Los materiales compuestos consisten en la asociación de una matriz y un material de refuerzo tales como fibras cortas, fibras continuas, polvos, etc. Para matrices reforzadas con fibras, se busca que la tensión a la que esté sometido el material se transmita parcialmente a las fibras, cuyo alto módulo elástico permite mejorar las propiedades mecánicas del sistema en conjunto.
Estos compuestos se utilizan ampliamente en packaging, construcción, transportes, etc. Al término de su vida útil, estos productos generan problemas ambientales: almacenamiento, combustibilidad parcial, son una fuente de polución, etc. Todos los aspectos favorables durante el período de uso (estabilidad, resistencia, durabilidad) operan en contra de su destrucción.
Teniendo en cuenta estos inconvenientes, un buen candidato para ser utilizado como matriz es el polipropileno (PP), debido a su bajo costo, inocuidad química, facilidad de procesamiento y altas propiedades mecánicas inherentes. En cuanto a las fibras, existe una tendencia a reemplazar los materiales sintéticos (vidirio, carbono, kevlar) por naturales. Las fibras vegetales, con celulosa como componente mayoritario, presentan importantes ventajas:
- son un recurso renovable y disponible mundialmente; - son biodegradables; - no generan gases tóxicos ni dejan residuo sólido en combustión; - su densidad es aproximadamente la mitad de la de las fibras de vidrio; - no producen abrasión en las máquinas de procesamiento; - como monofilamentos, presentan un módulo tan alto como el de las fibras aramídicas; - soportan las temperaturas de procesamiento del polipropileno ( 200 ºC); - su aplicación en este campo puede resultar una buena oportunidad para la utilización
de productos agrícolas de desecho.
La mejora en el comportamiento mecánico de un material compuesto, ocurre siempre y cuando exista una buena adhesión entre la matriz y el refuerzo. Esto es particularmente difícil de lograr en este caso debido a la naturaleza hidrofílica de las fibras (celulosa) e hidrofóbica de la matriz (PP). De manera que se hace necesario incorporar al sistema un "agente de acople". El agente de acople utilizado en este caso es polipropileno injertado con anhídrido maleico (AM), donde las unidades de anhídrido maleico son capaces de reaccionar químicamente con la superficie de las fibras, mientras que la cadena de PP es compatible con la matriz. De esta forma se obtiene la adhesión buscada.
1. Obtención de fibras a partir del material vegetal
En las figuras 1, 2 y 3 se muestran las fotografías obtenidas de fibras de Palma Caranday y las micrografías de Palma Caranday y Formio. A partir de ellas se midieron las dimensiones de las mencionadas fibras (Tabla 1).
Tabla 1: Dimensiones de las diferentes fibras obtenidas
Fibra Palma Caranday
Formio
Diámetro (mm) 9.06 10.5
Longitud (mm) 0.5 a 3 1.0 a 5
Fig.1: Fibras de Palma Caranday - 10x Fig.2: Fibras Palma Caranday
Fig.3: Fibras Formio
2. Caracterización térmica de las fibras
Se realizaron corridas isotérmicas a 2500C y dinámicas entre 200C y 9000C con una rampa de 200C/min, todas ellas bajo atmósfera inerte (N2).
Tanto para las fibras de Palma Caranday como para las de Formio, la pérdida de masa fue despreciable cuando se las trató a temperarura constante, excepto por la pérdida inicial de agua.
Las corridas dinámicas mostraron que la Palma Caranday se degrada a 363.30C y el Formio a 3540C, ambos materiales pierden toda su humedad entre la temperatura ambiente y los 1000C (Figura 4).
Fig. 4: TGA dinámico. Fibras de Formio
1 Materiales seleccionados Polipropileno R6100 (Petroken) de Indice de Fluencia (IF) 8. Materiales vegetales: Palma Caranday (Provincia de Entre Ríos) Formio, (Delta) Agente de acople (R5): PP-g-AM, IF=50g/10min, % AM=0,48.
2.1 Extracción de fibras de celulosa a partir del material vegetal Se realizó la extracción de fibras celulósicas a partir de las hojas de los materiales vegetales seleccionados. Las mismas se cortaron en pequeños trozos y se suspendieron en una mezcla de H2O2 (100 V) y Acido Acético (gl) 50:50. Esta suspención se llevó a reflujo durante 4 horas. Este procedimiento conduce a la desintegración del material, dejando sólo las fibras intactas. 2.2 Caracterización morfológica de las fibras y de los compuestos Se utilizó un microscopio electrónico de barrido Phillips SEM 505, y un microscopio óptico con cámara fotográfica. 2.3 Caracterización térmica de las fibras Se caracterizó el comportamiento térmico de las fibras en un Analizador Termogravimétrico Mettler TG 50. 2.4 Producción de compuestos PP-Fibras Naturales (PP-FN) Se produjeron compuestos PP-FN a escala laboratorio en una cámara de mezclado Brabender. Se trabajó a 1800C y 60 RPM. 2.5 Caracterización mecánica de los compuestos obtenidos Se moldearon por compresión probetas para realizar ensayos de tracción. Estos ensayos se hicieron en una máquina universal de ensayos mecánicos INSTRON 1125.
CONCLUSIONES
Se aislaron las fibras celulósicas a partir de materiales vegetales originarios de nuestro país a través de un método rápido y efectivo. Se obtuvieron fibras de diámetro uniforme, aunque de longitud variable. Se verificó que las fibras obtenidas soportan las temperaturas de procesamiento del PP (»2000C), ya que se degradan a temperaturas mayores a los 3000C y se puede decir que no se degradan cuando se las somete a un tratamiento a temperatura constante de 2500C. Se avanzó en la producción de compuestos PP-FN a escala laboratorio, si bien deben mejorarse los métodos para obtener un material más homogéneo y una mejor dispersión y adhesión del material de refuerzo con la matriz. De ésto dependerá la potencial mejora en las propiedades mecánicas de los compuestos.
PROPUESTAS DE TRABAJOS FUTUROS
3. Producción de compuestos PP-FN
Se realizaron mezclas de las fibras obtenidas con cada uno de los materiales vegetales con el agente de acople R5. En el caso del Formio se obtuvo un material bastante homogéneo e hidrófobo, mientras que en el caso de Palma Caranday el mezclado fue mucho más pobre, no se obtuvo un material homogéneo y las fibras quedaron poco adheridas al agente de acople. Estos resultados pueden observarse en las figuras 5 y 6.
Fig.5: Fibras de Formio mezcladas con R5
Fig.6: Fibras de Palma Caranday mezcladas con R5
Se mezcló un 30% de los materiales obtenidos anteriormente con PP virgen para obtener los compuestos PPFN. Nuevamente, en el caso del Formio se obtuvo un material bastante homogéneo con el material de refuerzo relativamente bien disperso, mientras que en el caso de Palma Caranday las fibras no aparecen bien distribuidas ni bien adheridas a la matriz. En las figuras 7 y 8 se observan estos resultados.
Fig.7: Compuesto PP-Fibras de Formio
Fig.8: Compuesto PP-Fibras de Palma Caranday
4. Caracterización mecánica de los compuestos obtenidos
Se realizaron ensayos de tracción sobre los compuestos obtenidos anteriormente. No se observó mejora en las propiedades mecánicas respecto del PP sin reforzar. Se observó, sin embargo, que las probetas fracturaban en las regiones en que aparecían aglomerados del material de refuerzo.
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