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TENTH INTERNATIONAL CONFERENCE ON NON-CONVENTIONAL MATERIALS AND TECHNOLOGIES

NOCMAT 2008

Cali, Colombia. 12-14 November, 2008

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CARACTERIZACIÓN MORFOLÓGICA Y MECÁNICA DE PE-HD RECICLADO REFORZADO CON RESIDUOS DE FIBRAS DE SISAL V. Amigó1, M.D. Salvador1, R. Llorens2, F. Martí2, O. Sahuquillo1 1 Instituto de Tecnología de Materiales, Universidad Politécnica de Valencia, España, [email protected] 2 Instituto Tecnológico del Plástico - AIMPLAS, Valencia, España RESUMEN La necesidad del reciclado de materiales es algo totalmente aceptado en la sociedad actual y sin embargo requiere que el material final presente propiedades atractivas para su uso, lo cual no sucede en muchas ocasiones. El presente trabajo pretende, aunando el reciclado de fibras y matriz, obtener una mejora sustancial de las propiedades mecánicas correspondientes al polímero reciclado, acercándolas si es posible a las del material virgen, muy superiores. Para ello se obtienen productos inyectados y extruídos de polietileno reciclado reforzándolo con residuos de fibras de sisal procedentes de la industria cordelera. Se utilizan composiciones entre el 30 y 50% de fibras en peso para la obtención de pelets con los que se llevan a cabo procesos posteriores de extrusión o inyección. Estos procesos someten a las fibras a un tratamiento térmico que puede degradarlas, por lo que se realizará un seguimiento de la respuesta a la temperatura mediante análisis termogravimétricos que evalúen la posible degradación obtenida. Los materiales inyectados se ensayarán a tracción y flexión obteniendo las propiedades mecánicas más significativas, principalmente la tensión máxima, rigidez y alargamiento.


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Las fracturas se observan en microscopía electrónica de barrido para apreciar el tipo de rotura, bastante frágil, y la interfase entre fibras y matriz. Los resultados revelan un importante incremento de la resistencia máxima pero una pérdida casi completa de la plasticidad que disminuye de manera muy apreciable la tenacidad del material, hasta niveles críticos para ciertas aplicaciones, lo que podría limitar su uso. Palabras clave: Fibras vegetales, sisal, polietileno, reciclado, TGA, propiedades mecánicas INTRODUCCIÓN Los termoplásticos reforzados con fibras naturales (TRFN) se utilizan en una gran variedad de aplicaciones comerciales, pero todavía son pocos los estudios realizados para relacionar y predecir la relación estructura/propiedades en estos materiales, sobre todo cuando se trata de fibras cortas, al tratarse en muchos casos de residuos fibrosos industriales [1-4]. Sin embargo, estos productos no son comparables a los compuestos reforzados con fibra de vidrio que presentan mayores propiedades mecánicas en general [5], como tampoco lo son cuando las fibras son largas y continuas [6], aunque si resultan comparables a los WPC (Wood-Plastic Composites) [7-11], e incluso presentan propiedades superiores, para contenidos en fibras netamente inferiores [5, 6, 12]. Dentro de los termoplásticos, las poliolefinas como el polipropileno (PP) y polietileno de baja densidad (PEBD) son los materiales de mayor consumo debido a sus interesantes propiedades y bajo costo, y por ello son los mayormente estudiados, especialmente el polipropileno [5, 13-17]. En los últimos años, para obtener productos con propiedades competitivas se viene utilizando como matriz termoplástica el polietileno de alta densidad (PE-HD) que además de un fácil y económico procesado y posibilidad de reciclado, incrementa su rigidez y resistencia mecánica con la incorporación de fibras cortas de refuerzo [6, 12, 18-21]. Los factores básicos en el refuerzo son la resistencia, la dureza y la relación de forma de las fibras [6, 12, 22], la compatibilidad con la matriz (que confiere una buena adhesión en la interfase fibra/matriz) [21, 23-26] y la concentración de la fibra en el compuesto final [6, 22], así como su orientación y ordenamiento de las fibras en la matriz. En general, dependiendo de la deformación impuesta y cuando no existe una adecuada adhesión en la interfase, la incorporación de fibras cortas a un polímero provoca la


