FIBRAS VEGETALES UTILIZADAS COMO REFUERZO EN MATRICES TERMOPLÁSTICOS

ARACTERIZACIÓN DE FIBRAS VEGETALES UTILIZADAS COMO REFUERZO EN

MATRICES TERMOPLÁSTICOS

M.D. Salvador1, V. Amigó1, A. Nuez1, O. Sahuquillo1, R. Llorens2, F. Martí2

1Instituto de Tecnología de Materiales, Universidad Politécnica de Valencia, España

2Instituto Tecnológico del Plástico - AIMPLAS, Valencia, España

vamigo@mcm.upv.es

Resumen: La generación masiva de residuos plásticos constituye actualmente un gravísimo problema medioambiental.

Una de las estrategias desarrolladas para paliarlo consiste en el reciclaje de los residuos plásticos y su posterior

utilización para diferentes aplicaciones en sectores tales como la construcción. La incorporación de refuerzos en el

material reciclado mejora las propiedades mecánicas del mismo. Un posible refuerzo son las fibras de origen vegetal o

biofibras, que, además de mejorar técnicamente el producto, presentan ventajas económicas y ambientales. El objetivo

de este trabajo es el estudio de varias fibras de origen vegetal (algodón reciclado, lino, cáñamo, kenaf, sisal y fique) que

serán utilizadas como material de refuerzo en polietileno de alta densidad reciclado. Se han realizado análisis

termogravimétricos de las fibras para comprobar su estabilidad térmica, así como su resistencia mecánica mediante

microensayos de tracción y, finalmente, su caracterización morfológica mediante microscopía óptica, electrónica de

barrido y de fuerza atómica.

1. INTRODUCCIÓN.

En la industria de la construcción ha empezado a

utilizarse materiales compuestos de harina de madera

con Polipropileno (PP), Polietileno (PE) o Cloruro de

polivinilo (PVC) y resinas termoestables. Estos

compuestos, conocidos como Wood-Plastic

Composites (WPC), han experimentado en Estados

Unidos importantes avances, tanto en sus propiedades

y procesado como en aceptación por el consumidor [1,

2]. Los compuestos reforzados con fibras, presentan

excelentes propiedades mecánicas, comparables a los

WPC, e incluso superiores, para contenidos en fibras

netamente inferiores [3-6].

Por otra parte, las poliolefinas como el polipropileno

(PP) y polietileno de baja densidad (LDPE), son los

materiales poliméricos de mayor consumo debido a

sus interesantes propiedades y bajo costo. Además

poseen la ventaja de un fácil y económico procesado y

posibilidad de reciclado y la incorporación de fibras

cortas de refuerzo permite aumentar la rigidez y

resistencia de estos materiales manteniendo la

posibilidad de su transformación mediante las técnicas

convencionales empleadas para procesar

termoplásticos [5-8]. Los factores básicos en el refuerzo

son la resistencia, la dureza y la relación forma de la

fibra [5, 6, 9, 10], la compatibilidad con la matriz (que

confiere una buena adhesión en la interfase fibra/matriz)

y la concentración de la fibra en el compuesto final [6,

10].

En general a grandes deformaciones y cuando no existe

una buena adhesión en la interfase, la incorporación de

fibras cortas a un polímero produce la aparición de

defectos en la interfase. Estos se ponen de manifiesto en

una disminución de la resistencia debido a la

concentración de tensiones creadas por solapamiento de

fibras y los extremos de las mismas. Si la adhesión es

buena, aumenta la resistencia y la unión fibra-polímero

dificulta la formación de huecos y por lo tanto su

deformación. En todo caso, la deformación del material a

rotura será controlada por la resistencia del propio

material y por la adhesión fibra-matriz [11], sirviendo la

regla de las mezclas como guía para conocer el efecto de

las fibras en las propiedades finales [6, 10-12]. Así,

estructuras fuertemente compactadas, es decir, con

huecos interfaciales mínimos darán lugar a estructuras de

alta resistencia [6, 12]. La fracción de empaquetamiento

óptima se produce cuando la conjunción entre

dimensiones de la fibra (relación de forma

longitud/diámetro) y las características de la matriz

polimérica son las adecuadas, pudiéndose calcular la

eficacia de la fibra con los trabajos de Pan [13].

De aquí la necesidad de conocer las propiedades de las

fibras cuando se trata de reciclar residuos fibrosos agroindustriales

pues las propiedades físicas y de forma

pueden verse ampliamente modificadas, lo que

representará el objetivo principal del presente trabajo y

nos permitirá entender las variaciones en las propiedades

finales del compuesto PE/fibras.

2. PROCESO EXPERIMENTAL.

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.

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. equipado

con un sistema de microanálisis INCA de Oxford

Instruments. En la figura 1 se recoge la imágenes de

electrones secundarios obtenida a diferentes aumentos

para las distintas fibras analizadas.

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.

El análisis superficial mediante microscopía de fuerza

atómica, AFM, se realiza con un Nanoscope v5.30r2 de

Veeco Instruments, obteniendo imágenes tridimensionales

semejantes a las obtenidas por MEB, tal como

se aprecia en la figura 2 para las fibras de sisal.

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.

Figura 2. Imagen tridimensional por AFM de las fibras

de sisal

Fibra de lino

X1000

Fibra de fique

X500

Fibra de sisal

X1000

Fibra de kenaf

X1000

Fibra de cáñamo

X1000

...