El uso de fibras naturales como refuerzos en los plásticos es cada vez mas popular, impulsado por las preocupaciones medioambientales y el movimiento hacia productos y procesos mas sostenibles.
Las fibras naturales usadas en la industria de los polímeros vienen de fuentes vegetales, principalmente de los desechos agroindustriales. Ellos están compuestos, generalmente de microfilamentos de celulosa (70-75 %) y hemicelulosa (15-20 %) unidos juntos por una matriz que puede ser pectina o lignina (3%).
Estos últimos componentes se degradan a una relativamente baja temperatura, lo cual puede limitar el uso de estas fibras en los polímeros termoplásticos.
Entre las fibras naturales actualmente usadas para reforzar polímeros se incluyen:
Las temperaturas de degradación de algunas de las fibras mencionadas arriba se presentan en la tabla 1. Las fibras que muestran la más alta resistencia térmica son las de algodón, kenaf y cáñamo. Sin embargo, la incorporación de estas fibras esta aun limitada a polímeros de media temperatura de proceso, tales como PEAD (polietileno de alta densidad), PP (polipropileno) y PLA (acido poliláctico).
El uso de fibras naturales en termoplásticos de ingeniería todavía no es posible, desde que las temperatura de proceso de estos polímeros está por encima de 250 °C. A temperaturas cercanas a 200 °C ya se nota la degradación de la lignina, a través de una coloración oscura del material final y un olor a madera quemada.
La degradación de las fibras ocurre ya sea en la fase de mezcla o en los posteriores procesos de transformación tales como el moldeo por inyección o extrusión. Por esta razón tiene que haber un cuidadoso control de los parámetros de procesamiento en todo momento, especialmente de la temperatura y la velocidad de corte.
Reforzando plásticos y bioplásticos
La principal dificultad cuando se mezclan plásticos petroquímicos, tales como las poliolefinas, con fibras naturales, es alcanzar una humectación adecuada de la fibra. El efecto reforzante solo se obtiene si hay una buena adhesión ente los polímeros y las fibras.
Debido a la alta viscosidad de los polímeros y su naturaleza no polar, esto puede ser difícil. Sin embargo, el bajo precio y las razonables temperaturas de procesamiento de los termoplásticos comunes, tales como el PE y PP virgen o reciclado, los hace matrices poliméricas atractivas para las fibras naturales.
Es necesario usar compatibilizadores en los compuestos basados en poliolefinas y fibras naturales a fin de alcanzar el reforzamiento. Estos proporcionan una interfase adecuada entre los materiales que son naturalmente incompatibles debido a la naturaleza hidrofílica de las fibras naturales y la naturaleza hidrofóbica de los polímeros.
Una forma común de compatibilizar los materiales es modificar la poliolefina con anhídrido maleico. Se añade una pequeña cantidad de este compatibilizador al polímero cuando se mezcla con la fibra, permitiendo muchas mejores propiedades de resistencia del material resultante. Otros tipos de agentes de acoplamiento usados con poliolefinas y fibras naturales incluyen los organosilanos y los organotitanatos, pero estos son usualmente mas caros porque ellos se añaden directamente a la superficie de la fibra en una etapa de pre tratamiento.
Hay un interés creciente en el uso de bioplásticos, tales como el PLA. Este poliéster alifático se especifica comúnmente debido a su disponibilidad y relativamente competitivo precio, pero sus propiedades mecánicas generalmente necesitan mejorarse con un agente de refuerzo.
Si se usa un grado biodegradable de PLA, entonces el uso de fibras sintéticas, tales como la fibra de vidrio, comprometerá su biodegradabilidad. Esto no es un problema con las fibras naturales, las cuales también aumentan el contenido renovable del compuesto.
La ventaja principal de usar un poliéster alifático como matriz con fibras naturales es su inherente polaridad, la cual elimina la necesidad de un agente de acoplamiento. Sin embargo, estos polímeros tienden a degradarse durante el procesamiento, especialmente en presencia de humedad. Lo cual puede ser un problema con las fibras naturales.
