EFECTO DE LA ABSORCIÓN DE AGUA EN TABLEROS RÍGIDOS DE COMPUESTO LDPE/Al-FIQUE

EFECTO DE LA ABSORCIÓN DE AGUA EN TABLEROS RÍGIDOS DE COMPUESTO LDPE/Al-FIQUE

M. A. Hidalgo

, M. F. Muñoz

(1) Grupo de Investigación en Tecnologías para la Manufactura GITEM, Universidad Autónoma de Occidente, COLOMBIA.

(2) Grupo de Investigación en Tecnologías para la Manufactura GITEM, Universidad Autónoma de Occidente, COLOMBIA.

E-mail (autor de contacto): mfmunoz@uao.edu.co

RESUMEN

En los últimos años ha crecido el interés mundial por incorporar fibras celulósicas en los compuestos de matrices poliméricas. Sin embargo estas poseen una alta tendencia hidrofílica, que genera problemas de compatibilidad con matrices termoplásticas, que usualmente son de naturaleza hidrofóbica e incrementan la tendencia a la captación de humedad. La absorción de agua en compuestos de matriz termoplástica reforzados con fibras naturales representa una problemática especial a la hora de diseñar productos que trabajen bajo condiciones de humedad, especialmente cuando el material es usado para aplicaciones exteriores. El objeto de estudio de este trabajo es establecer el efecto producido por la absorción de agua en las propiedades mecánicas del compuesto LDPE/Al reforzado con fibra de Fique. Las probetas sometidas al ensayo de inmersión en agua son fabricadas con fibra de fique sin previo tratamiento superficial. Estas se obtuvieron por medio de placas de un espesor definido por la norma ASTM D570, las cuales se fabricaron mediante moldeo en prensa de platos calientes, usando como matriz el LDPE/Al recuperado de empaques de Tetra Pak de origen postconsumo. Se preparó compuestos con diferentes porcentajes de fracción de fibra en peso (10, 20 y 30 %). El ensayo de absorción de agua se llevo a cabo en agua destilada a 25 ºC, durante 24 h. Se realizó la comparación de las propiedades tensión y flexión de los compuestos sometidos y no a inmersión. De este estudio se puedo concluir que la absorción de agua por parte del LDPE-Al/Fique afecta las propiedades de tensión haciendo que estas disminuyan, Sin embargo estas continúan siendo mejores que las de la matriz, mientras que las propiedades de flexión se ven altamente afectas por la absorción de agua, ya que estas caen, incluso por debajo de las propiedades del LDPE/Al.

Tópico 5: Materiales Compuestos

Palabras clave: LDPE-Al/Fique, Absorción de agua, Resistencia a la tensión, Resistencia a la flexión.

1. INTRODUCCIÓN

Los sectores de la industria como la aeroespacial, automotriz y la construcción; han demostrado un gran interés por el desarrollo de los materiales compuestos debido a las buenas propiedades que presentan y a su bajo costo, frente a los materiales tradicionales.

En los últimos años ha crecido el interés mundial por incorporar fibras celulósicas, como el sisal, jute, henequén,

fibras de madera, entre otras, en los compuestos, ya que estas han demostrado tener buenas propiedades que

actúan como refuerzo mecánico en matrices poliméricas. Las fibras naturales le proporcionan a los polímeros

propiedades como baja densidad, un cierto grado de biodegradabilidad, una muy buena relación de propiedades mecánicas por unidad de peso y un bajo costo. Sin embargo el uso de este tipo de compuestos en el diseño de productos que se encuentren sometidos a trabajos bajo condiciones de humedad, puede representar un problema en el desempeño mecánico del producto, generado por la absorción de agua del material, esto como consecuencia de la tendencia de las fibras naturales a captar humedad, por la presencia de los grupos –OH en algunas de sus principales estructuras tales como la celulosa. La naturaleza hidrofílica de las fibras naturales también dificulta la mojabilidad de la fibra por parte de las matrices plásticas.

Debido a esto que el objeto de estudio de este trabajo fue establecer el efecto causado por la absorción de agua en las propiedades mecánicas como flexión y tensión del Polialuminio (LDPE/Al) recuperado de empaques de Tetra Pak de origen postconsumo reforzado con fibras de fique sin tratamiento superficial. El polialuminio (LDPE/Al) es un material fabricado a partir del reciclado de envases larga vida de Tetra Pak, estos envases están compuestos por 5 % de aluminio, 20 % polietileno y 75 % papel, los cuales son materiales con un periodo de descomposición muy prolongado. El reciclaje de este producto se basa en la separación de la pasta celulósica de las capas de polietileno y aluminio que conforman el material; este proceso se denomina hidropulpado. Una vez separados los materiales, el aluminio y el polietileno pueden ser usados para generar energía por medio de la incineración, se pueden fabricar elementos plásticos o es posible recuperar el aluminio por pirólisis. En el mundo se ha utilizado los residuos del Tetra Pak para la fabricación de tableros aglomerados de los que se fabrican diferentes elementos [1, 2].