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aparición de defectos en la interfase lo que disminuye de manera importante las propiedades finales del compuesto [21, 22, 26]. Esto se pone de manifiesto, principalmente, en una disminución de la resistencia, y sobre todo de la plasticidad, debido a la concentración de tensiones creadas por solapamiento de fibras y los extremos de las mismas. Si la adhesión es buena, la resistencia aumenta y la unión fibra/polímero dificulta la formación de huecos y por lo tanto su deformación [19, 21]. En todo caso, la deformación del material a rotura será controlada por la resistencia del propio material y por la adhesión fibra-matriz [27], sirviendo la regla de las mezclas como guía para conocer el efecto de las fibras en las propiedades finales [6, 10, 22, 27]. Por ello, estructuras con fuerte unión interfacial mostrarán elevada resistencia [6, 10, 28] al disponer de mínimos huecos interfaciales. La fracción de empaquetamiento óptima se producirá cuando sean adecuadas las dimensiones de las fibras (relación de forma longitud/diámetro) y las características de la matriz polimérica, obteniéndose la eficacia de la fibra de acuerdo a los trabajos de Pan [29]. Otro factor a considerar en las propiedades de los compuestos obtenidos es la propia degradación térmica de las fibras provocada durante el proceso de fabricación de los compuestos pues se ve sometida, a lo largo del mismo, a elevadas temperaturas que pueden provocar modificaciones microestructurales que afecten sustancialmente a sus propiedades mecánicas y/o morfológicas que pueden afectar a su vez, sustancialmente, las propiedades finales del compuesto [15, 22, 30, 31]. Es por ello que resulta necesario conocer las propiedades de las fibras cuando se trata de reciclar residuos fibrosos agro-industriales pues las propiedades físicas y de forma pueden verse ampliamente modificadas, tal como se recogen en los diferentes trabajos realizados, y esto representará el objetivo principal del presente trabajo y nos permitirá entender las variaciones en las propiedades finales del compuesto PE/fibras. MATERIALES Y MÉTODO En el presente trabajo se analiza fibras cortas de sisal, Figura 1a, procedentes de residuos de la industria cordelera, que han sido peletizadas mediante una prensa de matriz plana Amandus KAHL, Figura 1b, para poder alimentarlas con mayor facilidad en el proceso de obtención del compound. Como matriz termoplástica se ha utilizado un polietileno de alta densidad reciclado, Figura 2a, con un índice de fluidez de 26,4 g/10 min (190ºC/2.16 kg), utilizando como agente compatibilizante un 5% en peso de Bondyram® 5001, un polietileno de alta densidad con anhídrido maleico injertado. Como lubricante se ha utilizado un 2,5% en peso de STRUKTOL® TPW 113, ésteres de ácidos grasos.


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FIG. 1. ASPECTO DE LAS FIBRAS DE SISAL UTILIZADAS EN LA INVESTIGACIÓN. a) EN ESTADO DE SUMINISTRO, b) DESPUÉS DE LA PELETIZACIÓN.

FIG. 2. a) ASPECTO DEL POLIETILENO RECICLADO UTILIZADO Y b) OBTENCIÓN DE LOS COMPUESTOS PE-HD/30% SISAL. La obtención del compound se ha realizado mediante una extrusora planetaria Entex montando seis husillos tipo transporte en la primera zona y otros seis en la segunda, Figura 2b. Finalmente, el compound se ha inyectado en una Inyectora ARBURG 420C, modelo ALLROUNDER 1000/350 para obtener las diferentes probetas normalizadas para su ensayo. De esta forma se ha obtenido las probetas que se recogen en la Tabla 1, con diferentes porcentajes de fibra de sisal, del 30 hasta el 60% en peso, y con o sin lubricante.


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TABLA 1 – COMPUESTOS OBTENIDOS CON DIFERENTES CANTIDADES DE FIBRA DE SISAL Y ADITIVOS.