También se emplea el almidón termoplástico como matriz para mezcla con fibras naturales, debido a su baja temperatura de procesamiento y alta hidrofilicidad, la cual lo hace muy compatible con las fibras.
Opciones de mezclado
El proceso de fabricar un compuesto se hace generalmente en un extrusor de doble tornillo co-rotante, añadiendo el polímero a través de la tolva principal y la fibra a través de un alimentados lateral después de la zona de fundido del polímero. Uno los principales problemas del proceso de fabricación del compuesto es la alimentación de las fibras dentro del extrusor.
Esto es causado por dos principales problemas:
Las fibras naturales usadas en la industria de los polímeros vienen de fuentes vegetales, principalmente de los desechos agroindustriales. Ellos están compuestos, generalmente de microfilamentos de celulosa (70-75 %) y hemicelulosa (15-20 %) unidos juntos por una matriz que puede ser pectina o lignina (3%).
Estos últimos componentes se degradan a una relativamente baja temperatura, lo cual puede limitar el uso de estas fibras en los polímeros termoplásticos.
Entre las fibras naturales actualmente usadas para reforzar polímeros se incluyen:
- Kenaf
- Cáñamo
- Sisal
- Algodón
Las temperaturas de degradación de algunas de las fibras mencionadas arriba se presentan en la tabla 1. Las fibras que muestran la más alta resistencia térmica son las de algodón, kenaf y cáñamo. Sin embargo, la incorporación de estas fibras esta aun limitada a polímeros de media temperatura de proceso, tales como PEAD (polietileno de alta densidad), PP (polipropileno) y PLA (acido poliláctico).
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| Módulo de elasticidad de almidón reforzado con 10 % de fibra natural Modulo obtenido por análisis mecánico dinámico a 30 °C. |
La degradación de las fibras ocurre ya sea en la fase de mezcla o en los posteriores procesos de transformación tales como el moldeo por inyección o extrusión. Por esta razón tiene que haber un cuidadoso control de los parámetros de procesamiento en todo momento, especialmente de la temperatura y la velocidad de corte.
Reforzando plásticos y bioplásticos
La principal dificultad cuando se mezclan plásticos petroquímicos, tales como las poliolefinas, con fibras naturales, es alcanzar una humectación adecuada de la fibra. El efecto reforzante solo se obtiene si hay una buena adhesión ente los polímeros y las fibras.
Debido a la alta viscosidad de los polímeros y su naturaleza no polar, esto puede ser difícil. Sin embargo, el bajo precio y las razonables temperaturas de procesamiento de los termoplásticos comunes, tales como el PE y PP virgen o reciclado, los hace matrices poliméricas atractivas para las fibras naturales.
Es necesario usar compatibilizadores en los compuestos basados en poliolefinas y fibras naturales a fin de alcanzar el reforzamiento. Estos proporcionan una interfase adecuada entre los materiales que son naturalmente incompatibles debido a la naturaleza hidrofílica de las fibras naturales y la naturaleza hidrofóbica de los polímeros.
Una forma común de compatibilizar los materiales es modificar la poliolefina con anhídrido maleico. Se añade una pequeña cantidad de este compatibilizador al polímero cuando se mezcla con la fibra, permitiendo muchas mejores propiedades de resistencia del material resultante. Otros tipos de agentes de acoplamiento usados con poliolefinas y fibras naturales incluyen los organosilanos y los organotitanatos, pero estos son usualmente mas caros porque ellos se añaden directamente a la superficie de la fibra en una etapa de pre tratamiento.
Hay un interés creciente en el uso de bioplásticos, tales como el PLA. Este poliéster alifático se especifica comúnmente debido a su disponibilidad y relativamente competitivo precio, pero sus propiedades mecánicas generalmente necesitan mejorarse con un agente de refuerzo.
