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An Eco-Friendly Kenaf–Sisal Hybrid Fibre Reinforced Epoxy Composites as a choice of Conventional Fibre Board for High-Voltage Insulation Applications

Este estudio demuestra que los compuestos de epoxi reforzados con fibras híbridas de kenaf y sisal tratadas con álcali ofrecen propiedades mecánicas, térmicas y dieléctricas superiores en comparación con los tableros de fibra convencionales, lo que los convierte en una prometedora alternativa ecológica para aplicaciones de aislamiento de alto voltaje.

Autores originales: C.Sasi kumar, S.Banumathi sembanan, T.Raja manikandan

Publicado 2026-08-04

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CC BY 4.0

Autores originales: C.Sasi kumar, S.Banumathi sembanan, T.Raja manikandan

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina que estás intentando construir un escudo para proteger un corazón electrónico delicado de una tormenta eléctrica. Durante décadas, los ingenieros han utilizado una pesada "armadura" sintética hecha de plásticos y fibras artificiales para mantener bajo control la electricidad de alto voltaje. Estos materiales son resistentes, pero también son pesados, difíciles de reciclar y suelen requerir mucha energía para su creación. Ahora, imagina un tipo de escudo diferente: uno tejido con las mismas plantas que crecen en nuestros jardines y campos. Este es el mundo de los "compuestos de fibras naturales", donde los científicos mezclan hebras vegetales con resinas pegajosas para crear materiales que son fuertes, ligeros y amables con el planeta. La gran pregunta que se hacen los investigadores es: ¿Puede un escudo hecho de plantas resistir realmente las mismas presiones eléctricas masivas que los pesados materiales sintéticos que usamos hoy en día?

Este artículo profundiza en esa misma cuestión probando una combinación única de dos plantas poderosas: el Kenaf y el Sisal. Piensa en el Kenaf como la columna vertebral rígida y firme del equipo, que proporciona estructura, mientras que el Sisal actúa como el músculo resistente y flexible que absorbe los impactos. Los investigadores mezclaron estas dos fibras vegetales con un pegamento especial llamado resina epoxi para crear un nuevo tipo de tablero "híbrido". Querían ver si este equipo de base vegetal podía superar a los tableros de fibra convencionales que se utilizan actualmente en equipos eléctricos de alto voltaje. Al tratar las fibras vegetales con un baño químico (como un lavado profundo para que se adhieran mejor) y probarlas bajo condiciones extremas, el estudio explora si los propios materiales de la naturaleza pueden convertirse en los nuevos campeones del aislamiento eléctrico.

El Potenciador de las Plantas: Mezclando Kenaf y Sisal

Los investigadores partieron de una idea sencilla: ¿por qué no combinar lo mejor de dos plantas diferentes? Las fibras de Kenaf son conocidas por ser ligeras y rígidas, mientras que las fibras de Sisal son famosas por su increíble resistencia y capacidad de estirarse sin romperse. Al entretejerlas en un solo material reforzado con resina epoxi, esperaban crear un "supermaterial" que fuera mejor que cualquiera de las dos plantas por separado.

Sin embargo, había un inconveniente. Las fibras vegetales son naturalmente un poco resbaladizas y les encanta absorber agua, lo que dificulta su unión con la pegajosa resina epoxi. Para solucionar esto, el equipo les dio un cambio de imagen químico. Sumergieron las hebras de Kenaf y Sisal en una solución de hidróxido de sodio (un tipo de líquido alcalino) durante 24 horas. Puedes pensar en esto como un día de spa de limpieza profunda para las fibras; eliminó las capas exteriores cerosas y sucias, y dejó la superficie rugosa y lista para agarrarse a la epoxi. Este tratamiento fue crucial porque ayudó a que las fibras y la resina se trabaran fuertemente, evitando que el agua se colara y debilitara la estructura.

La Gran Prueba: Estrés, Choque y Electricidad

Una vez creados los tableros de "planta-epoxi", el equipo los sometió a una serie de pruebas para ver cómo resistían. Crearon varias versiones del material, cambiando la cantidad de fibra en la mezcla. Algunas tenían muy poca fibra, mientras que otras tenían mucha. También incluyeron un "grupo de control" de epoxi puro (solo el pegamento) y un tablero de fibra comercial estándar para ver cómo se comparaba el nuevo híbrido vegetal con lo que se utiliza actualmente en el mundo real.