El fique es la fibra con mayor producción en Colombia, la cual genera un promedio de aproximadamente 11200 empleos anuales directos en más de 17000 Has. distribuidas en diferentes departamentos del país, principalmente en Cauca, Nariño, Santander y Antioquia, departamentos que producen el 98 % de la fibra en Colombia. La industria nacional consumió el 52 % de la producción nacional durante el 2003 [3], lo que representa un 48 % de fibra de fique sin ser aprovechada por las industrias de Colombia.

Los tableros se fabricaron mediante el proceso de moldeo en prensa de platos calientes, con tres porcentajes de fibra de fique. La fabricación, acondicionamiento y ensayos de las probetas de los diferentes compuestos se realizaron bajo las normas ASTM D4703, D618, D570, D638 y D790.

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

La fase experimental de este estudio comprende la preparación del material, elaboración de probetas y ensayos realizados para la determinación del efecto causado por la absorción de agua en el desempeño mecánico de los tableros fabricados con los diferentes compuestos. Se trataron tres porcentajes de fibra corta de fique: 10, 20 y 30

%. La figura 1 muestra un esquema general de este proceso experimental.

Figura 1. Proceso experimental.

2.1 ELABORACIÓN DEL MATERIAL COMPUESTO.

Se utilizó como matriz el Polietileno de baja densidad/Aluminio (LDPE/Al) el cual es un recuperado de empaques de Tetra Pak de origen postconsumo, obtenido a partir del reciclado de envases larga vida Tetra Pak.

Este material se ha procesado previamente mediante hidropulpado, en el cual se separa el papel del LDPE y del Aluminio; para luego ser molido de tal forma que el aluminio que se encuentra en foils de gran tamaño se reduzca, esto debido a que al momento de realizar el proceso de fabricación del compuesto en prensa de platos calientes, el aluminio se sitúa de tal forma que no permite la penetración del LDPE a las fibras, evitando la impregnación de las fibras con el polímero, lo que impide una buena interacción interfacial entre la fibra y la matriz, afectando las propiedades del material.

Para la fabricación del compuesto se usaron mantas de fique fabricadas con fibras de 25 mm de longitud aproximadamente, las cuales permiten obtener una distribución de la fibra de una forma más homogénea en la matriz, sin embargo para garantizar la homogeneidad del compuesto se intercalaron capas de fibra y de matriz hasta garantizar los porcentajes de fibra y matriz establecidos previamente para cada una de los compuestos. La preparación del material y la placa finalmente obtenida se muestran en la figura 2 a) y b) respectivamente.

Figura 2. a) Preparación del Compuesto, b) Tablero fabricado en LDPE-Al/Fique.

El proceso de moldeo en prensa de platos calientes se llevo a cabo a una temperatura de 165 °C y una presión de 70 KN, esta temperatura de proceso fue establecida, teniendo en cuenta que a una temperatura menor a 180 °C la fibra no sufre cambios físicos, ni químicos; por encima de esta temperatura el fique sufre una degradación de lignina y de hemicelulosa con ennegrecimiento y perdida de propiedades mecánicas de la fibra [4]. La presión fue establecida para garantizar la penetración total de la matriz a la manta de fibra, evitando que se formen vacios en el compuesto.

Adicionalmente se realizaron placas de LDPE/Al sin reforzamiento, bajo los mismos parámetros de proceso que los usados para la fabricación del compuesto. Esto con el fin de tener un parámetro, el cual se pretende mejorar.

Una vez fabricados los tableros de cada uno de los compuestos, por medio de troquelado se estableció la geometría de las probetas para los ensayos de tensión y flexión, de acuerdo a las normas ASTM D638 y D790 respectivamente. En la figura 3., se muestran las probetas usadas para cada uno de los ensayos realizados.

Figura 3. Probetas para ensayos, a) Tensión, b) Flexión.

2.2 METODOLOGIA DE EXPERIMENTO.

Con el fin de establecer la influencia de la absorción de agua en las propiedades mecánicas de los compuestos fabricados, se realizaron ensayos de tensión y flexión a probetas previamente sumergidas en agua destilada y a probetas secas (Figura 4), con el fin de establecer un comparativo entre estas.

Figura 4. Ensayos mecánicos realizados a los diferentes materiales.

