Estudio del efecto de las condiciones ambientales sobre los materiales compuestos utilizados en palas de molinos eólicos

Abstract

El desarrollo de energías sustentables y que no afecten al medioambiente es uno de los mayores desafíos para la ingeniería actualmente. La energía eólica, que se produce mediante generadores impulsados por el viento, es una de ellas. Sin embargo, hay muchos aspectos sobre los materiales utilizados en la construcción de los mismos que no han sido estudiados en profundidad hasta el momento. Esto fue lo que motivo la realización del presente trabajo. En este trabajo se reporta el efecto de la absorción del agua sobre las propiedades de los materiales compuestos utilizados para la fabricación de palas de molinos eólicos a partir de (resina poliéster insaturado con fibra de vidrio) y de un material compuesto de resina poliéster insaturado con fibra de vidrio con el agregado de 5% en peso de bentonita. Para realizar este estudio, se procesaron placas de ambos materiales compuestos (resina poliéster y fibra de vidrio con y sin bentonita) utilizando la misma técnica con la que se fabrican las palas a escala industrial (Infusión por vacío) y se estudiaron los parámetros críticos de la técnica. Uno de los parámetros que resultó determinante para la obtención de partes sin defectos es el correcto sellado del molde El procesamiento de la placa de material compuesto modificado con bentonita no resultó ser completamente adecuado, ya que se pudo determinar que dicha arcilla se encontraba aglomerada en el material final debido a una mala dispersión de la arcilla en la matriz. Esto pudo determinarse mediante microscopía electrónica de transmisión (TEM) y difracción de rayos X (DRX). Con esta última técnica también pudo demostrarse que la arcilla se encontraba dispuesta principalmente en una de las caras, evidenciando que la obtención de materiales compuestos reforzados con nanopartículas presenta problemas asociados con la etapa de procesamiento a escala industrial. En el caso del material compuesto sin modificar, se puede decir que el procesamiento fue adecuado, ya que se obtuvieron materiales con el contenido de fibras deseado (63% en peso aproximadamente), con baja cantidad de defectos (según lo muestran las microscopías ópticas y electrónicas de barrido, SEM) y con propiedades mecánicas apropiadas para este tipo de sistemas. Por su parte, las placas de matrices, tanto de resina poliéster sola como modificada con bentonita, se prepararon por colado y se utilizaron como referencia para ver el efecto de las fibras sobre las diferentes características y propiedades estudiadas. A partir de las placas obtenidas, tanto de las matrices como de los materiales compuestos, se cortaron probetas que se utilizaron para estudiar las propiedades mecánicas y la absorción de agua en diferentes ambientes tanto de las matrices como de los materiales compuestos. Antes de realizar los ensayos, se verificó que los materiales iniciales no tuvieran calor residual (ya que el curado incompleto es una de las causas de falla de las palas). Cabe aclararse que debió realizarse postcurado de las placas de material compuesto. Las propiedades mecánicas iniciales fueron menores para los materiales modificados con bentonitas que para los sin modificar lo que puede atribuirse a la mala dispersión de la arcilla. Por otra parte, tanto el módulo como la resistencia en flexión se triplicaron por el agregado de las fibras de vidrio. A partir de los ensayos de absorción de agua, se determinaron el coeficiente de difusión efectivo y la cantidad de agua absorbida para cada material. Se encontró que el agregado de arcilla condujo a un aumento en la cantidad de agua absorbida, lo que puede atribuirse a la hidrofilicidad de la misma. Se pudo ver que el material compuesto absorbe menor cantidad de agua que la matriz, lo que es acorde con el hecho de que las fibras actúan como inertes frente al agua. Para el caso del material compuesto, se estudió el efecto de la humedad relativa del ambiente y se pudo encontrar una correlación entre ésta y la cantidad de agua absorbida por el material. Se estudiaron los efectos de la absorción del agua sobre las propiedades mecánicas del material compuesto. Para ello se realizaron ensayos de flexión en tres puntos, resistencia al corte interlaminar y propiedades dinámico-mecánicas. Se encontró que la resistencia a la flexión disminuye en forma exponencial con la cantidad de agua absorbida. También se encontró que la resistencia al corte interlaminar en el material compuesto disminuye linealmente con la cantidad de agua absorbida. El módulo en flexión también se vio afectado. Para analizar el efecto del agua sobre la interface se utilizaron microscopías (SEM y óptica) y se observó que las fibras empiezan a despegarse de la matriz por efecto de la absorción del agua, lo que justifica los resultados obtenidos.