Ingeniería y Ciencia de los Materiales
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Item Estudio comparativo de la acción de copolímeros en bloque de estirenobutadieno- estireno (SBS) en la modificación de las propiedades físicas y reológicas del asfalto(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-10-07) Herencia Peña de Pareja, Wendy Luisa; Rueda Sanchez, Juan CarlosEn la presente tesis se hizo un estudio comparativo de dos copolímeros estirenobutadieno- estireno (SBS) en bloque, lineales, que actualmente son utilizados como modificadores de asfaltos, ambos procedentes de la empresa Dynasol Elastómeros S.A. de C.V. y fueron elaborados mediante polimerización aniónica y denominados para fines del estudio como: SBS-1 y SBS-2. La caracterización de los copolímeros SBS fue realizada mediante técnicas de RMN, FTIR-ATR y GPC. La diferencia principal en su composición química entre los copolímeros SBS-1 y SBS-2 radicó en el contenido del grupo 1,2-vinilo de la cadena de polibutadieno del copolímero. El copolímero SBS-2 tuvo 36% molar de grupos 1,2-vinilos mientras que el copolímero SBS-1 solo tuvo 11% molar. El contenido de poliestireno en peso fue de 31% para el copolímero SBS-1 y 34% para el copolímero SBS-2. Los pesos moleculares promedio en peso (Mw) fueron de 146,000 g/mol para los dos copolímeros. La polidispersidad fue de 1.5 para el SBS-1 y 1.6 para el SBS-2. El asfalto seleccionado para ser modificado con polímeros fue PEN 60-70 con Grado de Performance PG 64-22, procedente de la Refinería Conchan de la empresa Petroperú S.A. cuya composición química obtenida mediante la cromatografía SARA, fue de: 22.45% de compuestos saturados, 9.51% de compuestos aromáticos, 53.45% de compuestos resinas y 14.59% de compuestos asfaltenos. Dada la composición química del asfalto, no se cumplieron los requisitos para asegurar un alto grado de compatibilidad asfalto/polímero, al haberse encontrado que el índice de inestabilidad coloidal fue igual a 0.59 y no 0.3, el contenido de aromáticos igual a 9.51% y no 55% mínimo y, por otro lado, la relación de saturados/aromáticos, fue igual a 2.36 y no 0.55, tal como es aconsejado en la literatura (Polaccoa, 2015). Por consiguiente, debido al bajo contenido de aromáticos, la mezcla asfalto-polímero SBS, tendría problemas de incompatibilidad, producto del menor grado de solvencia de polímero. (Airey, 2003). Frente a la composición química del asfalto seleccionado, la dosis de polímero no fue alta y el uso de azufre como agente vulcanizante del polímero ayudó a mejorar la estabilidad en el almacenamiento del asfalto modificado. La relación de azufre/polímero fue 0.05 con ambos copolímeros SBS. Sin embargo, esta relación depende de la calidad del polímero seleccionado y sobre todo de las características del asfalto modificado requeridas para su uso en el pavimento, de acuerdo a las Especificaciones Técnicas Generales para Construcción EG-2013 del Ministerio de Transportes y Comunicaciones del Perú. En esta tesis, a modo comparativo los copolímeros SBS-1 y SBS-2 fueron utilizados con la misma dosis, es decir, 3% en peso respecto al asfalto PEN 60-70. De los dos copolímeros SBS evaluados, solo el copolímero SBS-1 llenó los requisitos de calidad para obtener un asfalto modificado con las características de acuerdo a la norma peruana para el tipo IC y, además, con Grado de Performance PG 76-22 y clasificación para tráfico muy pesado (V). El mayor contenido de los grupos 1,2-vinilo en la cadena del polibutadieno del copolímero SBS-2 generó mejores propiedades físicas, pero no mejores propiedades reológicas que el copolímero SBS-1 en el asfalto. Adicionalmente, esta tesis incorporó en la caracterización de los asfaltos modificados la determinación del Grado de Performance, la clasificación por tipo de tráfico mediante la prueba del MSCR, prueba de Múltiple Stress Creep Repetido (ASTM D-7405) y la medición de la resistencia a la fatiga de los asfaltos mediante el ensayo LAS (Estimating Fatigue Resistance of Asphalt Binders Using the Linear Amplitude Sweep, AASHTO T- 391), siendo estas herramientas valiosas en la selección del polímero para un asfalto modificado específico.Item Biopolymer composites as triboelectric layers for the development of triboelectric nanogenerator (TENG)(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-08-29) Delgado