Muestra % Sisal en peso % Bondyram % STRUKOL 1 - - - 2 30 5 - 3 40 5 - 4 50 5 - 5 60 5 - 6 30 5 2,5 7 40 5 2,5 8 50 5 2,5

La caracterización microestructual de las fibras, se ha realizado mediante un Microscopio Óptico, modelo Microphot FX de Nikon Inc. Para la obtención de imágenes con Microscopía Electrónica de Barrido (MEB), se ha usado un equipo JSM 6300 de JEOL Ltd. El análisis superficial mediante Microscopía de Fuerza Atómica, AFM, se llevó a cabo con Nanoscope v5.30r2 de Veeco Instruments. La degradación de las fibras se ha estudiado mediante un equipo de termogravimetría TGA Q50 de TA Instruments, utilizando Nitrógeno como gas de purga. 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. De la misma forma se ha caracterizado microestructuralmente el material inyectado, obteniendo las propiedades mecánicas de los mismos, tracción, flexión y compresión, mediante una máquina Universal de ensayos INSTRON 4202. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Las fibras de sisal presentan una densidad de 1,45 (g/cm3) y una humedad media del 10%. Su composición aproximada es de un 65% de celulosa, un 12% de hemicelulosa y un 9,9% de lignina [10, 12, 22, 25, 28]. El aspecto general de las fibras de sisal se aprecia en las micrografías de la Figura 3, donde se observa que las diferentes fibras están formadas por la unión de distintas fibrillas. Esta unión se aprecia mucho mejor en las imágenes de electrones secundarios obtenidas en el microscopio electrónico de barrido, tal como se recoge en la Figura 4, donde puede distinguirse con claridad el lumen y la pared primaria de las fibrillas, véase la Figura 4b.


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FIG. 3. MICROESTRUCTURA DEL CORTE TRANSVERSAL DE LAS FIBRAS DE SISAL. a) MORFOLOGÍA DE ALGUNAS DE LAS FIBRAS. b) DETALLE DE LA ESTRUCTURA EN UNA DE ELLAS.

FIG. 4. IMÁGENES DE ELCTRONES SECUNDARIOS (SE) DE UNA FIBRA DE SISAL. a) ASPECTO GENERAL DE LAS FIBRILLAS. b) DETALLE DEL LUMEN Y LA PARED PRIMARIA EN LAS FIBRAS. De igual forma se aprecia el detalle del interior de las fibras mediante microscopía de fuerza atómica, Figura 5, distinguiéndose con claridad el lumen y la pared primaria de las mismas y presentando una textura homogénea en las imágenes de amplitud correspondientes a la zona interior de una de las fibrillas, véase la Figura 5b, donde no se aprecia textura alguna. Cada una de las fibras presenta un perímetro bastante irregular, por lo que las dimensiones principales de estas fibras presentan una variación muy grande de diámetros


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e incluso de longitudes, tal como se aprecia en la Figura 6. No obstante, realizadas las observaciones mediante microscopía óptica y electrónica y análisis de imagen se ha obtenido un diámetro medio de 172 µm y una longitud media de 21 mm.

FIG. 5. a) IMAGEN GENERAL DE UNA DE LAS FIBRAS DE SISAL. b) DETALLE DEL INTERIOR DE UNA FIBRILLA.

FIG. 6. DISTRIBUCIÓN DEL DIÁMETRO DE LAS FIBRAS DE SISAL.


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La caracterización mecánica de las fibras de sisal también ha mostrado una fuerte dispersión en sus resultados mostrando altas resistencias máximas, entre 444 y 552 MPa, con un bajo alargamiento a rotura, de 2,0 a 2,5%, y módulo elástico entre los 10 y 11 GPa, que resultan bastante próximos a los diferentes valores que pueden obtenerse de otros autores [12, 15, 22, 25, 32, 33]. Estos resultados dependen mucho de la cantidad de fibrillas que constituyen las fibras a ensayar, tal como se aprecia en la figura 7, en la que se recoge una imagen de la superficie de una de estas fibras.

FIG. 7. ASPECTO SUPERFICAL, EN MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO, DE FIBRA DE SISAL. La obtención de compounds consistentes, Figura 2b, entre el polietileno de alta densidad y las fibras de sisal, se ha realizado obteniendo previamente pelets de la fibra de sisal a la que se añadió un 15% de una solución al 0,25% de sal carboxi-metilcelulosa sódica para permitir una buena alimentación con los dosificadores gravimétricos, ya que la baja densidad de las fibras no permiten de otro modo una correcta dosificación de las mismas. No obstante hay que cuidar mucho la posibilidad de que los pelets puedan romperse en el interior de la extrusora para su correcta mezcla y distribución en el material termoplástico.