Las probetas inmersas en agua, fueron sometidas a acondicionamiento durante 24 h a 50 °C, posteriormente a esto se sumergieron durante 24 h, en agua destilada, a una temperatura de 25 °C, como lo que especifica la ASTM D570. Los ensayos de tensión y flexión para estas probetas se realizaron inmediatamente fueron retiradas del agua.

Los parámetros bajo los cuales se realizaron las pruebas se presentan en la tabla 1.

Tabla 1. Parámetros de ensayos.

ENSAYO NORMA ACOND. PARÁMETROS DE

ENSAYO

Tensión ASTM D638 50% Humedad Velocidad 5 mm/min

25 °C por 48h Temperatura 25°C

Flexión ASTM D790 50% Humedad Velocidad 1,15 – 1,49 mm/min 25 °C por 48h Temperatura 25°C Absorción de

agua ASTM D570 50°C por 24h Tiempo 24 h

Temperatura 23°C

3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El ensayo de absorción de agua muestra claramente que la incorporación de fibras de fique en la matriz de

LDPE-Al aumenta notablemente la capacidad del material para absorber agua, esto debido a la naturaleza

hidrofílica de las fibras naturales. En la figura 5. Se puede observar que el material pasa de absorber un 0,19 %

de agua, cuando no se incorpora fibras en él, a tener una absorción del 13,385 % para compuestos con 10% de

fibra de fique, 13,805 y 15,425 % para los compuestos con 20 y 30% en peso de fibra respectivamente. Sin

embargo se puede apreciar que el aumento de la absorción de agua no es significativo cuando aumenta el

porcentaje de fibra en el compuesto, ya que muestra pequeños incrementos en el porcentaje de agua absorbida.

0 5 10 15 20

LDPE-Al 90/10 80/20 70/30

A b so rr ci ó n

Material

Ensayo de absorción de agua

Figura 5. Absorción de agua en los diferentes materiales de estudio.

Con el fin de identificar con facilidad y claridad cada uno de los materiales en los diferentes ensayos realizados se uso la siguiente nomenclatura:

Tabla 2. Nomenclatura de cada uno de los materiales estudiados.

Material Nomenclatura

Polietileno + Aluminio LDPE-Al

LDPE-Al/Fique (90/10) – Sin inmersión en agua 90/10 SI LDPE-Al/Fique (80/20) – Sin inmersión en agua 80/20 SI LDPE-Al/Fique (70/30) – Sin inmersión en agua 70/30 SI LDPE-Al/Fique (90/10) – Previamente inmersa en agua 90/10 CI LDPE-Al/Fique (80/20) – Previamente inmersa en agua 80/20 CI LDPE-Al/Fique (70/30) – Previamente inmersa en agua 70/30 CI

3.1 ENSAYO DE TENSIÓN.

El comportamiento a tensión de las diferentes muestras se presenta en las Figuras 6 y 7, en las cuales es posible identificar que el material presenta una tendencia incremental con el aumento de contenido de fibra para todas las muestras, excepto para el compuesto sometido a inmersión de agua fabricado con 10% de fibra de fique.

La figura 6, permite identificar que las probetas previamente inmersas en agua, pierden propiedades a tensión, en comparación con los compuestos no inmersos. Los materiales no inmersos presentan un aumento en la resistencia a la tensión del 9.73, 77 y 134.3 % y en el modulo de elasticidad del 52.58, 102.52 y 295.7 % para compuestos fabricados con 10, 20 y 30 % de peso en fibra respectivamente.

Para los compuestos previamente sometidos a absorción de agua, se observa que la resistencia a la tensión,

disminuye en un 2.9 %, en compuestos fabricados con 10% de refuerzo, e incrementa en un 53 %

aproximadamente para muestras con 20 y 30 % de fibra. Por otra parte el modulo de elasticidad muestra un

aumento del 12.6, 65.07 y 71.34 % en los materiales reforzados con 10, 20 y 30 % de fibra de fique

respectivamente.

Figura 6. Ensayo de tensión en compuestos no inmersos (a) y previamente inmersos en agua (b)

En la figura 7 a) se muestra un grafico comparativo de la resistencia a tensión entre los materiales sometidos a inmersión y los no inmersos, en el cual se puede identificar que la disminución de la resistencia a la tensión en los compuestos previamente inmersos en agua, fue del 11.52, 13.47 y 34.25 %, para los compuestos fabricados con 10, 20 y 30 % de refuerzo respectivamente. Ademas de esto, el modulo de elasticidad también se ve altamente afectado por la absorción de agua del material, ya que presenta una disminución del 26.19, 18.49 y 56.7 % respectivamente (figura 7b).

