Moldeo rotacional de un polietileno reforzado con fibra de caña

El creciente uso de los plásticos en aplicaciones diversas ha obligado a impulsar un mayor desarrollo del conocimiento tanto en el área de la generación de nuevos materiales, como de las técnicas de transformación.

La búsqueda de mejores propiedades y menor costo de los materiales ha llevado a desarrollar los materiales compuestos o compósitos, que tienen su exponente más conocido en los polímeros reforzados con fibra de vidrio (GFRP-Glass Fiber Reinforced Plastic) y su mejor desempeño mecánico en los plásticos reforzados con fibra de carbono (CFRP-Carbon Fiber Reinforced Plastic). Sin embargo, la necesidad de contar con materiales más amigables con el medio ambiente y de menor costo ha inducido a la investigación de las fibras naturales. Este material, principalmente de origen vegetal, es obtenido en forma casi directa de recursos renovables.

Trabajos previos [1] han manifestado algunos de los problemas para la obtención de estos materiales. Sin embargo, su campo de aplicación es muy amplio [2,3]. Si se toma en cuenta la gran disponibilidad de estas fibras, entre las obtenidas como producto principal de cultivos (henequén, lechuguilla) y las disponibles en residuos agrícolas (coco, trigo, caña), y su costo de obtención, se tiene un recurso renovable sumamente atractivo. México, por ejemplo, tiene una disponibilidad de 99 millones de toneladas de residuos agrícolas, de los cuales el 33% corresponde a maíz, seguido por trigo, sorgo y caña de azúcar [4].

En el caso de la caña de azúcar, esta tiene una disposición de 11 millones de toneladas, base seca, de bagazo de caña, el cual tiene una cantidad importante de fibra natural. El proceso previo para la extracción de jugos y azucares sirve como un pretratamiento de la caña, facilitando la recuperación de las fibras [5].

Si bien los procesos que comúnmente se utilizan para trabajar con estos compuestos son principalmente extrusión y moldeo por inyección, el rotomoldeo puede ser de particular interés dadas sus características y expansión en los últimos años. Este proceso, ampliamente utilizado en la fabricación de contenedores de agua y piezas huecas de gran tamaño, ha tenido en los últimos 20 años una gran transformación. Se han realizado algunas experiencias para adicionar fibras de coco en este proceso (6) reportándose una adecuada dispersión de las fibras en la matriz.

El proceso de rotomoldeo
El moldeo rotacional o rotomoldeo utiliza como materia prima polímeros en polvo o resinas líquidas, las cuales son vertidas en un molde cerrado que se calentará desde su exterior. Al rotarse el molde sobre 2 ejes ortogonales, la masa de fluido líquido o granular empieza, por efectos de la gravedad, a moverse a la parte más baja del molde en cada momento de la rotación. El calentamiento que el molde tenga en sus paredes internas permitirá que el polímero vaya quedando poco a poco pegado por diferentes fenómenos. En el caso de los líquidos, estos tenderán a mojar la superficie del molde y, a causa del calor, solidificarán por un proceso de curado.

Cuando se utilizan polvos, el mecanismo es más complejo, pues intervienen, además de una compleja reología inherente a los materiales granulares, fenómenos de reblandecimiento y aglutinamiento que permiten que el polvo se vaya quedando pegado gradualmente a la pared del molde.

Estos sucesos son altamente dependientes de la transferencia de calor que se registre en el molde, pues a mayor temperatura estos se acelerarán, aunque se corre el riesgo de reblandecer demasiado la capa de polímero que se haya adherido a la pared que llevaría a un desplome del material. De esta forma se infiere la necesidad de alcanzar un compromiso entre temperatura, tiempo de calentamiento y velocidad de rotación a fin de optimizar el ciclo.

Estos fenómenos no sólo tienen influencia en los aspectos de tiempos de producción. Al utilizarse polvo, el espacio intergranular contiene cierta cantidad de aire, el cual puede quedar atrapado durante el proceso [7]. En el proceso de inyección de plásticos este problema no existe, pues la misma presión de inyección asegura cierto grado de compactación [8], gracias a la desgasificación en el husillo. En rotomoldeo, al ser éste un proceso de baja presión, las porosidades ocasionadas por los espacios intergranulares son un problema que se presenta con frecuencia. Esta porosidad afecta de alguna forma las propiedades mecánicas del material, pudiendo debilitarlo. La eliminación de esta porosidad se puede realizar por medio de los parámetros del proceso, pues con la temperatura adecuada el aire atrapado puede fluir hacia la superficie del plástico ayudado por la fuerza centrífuga del proceso y la diferencia de densidades.