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Tal como ha quedado reflejado en la tabla 1, se ha utilizado como compatibilizante Bondyram 5001 al 5% realizando pruebas sin lubricante, o con él para lo que se añade un 2,5% de Struktol TPW 113. Las pruebas sin lubricante han producido materiales poco homogéneos y para contenidos en fibra superiores al 45% de sisal, las fibras no se incorporan correctamente. 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 y una disminución importante en las propiedades mecánicas del producto final, Sin embargo, el proceso de peletización e inyección o extrusión final requiere someter a las fibras a un tratamiento térmico hasta las temperaturas de procesado además de una inevitable fragmentación de las mismas que disminuye sustancialmente su longitud media de partida, así como la separación de las fibrillas que las constituyen, tal como se aprecia en la Figura 8, donde se marcan con flechas estas fibrillas separadas del mazo principal. Esta degradación térmica durante el procesado ha sido estudiada por varios autores [12, 15, 22, 31] que además han evaluado el efecto en las propiedades mecánicas del producto final.

FIG. 8. IMAGEN DE MICROSCOPIA ÓPTICA EN LA QUE SE OBSERVA EL FRACCIONAMIENTO DE LAS FIBRAS DE SISAL EN UNIDADES MÁS PEQUEÑAS E INDIVIDUALES, MARCADAS CON FLECHAS. Su estudio se realiza principalmente por termogravimetría en la que se aprecia los cambios provocados en los materiales tanto en el agua absorbida y retenida como en la degradación de la fase polimérica, tal como se aprecia en la Figura 9 donde se recogen diversos diagramas termogravimétricos del polietileno reciclado y de la fibra, tanto en su


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estado inicial como después del paletizado y una vez inyectado el compuesto. Los resultados obtenidos en todos los ensayos realizados se resumen en la Tabla 2 donde se detallan los cinco cambios observados así como el residuo final obtenido.

FIG. 9. RESULTADO DE LOS ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICOS REALIZADOS: a) POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD RECICLADO, b) FIBRA DE SISAL SUMINISTRADA, c) FIBRA PELETIZADA, Y d) MATERIAL COMPUESTO CON 40% DE FIBRA DE SISAL INYECTADO. Tal como era de esperar, 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 paletiza la fibra. En cuanto ésta es inyectada, la fibra pierde completamente su humedad a contenidos inferiores en todos los casos al 1,5% y sólo señalable para contenidos superiores al 50% de fibras de sisal. Esto hace que el contenido en residuo disminuya también proporcionalmente al contenido en fibras del compuesto, al tiempo que la fracción polímero disminuye desde el 99,52%, correspondiente al PE-HD, hasta el 87,15%, correspondiente al compuesto con un 60% de fibras de sisal, ya cercano al


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79,24% obtenido en la fibra de sisal paletizada, donde el residuo y contenido en agua son mayores. Estos resultados vienen a confirmar la excelente resistencia de las fibras a la degradación durante el procesado de las mismas. TABLA 2 – 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 1,41Onset X (ºC) 34,41 41,31 --- --- --- 46,60 51,56Onset Y (%) 98,16 98,96 --- --- --- 99,71 99,72Máx 1 (ºC) 35,91 41,88 --- --- --- 56,75 62,36Cambio 2 (%) 5,34 4,93 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00Onset 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 14,93Onset X (ºC) 258,97 261,22 --- 242,36 250,80 245,09 246,98Onset Y (%) 82 87,86 --- 98,82 97,45 97,99 97,39Máx 3 (ºC) 286 283,73 --- 278,29 283,21 287,95 286,00Cambio 4 (%) 37,83 42,04 0 16,98 18,76 23,41 27,32Onset X (ºC) 350,32 340,12 --- 316,18 318,03 316,23 317,50Onset Y (%) 31,98 30,30 --- 87,23 84,72 80,95 77,30Máx 4 (ºC) 333,94 324,87 --- 332,87 335,10 332,93 333,78Cambio 5 (%) 14,56 15,82 99,52 67,86 63,18 53,63 44,90Onset X (ºC) 427,61 394,31 441,21 437,00 435,58 436,72 434,46Onset Y (%) 26,14 24,63 100,10 71,94 66,73 59,74 52,42Máx 5 (ºC) 455,71 456,11 461,87 458,82 458,10 458,25 456,60Fracción Residuo 14,25 12,42 0,49 6,77 7,18 9,41 11,31

