Análisis estadístico vía lenguaje Python del nivel de significancia de los valores de resistencia a la tracción, flexión y térmica para diferentes niveles de relleno de escoria de acería, tipo y contenido de refuerzo de fibras de maguey y chambira en la preparación de materiales compuestos a base de resina epoxi

Abstract

La investigación sobre el reaprovechamiento alternativo del uso de fibras naturales maguey y chambira en materiales compuestos de matriz polimérica ha adquirido cada vez más importancia. Asimismo, el uso de escorias de acerías para relleno de matriz polimérica ha traído consigo un beneficio para la industria siderúrgica debido a que promueve la reutilización de sus residuos generados. Para la preparación de materiales compuestos, se eligió la técnica de laminación manual, seguidamente, se llevó a cabo la selección, preparación y caracterización completa de las materias primas (néctar y fibras de maguey, y fibra de chambira, escoria de acería y dos tipos de cascarillas de acero). Entre las principales técnicas de caracterización utilizadas se encuentran EFRX, EAAF, DRX, TGA- DTA, FTIR y MEB/SEM. El trabajo se inició con el establecimiento de un diseño de experimentos para evaluar el efecto individual y de sinergia múltiple de tres variables independientes, usando el método ANOVA, entre ellas: X1: Relleno de escoria de acería (0 y 5 %), X2: Tipo de refuerzo (fibra maguey o chambira) y X3: contenido de refuerzo (0,5, 7.5 y 10 %) sobre las variables dependientes: Y1: resistencia a la tracción, Y2: resistencia a la flexión e Y3: resistencia térmica (análisis termogravimétrico DTG y TGA). La contrastación de la hipótesis general mostró que la variación en el porcentaje de relleno de escoria de acería, el tipo y contenido de refuerzo influyeron en las propiedades mecánicas del material, sin embargo, la mejora no fue uniforme en todas las condiciones evaluadas. En cuanto a las hipótesis específicas, la incorporación de un 5 % de escoria de acería no mostró una mejora significativa en la resistencia a la tracción en comparación con la muestra sin escoria, pues esta disminuyó de 45 a 35 MPa. No obstante, su presencia en combinación con fibras naturales permitió incrementar la resistencia a la flexión, destacando la fibra de chambira al 10 % de contenido de refuerzo y con 5 % de escoria de acería, con la mayor resistencia registrada de 66 MPa, lo que indicó que su uso fue beneficioso. Por otra parte, la influencia de fibras naturales en la matriz polimérica fue variable. Con un 5 % de fibra de chambira y maguey la resistencia a la tracción fue de 26 y 14 MPa, respectivamente. A pesar de ello, a mayores concentraciones de refuerzo (≥ 7.5%), se observó una recuperación. En flexión, la ausencia de refuerzo mostró la menor resistencia (45 MPa), mientras que un mayor contenido de refuerzo mejoró los resultados, para 10 % de refuerzo de tanto fibra de maguey como fibra de chambira, la resistencia a la flexión alcanzó un 52 y 66 MPa, respectivamente. Este hallazgo indicó que el uso de este refuerzo mejoró la rigidez estructural del material, en consecuencia, un mayor contenido de refuerzo no siempre se traduce en un aumento lineal de la resistencia a la flexión, lo que se propone que la dispersión y adherencia de las fibras dentro de la matriz juegan un papel importante. En relación con la resistencia térmica, materiales compuestos E1 al E8, observaron valores muy similares de picos de descomposición térmica (entre 365.85 y 370.74 °C), sin embargo, los correspondientes a las fibras de maguey y chambira expresaron valores 315.70 y 334.13 °C, respectivamente. En el caso de las pérdidas totales de peso, las experiencias E1 al E8 fluctuaron entre 93 y 98 %, mientras que las fibras de maguey y chambira mostraron 88 y 95 % vía DTG, y 93.04 y 90.87 % vía análisis de proximidad. Si bien existen indicios de que el tipo de refuerzo de fibra chambira y maguey podría influir en la resistencia térmica, la falta de significancia global en los modelos de regresión lineal múltiple y análisis de varianza (ANOVA) no permitió establecer una relación concluyente entre las variables independientes y las variables dependiente. Palabras clave — Fibra de maguey, fibra de chambira, epoxi modificado con escoria, análisis de varianza ANOVA, resistencia a la tracción, resistencia a la flexión, resistencia térmica.

The research on the alternative reuse of natural fibers from maguey and chambira in polymer matrix composites has gained increasing importance. Similarly, the use of steel mill slags as a filler for polymer matrices has brought benefits to the steel industry by promoting the reutilization of its generated waste. For the preparation of composite materials, the hand lay-up technique was chosen, followed by the selection, preparation, and complete characterization of raw materials (maguey nectar and fibers, chambira fiber, steel mill slag, and two types of steel scale). The main characterization techniques used include XRF, AAS, XRD, TGA-DTA, FTIR, and SEM.The study began with the establishment of an experimental design to evaluate both the individual and multiple synergistic effects of three independent variables using the ANOVA method: X1: steel mill slag filler (0 and 5 %), X2: type of reinforcement (maguey or chambira fiber), and X3: reinforcement content (0, 5, 7.5, and 10 %) on the dependent variables: Y1: tensile strength, Y2: flexural strength, and Y3: thermal resistance (thermogravimetric analysis - DTG & TGA). The validation of the general hypothesis showed that variations in the percentage of steel mill slag filler, as well as the type and content of reinforcement, influenced the mechanical properties of the material. However, the improvements were not uniform across all evaluated conditions. Regarding the specific hypotheses, incorporating 5 % steel mill slag did not significantly improve tensile strength compared to the sample without slag, as it decreased from 45 to 35 MPa. Nevertheless, its presence in combination with natural fibers increased flexural strength, with chambira fiber at 10 % reinforcement content and 5 % steel mill slag achieving the highest recorded strength of 66 MPa, indicating that its use was beneficial. On the other hand, the influence of natural fibers in the polymer matrix was variable. With 5 % chambira and maguey fiber, the tensile strength was 26 and 14 MPa, respectively. However, at higher reinforcement concentrations (≥ 7.5 %), a recovery was observed. In flexural strength, the absence of reinforcement resulted in the lowest resistance (45 MPa), whereas higher reinforcement content improved the results. At 10 % reinforcement content, both maguey and chambira fibers reached flexural strengths of 52 and 66 MPa, respectively. This finding indicated that the use of these reinforcements improved the structural rigidity of the material. Consequently, a higher reinforcement content does not always lead to a linear increase in flexural strength, suggesting that fiber dispersion and adhesion within the matrix play a crucial role. In terms of thermal resistance, composite materials E1 to E8 exhibited very similar thermal decomposition peak values (ranging between 365.85 °C and 370.74 °C). However, the corresponding values for maguey and chambira fibers were 315.70 °C and 334.13 °C, respectively. Regarding total weight loss, experiences E1 to E8 fluctuated between 93 and 98 %, while maguey and chambira fibers showed 88 and 95 % via DTG and 93.04 and 90.87 % via proximate analysis. Although there are indications that the type of reinforcement (chambira and maguey fibers) may influence thermal resistance, the lack of overall significance in the multiple linear regression models and ANOVA did not allow for a conclusive relationship to be established between the independent variables and the dependent variables.