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13/9/2015 www.plastico.com/imprimir/Moldeo-rotacional-de-un-polietileno-reforzado-con-fibra-de-cana/_3057852

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El creciente uso de los plsticos en aplicaciones diversas ha obligado a impulsar un mayor desarrollo del conocimiento tanto en el rea de la generacin de nuevosmateriales, como de las tcnicas de transformacin.

La bsqueda de mejores propiedades y menor costo de los materiales ha llevado a desarrollar los materiales compuestos o compsitos, que tienen su exponente msconocido en los polmeros reforzados con fibra de vidrio (GFRP-Glass Fiber Reinforced Plastic) y su mejor desempeo mecnico en los plsticos reforzados con fibra decarbono (CFRP-Carbon Fiber Reinforced Plastic). Sin embargo, la necesidad de contar con materiales ms amigables con el medio ambiente y de menor costo ha inducidoa la investigacin 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 obtencin de estos materiales. Sin embargo, su campo de aplicacin es muy amplio [2,3]. Si setoma en cuenta la gran disponibilidad de estas fibras, entre las obtenidas como producto principal de cultivos (henequn, lechuguilla) y las disponibles en residuos agrcolas(coco, trigo, caa), y su costo de obtencin, se tiene un recurso renovable sumamente atractivo. Mxico, por ejemplo, tiene una disponibilidad de 99 millones de toneladasde residuos agrcolas, de los cuales el 33% corresponde a maz, seguido por trigo, sorgo y caa de azcar [4].

En el caso de la caa de azcar, esta tiene una disposicin de 11 millones de toneladas, base seca, de bagazo de caa, el cual tiene una cantidad importante de fibranatural. El proceso previo para la extraccin de jugos y azucares sirve como un pretratamiento de la caa, facilitando la recuperacin de las fibras [5].

Si bien los procesos que comnmente se utilizan para trabajar con estos compuestos son principalmente extrusin y moldeo por inyeccin, el rotomoldeo puede ser departicular inters dadas sus caractersticas y expansin en los ltimos aos. Este proceso, ampliamente utilizado en la fabricacin de contenedores de agua y piezashuecas de gran tamao, ha tenido en los ltimos 20 aos una gran transformacin. Se han realizado algunas experiencias para adicionar fibras de coco en este proceso (6)reportndose una adecuada dispersin de las fibras en la matriz.

El proceso de rotomoldeoEl moldeo rotacional o rotomoldeo utiliza como materia prima polmeros en polvo o resinas lquidas, las cuales son vertidas en un molde cerrado que se calentar desde suexterior. Al rotarse el molde sobre 2 ejes ortogonales, la masa de fluido lquido o granular empieza, por efectos de la gravedad, a moverse a la parte ms baja del molde encada momento de la rotacin. El calentamiento que el molde tenga en sus paredes internas permitir que el polmero vaya quedando poco a poco pegado por diferentesfenmenos. En el caso de los lquidos, estos tendern a mojar la superficie del molde y, a causa del calor, solidificarn por un proceso de curado.

Cuando se utilizan polvos, el mecanismo es ms complejo, pues intervienen, adems de una compleja reologa inherente a los materiales granulares, fenmenos dereblandecimiento 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 acelerarn, aunque se corre elriesgo de reblandecer demasiado la capa de polmero que se haya adherido a la pared que llevara a un desplome del material. De esta forma se infiere la necesidad dealcanzar un compromiso entre temperatura, tiempo de calentamiento y velocidad de rotacin a fin de optimizar el ciclo.

Estos fenmenos no slo tienen influencia en los aspectos de tiempos de produccin. Al utilizarse polvo, el espacio intergranular contiene cierta cantidad de aire, el cualpuede quedar atrapado durante el proceso [7]. En el proceso de inyeccin de plsticos este problema no existe, pues la misma presin de inyeccin asegura cierto grado decompactacin [8], gracias a la desgasificacin en el husillo. En rotomoldeo, al ser ste un proceso de baja presin, las porosidades ocasionadas por los espaciosintergranulares son un problema que se presenta con frecuencia. Esta porosidad afecta de alguna forma las propiedades mecnicas del material, pudiendo debilitarlo. Laeliminacin de esta porosidad se puede realizar por medio de los parmetros del proceso, pues con la temperatura adecuada el aire atrapado puede fluir hacia la superficiedel plstico ayudado por la fuerza centrfuga del proceso y la diferencia de densidades.

En las tres primeras etapas del proceso de rotomoldeo (alimentacin de polvos, calentamiento inicial y condicin de aglomeracin) el polmero permanece en forma depolvo. En las siguientes dos (coalescencia de partculas y desgasificacin) se dan los fenmenos que permiten la formacin de las piezas, y en las ltimas tres etapas(retiro del horno, recristalizacin y enfriamiento final) se tiene un enfriamiento paulatino. Son precisamente estos dos ltimos grupos de etapas lo que tienen mayorinfluencia en las propiedades del material, ya que se intentar reducir la porosidad debida a los espacios intergranulares y posteriormente se tendrn fenmenos decristalizacin en materiales como el polietileno. Esto ltimo influye tambin en la estabilidad dimensional de las piezas fabricadas.

