ELABORACIÓN Y EVALUACIÓN DE PLÁSTICOS REFORZADOS A PARTIR DE FIBRAS DE PIÑA

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1 Revista Investigaciones Aplicadas N o. # (2008) 1- Publicada en línea por la Universidad Pontificia Bolivariana ISSN ELABORACIÓN Y EVALUACIÓN DE PLÁSTICOS REFORZADOS A PARTIR DE FIBRAS DE PIÑA Gissela Panesso Luna * * Universidad Pontificia Bolivariana, Cq. 1 #70-01, of , Medellín, Colombia, ** Filiación Institucional Autor 2 Recibido 1 Mes 09 año 2008; aceptado ## Mes año Disponible en línea: ## Mes año Resumen: En los últimos años, ha surgido un particular interés por el desarrollo de materiales compuestos reforzados con fibras naturales, como consecuencia de las ventajas económicas y ambientales. Con la presente investigación se desarrollo un compuesto natural a partir de la resina de poliéster insaturado como matriz y la fibra de piña como reforzante. La fibra de piña fue extraída mecánicamente, lavada y peinada y luego caracterizada morfológica, química y mecánicamente. Como paso previo a la elaboración del compuesto, la fibra fue modificada superficialmente con silanos para mejorar su unión con la resina y por ende sus propiedades mecánicas para posibles aplicaciones. Abstract: In recent years, there has emerged a particular interest in the development of composite materials reinforced with natural fibers, as a result of the economic and environmental benefits. With this research is developing a compound naturally from the unsaturated polyester resin as a parent and pineapple fiber as strengtheners. The pineapple fiber was extracted mechanically, washed and combed and then characterized morphological, chemical and mechanically. As a prelude to the development of the compound, the fiber was modified superficially with silanes to improve its union with resin and hence its mechanical properties for possible applications. Keywords: Pineapple Fibers, Amended surface, Silanes, Composite, Characterization

2 1. INTRODUCCIÓN El las últimas décadas las fibras sintéticas han permitido una gran contribución para el desarrollo de humano, ya que la mayoría de las nuevas tecnologías aeroespaciales e industriales provienen de esta, en la actualidad el impacto ambiental que esta causa ha llevado a que estas sean remplazadas por materiales biodegradables, más amigables para el medio ambiente Actualmente esta problemática ha llevado a investigadores a trabajar con fibras naturales tales como el sisal, yute, kenaf, lino, fique, banana entre otras con el fin de crear compuestos amigables al medio ambiente y debajo costo a nivel industrial.[1,2,3] Con este trabajo se pretende que la fibra de piña sea una nueva alternativa para la elaboración de materiales compuestos debido a que esta también juega un papel importante dentro y fuera del país, en Colombia actualmente hay sembradas 9000 hectáreas de piña, las cuales podrían emplearse para obtener fibras de piña. [4] Sin embargo, la fibra de piña debe ser sometida a tratamientos de acondicionamiento químico antes de ser utilizada como elemento de refuerzo con el fin de mejorar su acoplamiento y optimizar su adhesión con la resina que se desee emplear y, de esta forma, mejorar algunas de sus propiedades mecánicas []. En el caso de materiales compuestos, la resina de poliéster insaturado ocupan un espacio importante debido a su versatilidad, sus diversas técnicas de fabricación, su gran cantidad de aplicaciones, su bajo costo y sus propiedades, haciendo de ella una excelente opción a la hora de elegir. Se realizo un estudio sobre la adhesión de estas fibras a la matriz polimérica, luego de mejorar sus propiedades fisicoquímicas, buscando una mejora en las propiedades mecánicas de la misma, para tener en cuenta a la hora de emplear estas. 2 MATERIALES Y MÉTODOS La fibra de piña se obtuvo en el municipio de turbo en la vereda la piña, resina de poliéster insaturado 809, Silano Z Caracterización de la fibra de piña La piña (Ananas cosmosus) es un fruto tropical, de la familia de las Bromeliáceas Originado en Sur América, se estima que en el mundo existen más de 1400 especies, específicamente de la Zona tropical de Paraguay, Brasil y Argentina, en los últimos años, la piña así como otras frutas tropicales pueden ser encontradas en los mercados de Europa y Norteamérica. [6] La piña es el segundo cultivo tropical de importancia mundial después del banano, aportando más del 20 % del volumen mundial de frutos tropicales. El 70% de la piña producida en el mundo es consumida como fruta fresca en el país que la produce, [7] Para la obtención de la fibra de piña, se tomaron las hojas de esta mas conocidas como colinos, esta fue extraída mecánicamente en el municipio de turbo en la vereda la piña, luego esta fue lavada, secada y peinada, para hallar el rendimiento de la misma. En la tabla 1 y 2 se presentan las propiedades Químicas y físicas de la fibra de piña. Tabla 1 Caracterización química de la fibra Propiedades Químicas % Celulosa 60,4 Hemicelulosa 17,2 Lignina 8,4 Cenizas 0,63 Solubilidad en agua fría Solubilidad en agua caliente 17,297 Solubilidad en Etanol/Tolueno 4,48 Tabla 2 Caracterización física de la fibra de piña Propiedades físicas de la fibra Rendimiento% 22,4216 Diámetro(um) 117,--202,8 Titulo(tex) 148, ,33 Longitud(cm) 18,2--71,4 Recuperación Humedad%,7 2