Esto mismo puede extraerse del análisis de las temperaturas correspondientes a los diferentes cambios de la fracción polímero, que apenas presentan cambios significativos en su temperatura máxima, aunque si en la temperatura de inicio del pico, Tabla 2, pues los diferentes cambios suceden entre los 278ºC y los 287ºC para el tercer cambio, de 325 a 335ºC para el cuarto cambio y de 455 a 459 para el quinto y último cambio, coincidente con el del PE-HD que se produce a los 462ºC.


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De la misma forma, la introducción de lubricante no afecta sustancialmente a la degradación del material, obteniendo en todos los casos resultados semejantes a los recogidos en la Tabla 2, y que no limitan su aplicación en la obtención de los correspondientes compuestos. La lubricación mejora el flujo de los materiales en su procesado posibilitando un mejor llenado del molde en la inyección, pero afecta igualmente a las propiedades mecánicas de los mismos que se ven mermadas sin que haya un aumento significativo de la plasticidad final obtenida en los diferentes compuestos obtenidos. Estas propiedades mecánicas, se han evaluado tras la obtención mediante inyección y extrusión de compuestos PE-HD con un 30, 40, 50 y 60% de fibra de sisal, tal como queda recogido en la figura 10 donde se observa una de las probetas inyectadas para el ensayo de tracción y el perfil cuadrangular extruído.

FIG. 10. EJEMPLO DE LAS MUESTRAS OBTENIDAS EN LOS PROCESOS DE: A) INYECCIÓN, Y B) EXTRUSIÓN. En la Tabla 3 se recogen los principales resultados obtenidos tras los ensayos de tracción, flexión e impacto de los compuestos obtenidos con la adición de la fibra de sisal, observándose un aumento significativo en la resistencia de los compuestos, así como en su rigidez pero con una pérdida casi completa de su plasticidad y por tanto con una importante disminución de su tenacidad. Mientras el módulo elástico en el polímero alcanza valores medios de 1218 MPa a tracción y 996 MPa a flexión, los compuestos llegan a alcanzar rigideces de 7039 MPa a tracción y hasta 4543 MPa a flexión, lo que supone aumentos considerables. Del


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mismo modo, aunque no de manera tan notable, las resistencias máximas aumentan desde los 26 MPa del PE-HD a tracción hasta los 44,5MPa para el compuesto con 40 y 50% de fibra de sisal. Sin embargo el aumento a flexión resulta ser más importante todavía alcanzando, desde los 25,6 MPa, del PE-HD, a los 66 MPa para el mayor contenido en fibra de sisal obtenido, Tabla 3. TABLA 3 – PROPIEDADES MECÁNICAS A TRACCIÓN Y FLEXIÓN DE LAS DIFERENTES MUESTRAS ANALIZADAS. Tracción Flexión

Resistencia

máxima (MPa)

Modulo elástico (GPa)

Alargamiento (%)

Resistencia máxima (MPa)

Modulo elástico (GPa)

Deformación (mm/mm)

Resistencia a impacto

(kJ/m2)

PE-HD 26,03 1218,20 192,08 25,63 995,92 0,080 145,38Compuestos obtenidos sin lubricación

PE-HD/ 30% SISAL 39,93 3234,80 4,65 49,44 2397,61 0,058 19,22PE-HD/ 40% SISAL 44,56 3587,00 3,49 56,73 2963,59 0,046 18,62PE-HD/ 50% SISAL 44,31 6160,60 2,26 62,62 3732,71 0,036 17,40PE-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 16,63PE-HD/ 40% SISAL 33,63 4012,80 2,74 46,19 2196,43 0,056 11,80PE-HD/ 50% SISAL 32,29 5991,40 1,60 50,53 3581,39 0,030 11,88

