Aprovechamiento de residuos de fibras naturales como elementos de refuerzo de materiales poliméricos

Aprovechamiento de residuos de fibras naturales como elementos de refuerzo de materiales poliméricos Amigó, V., Salvador, M.D., Sahuquillo, O. Instituto de Tecnología de Materiales, Universidad Politécnica de Valencia, España Llorens, R., Martí, F. Instituto Tecnológico del Plástico - España AIMPLAS, Valencia, 1

Objetivos Conocer las propiedades de las fibras cuando se trata de reciclar residuos fibrosos agro-industriales. Propiedades físicas. Propiedades microestructurales Degradación de las fibras. Procesar las fibras para obtener una buena interfase con la matriz determinando sus propiedades a tracción, flexión e impacto para la obtención de materiales compuestos. 2

Problemática Humedad de las fibras afecta la integridad del polímero. Fibra Cáñamo a Densidad (g/cm 3 ) 1,48 Celulosa (%) 88-90 Hemicelulosa (%) 1,5-2,0 3,5-8,0 Sisal 1,45 65 12 9,9 10 Plátano b 1,35 63-64 19 5 10-11 Piña b 1,53 81-12,7 13,5 Degradación térmica de las fibras durante el procesado del compuesto. La capacidad de absorción de agua del compuesto, modifica sus propiedades. 7-10 a de referencia [14], b de referencia [5] Propiedades físicas de distintas fibras naturales. Lignina (%) Humedad (%) 3

Desarrollo Experimental Fibras procedentes de residuos textiles y fabricación de cuerdas como sisal, cáñamo y algodón. Sisal Cáñamo Algodón 10 mm 10 mm 10 mm 4

Desarrollo Experimental Caracterización microestructual: Microscopio Óptico, Microphot FX de Nikon Inc. Fibra de algodón 100 m Fibra de fique 100 m a) b) Fibra de sisal 100 m Fibra de kenaf 100 m c) d) 5

Desarrollo Experimental Análisis superficial mediante microscopía de fuerza atómica, AFM, se realiza con un Nanoscope v5.30r2 de Veeco Instruments. a) Fibra de algodón b) Fibra de fique 6 c) Fibra de kenaf d) Fibra de sisal

Desarrollo Experimental Caracterización microestructural: Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), JSM 6300 de JEOL Ltd. Fibra de algodón Fibra de sisal Fibra de cáñamo a) X2500 b) c) X1000 X1000 7

Desarrollo Experimental 8 IMÁGENES DE ELECTRONES SECUNDARIOS (SE) DE LA SUPERFICIE DE LAS DISTINTAS FIBRAS

Desarrollo Experimental 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. 9

Desarrollo Experimental La degradación de las fibras se ha estudiado mediante un equipo de termogravimetría TGA Q50 de TA Instruments, utilizando N 2 como gas de purga. 120 80 418.91 C 5.5 4.5 120 80 LINO ALGODON CAÑAMO KENAF SISAL 4 Weight (%) 40 0-40 -80 Polietileno 451.25 C 99.50% Residue: 0.4839% (0.04790mg) 3.5 2.5 1.5 Deriv. Weight (%/ C) Weight (%) 40 0-40 3 2 1 Deriv. Weight (%/ C) -120 0.5-80 -160-0.5 0 100 200 300 400 500 600 Temperature ( C) -120 0 0 100 200 300 400 500 600 Temperature ( C) 10

Desarrollo Experimental Matriz termoplástica: polietileno de alta densidad reciclado. Peletización de las fibras mediante una prensa de matriz plana Amandus KAHL PEAD Cáñamo Algodón 10 mm 10 mm 10 mm 11

Desarrollo Experimental Peletización de las fibras mediante una prensa de matriz plana Amandus KAHL 12

