Resumen
La tesis doctoral explora la aplicación potencial de fibras de lana de oveja, un subproducto sostenible de la industria láctea, como refuerzo en materiales poliméricos biodegradables, con un enfoque en los compuestos de ácido poliláctico (PLA). El objetivo principal es desarrollar y optimizar sistemas de polímeros reforzados con fibras (FRP) mediante el análisis de los efectos de las modificaciones en la superficie de las fibras y la variación en la composición de los compuestos en las propiedades mecánicas y térmicas. El estudio se divide en enfoques experimentales y computacionales, involucrando cuatro estudios experimentales principales y dos proyectos suplementarios de modelado basado en aprendizaje automático. Los estudios experimentales se centraron en la preparación y caracterización de mezclas de PLA y aceite de linaza maleinizado reforzadas con fibras de lana de oveja. Se aplicaron sistemáticamente tratamientos de superficie utilizando agentes acoplantes de silano y alcoxido para mejorar las interacciones entre las fibras y el polímero. En particular, el tratamiento con isopropóxido de titanio (IV) (triethanolamina) mejoró significativamente la resistencia a la tracción, mientras que el tratamiento con trimetoxi (2-(7-oxabiciclo[4.1.0]hept-3-il)etil)silano mostró la mayor resistencia al impacto entre los agentes probados. El análisis térmico reveló que estas modificaciones de superficie aumentaron las temperaturas de cristalización en frío y redujeron el grado general de cristalinidad, aunque los tratamientos con alcoxido afectaron desfavorablemente la estabilidad térmica al disminuir la temperatura de pérdida de masa del 5%. Investigaciones experimentales adicionales exploraron los efectos de mayores concentraciones de fibras de lana y mayores niveles de agentes de tratamiento superficial. Un contenido elevado de fibras generalmente resultó en una disminución de las propiedades de tracción debido a una unión insuficiente entre el polímero y las fibras; sin embargo, los tratamientos con silano compensaron parcialmente estos efectos negativos al mejorar el módulo de Young y la elongación a la rotura. Además, se empleó un pretratamiento con plasma en las fibras de lana para eliminar lípidos superficiales, lo que mejoró la elongación a la rotura, a pesar de una ligera reducción en la resistencia a la tracción. Los estudios de envejecimiento físico a largo plazo demostraron cambios significativos en la estructura cristalina y las transiciones térmicas de los compuestos de PLA, afectando su rendimiento mecánico y destacando la importancia de la estabilidad de los materiales en aplicaciones de biopolímeros. Siguiendo los esfuerzos experimentales, los estudios computacionales emplearon algoritmos de aprendizaje automático para predecir propiedades de los materiales basándose en los resultados de caracterización. Estos modelos predijeron eficazmente la resistencia a la tracción, la degradación térmica y otras propiedades de los materiales en diversas formulaciones, permitiendo así una exploración eficiente de un rango más amplio de composiciones con un costo experimental reducido. Los resultados de esta tesis confirman la viabilidad de utilizar fibras de lana de oveja como refuerzos efectivos y ecológicos para polímeros biodegradables basados en PLA. Las propiedades mecánicas y térmicas mejoradas a través de las modificaciones de la superficie de las fibras, combinadas con los modelos de aprendizaje automático, contribuyen al desarrollo de FRP sostenibles adecuados para aplicaciones diversas en los sectores automotriz, aeroespacial, agrícola y de productos de consumo. Esta investigación propone un enfoque para la utilización de materiales derivados de fuentes biológicas y promueve el uso de subproductos de la industria láctea, ofreciendo importantes beneficios ambientales e industriales. Además, el uso de modelado computacional proporciona un enfoque novedoso para la optimización de formulaciones de materiales.
Palabras clave
ácido poliláctico; aceite de linaza maleinizado; fibra de lana de oveja; moldeo por inyección; agentes de acoplamiento de silano; tratamiento de plasma; propiedades mecánicas; propiedades térmicas; propiedades microestructurales; propiedades superficiales; aprendizaje automático; modelos de regresión