Si se usa un grado biodegradable de PLA, entonces el uso de fibras sintéticas, tales como la fibra de vidrio, comprometerá su biodegradabilidad. Esto no es un problema con las fibras naturales, las cuales también aumentan el contenido renovable del compuesto.
La ventaja principal de usar un poliéster alifático como matriz con fibras naturales es su inherente polaridad, la cual elimina la necesidad de un agente de acoplamiento. Sin embargo, estos polímeros tienden a degradarse durante el procesamiento, especialmente en presencia de humedad. Lo cual puede ser un problema con las fibras naturales.
También se emplea el almidón termoplástico como matriz para mezcla con fibras naturales, debido a su baja temperatura de procesamiento y alta hidrofilicidad, la cual lo hace muy compatible con las fibras.
Opciones de mezclado
El proceso de fabricar un compuesto se hace generalmente en un extrusor de doble tornillo co-rotante, añadiendo el polímero a través de la tolva principal y la fibra a través de un alimentados lateral después de la zona de fundido del polímero. Uno los principales problemas del proceso de fabricación del compuesto es la alimentación de las fibras dentro del extrusor.
Esto es causado por dos principales problemas:
Primeramente, las fibras tienen una densidad aparente muy baja, lo cual resulta en una baja capacidad de flujo que los hace difíciles de alimentar.
En segundo lugar, la tendencia de las fibras a la aglomeración, debido a la presencias de fuertes enlaces de hidrogeno, reduce la superficie especifica efectiva de las fibras y su distribución en la matriz polimérica.
Una forma de aumentar la densidad aparente de las fibras es peletizarlas. El proceso involucra la compactación y aglomeración de las fibras para formar un pelet. En esta nueva forma, las fibras se pueden alimentar dentro del extrusor usando los sistemas convencionales. Sin embargo, no todas las fibras pueden ser peletizadas. Por ejemplo las fibras de fique y la cascara de arroz se desintegran debido a su extrema fragilidad, resultando en un polvo que no puede densificarse.
Una vez dentro del extrusor, las fibras peletizadas tienen que dispersarse y distribuirse en la matriz polimérica a fin de obtener buenas propiedades y apariencia en el material final. La dispersión de las fibras se obtiene mediante las fuerzas de corte causadas por el tornillo del extrusor. La cantidad de dispersión y distribución de las fibras esta regulada por la configuración de los elementos individuales del tornillo. Usando una configuración de alto corte permite una buena dispersión de las fibras, pero demasiado corte puede romper las fibras y aun causar degradación.
En adición a modificar las propiedades mecánicas del polímero, las fibras cambian también su reología, aumentando la viscosidad del fundido. Este aumento puede ser útil si el compuesto final va a la extrusión de perfiles, donde se requiere una alta viscosidad. Por esta razón, se usan polímeros con un índice de flujo de fundido (IFF) medio (5 g/10 min) a fin de alcanzar una buena humectación de la fibra así como la obtención de un compuesto final que se pueda procesar mediante extrusión o termoformado.
Cuando se usan polímeros con un índice de flujo de fundido mas alto (>8 g/10 min) se observa una mala resistencia de fundido, por ejemplo, la trenza fundida se rompe cuando es estirada. Sin embargo, si el compuesto es procesado por moldeo por inyección, se necesitan estos altos valores.
El aumento en la viscosidad del fundido también dependerá del tipo y cantidad de fibra usada. Por ejemplo, cuando se fabrican compuestos con un almidón modificado con 10 % de fibra de lino, la viscosidad aumenta en 146 % comparado con un almidón no mezclado. Sin embargo, si se usa 10 % de cáñamo, la viscosidad aumenta en un 353 %.
La cantidad de fibra que se puede incorporar dentro del polímero estará determinada por varios factores:
Post-procesamiento del compuesto polímero/fibra
Por ejemplo, con procesos de bajo IFF tales como extrusión de perfiles, el contenido de fibra puede llegar hasta 30 %.
Tipo de matriz polimérica.