Desarrollo Experimental Agente compatibilizante: 5% en peso de Bondyram 5001, polietileno de alta densidad con anhídrido maleico injertado. Obtención del compound: Extrusora de doble husillo corotativa de la marca Leistritz Modelo: 27MAXX 44D. 13

Resultados HDPE+47% fibra de sisal sin lubricante HDPE+45% fibra de sisal con lubricante a) 20 mm b) 20 mm Las pruebas sin lubricante, producen materiales poco homogéneos y para contenidos en fibra superiores al 45% de sisal, las fibras no se incorporan correctamente, figura a. Con lubricación se obtiene una gran mejora en el aspecto del hilo, aunque debe incorporarse el mínimo lubricante necesario para evitar deslizamientos del material que provoquen una falta de uniformidad en el extruído, figura b. 14

Desarrollo Experimental Compounds de algodón y cáñamo obtenidos 15

Resultados Características de diferentes fibras empleadas en la modificación de termoplásticos. Lino Fibra Algodón a Cáñamo Densidad (g/cm 3 ) 1,48 Módulo elasticidad (GPa) 4,98-10,92 24,00 264-654 300-900 Sisal 1,45 10,40 c 444-552 2,0-2,5 Platano b,c 1,35 20,00 550 5,0-6,0 Piña b 1,53 4,20 413 3,0-4,0 Yute a 43,80 342-672 1,7-1,8 Vidrio a 2,54 56-72 2500 3,0 a referencia [10], b referencia [5], c referencia [15] Resistencia tracción (MPa) 285 Alargamiento a rotura (%) 3,0-7,0 2,7-3,2 1,3 16

Resultados DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO DE LAS FIBRAS EN UNA POBLACIÓN DE 100 FIBRAS. b) DISTRIBUCIÓN ACUMULADA DE LA LONGITUD DE LAS FIBRAS 17

Se ha obtenido muestras por: Extrusión, Inyección. Resultados 18

Resultados Ejemplos de muestras obtenidas por extrusión. 19

Resultados 120 Durante estos procesos se produce una degradación con temperaturas mínimas, de 275ºC, para el sisal, figura a, mientras el algodón comienza su degradación a las temperaturas más elevadas de todas las fibras analizadas, 343ºC, figura b. 3.0 1.6 80 39.56 C 3.886% 244.12 C 19.60% 56.46% 2.6 2.2 110 90 29.56 C 2.487% 308.25 C 343.39 C 1.4 1.2 Weight (%) 40 0-40 Sisal 275.08 C 346.42 C 326.55 C Residue: 19.64% (0.9483mg) 1.8 1.4 1.0 0.6 Deriv. Weight (%/ C) Weight (%) 70 50 30 Algodón 61.01% 408.74 C 15.89% 9.149% 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Deriv. Weight (%/ C) -80 52.33 C 0.2 10 37.00 C 417.25 C Residue: 11.37% (0.7177mg) 0.0-120 -0.2-10 -0.2 0 100 200 300 400 500 600 0 100 200 300 400 500 600 Temperature ( C) Temperature ( C) Curvas termogravimétricas de: a) fibra de sisal, b) fibra de algodón. 20

Resultados Durante estos procesos se produce una degradación con temperaturas críticas de 320-350ºC en prácticamente todas las 120 4 fibras. LINO 80 ALGODON CAÑAMO KENAF SISAL 3 40 Weight (%) 0-40 2 Deriv. Weight (%/ C) 1-80 21-120 0 0 100 200 300 400 500 600 Temperature ( C) Curvas TGA en diferentes fibras analizadas

Resultados Cualquier tratamiento térmico o aporte de calor a las fibras significa una alteración de las mismas manifestada por la perdida de peso a bajas temperaturas correspondientes a las fracciones volátiles, en este caso el agua absorbida y retenida, de manera que esta fracción disminuye desde el 12% al 7% cuando se peletiza la fibra. Cuando la fibra se inyecta, pierde completamente su humedad a contenidos inferiores en todos los casos al 1,5%. Esto confirma la excelente resistencia de las fibras a la degradación durante el procesado de las mismas. 22