La incorporación de fibras en la matriz de LDPE/Al muestra que el material pierde elasticidad y se rigidiza, sin embargo en la figura 7 c), es posible apreciar que la absorción de agua en el compuesto afecta la rigidización generada por la incorporación de las fibras de fique, aumentando la deformación porcentual en el punto de ruptura de cada una de las muestras.

Figura 7. a) Resistensia a la tension b) Modulo de elasticidad a tension y c) deformacion % de cada una de las muestras.

3.2 ENSAYO DE FLEXIÓN.

En las figuras 8 y 9 se presenta el comportamiento de cada uno de los materiales a flexión, en la cuales es posible observar que los compuestos muestran una tendencia incremental cuando no se han sometido previamente a inmersión en agua, mientras que los compuestos inmersos sufren una disminución considerable en sus propiedades a flexión cayendo por debajo de las propiedades del LDPE/Al.

Para los compuestos con 10, 20 y 30% de fibra, no inmersos, la resistencia a la flexión aumenta en un 5.89, 61.30 y 102.64 % y el modulo se incrementa en un 5.04, 111.53 y 160.8 % respectivamente (figura 8a).

Por otra parte, en las probetas previamente inmersas en agua, se presenta una disminución en la resistencia a la

flexión con respecto a las propiedades de la matriz, en un 37.11, 19.83 y 13.41 %; de igual forma el modulo de

elasticidad disminuye en un 32.22, 6.23 y 5.78 % para muestras con 10, 20 y 30% de fique respectivamente (figura 8b).

Figura 8. Ensayo de flexión en compuestos no inmersos (a) y previamente inmersos en agua (b )

Un comparativo de la resistencia a flexión entre los materiales sometidos a inmersión y los no inmersos es mostrado en la figura 9 a), en el cual se puede identificar que la disminución de la resistencia en los compuestos fue del 40.61, 50.30 y 57.27 % para muestras fabricadas con 10, 20 y 30 % de refuerzo respectivamente. De igual forma el modulo de elasticidad también se ve afectado por la absorción de agua, ya que los compuestos reforzados con 10% de fibra presentan una disminución en su modulo del 35.47 %, mientras que los reforzados con 20 y 30 % de fibra en peso, presentan una disminución del 55.66 y 63.69 % respectivamente. (Figura 9 b).

Figura 9. a) Resistencia a la flexión b) Modulo de elasticidad a flexión

4. CONCLUSIONES

De este estudio se pude concluir que la incorporación de fibras naturales en compuestos de matriz termoplástica aumenta la capacidad del material para absorber agua. Para el caso del LDPE/Al esta absorción se encuentra alrededor del 14% sin aumentar significativamente con la incorporación de fibra.

La absorción de agua en el compuesto LDPE/Al reforzado con fibra de fique, afecta las propiedades a tensión del material haciendo que disminuyan, sin embargo estas siguen siendo mejores que las propiedades de la matriz, excepto en los compuestos reforzados con 10% fibra de fique. Por otra parte las propiedades a flexión se ven afectadas notablemente por la absorción de agua, ya que estas caen incluso por debajo de las propiedades de la matriz.

Según Saldarriaga et al. (2007), es posible obtener mejora en las propiedades a flexión cuando se hace tratamiento alcalinos y/o tratamiento de silinización [5], de acuerdo a esto es importante realizar un estudio del efecto producido por la absorción de agua en compuestos de matriz LDPE-Al/Fique con fibras previamente tratadas.

REFERENCIAS

1. A. Neves, “Reciclagem de embalagens cartonadas Tetra Pak”; O Papel, Vol. 53 (1999), p. 24-31.

2. A.L. Mourada, E.C. Garcia and F. Von Zuben, “Influence of recycling rate increase of aseptic carton for long-life milk on GWP reduction. Resources, Conservation and Recycling”; Resources, Conservation and Recycling, Vol. 52 (2007), p. 678-689.

3. C. Espinal y H. Covaleda, “La cadena del fique en Colombia una mirada global de su estructura y dinámica 1991-2005”; (2006), Ministerio de Agricultura y Desarrollo Rural, Bogota Colombia.

4. S. Delvasto, F. Perdomo y R. Mejía, “Ecolaminados de PEAD-fibras de fique”; Ciencia y Tecnología, Vol.

3 (2001), p. 43-49.

5. J. Saldarriaga, J. Cruz y P. Gañán, “Comportamiento a hidrólisis de composites de matriz epóxica y fibras

colombianas”; Revista Investigaciones Aplicadas Vol. 1 (2007), p. 39-45