De Lucio, Virgilio Brian; Torres García, Fernando GilbertoThe escalating global energy demand, propelled by rapid industrial expansion, has underscored the imperative of transitioning to cleaner and more sustainable energy sources to combat pollution and mitigate the adverse effects of global warming. Triboelectric nanogenerators (TENGs) have emerged as a promising technology capable of harnessing ambient mechanical energy and converting it into electrical power. This research initiative seeks to advance the field by focusing on the development of composite materials derived from a synergy of biopolymers extracted from natural sources, particularly potatoes, and inorganic fillers. The comprehensive objectives of this study encompass the extraction of biopolymers from natural resources, the meticulous characterization of composite materials to ascertain their mechanical, physicochemical, and morphological properties, the fabrication of TENGs employing these composite materials, and an exhaustive evaluation of the TENGs' performance metrics. Remarkably, the composite materials exhibit outstanding dielectric properties, characterized by exceptional dielectric permittivity (ε) values. At a fundamental level, these materials showcase impressive dielectric constant (ε') values, with specific examples reaching into the millions at a frequency of 1 Hz. Furthermore, the dielectric loss (ε'') values, representing the imaginary component of permittivity, also exhibit notable characteristics. For instance, certain composite materials demonstrate ε'' values that mirror the remarkable ε' values, signifying their potential to excel in energy storage applications. What sets this research apart is not only the development of materials with exceptional dielectric properties but also the exploration of their practical application in triboelectric nanogenerators. The TENGs fashioned from these composite materials consistently exhibit remarkable voltage outputs, further underscoring their potential for various energy harvesting applications.Item Influencia de la temperatura del aire al interior del molde sobre las propiedades de los materiales compuestos de polietileno reciclado y madera capirona recuperada fabricados por moldeo rotacional(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-08-12) Vilcayauri Rios, Ademir Alejandro; Acosta Sullcahuamán, Julio ArnaldoEn el procesamiento de compuestos de madera-plástico (WPC) mediante moldeo rotacional, puede ocurrir la descomposición térmica de la madera debido a las altas temperaturas del proceso. Sin embargo, puede evitarse controlando el pico de temperatura interna del aire (PIAT, por sus siglas en inglés). En esta perspectiva, el principal propósito de este trabajo es determinar cómo están relacionados el PIAT y las propiedades del WPC rotomoldeado entre sí. Para lograr esto, se procesaron varios materiales utilizando diferentes temperaturas de horno y tiempos de calentamiento. Como consecuencia, el PIAT alcanzó un valor específico durante el proceso en cada caso. Luego, se realizaron ensayos de caracterización para determinar las propiedades mecánicas y físicas de los materiales obtenidos. Finalmente, utilizando los resultados de las pruebas, se definió una relación entre el PIAT y esas propiedades. Los WPC rotomoldeados estaban compuestos por un 85% de polietileno de alta densidad reciclado (HDPER) y un 15% de partículas de madera de capirona (CWP), pero también se procesaron materiales compuestos por un 100% de HDPER. Los resultados muestran que se requiere un PIAT de 208 °C para que un WPC rotomoldeado se densifique completamente. Bajo esta condición, tiene propiedades óptimas y no sufre degradación térmica. En cuanto al material compuesto por un 100% de HDPER, se necesita un PIAT de 233 °C para alcanzar dicho estado. Además, utilizando la segunda derivada de los perfiles de temperatura interna del aire, también se identificaron el comienzo y el final de las seis fases del proceso de moldeo rotacional.Item Investigation of the rheological behavior of polyborosiloxane with magnetically responsive particles(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-02-26) Vilca Bendezu, Miguel Alberto; Grieseler, RolfDurch die Entwicklung der Soft-Robotik wird der Einsatz neuer oder neuartiger