Presentacion Fibras naturales

Aprovechamiento de residuos de
fibras naturales como elementos de
refuerzo de materiales poliméricos
Amigó, V., Salvador, M.D., Sahuquillo, O.
Instituto de Tecnología de
Politécnica de Valencia, España
Materiales,
Universidad
Llorens, R., Martí, F.
Instituto Tecnológico del Plástico - AIMPLAS, Valencia,
España
1
Curso: Utilización de refuerzos fibrosos en materiales compuestos de matriz
cementicia y polimérica
Valencia, 8-16 marzo 2010
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
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cementicia y polimérica
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Problemática
 Humedad de las fibras afecta la integridad del
polímero.
Fibra
Densidad
(g/cm3)
Celulosa
(%)
Hemicelulosa
(%)
Lignina
(%)
Humedad
(%)
Cáñamoa
1,48
88-90
7-10
1,5-2,0
3,5-8,0
Sisal
1,45
65
12
9,9
10
Plátanob
1,35
63-64
19
5
10-11
Piñab
1,53
81
-
12,7
13,5
a
de referencia [14], b de referencia [5]
Propiedades físicas de distintas fibras naturales.
 Degradación térmica de las fibras durante el
procesado del compuesto.
 La capacidad de absorción de agua del
compuesto, modifica sus propiedades.
3
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cementicia y polimérica
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Desarrollo Experimental
Fibras
procedentes
de
residuos textiles y fabricación
de cuerdas como sisal,
cáñamo y algodón.
Sisal
10 mm
Cáñamo
10 mm
4
Algodón
10 mm
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Desarrollo Experimental
Caracterización microestructual: Microscopio Óptico,
Microphot FX de Nikon Inc.
Fibra de
algodón
100
m
Fibra de
fique
a)
Fibra de sisal
c)
5
100
m
b)
100
m
Fibra de
kenaf
100
m
d)
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Desarrollo Experimental
Análisis superficial mediante microscopía de fuerza
atómica, AFM, se realiza con un Nanoscope v5.30r2 de
Veeco Instruments.
a)
c)
6
Fibra de algodón
Fibra de kenaf
b)
d)
Fibra de fique
Fibra de sisal
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Desarrollo Experimental
Fibra de algodón
Caracterización microestructural: Microscopía Electrónica de
Barrido (MEB), JSM 6300 de
JEOL Ltd.
a)
Fibra de sisal
b)
7
X1000
X2500
Fibra de cáñamo
c)
X1000
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Desarrollo Experimental
IMÁGENES DE ELECTRONES SECUNDARIOS (SE) DE LA SUPERFICIE DE
LAS DISTINTAS FIBRAS
8
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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.
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Desarrollo Experimental
La degradación de las fibras se ha estudiado mediante un
equipo de termogravimetría TGA Q50 de TA Instruments,
utilizando N2 como gas de purga.
120
5.5
120
4
–––––––
––––
––––– ·
––– –––
––––– –
418.91°C
80
4.5
LINO
ALGODON
CAÑAMO
KENAF
SISAL
80
99.50%
3
40
451.25°C
2.5
Polietileno
-40
1.5
0
2
-40
-80
1
0.5
-120
-160
0
100
200
300
Temperature (°C)
10
400
500
-0.5
600
-80
-120
0
100
200
300
Temperature (°C)
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400
500
0
600
Deriv. Weight (%/°C)
Residue:
0.4839%
(0.04790mg)
40
Weight (%)
0
Deriv. Weight (%/°C)
Weight (%)
3.5
Desarrollo Experimental
Matriz termoplástica: polietileno de
alta densidad reciclado.
PEAD
Peletización de las fibras mediante
una prensa de matriz plana
Amandus KAHL
10 mm
11
Cáñamo
Algodón
10 mm
10 mm
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Desarrollo Experimental
Peletización de las fibras mediante una prensa de
matriz plana Amandus KAHL
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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.
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Resultados
HDPE+47% fibra de sisal sin lubricante
HDPE+45% fibra de sisal con lubricante
a)
b)
20 mm
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.
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Desarrollo Experimental
Compounds de algodón y cáñamo obtenidos
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Resultados
Características de diferentes fibras empleadas en la modificación de
termoplásticos.