Tal como se recoge en la Tabla 3, las propiedades mecánicas de los compuestos se ven disminuidas cuando se utiliza lubricante para mejorar el llenado del molde en la inyección, alcanzando resistencias máximas, en este caso, de 37 MPa a tracción en compuestos con un 30% de fibra de sisal y 50 MPa a flexión con el mayor contenido en fibras, véase la Figura 11. No obstante y como se ha comentado anteriormente, la plasticidad disminuye de manera importante con la adición de fibras, perdiendo casi por completo su capacidad de deformación pues pasa de un 192% para el PE-HD a valores de un 4,65% para el refuerzo con un 30% de fibras que va descendiendo hasta un 1,25% para el material con un 60% de fibras de sisal. Tampoco la adición de lubricante mejora la plasticidad sino que al contario presenta mermas de hasta un 40% con respecto a los compuestos sin adición de lubricante, Figura12.


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FIG. 11. RIGIDEZ, A TRACCIÓN, DE LOS COMPUESTOS PE-HD + FIBRA DE SISAL, CON Y SIN ADICIÓN DE LUBRICANTE.

FIG. 12. ALARGAMIENTO A ROTURA, EN LOS ENSAYOS DE TRACCIÓN, DE LOS COMPUESTOS PE-HD + FIBRA DE SISAL, CON Y SIN ADICIÓN DE LUBRICANTE.


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Estos resultados se confirman en las fractografías obtenidas en las probetas ensayadas a tracción y que se recogen en la Figura 13, para el compuesto reforzado con un 30% de fibra de sisal con y sin adición de lubricante. En ellas se observa la plastificación de a matriz de PE-HD pero el efecto de las fibras que impiden la deformación de la misma, aunque, eso sí, elevan la resistencia mecánica evidenciada por la buena unión obtenida entre las fibras y la matriz.

FIG. 13. FRACTOGRAFÍA DE LOS COMPUESTOS PE-HD + 30% FIBRA DE SISAL, a) CON Y b) SIN ADICIÓN DE LUBRICANTE. Valores semejantes de tenacidad se aprecian en los ensayos de resistencia al impacto en los que la introducción de fibras en la matriz polimérica supone una fuerte disminución de la energía absorbida, tal como muestra la figura 14. Tal como se observa en la Tabla 3, la resistencia a impacto disminuye desde 145 kJ/m2, correspondiente al polietileno reciclado utilizado como matriz, hasta los 15-19 kJ/m2 que muestran los compuestos reforzados con fibra de sisal. En la figura 14 se aprecia como la energía absorbida, frente a impactos, disminuye al aumentar el contenido en fibras de sisal pasando de los 19 kJ/m2 cuando se introduce un 30% de fibras hasta cerca de14 kJ/m2 cuando se está introduciendo un 60% de las mismas. Sin embargo, a pesar de apreciar una disminución algo mayor al pasar del 50 al 60% de refuerzo, la relación es prácticamente lineal. Pero cuando se adiciona lubricante para mejorar sus condiciones reológicas, disminuye sustancialmente la resistencia frente a impactos desde los 16,6 kJ/m2 cuando se introduce un 30% de fibras de sisal a los 11,9 kJ/m2 cuando se está introduciendo hasta un 50% de estas fibras. Todo ello hace considerar el interés en la introducción de estas fibras, como refuerzo, por el aumento de las propiedades resistentes y la rigidez que se consigue en

a) b)


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el material, a pesar de la disminución de la plasticidad y particularmente de la resistencia a impacto determinada mediante ensayo Charpy, que obliga a tener un especial cuidado en las aplicaciones a las que puede ir destinado el producto final obtenido evitando por ello las aplicaciones en las que los materiales se vean sometidos a esfuerzos dinámicos principalmente.

FIG. 14. RESISTENCIA A IMPACTO, EN ENSAYOS CHARPY, DE LOS COMPUESTOS PE-HD + FIBRA DE SISAL, CON Y SIN ADICIÓN DE LUBRICANTE. CONCLUSIONES Como conclusiones fundamentales de este trabajo pueden destacarse:

• El aprovechamiento de fibras de sisal de desecho es perfectamente viable con la peculiaridad de su disparidad en forma y tamaño obligando a la peletización previa y a la utilización de compatibilizantes para obtener el producto final.

