QUINTO CONGRESO INTERNACIONAL DE FIBRAS NATURALES Con énfasis en Materiales de Construcción

Aprovechamiento de residuos de fibras naturales como elementos de

refuerzo de materiales poliméricos Vicente Amigó, Mª Dolores Salvador, Oscar Sahuquillo

Instituto de Tecnología de Materiales Universidad Politécnica de Valencia

Camino de Vera s/n, 46022, Valencia, España vamigo@mcm.upv.es, dsalva@mcm.upv.es, ossana@upvnet.upv.es

Raquel Llorens, Ferran Martí Instituto Tecnológico del Plástico - AIMPLAS

Gustave Eiffel 4, València Parc Tecnològic, 46980 Paterna (Valencia) España rllorens@aimplas.es, fmarti@aimplas.es

Resumen

El refuerzo de polímeros, especialmente poliolefinas, con fibras vegetales está experimentando

importantes avances tanto en sus propiedades y procesado como en su aceptación por el consumidor. Si a ello unimos el esfuerzo de utilizar plásticos reciclados como matriz conseguimos una mayor capacidad de reciclado y aprovechamiento, aún a costa de perder algo sus propiedades mecánicas.

El presente trabajo compara productos obtenidos por inyección de polietileno de alta densidad reciclado reforzado con fibras de algodón, cáñamo y sisal. Se utiliza como óptimo el refuerzo de un 40% en peso de estas fibras evaluándose su comportamiento mecánico mediante ensayos de tracción y flexión con los que se obtiene los distintos parámetros resistentes y de plasticidad. Se realizan también ensayos de impacto con probetas tipo Charpy sin entalla evaluándo la influencia del tipo de fibra en la resiliencia del compuesto. Finalmente se realiza el estudio fractográfico mediante microscopía electrónica de barrido determinando el tipo de fractura en cada caso.

El material procesado con fibras de cáñamo y sisal presenta un mejor comportamiento resistente pero son los compuestos de algodón los que presentan mejor plasticidad. En todos los casos se aprecia una buena adherencia matriz/fibras lo que supone buena procesabilidad.

Palabras Claves: Fibras vegetales, algodón, cáñamo, sisal, polietileno, reciclado, propiedades mecánicas

Abstract

The reinforcement of polymers, particularly polyolefins, with vegetal fibers is in significant progress in both its processing and its acceptance by the consumers. In such a products, the use of matrix consisting of recycled plastics decreases the original mechanical properties but favours reusability and valorization of polymeric residues.

Current paper presents mechanical performance of injected composites made of a recycled high density polyethylene(rHDPE) reinforced with either cotton, hemp or sisal fibers. The optimal quantity of fiber to be added has been previously established in 40% weight. tensil and bending experiments have been carrying out to evaluate the resistance and plasticity, respectively, of those 40% fiber weight specimens. In addition, unnotched Charpy tests allowed establishing the influence of the fiber on the resilience of the composite. Finally, scanning electron microscopy (SEM) has been applied to analyze the type of fracture produced in each mechanical experiment.

Experimental data indicate that the materials processed with sisal and hemp fibers has a better global mechanical performance while composites containing cotton display better plasticity. In general, the adhesion between the matrix and the biofibers on the compoundings is very good, which correlates with a high level of processability

Key Words: Natural fibers, cotton, hemp, sisal, polyethylene, recycling, mechanical properties

1.- INTRODUCCIÓN En las dos últimas décadas se está trabajando con intensidad en la fabricación de compuestos

poliméricos reforzados con fibras naturales [1-4] como una alternativa a los compuestos más clásicos reforzados con fibra de vidrio [5]. Sin embargo, donde presentan una importante alternativa es en el reemplazo de los compuestos reforzados con harina de madera (WPC - Wood-Plastic Composites) [3, 4, 6-8], cuyas propiedades resultan en muchas ocasiones comparables, e incluso presentan propiedades superiores, para contenidos en fibras netamente inferiores [5, 9, 10]. Las fibras naturales tienen un bajo coste y una baja densidad lo que les confiere una elevada resistencia específica. Son biodegradables y no presentan efectos abrasivos como las fibras de vidrio.

