthetic fibers. Therefore, it is a fiber whosemanipulation has a competitive cost and in addition it offers an ample market where to be acquired, conditions that makes economically viable [Gomez, I. L. and col., 1998 ].Many polymers, specially thermoplastic are not-polars (hydrophobic), incompatiblesubstances with natural fibers (hydrophilic) being generated an adhesion poor. With the purpose of being able to improve this adhesion connection agents are used, reagents which the surface of fibers is treated facilitating the chemical connection with the polimeric matrix.The work that is exposed divides in two parts, one first theoric and one secondexperimental. In the first part, fundamental aspects of natural fibers and of the jute fiber are described more concretely that is tried to use like reinforcement. Also it is spoken of the composites and of its properties and finally the attention in the processes of chemical modification with connection agents is centered.In the experimental part are exposed all and each one of the used reagents followed by the description of the theoric reactions. In addition, the technique that are described are going to be applied in the evaluation of the results with the purpose of verifying if the reactions have taken place and quantifying the modification degree. Finally, the obtained results appear. The global objective of this project is chemical modification of jute fibers and to study its properties with the purpose of using them like reinforcement in a composite material. This process requires two steps, first modify fibers incorporating a bifunctional agent able to react with the hydroxil groups. On the other hand, and once made modification, to unite the agent who has reacted with fibers, to the double connections of the precursor of the polymer, in the case of this study the monomer styrene. All this, entails to a study of the stage of modification with the purpose of evaluating the connection between the fiber andthe agent and to verify, if it is that really it occurs, a change in the properties of humidity absortion responsible for the dimensional variations of fibers. Making reference to the first section of the results, one is made caracteryzation previous of the jute fiber: his composition, concretely the wax content, resins, measurement of the fiber length with the "Kajaani" analyzer,.Morphologic caracteryzation of the fibers occurs to know its longitudinal and crosssectional aspect. This study show a smooth fiber without knots and with a variable thickness of the primary wall. Analysis by infrared espectroscopy (FTIR) shows to a fiber formed by cellulose and, the results obtained by elemental analysis show to certain differences between his composition and the one of the pure cellulose.The sterification reaction with two bifunctional reagents reduces the number of present hydroxil groups in the fiber giving rise to an ester functionality of smaller polarity. On the other hand, the introduced chain provides a double connection carbon-carbon able to react with the double alyphatic connection of the molecule of used monomer. Therefore, the possibility is opened of initializing the reaction with styrene. The study of the different used variables of reaction allows to deduce the effect of all and each one of them on the modification degree. To emphasize that the presence of catalyst in means, a smaller amount of solvent, more elevated value of temperature, an increase in the amount of reagent and long times of reaction favor the advance of the reaction.In the case of the reactions made with the oleyl chloride two solvents of different nature have been used, the pyridine of polar nature and the dichloromethane of smaller polarity.With the addition of pyridine the faying surface with the connection agent is increased, facilitating the access towards the free hydroxil groups. Therefore, the reactions of modification made in pyridine improve the accessibility and reactivity with the cellulose substrate due to an increase of the contact by swelling. In the case of the dichloromethane the accessibility does not improve and it is needed the addition of a complementary base because this solvent cannot act as it bases and therefore, the acid released during the reaction is not neutralized. The addition of triethylamine moves the reaction towards the products avoiding that the hydrochlorate acid is frees.Of the test of dyeing made to fibers of jute modified with the oleyl chloride, the results indicate that the fibers that have been put under modification offer greater resistance due to a reduction of the number of hydroxil groups.The second block has been made with the methacrylic anhydride one. The reactions also show significant results. Some of the processes also has been evaluated by increase of weight.In this second block, also the degree of modification from the technique of infraredspectroscopy has been determined. The calculation has been made starting off of the more characteristic absorption bands in infrared. Comparing the values with the obtained ones from elemental analysis it is verified that the experimental results have been reproduced satisfactorily. Also the influence of the treatment with styrene of the modified fiber has been evaluated so much with the oleyl chloride as with the methacrylic anhydride one. The polymer layer that forms upon the surface of fibers significantly diminishes the attack on the part of microorganisms and the humidity absorption. The treatment protects the fiber although the results indicate that this protection is not total. Comparison between the reactivity of both connection agents has settled down and the results of the degree of modification for equivalent reactions indicate more extensive reactions in the case of the oleyl chloride. Both agents of connection diminish hydrofobicity of fibers. Last the test of effects is described made to the set of reactions. The effect of the reaction variables is analyzed on the modification degree, indicating itself the most significant variables in the reaction between the coupling agents and the fiber: type of solvent, time, type of reagent and its concentration in means.