Materialien forciert, die den notwendigen Anforderungen und Ansprüchen in diesem Bereich gerecht werden. In diesem Zusammenhang kommt den sogenannten Smart Materials besondere Bedeutung zu. Diese Werkstoffe haben die einzigartige Fähigkeit, ihre Eigenschaften unter dem Einfluss physikalischer Größen zu verändern, z.B. in Abhängigkeit von der Temperatur, äußeren Magnetfeldern und elektrischen Feldern. Ein solches Smart Material, das in der Vergangenheit nur als Spielzeug verwendet wurde, ist Polyborosiloxane, welches umgangssprachlich auch als "Silly Putty" bekannt ist. Dieses besitzt aufgrund seiner nicht-newtonschen Eigenschaften vielfältige Anwendungsgebiete. Um das Verhalten von Polyborosiloxane durch ein äußeres Magnetfeld beeinflussen zu können, wurden in der vorliegenden Arbeit Verbundwerkstoffe mit einer Matrix aus Polyborosiloxane sowie Partikeln aus Carbonyleisenpulver synthetisiert und untersucht. Die genannten Komponenten wurden nach der Synthese des Polyborosiloxanes aus Polydimethylsiloxane und Borsäure von Hand gemischt, wobei der Massenanteil der dem Polymer zugesetzten Partikel von 20% bis 80% in Schritten von 20% variiert wurde. Zunächst wurden eine Reihe rheologischer Untersuchungen durchgeführt, um die entstandenen Proben hinsichtlich ihres Speicher- und Verlustmoduls zu charakterisieren und zu vergleichen. Um das Fließverhalten des Materials im Schwerefeld der Erde durch ein Magnetfeld zu beeinflussen, wurde eine Helmholtz-Spule genutzt, die sich durch ein konstantes und homogenes Magnetfeld in der Mitte der Spulen auszeichnet. Die aus den Experimenten gewonnenen Ergebnisse zeigen die Fähigkeit des Materials, eine gewünschte Form unter Einwirkung eines Magnetfelds länger beizubehalten.Item Investigation of the rheological behavior of polyborosiloxane(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-02-26) Ramirez Mestanza, Dante Aaron; Grieseler, RolfPolyborosiloxano, una silicona derivada de la modificación del polidimetilsiloxano con grupos B(OH)x en sus cadenas poliméricas, exhibe propiedades únicas, como su comportamiento reológico y capacidad de autorregeneración. Estas características se explican a través de su estructura química: ante deformaciones lentas, los enlaces se rompen y regeneran secuencialmente, permitiendo el movimiento de las cadenas. No obstante, al superar un límite, estos enlaces actúan como puntos de reticulación, aumentando la rigidez del material. Aunque se ha investigado la relación entre la estructura química y las propiedades, la influencia de los métodos de síntesis y diversos estímulos aún no se ha explorado completamente. En esta investigación, se fabricaron muestras de polyborosiloxano utilizando polidimetilsiloxanos con diferentes viscosidades. Estas muestras se clasifican en tres categorías: la primera consiste en polyborosiloxanos puros, la segunda en muestras obtenidas mezclando dos precursores de viscosidades diferentes en proporciones en peso (20/80, 40/60, 60/40 y 80/20 %), y la tercera en mezclas de los polyborosiloxanos puros siguiendo las mismas proporciones que la segunda categoría. Se realizaron pruebas de barrido de amplitud y frecuencia para evaluar las propiedades reológicas de las muestras. Además, se emplearon diversas técnicas para caracterizar la estructura química y morfología, con el fin de identificar los diferentes enlaces químicos y residuos de ácido bórico no reaccionado. Con el propósito de analizar el impacto de las vibraciones, se realizó una prueba de cambio de forma a diversas frecuencias para determinar las tasas de deformación de las muestras de polyborosiloxano puro. El análisis químico y morfológico de las muestras confirma la existencia de enlaces Si-O-B en la estructura, validando la correcta síntesis del polyborosiloxano. Además, se identificaron residuos de ácido bórico no reaccionado en todas las muestras sometidas a ensayo. En relación con la caracterización reológica, se constató que las muestras pertenecientes a la segunda categoría exhibieron una distribución más homogénea en la influencia de uno de los polyborosiloxanos en sus propiedades en comparación con las de la tercera categoría. Además, en estas últimas, la adición de polyborosiloxano de menor viscosidad afectó el comportamiento reológico para valores superiores al 40%. Los gráficos de cambio de forma