RESULTADOS OBTENIDOS DE LOS ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICOS DE LAS DIFERENTES MUESTRAS. FIBRA SISAL PELLET SISAL PE-HD PE-HD/30% SISAL PE-HD/40% SISAL PE-HD/50% SISAL PE-HD/60% SISAL Frac. Ligera % (agua) 12,776 7,94 0,00 0,00 0,00 1,35 1,41 Cambio 1 (%) 7,436 3,01 0,00 0,00 0,00 1,35 1,41 Onset X (ºC) 34,41 41,31 46,60 51,56 Onset Y (%) 98,16 98,96 99,71 99,72 Máx 1 (ºC) 35,91 41,88 56,75 62,36 Cambio 2 (%) 5,34 4,93 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 Onset X (ºC) 167,33 180,35 Onset Y (%) 90,29 95,97 Máx 2 (ºC) 202,08 208,87 Fracción Polímero % 71,63 79,24 99,52 93,22 92,78 89,20 87,15 Cambio 3 (%) 19,24 21,38 0 8,38 10,84 12,16 14,93 Onset X (ºC) 258,97 261,22 242,36 250,80 245,09 246,98 Onset Y (%) 82 87,86 98,82 97,45 97,99 97,39 Máx 3 (ºC) 286 283,73 278,29 283,21 287,95 286,00 Cambio 4 (%) 37,83 42,04 0 16,98 18,76 23,41 27,32 Onset X (ºC) 350,32 340,12 316,18 318,03 316,23 317,50 Onset Y (%) 31,98 30,30 87,23 84,72 80,95 77,30 Máx 4 (ºC) 333,94 324,87 332,87 335,10 332,93 333,78 Cambio 5 (%) 14,56 15,82 99,52 67,86 63,18 53,63 44,90 Onset X (ºC) 427,61 394,31 441,21 437,00 435,58 436,72 434,46 Onset Y (%) 26,14 24,63 100,10 71,94 66,73 59,74 52,42 Máx 5 (ºC) 455,71 456,11 461,87 458,82 458,10 458,25 456,60 Fracción Residuo 14,25 12,42 0,49 6,77 7,18 9,41 11,31 23

Resultados Propiedades mecánicas a tracción y flexión de las diferentes muestras analizadas. Resistencia máxima (MPa) Tracción Modulo elástico (GPa) Alargamiento (%) Resistencia máxima (MPa) Flexión Modulo elástico (GPa) Deformación (mm/mm) Resistenci a a impacto (kj/m 2 ) PE-HD 26,03 1218,20 192,08 25,63 995,92 0,080 145,38 Compuestos obtenidos sin lubricación PE-HD/ 30% SISAL 39,93 3234,80 4,65 49,44 2397,61 0,058 19,22 PE-HD/ 40% SISAL 44,56 3587,00 3,49 56,73 2963,59 0,046 18,62 PE-HD/ 50% SISAL 44,31 6160,60 2,26 62,62 3732,71 0,036 17,40 PE-HD/ 60% SISAL 39,29 7039,50 1,25 66,12 4543,71 0,029 13,90 Compuestos obtenidos con lubricación PE-HD/ 30% SISAL 37,02 3579,40 4,34 46,17 2196,32 0,056 16,63 PE-HD/ 40% SISAL 33,63 4012,80 2,74 46,19 2196,43 0,056 11,80 PE-HD/ 50% SISAL 32,29 5991,40 1,60 50,53 3581,39 0,030 11,88 24

Resultados Variación del módulo elástico con el porcentaje de fibras. 25

Resultados 26 Variación de la plasticidad con el porcentaje de fibras.