En las tres primeras etapas del proceso de rotomoldeo (alimentación de polvos, calentamiento inicial y condición de aglomeración) el polímero permanece en forma de polvo. En las siguientes dos (coalescencia de partículas y desgasificación) se dan los fenómenos que permiten la formación de las piezas, y en las últimas tres etapas (retiro del horno, recristalización y enfriamiento final) se tiene un enfriamiento paulatino. Son precisamente estos dos últimos grupos de etapas lo que tienen mayor influencia en las propiedades del material, ya que se intentará reducir la porosidad debida a los espacios intergranulares y posteriormente se tendrán fenómenos de cristalización en materiales como el polietileno. Esto último influye también en la estabilidad dimensional de las piezas fabricadas.

Fibras naturales en rotomoldeo
La adición de cargas o refuerzos a materiales rotomoldeados conlleva cierta complejidad respecto a los procesos de inyección y extrusión. La diferencia de densidades entre la carga y el polímero de la matriz implicará una mayor segregación de ambos materiales cuanto mayor sea la diferencia entre ambos. Además, si los calores específicos son muy diferentes pueden propiciar la aparición de defectos en la pieza final.

En el caso de las fibras naturales, tanto los valores de la densidad como los del calor específico son muy parecidos a los presentados en los polímeros usualmente rotomoldeados, por lo que su uso se hace particularmente atractivo en este proceso.

Dada la dinámica del material en polvo al momento de trasladarse en el molde por medio de los giros de este último, la capacidad de mezclado y homogenización es bastante alta. Este movimiento permite la plena incorporación de partículas de densidad similar. De hecho, se han reportado experiencias con fibra de coco en las cuales el material obtenido tiene una adecuada dispersión en la matriz y no presenta una dirección preferente como la mostrada en piezas obtenidas por inyección.

Materiales
Las fibras fueron obtenidas a partir de médula de bagazo de caña, la cual, previamente secada, fue molida en un molino de martillos y posteriormente separada del parénquima. A esta fibra no se le aplicó lavado o preparación superficial.

Se utilizó un polietileno en polvo de grado comercial "Polimers 94050 Plus" suministrado por Polímeros Mexicanos S.A. de C.V., específico para rotomoldeo, con una densidad media natural de 0.935 gr/cm3 y un índice de fluidez de 5.8 gr/10 min.

Se obtuvo una mezcla con una fracción de fibra del 10%, utilizando para ello 13.5 Kg de polvo de polietileno y 1.5Kg de fibra de bagazo de caña. Dado que una de las finalidades de este trabajo es encontrar las posibles dificultades del proceso, no se realizó un secado extremo de la fibra, que contiene la humedad ambiental.

Desarrollo experimental
La fibra y el polímero se suministraron directamente en la cavidad del molde, el cual una vez cerrado se hizo rotar durante 5 minutos fuera del horno para asegurar un adecuado mezclado de las fibras. Pasado este tiempo, se introdujo a un horno de flama cerrada tipo shuttle a una temperatura aproximada de 300°C. El tiempo de horno fue de 10 minutos. Posteriormente, el molde fue retirado del horno y enfriado con aire por 5 minutos, con una neblina de agua. Se dejó otros 3 minutos con aire y se dio un segundo enfriamiento con agua, procediendo a abrir el molde y sacar la pieza final.

A esta pieza se le hicieron evaluaciones visuales para determinar el adecuado mezclado de la fibra y la afectación estética y de proceso por parte de la fibra en el polímero. Posteriormente se procedió a cortar muestras de la parte plana de la pieza, las cuales fueron sometidas a pruebas de absorción de humedad y de resistencia mecánica.

En el caso de las pruebas de humedad se ensayaron un total de 28 muestras, con tiempo de inmersión de 6, 24, 48 y 72 horas en agua común. A cada tiempo corresponden 7 muestras. En esta prueba se pesó cada muestra antes de sumergirla en agua y se pesó inmediatamente después de retirada del líquido, cuidando de eliminar las gotas que hubiese en la superficie.

Para la evaluación de las propiedades mecánicas, se cortaron 7 probetas para ensayo de tracción y se utilizó una máquina universal de pruebas marca Instron modelo 1331 con una celda de carga de 5 kN a una velocidad de 50 mm/min.

