Tesis Materiales compuestos - PLA & CELULOSA

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En este breve capítulo se presenta un panorama del contenido general de la tesis, describiendo en unas cuantas líneas los principales temas tratados[pic 7]

Resumen

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En el mundo de los materiales compuestos existen los llamados biocompositos, los cuales han tenido un gran incremento en los últimos años debido a su biodegradabilidad y por lo cual son amigables con el medio ambiente. En esta investigación fue utilizado como matriz polimérica el poli (ácido láctico) o conocido como PLA, obtenido a partir del poliéster alifático y termoplástico derivado de recursos renovables, como el almidón de maíz.

Este biopolímero fue reforzado con celulosa con cierto porcentaje en peso, la cual fue extraída de una planta conocida como henequén que es abundante en gran parte del sureste de México como en Yucatán principalmente. La celulosa se procesó con anticipación, antes de la creación del biocomposito con un proceso físico llamado “Steam Explosion” o golpe de vapor, esto con el fin de romper las paredes celulares de las fibras y obtener un mejor anclaje en la interfaz polimérica. Además a cierta porción de celulosa se añadió un tratamiento químico con poli (etilenglicol) 400 para añadir una molécula más a la celulosa para tratar de incrementar propiedades en el material compuesto por medio de una reacción térmica. Se realizaron dos tipos de materiales compuestos, uno con celulosa y PLA y otro con celulosa más poli (etilenglicol) con PLA.

El material compuesto fue procesado por medio de una cámara de mezclado (batch) en un equipo conocido como Haake con cierto tiempo y temperatura de procesado, obteniendo una pasta que después fue fundida por medio de una termoprensa hidráulica para posteriormente obtener una especie de tortilla que fue cortada en escamas para ser procesada nuevamente en la termoprensa por medio de placas y moldes obteniendo láminas.

Al material obtenido se le realizaron pruebas mecánicas de tensión, flexión e impacto y densidades, así como un análisis en un calorímetro diferencial de barrido para obtención del porcentaje de cristalinidad, temperatura de fusión, además de un análisis analítico con un espectrofotómetro infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) para la observación de los grupos funcionales adheridos en los dos tipos materiales compuestos obtenidos, teniendo de cada material un porcentajes de 5,10 y 15% de celulosa.

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En el presente capítulo se presenta una introducción a los temas tratados mostrando los antecedentes, justificación y objetivos del estudio desarrollado.

1. Antecedentes

El creciente uso de biopolímeros puede abrir por completo nuevas generaciones de materiales con nuevas características en comparación con los plásticos tradicionales derivados del petróleo. Existe una amplia gama de biopolímeros naturales como la celulosa y el almidón los cuales están disponibles para su aplicación ( Chen & Jing, 2012).

El poliácido láctico (PLA) es el primer polímero producido a partir de poliéster alifático termoplástico derivado de recursos renovables, de productos tales como almidón de maíz (en los Estados Unidos), tapioca (raíces, o almidón principalmente en Asia) o caña de azúcar (en el resto de mundo). Se pueden biodegradar bajo ciertas condiciones, como la presencia de oxígeno, y es difícil de reciclar. Existe un especial interés en el PLA, reforzado con fibras naturales para producir materiales compuestos de bajo costo, altas propiedades específicas, y el procesamiento no abrasivo. Empleando fibras naturales como fibra de agave, henequén o sisal. Esta combinación de fibra con biopolímeros tiene el potencial de generar materiales con propiedades mecánicas mejoradas totalmente derivados de los recursos naturales renovables (Alam et al., 2014).

Las fibras naturales se pueden agrupar en estopa (yute, lino, cáñamo, mesta), hoja (piña, sisal, henequén, pino), y las semillas o fibras de frutas (coco, algodón, palma de aceite). La celulosa es el principal componente de las fibras naturales, siendo la unidad elemental de una macromolécula de celulosa, la anhidro-D-glucosa, que contiene tres grupos hidroxilos (OH) los cuales le confieren un carácter altamente hidrofílico el cual genera una baja compatibilidad con las matrices poliméricas o biopoliméricas hidrofóbicas como es el caso del PLA (Sujaritjun & Pivsa-art, 2013)

El henequén (Agave fourcroydes) es de la familia de la planta de sisal. Sus fibras son comúnmente utilizadas en la fabricación de productos textiles. Fue utilizado por los Mayas (en el antiguo México) para hacer cuerdas, hamacas, ropa y alfombras. Hoy en día el plantío henequén para la industria se concentra en las regiones tropicales de África, América Central y del Sur, y Asia. El henequén contiene 60% de celulosa, 25% hemicelulosa, 8% de lignina y 2% de ceras. Las fibras de henequén tienen una alta tenacidad relativa que la hace adecuada como refuerzo para polímeros. La ya mencionada incompatibilidad fibra-polímero genera bajas propiedades de los materiales resultantes por lo cual es necesario realizar

modificaciones o tratamientos que permiten incrementar la adhesión entre ambas fases (Alex, 1999). Dos importantes tratamientos son la modificación química y el steam explosion los cuales son descritos a continuación

El tratamiento químico consiste en la modificación funcional de la celulosa sin la desintegración de las fibras. Se usa el entrelazamiento químico en la celulosa en condiciones ácidas o alcalinas, el cual es uno de los métodos más utilizados para mejorar la estabilidad dimensional de fibras nativas (De Cuadro et al., 2015).

Por otra parte el método steam explosion es un proceso donde la celulosa es sometida a un tratamiento con vapor a alta presión y temperatura, el cual penetra en el espacio intermedio de las fibras y posteriormente libera dicha presión de forma repentina ocasionando una rotura efectiva de las fibras que da lugar a una extensa descomposición en fibras mucho más finas obteniendo relaciones de aspecto (largo/diámetro) mayores, lo que puede dar lugar a mejores propiedades mecánicas al ser incluidas en una matriz polimérica (Zhang & Song, 2012).

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