evidencian el impacto de los estímulos mecánicos en la capacidad de retención de forma del polyborosiloxano. En el caso de la muestra de menor viscosidad, se registraron las mayores y menores deformaciones a 0 Hz y 1 Hz, respectivamente; en contraste, para la otra muestra, dichas frecuencias fueron de 5 Hz y 1 Hz.Item Utilización de una Nariz Electrónica elaborada a partir de MOS para la evaluación y diferenciación de la calidad del pisco peruano(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-08-31) Visurraga Mariño, Karinna Beatriz; Sun Kou, María del RosarioEl objetivo de la presente tesis es realizar la diferenciación de las variedades de Pisco (Italia y Quebranta) que cumplan con la Denominación de Origen, así como la diferenciación del Pisco Quebranta con mezclas adulteradas con aguardiente de caña en diferentes proporciones. Para esta investigación se utilizó una nariz electrónica conformada por un arreglo de sensores basados en óxidos metálicos (SnO2 y TiO2) y composites a base de mezcla de óxidos en diferentes proporciones: (SnO2/TiO2) 1:4, (SnO2/TiO2) 1:2 y (SnO2/TiO2) 4:1. Estos materiales fueron dopados con Pt y/o Pd y adicionalmente fueron recubiertos con zeolita-Y. Este material funciona como un tamiz molecular que discrimina moléculas por su tamaño y forma. Para la preparación de los óxidos metálicos se utilizó el método sol-gel, y para el dopaje se utilizó el método por impregnación húmeda. La caracterización de los materiales se realizó mediante las siguientes técnicas: DRX, SEMEDS y FRX, con las que se lograron determinar las estructuras cristalinas y se pudo confirmar la presencia de los dopantes. Asimismo, por espectroscopía Raman se confirmó la presencia de vacancia de oxígenos superficiales, lo cual fue asociado con el incremento en la respuesta del sensor. La información de las respuestas obtenidas del análisis de sensado fue procesada utilizando la técnica de Análisis de Componentes Principales (PCA), esta técnica es un método estadístico multivariado que produce nuevas variables, denominadas componentes principales, a partir de transformaciones lineales de las variables originales, de modo tal que estas nuevas variables maximicen la Varianza Total que indica el nivel de confianza de los resultados. El PCA permite visualizar la diferenciación entre las variedades de pisco, así como la diferenciación frente a un pisco adulterado. Los sensores que mostraron una buena diferenciación de las muestras de Pisco según las variedades Italia y Quebranta son: (SnO2-TiO2)1:4, (SnO2/TiO2)1:2, (SnO2/TiO2) 4:1, 0.05% Pt (SnO2/TiO2) 4:1, 0.1% Pt (SnO2/TiO2)4:1, 0.05% -0.05% Pt-Pd(SnO2/TiO2) 4:1, 0.05% - 0.1% Pt-Pd(SnO2/TiO2) 4:1, 0.1% Pt/SnO2 y 0.05% -0.1% Pt/SnO2. El sensor (TiO2/SnO2) 4:1 es el que muestra una mayor sensibilidad y mayor capacidad para diferenciar las mezclas de Pisco con aguardiente de caña (AC), especialmente en las mezclas con menor concentración de AC. Asimismo, la capacidad de diferenciación mejora con el recubrimiento de zeolita-Y en los siguientes sensores: 0.1% Pt/SnO2 y 0.05%-0.1% Pt-Pd/SnO2.Item Desarrollo de bioplásticos a partir del cactus Echinopsis pachanoi y de algas del litoral peruano(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-07-20) Vicente Meléndez, Erika Fabiola; Torres Garcia, Fernando GilbertoActualmente, existe interés en la caracterización de biopolímeros naturales y su uso en el desarrollo de bioplásticos con el fin de sustituir los plásticos derivados del petróleo que son de difícil descomposición o que impactan negativamente el medio ambiente. Este trabajo se centra en la caracterización del mucílago del cactus Echinopsis pachanoi (E. pachanoi) y el desarrollo de bioplásticos a partir del mucílago del E. pachanoi y algas del litoral peruano como son Ulva nematoidea y Chondracanthus chamissoi. Se desarrolló un proceso efectivo para la obtención del polvo de mucílago de E. pachanoi. Los ensayos FTIR, DSC y TGA permitieron estudiar las características iniciales de dicho biopolímero. Asimismo, los estudios reológicos del gel de E. pachanoi dieron como resultado un comportamiento predominantemente elástico y un comportamiento de deformación reversible. Se fabricaron films basados en mezclas de mucilago de E. pachanoi, ulva y carragenina. Los principales resultados indicaron que el mucílago