• La unión entre fibras y matriz de polietileno de alta densidad es muy buena hasta contenidos del 50% de fibras. Contenidos superiores no permiten un rellenado completo del molde, al menos en los procesos de inyección, por lo que el polímero no es capaz de mojar completamente a las fibras, por lo que las propiedades disminuyen notablemente.

0

5

10

15

20

20 30 40 50 60 70

% Fibra de sisal

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Compuestos sin lubricante

Compuestos con lubricante


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• Las propiedades resistentes de los compuestos aumentan significativamente con respecto a las del polímero matriz, así como la rigidez del compuesto lo que lo hace adecuado para aplicaciones con solicitaciones estáticas.

• Sin embargo, la plasticidad y con ello la tenacidad muestran fuertes disminuciones con respecto al PE-HD reciclado utilizado. De la misma forma disminuye de manera notable su resistencia a impacto, obtenida mediante ensayos Charpy, lo que indica que el compuesto resulta poco idóneo frente a solicitaciones dinámicas.

• La adición de lubricante en los procesos de extrusión e inyección de los compuestos reforzados con fibras de sisal, facilita su procesado y mejora el aspecto del producto obtenido, pero disminuye, con respecto a los compuestos sin adición de lubricante, tanto las propiedades resistentes como las propiedades plásticas, por lo que resulta de poco interés, para aplicaciones mecánicas, la adición de estos lubricantes.

REFERENCIAS 1. Power, M. The plastic revolution. Builder. (2004) 356-364. 2. Nabi Saheb D, Jog JP. Natural fiber polymer composites: A review. Advances in

Polymer Technology, 1999: 18 (4) 351–363. 3. Facca AG, Kortschot MT, Yan N. Predicting the elastic modulus of natural fibre

reinforced thermoplastics. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2006: 37 (10) 1660-1671.

4. Facca AG, Kortschot MT, Yan N. Predicting the tensile strength of natural fibre reinforced thermoplastics. Composites Science and Technology, 2007: 67 (11-12) 2454-2466.

5. Bourmaud A, Baley C. Investigations on the recycling of hemp and sisal fibre reinforced polypropylene composites. Polymer Degradation and Stability, 2007: 92, 1034-1045.

6. Herrera-Franco PJ, Valadez-González A. Mechanical properties of continuous natural fibre-reinforced polymer composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2004: 35 (3) 339-345.

7. Principia Partners, 2002: Natural & Wood Fiber Composites: Principia Newsletter, September 30, 1(9).

8. Selke SE, Wichman I. Wood fiber/polyolefin composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2004: 35 (3) 321-326.

9. Clemons C. Wood-plastic composites in the United States: the interfacing of two industries. Forest products journal. 2002: 52 (6) 10-18.

10. Bledzki AK, Gassan J. Composites reinforced with cellulose based fibres. Progress in Polymer Science, 1999: 24 (2) 221-274.

11. Yamaji FM, Bonduelle A, Sydenstricker THD; Koehler HS, Reinert AF. A influência de compatibilizantes e da granulometria nas propriedades mecânicas de


NOCMAT 2008


CENM

compósitos plástico-madeira. In: SULMAT 2004, Congresso em Ciéncia de Materiais do Mercosul, 14 a 17 de Setembro de 2004 - Joinville/SC – BRASIL.

12. Idicula M, Boudenne A, Umadevi L, Ibos L, Candau Y, Thomas S. Thermophysical properties of natural fibre reinforced polyester composites. Composites Science and Technology, 2006: 66, 2719–2725.

13. Jayaraman K. Manufacturing sisal–polypropylene composites with minimum fibre degradation. Composites Science and Technology, 2003: 63 (3-4) 367-374.

14. Joseph, P.V., Mathew, G., Joseph, K., Groeninckx, G., Thomas, S., Dynamic mechanical properties of short sisal fibre reinforced polypropylene composites. Composites Part A: applied science and manufacturing, 2003: 34 (3) 275-290.