3 2.2 Solubilidad de la fibra El objetivo de esta prueba es determinar el porcentaje de compuestos presentes en la fibra de piña, que son solubles en agua fría, agua caliente y etanol/tolueno, este ensayo se realizo bajo la norma ASTM D Para la solubilidad en agua fría el ensayo consistió en llevar la fibra de piña a peso constante por 24h, luego se monto por triplicado en un tex de jarras 10gr de fibra por cada 00ml de agua fría por 48h como indica la norma, luego en la muestra fue llevada a peso constante, para determinar la perdida de peso. Para el agua caliente se tomaron las 3 muestras secas y por medio de condensadores la muestra se mantuvo a 100 C por 2h, luego la muestra fue llevada a peso constante. Para la solubilidad en etanol/tolueno la muestra fue puesta en el porta-muestras del soxflet por horas con 00ml de solución de etanol/tolueno, para luego llevarla a peso constante. En la figura 1, 2,3 se observa como se alcanzo el peso constante de la fibra en el tiempo, para el agua fría y el agua caliente. Figura 1 Solubilidad en agua fría Solobilidad agua fria 2.3 Propiedades Físicas de la fibra Diámetro: En las fibras es importante medir el diámetro o grosor, por que este determina la suavidad y la rigidez de la misma, para dicho ensayo se empleo el microscopio óptico marca Leica de la universidad Pontifica Bolivariana. Para dicho ensayo se tomaron hilos de fibras a los cuales se les midió el diámetro aparente como se observa en la figura 3 y 4. Figura 3 Hilo de Fibra piña Figura 4 Hilo de fibra de piña Con el diámetro aparente Peso muestra(gr) Tiempo(s) Figura 2 Solubilidad en agua caliente Solubilidad en agua caliente Peso mestra(gr) Tiempo(s) Como el etanol/tolueno es muy volátil, las muestras se secaron inmediatamente al llevarlas a 10 C 2.4 Propiedades Mecánicas de la fibra de piña. Estas se evaluaron para observar que tan resistente es la fibra de piña comparada con otras fibras ya estudiadas. En la tabla 3 se muestra las diferentes propiedades mecánicas evaluadas para 4 hilos de fibras. 3