Resultados y discusión
Se obtuvo un material de consistencia espumada y color café con una apariencia agradable, con una densidad de 0.55 gr/cm3.

De la revisión óptica de la pieza se determinó que hay una adecuada dispersión de fibras en la matriz, debido principalmente a la dinámica de mezclado propia del proceso de moldeo rotacional. Si bien la dispersión de fibras es adecuada, la presencia de burbujas en el plástico, en especial en la cara pegada al molde, indica cierto grado de humedad en las fibras. Esta humedad no tiene tiempo de liberarse antes de que el material entre en la etapa de coalescencia y solidificación, por lo que al continuar la liberación de humedad por efecto del incremento de la temperatura, se forman burbujas. Cabe resaltar que estas burbujas se encuentran distribuidas de forma homogénea en la pieza.

Este fenómeno puede o no ser deseable. Si se busca un material espumado, un adecuado control de la humedad puede servir para la generación de las burbujas. Si por el contrario se busca un material compacto, es importante que las fibras se deshumidifiquen antes de introducirlas al molde.

En lo que se refiere al acabado de la pieza, en la parte externa, el material copia adecuadamente el molde, aunque la presencia de burbujas grandes y cercanas a esta superficie no permite en algunas partes la existencia de una superficie continua. Sin embargo, en el lado libre la pieza presenta una superficie continua aunque un poco irregular. La diferencia entre ambas superficies puede ser explicada a partir de los efectos de tensión superficial. En general las fibras quedaron inmersas en el polímero, salvo aquellas que se encuentran en la superficie interna.

En lo referente a las pruebas de humedad, se observó que las piezas incrementan su peso conforme se incrementa su tiempo de inmersión, saturándose después de las 48 horas. Esto se debe a que las fibras más superficiales y aquellas que se encuentran en los bordes de las muestras están en contacto con el agua. Una vez saturadas estas fibras, no se sigue incrementando la humedad del material en su conjunto. El máximo incremento es equivalente al 1.24% del peso del material en su conjunto, pero representa un incremento del 12.41% del peso de la fracción de fibra.

En las pruebas de tracción, el esfuerzo máximo promedio es de 6.3 MPa, mientras que el esfuerzo de fluencia se encuentra alrededor de 3.5 MPa, con un módulo de Young de 236 MPa y una elongación máxima de 0.123 mm/mm. Si se toman en cuenta las propiedades específicas, el material tiene un Módulo de Young de 430 MPa cm3/gr, un esfuerzo máximo de 11.46 MPa cm3/gr y un esfuerzo a la fluencia de 6.37 MPa cm3/gr. Estos valores se encuentran por debajo de los reportados por el fabricante para el polímero sin fibra.

Esta baja en las propiedades de los materiales se debe en gran parte a la presencia de las burbujas ocasionadas por la humedad en las fibras, ya que estas actúan en cierta medida como concentradores de esfuerzo. Por otro lado, se debe tomar en cuenta que no hay una adherencia entre refuerzo y matriz, lo que implica una deficiente traslación de esfuerzos del polímero a la fibra. La utilización de agentes acoplantes puede ayudar tanto en el material sólido como en el espumado.

Un mejor control en el tamaño de las burbujas puede mejorar las propiedades del material cuando se utilice la fibra como agente espumante, lo cual se puede realizar por medio del tamaño de la fibra y su humedad al momento de empezar el proceso, por lo que esto puede ser materia de estudio para trabajos posteriores.

Conclusiones

• Las fibras de bagazo de caña presentan una adecuada dispersión en la matriz de polímero, debido principalmente a su densidad y tamaño, lo cual las hace un refuerzo o carga potencial para los materiales rotomoldeados.
• La humedad de las fibras es un parámetro que debe de ser controlado previo al proceso. Un refuerzo seco dará lugar a paredes compactas, pero una humedad controlada puede servir de espumante.
• Es evidente la susceptibilidad del material a la humedad, por lo que se hace necesario proveer de un recubrimiento o un tratamiento previo a la fibra que permita una mayor afinidad con el polímero.
• El uso de este tipo de fibras sirve como reemplazo de material con la finalidad de reducir costos de materia prima, sustituyendo para ello un polímero por un material con una proporción de costos de 10 a 1.
• Se requiere estudiar el material para obtener piezas compactas que permitan una mejor comparación entre las propiedades del material original y el obtenido.