La Prueba de Músculo (Resistencia Mecánica)
Primero, probaron cuánta fuerza podían soportar los materiales antes de romperse. Los estiraron (resistencia a la tracción), los doblaron (resistencia a la flexión) y los golpearon con un fuerte impacto (resistencia al impacto).
Los resultados fueron emocionantes. A medida que añadían más fibra a la mezcla, el material se volvía más fuerte y rígido. El punto óptimo se encontró en una carga de fibra del 30 % en peso (es decir, 30 % de fibra y 70 % de epoxi). En esta proporción, el compuesto híbrido mostró su mejor rendimiento:

Resistencia a la tracción: 94.8 MPa
Módulo de Young (Rigidez): 6.21 GPa
Resistencia a la flexión: 142.3 MPa
Módulo de flexión: 6.91 GPa
Resistencia al impacto: 11.32 KJ/m²

Esta mezcla al 30 % era significativamente más fuerte que la epoxi pura y que el tablero de fibra tradicional. Sin embargo, cuando elevaron el contenido de fibra al 40 % en peso, el rendimiento disminuyó. ¿Por qué? Porque demasiada fibra provocó que las hebras se apelotonaran como una bola de lana enredada, creando puntos débiles y burbujas de aire que hacían que el material fuera más fácil de romper.

La Prueba del Escudo contra Rayos (Propiedades Dieléctricas)
A continuación, probaron la parte más importante: ¿podría este tablero vegetal detener la fuga de electricidad? Sometieron los materiales a altos voltajes que oscilaban entre 33 KV y 132 KV y los probaron en un amplio rango de frecuencias de 10² a 10⁶ Hz.

El objetivo era mantener estable la "constante dieléctrica" (qué tan bien el material retiene una carga eléctrica) y mantener lo más bajo posible el "factor de disipación" (cuánta energía se pierde como calor).

El Ganador: El compuesto híbrido del 30 % en peso volvió a coronarse. Mostró la menor pérdida de energía y las propiedades eléctricas más estables.
El Efecto de la Frecuencia: Curiosamente, a medida que aumentaba la frecuencia de la electricidad, la pérdida de energía en todos los materiales disminuía. Esto es algo positivo, lo que significa que los materiales manejan muy bien las señales eléctricas de alta velocidad.
La Comparación: El nuevo híbrido vegetal era mucho mejor aislante que el tablero de fibra tradicional, el cual sufría con la humedad y perdía más energía. Las fibras tratadas en el compuesto híbrido crearon un sello hermético que mantuvo la electricidad donde debía estar.

El Desafío de Calor y Agua
Finalmente, comprobaron cómo manejaban los materiales el calor y el agua.

Calor: Utilizando una técnica llamada Análisis Termogravimétrico (TGA), calentaron las muestras hasta los 700 °C. El compuesto híbrido del 30 % en peso mostró una estabilidad mejorada en comparación con el tablero tradicional, con una temperatura de degradación inicial de 338 °C y un residuo del 31.2 %. Sin embargo, el estudio señala que, aunque estos compuestos híbridos son viables para el aislamiento eléctrico, poseen una estabilidad térmica moderada bajo estas condiciones, en lugar de ser excepcionalmente resistentes al calor.
Agua: Las fibras naturales suelen odiar el agua, pero el tratamiento químico ayudó. El híbrido del 30 % en peso absorbió la menor cantidad de agua en comparación con las otras muestras y el tablero tradicional. Incluso después de ser empapado y envejecido en condiciones de humedad, el híbrido vegetal mantuvo mucho mejor su resistencia que los viejos tableros de fibra, que se deshacían rápidamente.

El Veredicto: Una Alternativa Verde

El estudio concluye que este compuesto híbrido de Kenaf y Sisal, específicamente el que tiene una carga de fibra del 30 % en peso, es un serio contendiente para reemplazar los tableros de fibra tradicionales en aplicaciones eléctricas de alto voltaje. Demostró ser más fuerte, más rígido y mejor para bloquear la electricidad que los materiales convencionales, todo ello estando hecho de plantas renovables y respetuosas con el medio ambiente.