[ES] Los materiales compuestos reforzados con fibra son ampliamente utilizados en diversos sectores, como el aeroespacial y el de automoción. Tras su conformado, estos materiales necesitan procesos de mecanizado para eliminar el material sobrante y facilitar la unión entre piezas. Debido a la naturaleza heterogénea y la anisotropía de estos materiales, su comportamiento ante el mecanizado es diferente que los metálicos. Las fibras abrasivas provocan un rápido desgaste de la herramienta y, además, la aparición del delaminado puede hacer necesario el reprocesado o rechazo de las piezas. El delaminado es un defecto que provoca la separación de capas del material compuesto y hace que la pieza presente un aspecto deshilachado en el borde mecanizado porque la herramienta dobla las fibras en vez de cortarlas, además de poder producir un daño superficial en la pieza. En esta tesis se ha abordado el estudio experimental del fresado de materiales compuestos reforzados con fibra de basalto, en concreto, en la operación de contorneado. En el mecanizado de este material se ha estudiado el desgaste de la herramienta, el acabado superficial y el delaminado, analizando la influencia de los parámetros de corte (velocidad, avance y profundidad de pasada), y de las características del material compuesto (volumen y orientación de fibra). Con respecto al material de las fibras, casi todos los estudios existentes se han centrado en las fibras de carbono y de vidrio, no habiendo estudios con fibras de basalto, aunque este material es de origen natural y una buena alternativa a las fibras de vidrio. Con respecto al proceso de fresado, los estudios existentes en la bibliografía se han centrado más en la operación de ranurado que en la de contorneado. Una parte fundamental de la tesis se ha centrado en el estudio del delaminado. Para ello se han definido y desarrollado los diferentes aspectos teóricos que caracterizan este defecto. Además, se han cuantificado los tipos de delaminado (Tipos I y II) mediante la definición y comparación de parámetros unidimensionales y de superficie, evaluando su evolución temporal. Los parámetros unidimensionales permiten evaluar la longitud de las fibras que sobresalen o dañan la superficie, mientras que los parámetros de superficie permiten cuantificar la densidad del delaminado. Como complemento al estudio experimental, se han utilizado herramientas estadísticas (diseño de experimentos, ANOVA y modelos de regresión cuantílica) para estudiar el fresado de este tipo de materiales en relación a la rugosidad, el desgaste de la herramienta y el delaminado. / [CA] Els materials compostos reforçats amb fibra són àmpliament utilitzats en diversos sectors, com l'aeroespacial i el d'automoció. Després del seu conformat, aquests materials necessiten processos de mecanitzat per a eliminar el material sobrant i facilitar la unió entre peces. A causa de la naturalesa heterogènia i anisotropia d'aquests materials, el seu comportament davant el mecanitzat és diferent que els metàl·lics. Les fibres abrasives provoquen un ràpid desgast de l'eina i, a més, l'aparició de la delaminació pot fer necessari el reprocessament o rebuig de les peces. La delaminació és un defecte que provoca la separació de capes del material compost i fa que la peça presente un aspecte esfilagarsat en la vora mecanitzada perquè l'eina doblega les fibres en lloc de tallar-les, a més de poder produir un mal superficial en la peça. En aquesta tesi s'ha abordat l'estudi experimental del fresat de materials compostos reforçats amb fibra de basalt, en concret, en l'operació de contornejat. En el mecanitzat d'aquest material s'ha estudiat el desgast de l'eina, l'acabat superficial i la delaminació, analitzant la influència dels paràmetres de tall (velocitat, avanç i profunditat de passada), i de les característiques del material compost (volum i orientació de fibra). Respecte al material de les fibres, quasi tots els estudis existents s'han centrat en les fibres de carboni i de vidre, no havent-hi estudis amb fibres de basalt, encara que aquest material és d'origen natural i una bona alternativa a les fibres de vidre. Respecte al procés de fresat, els estudis existents en la bibliografia s'han centrat més en l'operació de ranurat que en la de contornejat. Una part fonamental de la tesi s'ha centrat en l'estudi de la delaminació. Per a això s'han definit i desenvolupat els diferents aspectes teòrics que caracteritzen aquest defecte. A més, s'han quantificat els tipus de delaminació (Tipus I i II) mitjançant la definició i comparació de paràmetres unidimensionals i de superfície, avaluant la seua evolució temporal. Els paràmetres unidimensionals permeten avaluar la longitud de les fibres que sobreïxen o danyen la superfície, mentre que els paràmetres de superfície permeten quantificar la densitat de la delaminació. Com a complement a l'estudi experimental, s'han utilitzat eines estadístiques (disseny d'experiments, ANOVA i models de regressió quantílica) per estudiar el fresat d'aquesta mena de materials i predir alguns aspectes de la rugositat, el desgast de l'eina i la delaminació. / [EN] Fiber reinforced composites are widely used in diverse fields such as aeronautics and automotive. After their shaping, these materials require machining processes to remove excess material and facilitate joining between parts. Due to the heterogeneous nature and anisotropy of these materials, their behavior when being machined is different from metallic ones. Abrasive fibers trigger fast tool wear and delamination appearance can cause piece reprocessing or discard. Delamination is a defect which induces the separation of composite layers and makes the piece present a frayed appearance on the machined edge because the tool bends the fibers instead of cutting them, in addition to producing surface damage to the piece. In this thesis, the experimental