4 N Tabla 3 Propiedades Mecánicas de la fibra Esfuerzo Tenacidad Elongación Carga (N/den) (mm) (N) (N) 1 2,7 3,97 1,11 2,6 2 2,2 2,8 1,19 2,2 3,1 6, 1,26,1 4 2,6,1 1,23 2,6 Media 3,2 4,61 1,2 3,1 1,3380 Desviación estándar 2. Tratamiento Con Silano 1,876 0, , Minima 2,2 2,8 1,11 2,2 Maxima,1 6, 1,26,1 Escala 2,9 3,7 0,1 2,9 El silano empleado fue el Z6011 Aminopropietiletoxisilano, H2NC3H6- Si(OC2H)3 que generalmente es empleado con algunas resinas termoestables y termoplásticas con fibras de vidrio o fibras naturales. Para el tratamiento de la fibra de piña con el silano se preparo 0.3% y 0.% de silanos, con una mezcla de etanol/ agua en la proporción 6/4 por 1 hora, el ph de la solución se mantuvo e 4 con la adición de acido acético, luego se sumergieron 10gr de fibra por cada 00ml se solución por 1.h, la solución se filtro y por ultimo la fibra fue secada en un horno a 70 ºC hasta que la fibra se secara por completo.[7] 2.6 Preparación del compuesto polimérico Para preparar el compuesto polimérico se empleo la resina de poliéster insaturado debido a su fácil manejo y su bajo costo, El compuesto polimérico será preparado al 10%, 20% y 30% de contenido de fibra para observar cono varían las propiedades mecánicas con estas. Unos de los factores mas importantes estudiados para obtener buen refuerzos en el compuesto es la unión entre la fibra y la matriz polimérica debido a la presencia de hidroxilos, además que la absorción de humedad de la fibra es muy alta, lo que conduce a la mala unión de las interfaces con la matriz polimérica que es hidrofobica, por lo tanto con el fin de desarrollar compuestos con mejores propiedades mecánicas es necesario impartir hidrofobicidad a las fibras con tratamientos químicos para así garantizar una mejor compatibilidad entre ambas. En la sección 2. se muestra el como fueron modificadas las fibras. Para saber si las fibras si fueron modificadas químicamente se realizo el ensayo del IR que permite observar los compuestos presentes en las fibras de piña antes y después de ser tratadas, en la figura se muestra la longitud de onda de los compuestos presentes en la fibra de piña.. Figura FTIR de fibra de piña tratada y sin tratar Roja. Fibra de piña sin silanos, Azul. Fibra de piña tratada al 0.3% de silanos Vino tinto es a 0.% de silanos, En el grafico se observa que al transponer las 3 figuras, la fibra de piña tratada presenta una leve disminución entre la longitud de onda de 200 a 1800 y de 00 a 900, lo que indica que la fibra si fue modificada químicamente 3 CONCLUSIONES La solubilidad en agua fría y caliente permiten observar aquellos compuestos solubles en agua como taninos, azucares y materiales coloreados, al decantar el agua empleada en este ensayo, esta era de color amarillo lo cual permitía observar que la fibra si tiene compuestos solubles en agua. 4

5 Se observo que aproximadamente el % de fibra es soluble en agua fría, el 17.2% es soluble en agua caliente y el 4.48% es soluble en etanol tolueno. Al comparar las propiedades mecánicas de la fibra de piña con otras fibras ya estudiadas se observo que la fibra de piña tiene propiedades muy similares, Elongación de la fibra de banano según (Adriana Restrepo) fue de 1.13 y 18 para la fibra de plátano y la de piña como se observa en la tabla 3 fue de 1.26 [8] En la figura se puede observar que al tratar la fibra con silanos a diferentes concentraciones esta fue levemente modificada. Lo que permitirá en un futuro obtener mejores propiedades mecánicas al elaborar los compuestos poliméricos. En la figura se puede identificar las bandas de 3000 a 300cm-1 que representan picos de OH, los picos de 2900 a 3000 cm-1 que atribuye a los picos de C-H de la fibra de piña [9] Y finalmente los compuestos de silanos se forman entre el rango de 1200 y 100 Si-O-Si + Si-O Fibra REFERENCIAS Behzad. T., Sain M.(2007) Finite element modeling of polymer curing in natural fiber reinforced composites. Composites Science and Technology, Maya Jacob John, Bejoy Francis, K.T. Varughese, Sabu Thomas.(2008) Effect of chemical modification on properties of hybrid fiber biocomposites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 39, Oportunidades de mercado para la piña y sus derivados en estados unidos. [medio elecronico] _casopi%c3%b1a.pdf>. [citado 31 julio]. Panthapulakkal, S, Zereshikian. A, Sain.M (2006) Preparation and characteriztion of wheat atraw fibers for reforcing application in injection molded thermoplastic composites. Bioresource technology Restrepo Osorio, Adriana. Escobar Acosta, Natalia. (2002). Comportamiento textil de las fibras del plátano y El banano. Universidad Pontificia Bolivariana, Escuela de ingenierías p 170 T.P,Roberta...et al.(2003) Production of phenolic antioxidants by the solid-state biconversion of pineapple waste mixed with soy flour using Rhizopus oligosporus. Process Biochemistry. 39, De la cruz medina, j. García h.s. operaciones postcosecha de la piña. [en línea]. < [consulta: abril.2007] Idicula. Maries, Abderrahim Boudenne.(2006). Thermophysical properties of natural fibre reinforced polyester composites.composites Science and Technology, Kerguelen Grajales, Enrique Herbert (2006) Evaluación de la degradación por termoxidación de termoplásticos para uso en aplicaciones agrícolas. Universidad Pontificia Bolivariana Escuela de formación avanzada. P130.