En el refuerzo de polímeros se han empleado como matrices tanto termoplásticos como termoestables [1, 3], aunque las más ampliamente utilizadas han sido las primeras y más concretamente las poliolefinas como el polipropileno (PP) [5, 11-15] y los polietilenos de alta y baja densidad (HDPE y LDPE) [9, 10, 16-19]. La utilización de poliolefinas viene propiciada por las excelentes propiedades plásticas obtenidas en los compuestos y la mayor rigidez proporcionada por las fibras junto a un incremento en mayor o menor grado de las propiedades del producto con la incorporación de fibras naturales cortas [1, 9, 10, 19].

Dentro de las fibras naturales se utilizan como refuerzo, con mayor o menor acierto, una gran cantidad de las mismas como yute [20-25], cáñamo [26-31], sisal [32-35], plátano [36, 37], algodón [38, 39], lino [40-44], kenaf [45, 46], abacá [47], coco, bambú [48-50], y otras.

La condición de refuerzo se debe a la resistencia de las fibras, caracterizada por su dureza y la relación de forma de las mismas [9, 10, 32], la compatibilidad con la matriz que supone una transmisión de esfuerzos adecuada [19, 20, 34, 35, 51] y la cantidad de fibra en el compuesto final [9, 32], que viene condicionada por la orientación y ordenamiento de las fibras en la matriz [1, 43, 52].

Con todo resulta fundamental determinar el comportamiento mecánico de los compuestos poliméricos reforzados con fibras naturales, analizando al tiempo la mejora o modificación de las fibras con objeto de conseguir una mejor adherencia con la matriz que asegure una buena interfase [19, 32, 33, 51, 53, 54], de manera que la adhesión fibra-matriz sea la determinante de sus propiedades [2, 9, 32, 33]. Por ello, estructuras con fuerte unión interfacial mostrarán elevada resistencia [2, 9, 32, 55] y la fracción de empaquetamiento óptima se producirá cuando las dimensiones de las fibras sean adecuadas (relación de forma longitud/diámetro), obteniéndose la eficacia de la fibra de acuerdo a los trabajos de Pan [52].

La presente investigación trata de determinar las posibilidades de aprovechar residuos fibrosos para obtener compuestos de polietileno de alta densidad (HD-PE). Para ello se procesarán las fibras para obtener una buena interfase con la matriz determinando sus propiedades a tracción, flexión e impacto que validen su aplicación. 2.- DESCRIPCIÓN Y METODOLOGIA

En el presente trabajo se analizan, principalmente, fibras procedentes de residuos textiles de algodón y lino, y fabricación de cuerdas como sisal, cáñamo, fique y kenaf. Las fibras han sido peletizadas mediante una prensa de matriz plana Amandus KAHL, para poder alimentarlas con mayor facilidad en el proceso de obtención del compound, figura 2. De cada una de ellas se ha analizado su morfología por microscopía óptica, MO, mediante un microscopio Microphot FX de Nikon Inc., y electrónica de barrido, MEB, con un equipo JSM 6300 de JEOL Ltd.

La figura 1 recoge las imágenes de electrones secundarios para las distintas fibras analizadas. La resistencia a tracción de las fibras se ha obtenido mediante un módulo de tracción y compresión MTEST2000 de Gatan Inc, determinando tanto la resistencia máxima como el módulo de elasticidad. La degradación de las fibras se ha estudiado mediante un equipo de termogravimetría TGA Q50 de TA Instruments, utilizando N2 como gas de purga.

Como matriz termoplástica se ha utilizado un polietileno de alta densidad reciclado, con un índice de fluidez de 26,4 g/10 min (190ºC/2.16 kg), utilizando como agente compatibilizante un 5% en peso de Bondyram® 5001, un polietileno de alta densidad con anhídrido maleico injertado.

Figura 1. Imágenes de electrones secundarios de los cortes transversales de las diferentes fibras

estudiadas: a) Algodón, b) lino, c) sisal, d) cáñamo, e) fique y f) kenaf.

La obtención de los compounds se ha realizado mediante una extrusora de doble husillo co-rotativa de la marca Leistritz Modelo: 27MAXX 44D, Figura 2. La dosificación tanto de la fibra como del HDPE se realiza utilizando dosificadores gravimétricos. La fibra se introduce por una de las entradas laterales de la máquina considerando el tiempo de residencia de la fibra en el interior de la extrusora, por lo que se ha buscado un equilibrio entre el tiempo de residencia y la dispersión de la fibra, para evitar degradar lo menos posible la fibra y obtener las mejores propiedades. Estos compounds se han obtenido en concreto con fibras de sisal, cáñamo y algodón, mostrándose en la figura 3 los pelets correspondientes a la adición del 30% de estas dos últimas fibras. Finalmente, los compounds se han inyectado en una Inyectora ARBURG 420C, modelo ALLROUNDER 1000/350 para obtener las diferentes probetas normalizadas para su ensayo. Dependiendo de la dificultad encontrada en la obtención de los compounds se ha conseguido

inyectar materiales del 20 y 30% con las fibras de algodón, del 20, 30 y 40% para las fibras de cáñamo y del 30, 40 y 50% con las fibras de sisal.