Resultados Fractografía de los compuestos PE-HD + 30% fibra de sisal, a) con y b) sin adición de lubricante. 27

Resultados CARACTERISTICAS MECÁNICAS OBTENIDAS EN LOS ENSAYOS DE TRACCIÓN La resistencia máxima aumenta con el aumento del contenido en fibras principalmente en el sisal, 45 MPa frente a los 26 del HD-PE. El alargamiento proporcional de rotura presenta una disminución desde el 192,1% del HDPE que actúa como matriz a los 13,5% para compuestos con 20% de algodón. 28

Resultados Pero la rigidez que proporcionan las fibras parece no verse afectada por la naturaleza de las mismas, pues presenta un incremento lineal con el contenido de las fibras. Un 40% de fibras proporciona valores alrededor de 3600 MPa, superiores a los 1300 MPa del HD-PE. 29

Resultados CARACTERISTICAS MECÁNICAS OBTENIDAS EN LOS ENSAYOS DE FLEXIÓN En el ensayo de flexión de los compuestos, se presentan resultados semejantes a los anteriores de tracción. El sisal alcanza un máximo de 62 MPa frente a los 26 MPa del HD- PE reciclado de la matriz. El alargamiento también sufre una fuerte disminución. 30

Resultados Ahora la rigidez aumenta significativamente alcanzando valores de 3600 MPa, para el 50% de sisal, en comparación con los 1300 MPa del HD-PE. 31

Resultados Estas diferencias en la rigidez y plasticidad se aprecian en el análisis fractográfico realizado. 32

Resultados La resiliencia disminuye desde 145,38 kj/m 2, para HD-PE, a valores máximos para el algodón, entre 24 y 25 kj/m 2, y entre los 17.25 y 22 kj/m 2 para el cáñamo y sisal, dependiendo del porcentaje de fibras. 33 Resistencia a impacto en ensayos Charpy de los compuestos.

Conclusiones El aprovechamiento de fibras vegetales de desecho es perfectamente viable con la peculiaridad de su disparidad en forma y tamaño obligando a la peletización previa de las mismas para la obtención de los compounds. La obtención de estos compounds, aunque no ha sido objeto de la presente investigación, requiere la adición de compatibilizantes. En nuestro caso, que hemos utilizado un 5% en peso de un polietileno de alta densidad con anhídrido maleico injertado. 34

Conclusiones La degradación de las fibras de sisal, cáñamo y algodón, durante los diferentes procesos utilizados en la elaboración de los compuestos, ha sido prácticamente despreciable y sólo cabe resaltar la pérdida de agua. Todas las fibras han presentado degradaciones semejantes con la temperatura por lo que su procesabilidad en los procesos de extrusión e inyección es perfectamente viable industrialmente. La incorporación de fibras aumenta ligeramente las propiedades resistentes del polímero base, en nuestro caso HD-PE reciclado, pero a cambio disminuyen sus propiedades plásticas y la tenacidad, aunque todavía mantienen unas resistencias a impacto alrededor de los 20 kj/m 2. 35

Conclusiones La rigidez de los compuestos obtenidos no parece depender de la naturaleza de las fibras presentando una relación prácticamente lineal con el contenido en fibras e incrementándose sustancialmente en relación a la rigidez del polímero matriz. Las fractografías obtenidas tras los distintos ensayos realizados muestran esta falta de plasticidad y confirman el aumento de la rigidez en los compuestos por el efecto de extracción de las fibras de la matriz durante el proceso de fractura así como una mayor rigidez obtenida por el ovillamiento de las propias fibras que depende en gran medida de la cantidad final de las mismas incorporadas al polímero. 36

Agradecimientos Al Ministerio de Medio Ambiente por su soporte a través del proyecto A581/2007/2-02.2 enmarcado en el Programa Nacional de Ciencias y Tecnologías Medioambientales del Plan Nacional de I+D+i. Al Programa CYTED por su apoyo en movilidad a través de la Acción de Coordinación de Proyectos de Investigación 307AC0307. 37

Muchas gracias por su atención 38