promueve, dependiendo del tipo de mezcla, la modificación de las propiedades térmicas y mecánicas de los films. En el caso del film de mucílago con carragenina, se obtiene un material más flexible y de menor resistencia; por el contrario, cuando se mezcla con ulvan se obtiene un material más rígido y resistente. Los resultados del presente trabajo indican que biopolímeros como el mucílago de E. pachanoi, ulvan y carragenina, que son materiales abundantes, renovables, biodegradables y no tóxicos para el ser humano, pueden ser utilizados para fabricar bioplásticos y, en el futuro, cubrir demandas de coberturas comestibles y otros.Item El catabolismo de glucosinolatos durante el secado postcosecha determina la proporción final de amidas y bencenoides bioactivos en harina de maca (Lepidium meyenii)(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-04-11) Esparza Ballón, Eliana; Cosio Caravasi, Eric GabrielEl procesamiento postcosecha de raíces de maca (Lepidium meyenii Walp., Brassicaceae), un cultivo tradicional altoandino, implica un secado lento en el campo antes de la molienda para producir harina. La deshidratación progresiva de los tejidos y la liberación de enzimas hidrolíticas y sustratos de los compartimentos celulares da como resultado la acumulación lenta de monosacáridos, ácidos grasos y aminoácidos libres. Un perfil cinético más complejo y rápido es el de la degradación de glucosinolatos. Durante el secado se generan una serie de productos de acumulación estables, y también intermediarios reactivos, algunos de los cuales tienen propiedades bioactivas notables. Entre estos se encuentran las macamidas, inhibidores de la degradación de los neurotransmisores endocannabinoides en el sistema nervioso de los mamíferos. Las macamidas son el resultado de la condensación de bencilamina, un producto de hidrólisis de glucosinolatos, con ácidos grasos liberados por la hidrólisis de lípidos. Investigaciones recientes se han centrado en desarrollar procesos de secado en condiciones controladas que puedan modular la bioquímica de la hidrólisis de glucosinolatos para optimizar el contenido de compuestos bioactivos en la harina de maca. El secado de maca triturada en horno a temperatura moderada (35 °C) bajo un flujo de aire controlado genera bencilamina como producto primario de acumulación, que representa hasta el 94% del glucosinolato hidrolizado en la harina. La evidencia cinética sugiere que tanto los bencenoides desaminados como las macamidas, que representan menos del 5% de glucosinolato hidrolizado, se generan a partir de la bencilamina acumulada a través de la actividad de aminaoxidasas o por la condensación con ácidos grasos libres, respectivamente. Etapas posteriores de deshidratación resultan en cambios en las proporciones molares de los distintos bencenoides desaminados, tales como ésteres de ácido benzoico y alcohol bencílico. En este reporte se propone que estos son el resultado de cambios en las tasas de las semirreacciones reductivas y oxidativas de aldehído-deshidrogenasas endógenas y que es la relación entre la desaminación de bencilamina o de su condensación a amidas lo que determina los rendimientos finales de macamidas en relación con bencenoides y sus ésteres en la harina de maca. Las condiciones redox durante el secado determinan, por lo tanto, el perfil bioactivo y calidad de la harina de maca generada, y son factores a tomar en cuenta para una eventual estandarización de este proceso.Item Synthesis and characterization of nanostructured ternary MAX-phase thin films prepared by magnetron sputtering as precursors for twodimensional MXenes(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2023-03-07) Miranda Marti, Marta; Grieseler, RolfMAX phase thin films can be fabricated through firstly depositing a precursor thin film consisting of the initial elements M, A, and X close to the MAX phase stoichiometry employing physical vapor deposition techniques with a subsequent thermal annealing process. This work presents different deposition configurations (multilayer and co-sputtering) for the fabrication of the Ti2AlC and Ti3AlC2 MAX phase thin films by magnetron sputtering from three elemental targets (Ti, Al, and C). It was found that the depositions followed mainly amorphous thus the MAX phase was not able to form. By implementing the