15. Joseph PV, Joseph K, Thomas S, Pillai CKS, Prasad VS, Groeninckx G, Sarkissova M. The thermal and crystallisation studies of short sisal fibre reinforced polypropylene composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2003: 34 (3) 253-266.

16. Paul A, Joseph K, Thomas S. Effect of surface treatments on the electrical properties of low-density polyethylene composites reinforced with short sisal fibers. Composites Science and Technology, 1997: 57 (1) 67-79.

17. Wielage B, Lampke Th, Utschick H, Soergel F. Processing of natural-fibre reinforced polymers and the resulting dynamic–mechanical properties. Journal of Materials Processing Technology, 2003: 139 (1-3) 140-146.

18. Joseph K, Thomas S, Pavithran C. Effect of chemical treatment on the tensile properties of short sisal fibre-reinforced polyethylene composites. Polymer, 1996: 37 (23) 5139-5149.

19. Finkler M, Scapini P, Freire E, Zattera AJ, Zeni M. Compósitos de HDPE com Resíduos de Fibras Têxteis. Parte I: Caracterização Mecânica. Polímeros: Ciência e Tecnologia, 2005: 15 (3) 171-175.

20. Lei Y, Wu Q, Yao F, Xu Y. Preparation and properties of recycled HDPE/natural fiber composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2007: 38 (7) 1664-1674.

21. Li Y, Hu Ch, Yu Y. Interfacial studies of sisal fiber reinforced high density polyethylene (HDPE) composites. Composites: Part A 2008: 39, 570–578.

22. Joseph PV, Joseph K, Thomas S. Effect of processing variables on the mechanical properties of sisal-fiber-reinforced polypropylene composites. Composites Science and Technology, 1999: 59, 1625-1640.

23. Choudhury A. Isothermal crystallization and mechanical behavior of ionomer treated sisal/HDPE composites. Materials Science and Engineering: A, 2008: 491 (1-2) 492-500.

24. Luyt AS, Malunka ME. Composites of low-density polyethylene and short sisal fibres: the effect of wax addition and peroxide treatment on thermal properties. Thermochimica Acta, 2005: 426 (1-2) 101-107.


NOCMAT 2008


CENM

25. Mohanty AK, Khan MA, Hinrichsen G. Influence of chemical surface modification on the properties of biodegradable jute fabrics—polyester amide composites. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2000: 31 (2) 143-150.

26. Torres FG, Cubillas ML. Study of the interfacial properties of natural fibre reinforced polyethylene. Polymer Testing, 2005: 24, 694–698.

27. Martínez LM, López Manchado M, Vázquez A, Arroyo M. Efecto de distintos tipos de fibra corta en las propiedades mecánicas de las mezclas de polipropileno/polietileno. En Jornadas SAM 2000 - IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga, 2000, 1017-1024.

28. Joseph K, Varghese S, Kalaprasad G, Thomas S, Prasannakumari L, Koshy P, Pavithran C. Influence of interfacial adhesion on the mechanical properties and fracture behaviour of short sisal fibre reinforced polymer composites. European Polymer Journal, 1996: 32 (10) 1243-1250.

29. Pan N. Theoretical determination of the optimal fiber volume fraction and fiber-matrix property compatibility of short fiber composites. Polymer Composites, 1993: 14 (2) 85-93.

30. Cruz SA, Zanin M. Evaluation and identification of degradative processes in post-consumer recycled high-density polyethylene. Polymer Degradation and Stability, 2003: 80, 31–37.

31. Wiedemann HG, McKarns T, Bayer G. Thermal characteristics of polymer fibers Thermochimica Acta, 1990: 169, 1-13.

32. Suddell BC, Evans WJ. Natural fiber compiosites in automotive applications. En Natural fibers, Biopolymers and Biocomposites. Ed. A. K. Mohanty, M. Misra y L. T. Drzal. Taylor & Francis Group, 2005.

33. Murali Mohan Rao K, Mohana Rao K. Extraction and tensile properties of natural fibers: Vakka, date and bamboo .Composite Structures, 2007, 77, 288–295.

AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen 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, así como al Programa CYTED por su apoyo en movilidad a través de la Acción de Coordinación de Proyectos de Investigación 307AC0307.

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