Los investigadores descubrieron que la "fórmula secre 아닌" fue la combinación de las dos fibras diferentes trabajando juntas y el tratamiento químico que hizo que se adhirieran perfectamente a la epoxi. Aunque el material no es perfecto (demasiada fibra causa apelmazamiento) y su estabilidad térmica es moderada, la mezcla del 30 % en peso ofrece un camino prometedor y sostenible para la industria eléctrica. Sugiere que pronto podríamos construir nuestras redes eléctricas y escudos eléctricos utilizando materiales que crecen en la tierra, en lugar de depender únicamente de plásticos sintéticos pesados.

Resumen Técnico: Compuestos de Epoxi Reforzados con Híbridos de Fibra de Kenaf–Sisal Ecológicos para Aislamiento de Alto Voltaje

Planteamiento del Problema
Las industrias eléctrica y de potencia dependen actualmente de tableros de fibra convencionales y compuestos de polímeros sintéticos para el aislamiento de alto voltaje. Si bien estos materiales ofrecen propiedades de aislamiento y resistencia mecánica satisfactorias, presentan desventajas significativas: altos aportes de energía de fabricación, baja reciclabilidad y falta de sostenibilidad. Además, la creciente demanda mundial de materiales de ingeniería ecológicos exige la exploración de alternativas renovables. Las fibras naturales, como el kenaf y el sisal, ofrecen alta rigidez, tenacidad y biodegradabilidad; sin embargo, su aplicación en entornos de alto voltaje se ve limitada por desafíos como la deficiente adhesión interfacial fibra-matriz, la alta absorción de humedad y la inestabilidad térmica. Existe la necesidad de evaluar si la hibridación de estas fibras naturales dentro de una matriz de epoxi puede producir un material que iguale o supere el rendimiento de los tableros de fibra convencionales manteniendo los beneficios ambientales.

Metodología
El estudio se centró en la fabricación y caracterización de compuestos de epoxi reforzados con híbridos de fibra de kenaf–sisal.

Materiales: Las fibras de kenaf (Hibiscus cannabinus) y de sisal se obtuvieron de materiales agrícolas. Se utilizó un sistema de resina epoxi con un endurecedor como matriz.
Tratamiento de las Fibras: Las fibras brutas se sometieron a limpieza mecánica, corte y secado solar/en horno. Crucialmente, fueron sometidas a un tratamiento alcalino (solución de hidróxido de sodio al 5 % en peso durante 24 horas) para eliminar hemicelulosa, lignina y ceras, aumentando así la rugosidad superficial y reduciendo la sensibilidad a la humedad.
Fabricación: Las fibras tratadas se mezclaron con la matriz de epoxi en porcentajes de peso variables (10 %, 20 %, 30 % y 40 % de carga total de fibra, con partes iguales de kenaf y sisal). La mezcla se procesó mediante moldeo por compresión, seguido de un curado a temperatura ambiente (24 horas) y un post-curado (3–5 horas a 100–120 °C).
Especímenes: El estudio comparó los compuestos híbridos (designados como KS10E a KS40E) contra el epoxi puro (EP) y un tablero de fibra convencional (FB).
Caracterización: Los materiales se evaluaron mediante:
- Morfología: Uso de Microscopía Electrónica de Emisión de Campo (FESEM) para analizar la modificación de la superficie y los mecanismos de fractura.
- Propiedades Mecánicas: Resistencia/módulo a la tracción (ASTM D3039), resistencia/módulo a la flexión (ASTM D790) y resistencia al impacto (ASTM D256).
- Propiedades Dieléctricas: Permitividad ( $\epsilon'$ ), factor de disipación ( $\tan \delta$ ) y factor de pérdida dieléctrica ( $\epsilon''$ ) medidos en frecuencias de $10^2$ a $10^6$ Hz en voltajes que van desde 33 kV hasta 132 kV.
- Estabilidad Térmica: Análisis Termogravimétrico (TGA) desde temperatura ambiente hasta 700 °C.
- Humedad y Envejecimiento: Absorción de agua (ASTM D570) y estudios de envejecimiento acelerado térmico/húmedo.
- Modelado: Los datos mecánicos se compararon con modelos micromecánicos (Regla de Mezclas, Halpin-Tsai, Nielsen-Chen).