Fibras naturales en rotomoldeoLa adicin de cargas o refuerzos a materiales rotomoldeados conlleva cierta complejidad respecto a los procesos de inyeccin y extrusin. La diferencia de densidadesentre la carga y el polmero de la matriz implicar una mayor segregacin de ambos materiales cuanto mayor sea la diferencia entre ambos. Adems, si los caloresespecficos son muy diferentes pueden propiciar la aparicin de defectos en la pieza final.

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

Dada la dinmica del material en polvo al momento de trasladarse en el molde por medio de los giros de este ltimo, la capacidad de mezclado y homogenizacin esbastante alta. Este movimiento permite la plena incorporacin de partculas de densidad similar. De hecho, se han reportado experiencias con fibra de coco en las cuales ematerial obtenido tiene una adecuada dispersin en la matriz y no presenta una direccin preferente como la mostrada en piezas obtenidas por inyeccin.

MaterialesLas fibras fueron obtenidas a partir de mdula de bagazo de caa, la cual, previamente secada, fue molida en un molino de martillos y posteriormente separada delparnquima. A esta fibra no se le aplic lavado o preparacin superficial.

Se utiliz un polietileno en polvo de grado comercial "Polimers 94050 Plus" suministrado por Polmeros Mexicanos S.A. de C.V., especfico para rotomoldeo, con unadensidad media natural de 0.935 gr/cm3 y un ndice de fluidez de 5.8 gr/10 min.

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

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

A esta pieza s e le hicieron evaluaciones visuales para determinar el adecuado mezclado de la fibra y la af ectacin esttic a y de proceso por parte de la fibra en el polmeroPosteriormente se procedi a cortar muestras de la parte plana de la pieza, las cuales fueron sometidas a pruebas de absorcin de humedad y de resistencia mecnica.

En el caso de las pruebas de humedad se ensayaron un total de 28 muestras, con tiempo de inmersin de 6, 24, 48 y 72 horas en agua comn. A cada tiempocorresponden 7 muestras. En esta prueba se pes cada muestra antes de sumergirla en agua y se pes inmediatamente despus de retirada del lquido, cuidando deeliminar las gotas que hubiese en la superficie.

Para la evaluacin de las propiedades mecnicas, se cortaron 7 probetas para ensayo de traccin y se utiliz una mquina universal de pruebas marca Instron modelo 1331con una celda de carga de 5 kN a una velocidad de 50 mm/min.


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

De la revisin ptica de la pieza se determin que hay una adecuada dispersin de fibras en la matriz, debido principalmente a la dinmica de mezclado propia del procesode moldeo rotacional. Si bien la dispersin de fibras es adecuada, la presencia de burbujas en el plstico, en especial en la cara pegada al molde, indica cierto grado dehumedad en las fibras. Esta humedad no tiene tiempo de liberarse antes de que el material entre en la etapa de coalescencia y solidificacin, por lo que al continuar laliberacin de humedad por efecto del incremento de la temperatura, se forman burbujas. Cabe resaltar que estas burbujas se encuentran distribuidas de forma homogneaen la pieza.

Este fenmeno puede o no ser deseable. Si se busca un material espumado, un adecuado control de la humedad puede servir para la generacin de las burbujas. Si por elcontrario 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 estasuperficie 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 pocoirregular. La diferencia entre ambas superficies puede ser explicada a partir de los efectos de tensin superficial. En general las fibras quedaron inmersas en el polmero,

salvo aquellas que se encuentran en la superficie interna.

En lo referente a las pruebas de humedad, se observ que las piezas incrementan su peso conforme se incrementa su tiempo de inmersin, saturndose despus de las 48horas. Esto se debe a que las fibras ms superficiales y aquellas que se encuentran en los bordes de las muestras estn en contacto con el agua. Una vez saturadasestas fibras, no se sigue incrementando la humedad del material en su conjunto. El mximo incremento es equivalente al 1.24% del peso del material en su conjunto, perorepresenta un incremento del 12.41% del peso de la fraccin de fibra.

En las pruebas de traccin, el esfuerzo mximo promedio es de 6.3 MPa, mientras que el esfuerzo de fluencia se encuentra alrededor de 3.5 MPa, con un mdulo de Youngde 236 MPa y una elongacin mxima de 0.123 mm/mm. Si se toman en cuenta las propiedades especficas, el material tiene un Mdulo de Young de 430 MPa cm3/gr, unesfuerzo mximo 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 elpolmero 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 actan encierta 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 deficientetraslacin de esfuerzos del polmero a la fibra. La utilizacin de agentes acoplantes puede ayudar tanto en el material slido como en el espumado.

Un mejor control en el tamao de las burbujas puede mejorar las propiedades del material cuando se utilice la fibra como agente espumante, lo cual se puede realizar pormedio del tamao 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 caa presentan una adecuada dispersin en la matriz de polmero, debido principalmente a su densidad y tamao, lo cual las hace unrefuerzo o carga potencial para los materiales rotomoldeados.La humedad de las fibras es un parmetro que debe de ser controlado previo al proceso. Un refuerzo seco dar lugar a paredes compactas, pero una humedadcontrolada 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 unamayor afinidad con el polmero.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 polmero por un materiacon una proporcin de costos de 10 a 1.Se requiere estudiar el material para obtener piezas compactas que permitan una mejor comparacin entre las propiedades del material original y el obtenido.


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