Figura 2. Extrusora de doble husillo co-rotativa, Leistritz mod. 27MAXX 44D, con la que se ha obtenido los compounds: a) detalle de la obtención de los compounds con cáñamo, y b) vista

lateral de la extrusora.

Figura 3. Compounds obtenidos en este trabajo para un 30% de fibras: a) algodón, y b) cáñamo.

Los ensayos mecánicos detracción y flexión, de los materiales inyectados, se han realizado mediante una máquina Universal de ensayos INSTRON 4202. Los ensayos de impacto se han realizado en un péndulo instrumentalizado CEAST equipado con un martillo de 15 J, en probetas sin entalla con distancia entre apoyos de 64 mm.

Las fibras presentan diferentes composiciones y propiedades físicas que presentan una elevada influencia en la compatibilidad con las matrices poliméricas y por tanto en las propiedades finales del compuesto. La tabla 1 recoge algunos de los parámetros físicos más importantes de algunas de las fibras investigadas junto a la de otras fibras que se han obtenido de distintas referencias.

Tabla 1. Propiedades físicas de distintas fibras naturales. Fibra Densidad (g/cm3) Celulosa (%) Hemicelulosa (%) Lignina (%) Humedad (%)

Cáñamoa 1,48 88-90 7-10 1,5-2,0 3,5-8,0 Sisal 1,45 65 12 9,9 10 Plátanob 1,35 63-64 19 5 10-11 Piñab 1,53 81 - 12,7 13,5 a de referencia [56], b de referencia [10]

Las propiedades mecánicas de las fibras resultan bastante diversas y dependen mucho de las condiciones en las que se encuentra la fibra, principalmente en cuanto a su grado de humedad. En la tabla 2 se recogen algunos parámetros mecánicos obtenidos en las diferentes fibras comparándolos con las fibras de vidrio más comúnmente utilizadas así como algunos datos obtenidos de las referencias bibliográficas.

Tabla 2. Características de diferentes fibras empleadas en la modificación de termoplásticos.

Fibra Densidad (g/cm3)

Módulo elasticidad (GPa)

Resistencia tracción (MPa)

Alargamiento a rotura (%)

Algodóna 4,98-10,92 264-654 3,0-7,0 Lino 24,00 300-900 2,7-3,2

Cáñamo 1,48 285 1,3 Sisal 1,45 10,40c 444-552 2,0-2,5

Platanob,c 1,35 20,00 550 5,0-6,0 Piñab 1,53 4,20 413 3,0-4,0 Yutea 43,80 342-672 1,7-1,8

Vidrioa 2,54 56-72 2500 3,0 a referencia [32], b referencia [10], c referencia [50]

En la mayoría de fibras no aparecen problemas importantes en la obtención de compuestos

termoplásticos cuando el contenido en fibras se mantiene alrededor del 30%, y cuyas propiedades dependen principalmente de la longitud de las fibras, así como de su diámetro. Sin embargo, uno de los posibles factores de mayor influencia en estas propiedades finales de los compuestos es la propia degradación térmica de las fibras durante las operaciones de obtención de los compuestos que implican la obtención de los compounds y la extrusión o inyección final para obtener las piezas, tal como muestra la figura 4.

Figura 4. Ejemplos de muestras obtenidas en procesos de: a) extrusión y b) inyección.

Esta degradación, obtenida mediante análisis de TGA, presenta unas temperaturas críticas de

320-350ºC en prácticamente todas las fibras, figura 5, con temperaturas mínimas de 275ºC para las fibras de hojas como el propio sisal, figura 6a, mientras el algodón comienza su degradación a las temperaturas más elevadas de todas las fibras analizadas, 343ºC, figura 6b. Esto puede ser una de las causas que diferencian el comportamiento mecánico obtenidos en los distintos compuestos.