study of milling of basalt fiber reinforced composite materials has been approached, specifically, in edge trimming. In the machining of this material, tool wear, surface finish and delamination have been studied, analyzing the influence of cutting parameters (cutting speed, feed per tooth and depth of cut) and characteristics of the composite material (fiber volume fraction and fiber orientation). Regarding the fiber material, almost all existing studies have focused on carbon and glass fibers, there are no studies with basalt fibers, although this material is of natural origin and a good alternative to glass fibers. About the milling process, existing studies in the literature have focused more on the grooving operation than on the edge trimming operation. A fundamental part of the thesis has focused on the study of delamination. To characterize this defect, different theoretical aspects have been defined and developed. Additionally, different types of delamination (types I and II) have been quantified through the definition and comparison of one-dimensional and surface parameters, evaluating their temporal evolution. One-dimensional parameters allow the evaluation of the length of the fibers that protrude or damage the surface, while the surface parameters allow the quantification of the density of delaminate. As a complement to the experimental study, statistical tools (experiment design, ANOVA and quantile regression models) have been used to study the milling of this type of materials and predict certain roughness, tool wear, and delamination aspects. / Navarro Mas, MD. (2021). Análisis experimental del fresado de materiales compuestos reforzados con fibra de basalto [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/177645

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. / The application of polymer-based composites reinforced by long fibers, called advanced Fiber Reinforced Plastic (FRP), is gradually increasing as a result of their good specific mechanical properties and increased flexibility of design. One of the largest consumers is the aerospace industry, since the application of these materials has clear economic and environmental benefits. When composites are to be used in structural components, a design development program is initiated, where a combination of testing and analysis techniques is typically performed. The development of reliable analysis tools that enable to understand the structure mechanical behavior, as well as to replace most, but not all, the real experimental tests, is of clear interest. Susceptibility to damage from concentrated out-of-plane impact forces is one of the major design concerns of structures made of advanced FRPs used in the aerospace industry. Lack of knowledge of the impact effects on these structures is a factor in limiting the use of composite materials. Therefore, the development of virtual mechanical testing models to analyze the impact damage resistance of a structure is of great interest, but even more, the prediction of the post-impact residual strength. In this sense, the present thesis covers a wide range of analysis of the low-velocity and large mass impact events on monolithic, flat, rectangular, polymer-based laminated composite plates with conventional stacking sequences. Keeping in mind that the main goal of this work is the prediction of the residual compressive strength of an impacted specimen coupon, a set of different tasks are performed in order to provide suitable tools to analyze the problem. Accordingly, the topics which are addressed in this thesis are: the analytical description of the impact, the design and the realization of an experimental test plan, the formulation and implementation of constitutive models for the description of the composite material behavior, and the assessment of the performance of virtual tests based on finite element models where the constitutive models are used.

En este trabajo se ha estudiado el potencial tanto los filamentos de cáñamo como de la cañamiza como refuerzo/carga del polipropileno. La modificación de estos materiales se realiza para lograr una mayor compatibilidad con la matriz polimérica. Se evaluaron las propiedades mecánicas de las resistencias a tracción e impacto, de los materiales compuestos reforzados tanto de filamento como de cañamiza. Los filamentos de cáñamo poseen suficiente capacidad de refuerzo en los materiales compuestos basado en polipropileno debido a sus propiedades intrínsecas, siendo una buena alternativa como material de refuerzo. Así, la adición de MAPP (polipropileno modificado con anhídrido maleico) conduce a materiales compuestos con unas resistencias a tracción de hasta el 70% de las que se obtienen con compuestos de PP reforzados con fibra de vidrio. Mientras que la cañamiza ha actuado como una carga en la matriz, incrementado significativamente la rigidez de los materiales compuestos. / In this work, the potential of hemp strands as well as hemp straw, to be used as reinforcement/filler of polyprppylene has been studied. The modification of these materials ha been carried out to obtain a greater compatibility with the polymer matrix. The mechanical properties of the obtained materials were evaluated under tensile, flexural and impact stresses. The hemp strands showed a sufficient capacity of reinforcement in the polypropylene-based composite due to their intrinsic properties, being a good alternative like reinforcement agent. Thus, the addition of MAPP (polypropylene modified with maleic anhydride) leaded to composites with a value of ultimate tensile strength that achieved 70% of the value of materials formulated with PP and fibreglass. In the particular case of the addition of hemp straw, this component acted as a filler of the polymer matrix, increasing the rigidity of the composite but with a limited influence in the ultimate tensile strength.