deposition parameters such as temperature and substrate voltage, the deposition morphology could be tailored to crystalline and MAX phases could be created. Moreover, Ti2AlC and Ti3AlC2 nanostructured MAX phase thin films were fabricated by magnetron sputtering with three elemental targets (Ti, Al, and C) at oblique angle, resulting in a columnar thin film, and the properties of the thin film were described as a function of the column tilt angle. Lastly, the MAX phases at normal configuration and at oblique angle configuration were wet etched and the properties of the resulting MXene thin films were analyzed. It was demonstrated that only the surface of the sample was attacked by the etching solution. Thus, only the surface of the MAX phase was transformed into MXene. This hypothesis was verified by multiple characterizations such as e.g., X-Ray Diffraction and Raman spectroscopy to understand the possible morphology and chemical transformation and its influence on the etched thin film properties. The aim of this work is to unravel the connection between the morphology of the MAX phase thin films and the properties of the resulting MXenes. By understanding this relationship, it would be possible to tailor their features for specific applications.Item Estudio de un acero fundido de alto carbono aleado con cromo para aplicaciones antidesgaste en minería(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2022-07-11) Figari Korrodi, Bruno Alejandro; Acosta Sullcahuaman, Julio ArnaldoEn la última década, el desarrollo de la industria minera en el Perú ha presentado un crecimiento notable con un incremento de la inversión minera fluctuante, teniendo un pico en el año 2013, para luego caer debido a la crisis internacional y a la baja en los precios de los metales. En el año 2016 se da la reactivación de proyectos mineros importantes y nuevamente un incremento gradual en la inversión hasta el año 2019. Es en este escenario de mayor competitividad y precios fluctuantes de los metales, el abastecimiento de equipos de chancado y molienda exige que los fabricantes de piezas y repuestos para minería evalúen constantemente el desarrollo de nuevos productos para mejorar el rendimiento de los equipos de procesamiento de minerales, incluyendo la introducción al sector minero de elementos antidesgaste a base de polímeros, cerámicos y de materiales compuestos con precios competitivos. El desarrollo de nuevas aleaciones de aceros antidesgaste, con mayores tiempos de duración y mejores propiedades mecánicas son indispensables para el equipamiento minero en el Perú. El objetivo del presente trabajo es desarrollar, fabricar y caracterizar un acero fundido de alto carbono aleado con cromo, para su aplicación en elementos resistentes al desgaste que requieren una elevada dureza además de una buena resistencia al impacto, semejante al acero para herramientas AISI D2. Con este propósito se elaboró un diseño experimental que permitió determinar las aleaciones y los ciclos de tratamientos térmicos adecuados para obtener la combinación de propiedades mecánicas deseadas: dureza, resistencia al impacto y resistencia al desgaste. Según el diseño experimental se determinaron las propiedades a evaluar y el rango de la composición química para las aleaciones. Seguidamente se fabricaron las muestras mediante el proceso de fundición en molde de arena y horno de inducción. A continuación, se realizaron ensayos de templabilidad y los tratamientos térmicos para proceder con la caracterización de propiedades mecánicas, así como la microestructura. Finalmente se evaluaron y compararon los resultados obtenidos. A partir del estudio se han desarrollado, fabricado y caracterizado dos aceros de alto contenido de carbono aleados con cromo, denominados: HB1, con 1.43% de carbono, 13.34% de cromo y 0.79% de molibdeno, y AR4, con 1.18% de carbono, 13.09% de cromo y 1.04% de molibdeno; que para condiciones óptimas de tenacidad presentan durezas de 53.5 HRC y resistencias al impacto de 23.3 J para el acero HB1 y 53.5 HRC y 10.2 J para el acero AR4, así como resistencias al desgaste de 136.6 mm3 y 185.5 mm3 de pérdida de volumen para el HB1 y AR4 respectivamente. Dichas propiedades son apropiadas para la fabricación de elementos resistentes al desgaste con espesores de hasta 8” requeridos en la industria minera.