Los valores obtenidos con el ensayo de tracción ponen de manifiesto, que la incorporación de las fibras incrementa la resistencia máxima obtenida, figura 7a, aunque este aumento resulta poco significativo cuando la cantidad de fibras es del 20% y sobre todo para las fibras de algodón, donde presenta incrementos poco significativos respectos a los valores del HD-PE utilizado como matriz (línea horizontal continua en la gráfica. Esta resistencia aumenta de manera significativa con el aumento del contenido en fibras tanto en el cáñamo como en el sisal, y principalmente en estas últimas donde además de permitir una mayor cantidad de fibras, la resistencia máxima resulta significativamente mayor, 45 MPa frente a los 26 del HD-PE.

Figura 5. Curvas TGA en diferentes fibras analizadas.

a) b) Figura 6. Curvas termogravimétricas de: a) fibra de sisal, b) fibra de algodón.

No obstante, la rigidez que proporcionan las fibras parece no verse afectada por la naturaleza

de las mismas, véase la figura 7b, pues prácticamente el conjunto de ellas presenta un incremento, del módulo de elasticidad, lineal con el contenido de las fibras y ya resulta apreciable para los menores contenidos en fibra (20%). Para un 40% de fibras, se obtiene unos valores alrededor de los 3600 MPa bastante superiores al os cerca de 1300 MPa correspondientes al HD-PE.

Al contrario, el alargamiento proporcional de rotura presenta una disminución opuesta al aumento de la resistencia mecánica y que depende, como cabría esperar, de la naturaleza de las fibras, presentando menores alargamientos los compuestos reforzados con fibras de sisal frente a los mayores alargamientos mostrados por los compuestos reforzados con las fibras de algodón, figura 7c, pero en todo caso y aún en las mejores condiciones, los compuestos reforzados muestran una perdida muy importante de su plasticidad pues disminuye del 192,1% del HDPE que actúa como matriz a los 13,5 máximo que presentan los compuestos reforzados con un 20% de fibras de algodón.

En el ensayo de flexión de los compuestos, se presentan resultados semejantes a los anteriores de tracción, donde las variaciones en resistencia máxima, figura 8a, y rigidez, figura 8b, son significativamente menores con respecto a la naturaleza de las fibras, aumentando considerablemente con la cantidad de refuerzo utilizado y alcanzando, también en este caso para el sisal, los 62 MPa frente a los 26 MPa del HD-PE reciclado de la matriz.

3.886%19.60%

56.46%

Residue:19.64%(0.9483mg)

52.33°C

275.08°C

326.55°C

39.56°C244.12°C

346.42°C

-0.2

0.2

0.6

1.0

1.4

1.8

2.2

2.6

3.0D

eriv

. Wei

ght (

%/°

C)

-120

-80

-40

0

40

80

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Wei

ght (

%)

0 100 200 300 400 500 600

Temperature (°C)

Sisal

3.886%19.60%

56.46%

Residue:19.64%(0.9483mg)

52.33°C

275.08°C

326.55°C

39.56°C244.12°C

346.42°C

-0.2

0.2

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2.2

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%)

0 100 200 300 400 500 600

Temperature (°C)

Sisal

2.487%

61.01%

15.89%

9.149%

37.00°C

343.39°C

408.74°C

29.56°C

308.25°C

417.25°CResidue:11.37%(0.7177mg)

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

Der

iv. W

eigh

t (%

/°C

)

-10

10

30

50

70

90

110

Wei

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%)

0 100 200 300 400 500 600

Temperature (°C)

Algodón

2.487%

61.01%

15.89%

9.149%

37.00°C

343.39°C

408.74°C

29.56°C

308.25°C

417.25°CResidue:11.37%(0.7177mg)

-0.2

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

Der

iv. W

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/°C

)

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10

30

50

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%)

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%)

0 100 200 300 400 500 600

Temperature (°C)

LINO––––––– ALGODON– – – – CAÑAMO––––– · KENAF––– ––– SISAL––––– –

Figura 7. Características mecánicas obtenidas en los ensayos de tracción realizados en las muestras de HD-PE reforzadas con las diferentes fibras. a) Resistencia máxima, b) Módulo de elasticidad, y, c) Alargamiento a rotura.

Figura 8. Características mecánicas obtenidas en los ensayos de tracción realizados en las muestras de HD-PE reforzadas con las diferentes fibras. a)) Resistencia máxima, b) Módulo de elasticidad, y, c) Alargamiento a rotura.

El alargamiento final obtenido resulta igualmente superior con las fibras de algodón y cáñamo que con las fibras de sisal, figura 8c, que llegan a romper durante el ensayo, mientras que las anteriores presentan importantes deformaciones sin llegar a la rotura física.