Fibra
Densidad
(g/cm3)
Algodóna
Lino
Resistencia
tracción (MPa)
Alargamiento
a rotura (%)
4,98-10,92
264-654
3,0-7,0
24,00
300-900
2,7-3,2
285
1,3
Cáñamo
1,48
Sisal
1,45
10,40c
444-552
2,0-2,5
Platanob,c
1,35
20,00
550
5,0-6,0
Piñab
1,53
4,20
413
3,0-4,0
43,80
342-672
1,7-1,8
56-72
2500
3,0
Yutea
Vidrioa
a
Módulo elasticidad
(GPa)
2,54
referencia [10], b referencia [5], c referencia [15]
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Resultados
DISTRIBUCIÓN DEL TAMAÑO DE LAS FIBRAS EN UNA POBLACIÓN DE 100 FIBRAS.
b) DISTRIBUCIÓN ACUMULADA DE LA LONGITUD DE LAS FIBRAS
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Resultados
Se ha obtenido muestras por:
 Extrusión,
 Inyección.
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Resultados
Ejemplos de muestras
obtenidas por extrusión.
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Resultados
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.
120
1.6
3.0
110
3.886%
19.60%
39.56°C
2.6
244.12°C
1.4
343.39°C
2.487%
80
29.56°C
1.2
90
2.2
308.25°C
56.46%
Residue:
19.64%
(0.9483mg)
0
1.4
326.55°C
Sisal
-40
1.0
70
Weight (%)
Weight (%)
346.42°C
Deriv. Weight (%/°C)
1.8
61.01%
0.8
50
0.6
408.74°C
Algodón
30
0.6
0.4
15.89%
9.149%
275.08°C
-80
37.00°C
10
0.2
52.33°C
-120
0
100
200
300
Temperature (°C)
400
500
-0.2
600
Residue:
11.37%
(0.7177mg)
-10
0
100
200
300
400
Temperature (°C)
Curvas termogravimétricas de: a) fibra de sisal, b) fibra de algodón.
20
0.2
417.25°C
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500
0.0
-0.2
600
Deriv. Weight (%/°C)
1.0
40
Resultados
Durante estos procesos se produce una degradación con
temperaturas críticas de 320-350ºC en prácticamente todas las
fibras.
120
4
–––––––
––––
––––– ·
––– –––
––––– –
LINO
ALGODON
CAÑAMO
KENAF
SISAL
80
3
0
2
Deriv. Weight (%/°C)
Weight (%)
40
-40
1
-80
-120
0
100
200
300
400
500
0
600
Temperature (°C)
Curvas TGA en diferentes fibras analizadas
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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.
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RESULTADOS OBTENIDOS DE LOS ANÁLISIS TERMOGRAVIMÉTRICOS DE LAS DIFERENTES MUESTRAS.
FIBRA
SISAL
Frac. Ligera %
(agua)
PE-HD/30%
SISAL
PE-HD
PE-HD/40%
SISAL
PE-HD/50%
SISAL
PE-HD/60%
SISAL
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
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
---
---
---
---
---
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
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
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
Cambio 2 (%)
Máx 2 (ºC)
Máx 3 (ºC)
Máx 4 (ºC)
23
PELLET
SISAL
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Resultados
Propiedades mecánicas a tracción y flexión de las diferentes
muestras analizadas.
Tracción
PE-HD
Flexión
Resistencia
máxima
(MPa)
Modulo
elástico
(GPa)
Alargamiento
(%)
26,03
1218,20
192,08
Resistencia
máxima
(MPa)
Deformación
(mm/mm)
Resistenci
aa
impacto
(kJ/m2)
995,92
0,080
145,38
Modulo
elástico
(GPa)
25,63
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
24
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
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Resultados
Variación del módulo elástico con el porcentaje de fibras.
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Resultados
Variación de la plasticidad con el porcentaje de fibras.
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Resultados
Fractografía de los compuestos PE-HD + 30% fibra de
sisal, a) con y b) sin adición de lubricante.
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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.
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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.
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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 HDPE reciclado de la matriz.
El alargamiento también sufre una fuerte disminución.
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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.
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Resultados
Estas diferencias en la rigidez y plasticidad se aprecian en el
análisis fractográfico realizado.
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Resultados
La resiliencia disminuye desde 145,38 kJ/m2, para HD-PE, a valores
máximos para el algodón, entre 24 y 25 kJ/m2, y entre los 17.25 y 22
kJ/m2 para el cáñamo y sisal, dependiendo del porcentaje de fibras.
Resistencia a impacto en ensayos Charpy de los compuestos.
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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.
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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/m2.
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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.
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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.
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Muchas gracias por su atención
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