Si el polímero y la fibra no son compatibles, entonces el contenido de fibra está limitado por la cantidad y eficiencia del agente de acoplamiento usado.
Aplicación final del compuesto
La cantidad de fibra añadida al polímero determinara la mejora de las propiedades mecánicas del producto final, pero solo hasta un límite. Mas allá de un nivel de carga critica, la fibra no actuar como un agente de refuerzo sino como una carga.
Esto puede hasta tener un impacto negativo en las propiedades mecánicas del material debido a una mayor interacción entre las fibras y por lo tanto una menor interacción con la matriz polimérica.
Aunque hay muy buenas razones para usar fibras naturales como refuerzos en polímeros termoplásticos, hay también varias desventajas cuando se combinan con estos materiales. Los pros y los contras están resumidos en la tabla 2.
En segundo lugar, la tendencia de las fibras a la aglomeración, debido a la presencias de fuertes enlaces de hidrogeno, reduce la superficie especifica efectiva de las fibras y su distribución en la matriz polimérica.
Una forma de aumentar la densidad aparente de las fibras es peletizarlas. El proceso involucra la compactación y aglomeración de las fibras para formar un pelet. En esta nueva forma, las fibras se pueden alimentar dentro del extrusor usando los sistemas convencionales. Sin embargo, no todas las fibras pueden ser peletizadas. Por ejemplo las fibras de fique y la cascara de arroz se desintegran debido a su extrema fragilidad, resultando en un polvo que no puede densificarse.
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| Fibras de kenaf antes y después de peletizar |
En adición a modificar las propiedades mecánicas del polímero, las fibras cambian también su reología, aumentando la viscosidad del fundido. Este aumento puede ser útil si el compuesto final va a la extrusión de perfiles, donde se requiere una alta viscosidad. Por esta razón, se usan polímeros con un índice de flujo de fundido (IFF) medio (5 g/10 min) a fin de alcanzar una buena humectación de la fibra así como la obtención de un compuesto final que se pueda procesar mediante extrusión o termoformado.
Cuando se usan polímeros con un índice de flujo de fundido mas alto (>8 g/10 min) se observa una mala resistencia de fundido, por ejemplo, la trenza fundida se rompe cuando es estirada. Sin embargo, si el compuesto es procesado por moldeo por inyección, se necesitan estos altos valores.
El aumento en la viscosidad del fundido también dependerá del tipo y cantidad de fibra usada. Por ejemplo, cuando se fabrican compuestos con un almidón modificado con 10 % de fibra de lino, la viscosidad aumenta en 146 % comparado con un almidón no mezclado. Sin embargo, si se usa 10 % de cáñamo, la viscosidad aumenta en un 353 %.
La cantidad de fibra que se puede incorporar dentro del polímero estará determinada por varios factores:
Post-procesamiento del compuesto polímero/fibra
Por ejemplo, con procesos de bajo IFF tales como extrusión de perfiles, el contenido de fibra puede llegar hasta 30 %.
Tipo de matriz polimérica.
Si el polímero y la fibra no son compatibles, entonces el contenido de fibra está limitado por la cantidad y eficiencia del agente de acoplamiento usado.
Aplicación final del compuesto
La cantidad de fibra añadida al polímero determinara la mejora de las propiedades mecánicas del producto final, pero solo hasta un límite. Mas allá de un nivel de carga critica, la fibra no actuar como un agente de refuerzo sino como una carga.
Esto puede hasta tener un impacto negativo en las propiedades mecánicas del material debido a una mayor interacción entre las fibras y por lo tanto una menor interacción con la matriz polimérica.
Aunque hay muy buenas razones para usar fibras naturales como refuerzos en polímeros termoplásticos, hay también varias desventajas cuando se combinan con estos materiales. Los pros y los contras están resumidos en la tabla 2.
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| Tabla 2. Pros y Contras de compuestos con fibras naturales |
Fuente: Compounding World, Octubre 2011, p. 53
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