Figura 9. Resultados de resiliencia obtenidos con el ensayo Charpy en las muestras de HD-PE reforzadas con las diferentes fibras de algodón, cáñamo y sisal.

Figura 10. Fractura de los compuestos con diferentes fibras de refuerzo en los diferentes ensayos: a) Fractura compuesto 30% de sisal a tracción. b) Fractura compuesto 30% de algodón a tracción. c) Fractura compuesto 30% de sisal a flexión. d) Fractura compuesto 30% de sisal a impacto.

Esta semejanza en los resultados a flexión y tracción, principalmente los correspondientes a los parámetros plásticos, coinciden con la tenacidad resultante de los ensayos a impacto en probetas Charpy sin entalla realizados en todos los compuestos, figura 9. El polietileno

reciclado, utilizado como matriz, no ha presentado fractura, en estas condiciones de ensayo, obteniéndose, no obstante, valores de resiliencia de 145,38 kJ/m2, mientras que la introducción de las fibras como refuerzo disminuye sensiblemente la resiliencia, de manera semejante a lo sucedido con el alargamiento proporcional a rotura, hasta valores máximos para el algodón, entre 24 y 25 kJ/m2, pero inferiores y muy semejantes para el cáñamo y sisal, entre los 22 kJ/m2 para el 20% de refuerzo y los cerca de 17 25 kJ/m2 para el refuerzo con un 50% de fibras de sisal.

Este comportamiento se aprecia muy bien en las fractografías correspondientes a los diferentes ensayos, tal como se observa en la Figura 10 en la que se recoge las fracturas de los compuestos reforzados con un 30% de sisal y algodón. En las imágenes resulta apreciable la escasa plasticidad encontrada en la matriz, sobre todo cuando la comparamos con la fractura del polietileno reciclado.

A pesar de ello, la fractura presenta una cierta plasticidad con la formación de cavernas de deformación, aunque de poca altura, así como de efectos de extracción de las fibras (pull out) que explican en gran medida la tenacidad obtenida en los compuestos aún resultando muy inferior a la del material que conforma la matriz. 3.- CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES

El aprovechamiento de fibras vegetales de desecho es perfectamente viable con la peculiaridad de su disparidad en forma y tamaño que obliga a la peletización previa de las mismas para la obtención de los compounds.

La obtención de estos compounds, aunque no ha sido objeto de la presente investigación, requiere la adición de compatibilizantes. En nuestro caso, que hemos utilizado un 5% en peso de un polietileno de alta densidad con anhídrido maleico injertado, la adición del compatibilizante ha resultado muy buena y conveniente para la obtención del producto final.

La degradación de las fibras de sisal, cáñamo y algodón, y en general todas las fibras, durante los diferentes procesos utilizados en la elaboración de los compuestos, ha sido prácticamente despreciable y tan sólo cabe resaltar la pérdida de agua con los diferentes procesos. Todas las fibras han presentado degradaciones semejantes con la temperatura por lo que su procesabilidad en los procesos de extrusión e inyección es perfectamente viable industrialmente.

La incorporación de fibras aumenta ligeramente las propiedades resistentes del polímero base, en nuestro caso HDPE reciclado, pero a cambio disminuyen sus propiedades plásticas y la tenacidad, aunque todavía mantienen unas resistencias a impacto alrededor de los 20 kJ/m2

sobre todo en los materiales reforzados con fibras de algodón. La rigidez de los compuestos obtenidos no parece depender de la naturaleza de las fibras

presentando, no obstante, una relación prácticamente lineal con el contenido en fibras e incrementándose sustancialmente en relación a la rigidez del polímero matriz.

Las fractografías obtenidas tras los distintos ensayos realizados muestran la falta de plasticidad indicada anteriormente pero, al tiempo, confirman el aumento de la rigidez en los compuestos por el efecto de extracción de las fibras de la matriz durante el proceso de fractura así como una mayor rigidez obtenida por el enrrollamiento de las propias fibras que depende en gran medida de la cantidad final de las mismas incorporadas al polímero. 4.- AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al Ministerio de Medio Ambiente por su soporte a través del proyecto A581/2007/2-02.2 enmarcado en el Programa Nacional de Ciencias y Tecnologías Medioambientales del Plan Nacional de I+D+i, así como al Programa CYTED por su apoyo en movilidad a través de la Acción de Coordinación de Proyectos de Investigación 307AC0307. 5.- REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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