Resultos Clave

Desempeño Mecánico: Los compuestos híbridos demostraron propiedades mecánicas superiores en comparación con el epoxi puro y los tableros de fibra convencionales. El rendimiento alcanzó su punto máximo con una carga de fibra del 30 % en peso (KS30E).
- Resistencia a la tracción: Alcanzó 94.8 MPa.
- Módulo de Young: Alcanzó 6.21 GPa.
- Resistencia a la flexión: Alcanzó 142.3 MPa.
- Resistencia al impacto: Alcanzó 11.32 kJ/m².
- Nota: Se observó un declive en las propiedades al 40 % de carga debido a la aglomeración de fibras, el pobre mojado de la matriz y la formación de vacíos.
Características Dieléctricas: El compuesto KS30E exhibió el mejor desempeño dieléctrico, caracterizado por una constante dieléctrica estable y los factores de disipación y pérdida más bajos en todo el rango de frecuencias probado ( $10^2$ – $10^6$ Hz) a 132 kV. La constante dieléctrica, el factor de disipación y el factor de pérdida dieléctrica disminuyeron a medida que la frecuencia aumentaba. Esta tendencia se atribuye a la incapacidad de los mecanismos de polarización dipolar e interfacial para seguir los cambios rápidos del campo eléctrico a frecuencias más altas, reduciendo así la pérdida de energía. El tratamiento alcalino redujo significamente el contenido de humedad y los defectos interfaciales, lo que condujo a menores pérdidas dieléctricas en comparación con el tablero de fibra convencional no tratado.
Estabilidad Térmica: Los resultados de TGA indicaron que los compuestos híbridos, particularmente la muestra del 30 % en peso, poseían temperaturas de inicio de degradación más altas y un mayor contenido de residuo (31.2 % a 700 °C) en comparación con el tablero de fibra convencional. La eliminación de componentes térmicamente inestables mediante el tratamiento alcalino contribuyó a esta estabilidad.
Resistencia a la Humedad y Envejecimiento: Los compuestos híbridos mostraron una absorción de agua significativamente menor que el tablero de fibra convencional. La muestra KS30E demostró la mínima captación de agua y la mayor retención de propiedades tras el envejecimiento térmico y húmedo, debido a una fuerte adhesión fibra-matriz y mínimos vacíos.
Morfología: El análisis FESEM confirmó que el tratamiento alcalino eliminó impurezas superficiales y aumentó la fibrilación, mejorando el entrelazamiento mecánico. La muestra KS30E mostró una dispersión de fibras uniforme y una fuerte unión interfacial, mientras que la muestra del 40 % en peso mostró signos de aglomeración y desprendimiento (pull-out).

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que el compuesto híbrido KS30E (30 % en peso de fibras de kenaf-sisal tratadas) representa la formulación óptima para aplicaciones de aislamiento de alto voltaje. El estudio concluye que esta mezcla específica logra un equilibrio sinérgico donde la rigidez del kenaf y la tenacidad del sisal complementan la matriz de epoxi, resultando en un material que supera a los tableros de fibra convencionales en resistencia mecánica, estabilidad dieléctrica, resistencia térmica y capacidad de barrera contra la humedad.

Los autores posicionan este trabajo como una alternativa viable y ecológica a los materiales de aislamiento tradicionales en los sectores de ingeniería eléctrica y de potencia. Al demostrar que los híbridos de fibra natural pueden soportar altos voltajes (hasta 132 kV) y condiciones ambientales severas, la investigación respalda la transición hacia materiales de ingeniería sostenibles y biodegradables sin comprometer las métricas críticas de rendimiento. El estudio reconoce limitaciones respecto a la variabilidad natural de las fibras y la dificultad de medir los tamaños iniciales de los poros de ruptura, sugiriendo trabajos futuros que involucren procesamiento al vacío e hibridación con otras resinas como la Poliurea.

El Potenciador de las Plantas: Mezclando Kenaf y Sisal

La Gran Prueba: Estrés, Choque y Electricidad

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