Efectos de la composición y los procesos de mezcla sobre la estructura y las propiedades de materiales compuestos polipropileno/fibras de celulosa

Abstract

En el presente trabajo se han obtenido materiales compuestos PP/fibras de pasta de celulosa blanqueada en una extrusora co-rotante de doble husillo empleando tres configuraciones de husillo diferentes, denominadas C1, C4 y C5, diseñadas con el objetivo de producir distintos grados de mezcla dispersivo y distributivo. Se han empleado tres tipos de matrices de PP (500N, 548R y 648U) y tres tipos de fibras de refuerzo diferentes: fibras de pasta de celulosa blanqueada sin refinar, refinadas con grados Schopper-Riegler ºSR 45 y 60. El contenido de fibras de celulosa en los materiales compuestos ha variado entre un 30 y un 50%, en peso. Los materiales compuestos con la matriz 648U se han obtenido sin agente de acoplamiento, con un 1.5 y un 3%, en peso, de un polipropileno maleado (AA) y con un 1.5%, en peso, de una polietilenimina (PEI-2). Se han analizado los efectos conjuntos de la composición y condiciones de mezcla de los materiales compuestos sobre su estructura y propiedades mecánicas, térmicas, reológicas y físicas. Las fibras de celulosa ven disminuida su longitud promedio a lo largo de su procesamiento en la extrusora de doble husillo como consecuencia de la atrición a la que son sometidas. Los mayores descensos en el porcentaje de fibras de longitud superior a la longitud crítica tienen lugar en la 2º zona de mezcla y, especialmente, en la zona de compresión. La elevada presión existente en la zona de compresión hace que las tres configuraciones de husillo no den lugar a diferencias significativas en el grado de atrición finalmente producido. Cuando se incrementa el contenido de fibras de celulosa, se produce una mayor atrición de las mismas a lo largo de la extrusora, reduciéndose su longitud media y el porcentaje de fibras de longitud superior a la crítica, y aumentando el porcentaje de finos. El aumento del contenido de fibras de refuerzo de los materiales da lugar a un mayor grado de orientación de las fibras y a una disminución de la calidad de su dispersión en el seno de la matriz de PP. Tanto el grado de orientación como el índice de dispersión de las fibras de celulosa se ven condicionados por el tipo de refuerzo y por la presencia o no de agente de acoplamiento, dando lugar a un amplio abanico de resultados. La presencia de ambos agentes de acoplamiento, AA y PEI-2, disminuye el grado de orientación y la calidad de la dispersión de las fibras. El módulo de almacenamiento de los materiales compuestos disminuye al aumentar la temperatura. La presencia creciente de fibras de celulosa disminuye ligeramente la temperatura de transición vítrea de los materiales compuestos, mientras que incrementa su módulo de almacenamiento y el número de defectos que éstos poseen en su fase cristalina. Como norma general, los materiales compuestos reforzados con fibras de celulosa sin refinar presentan los mayores valores del módulo de almacenamiento. La utilización de ambos agentes de acoplamiento, AA y PEI-2, no mejora de forma relevante la rigidez de los materiales. Es probable que la presencia de AA induzca la formación de una fase cristalina alrededor de las fibras de celulosa, fenómeno conocido como transcristalinidad. Los materiales compuestos PP/fibras de pasta de celulosa blanqueada presentan un comportamiento frágil ante el ensayo de impacto. Parece que las cadenas macromoleculares en estado amorfo rígido son el parámetro morfológico que dicta el comportamiento a la fractura de estos materiales. Ambos agentes de acoplamiento mejoran la adhesión interfacial matriz-refuerzo, pero únicamente el PEI-2 da lugar a un aumento considerable de la tenacidad a la fractura. En la mayoría de los casos, la variación del tipo de matriz y de la configuración de husillo no da lugar a diferencias significativas en las propiedades mecánicas, térmicas y físicas de los materiales compuestos. El aumento del grado de refino de las fibras de celulosa disminuye los valores de los módulos de elasticidad a tracción y a flexión, de la resistencia máxima a tracción y de la resistencia al impacto sin entalladura. El agente de acoplamiento AA da lugar a un mayor grado de adhesión interfacial que el PEI-2, por lo que su presencia mejora en mayor medida las propiedades mecánicas y térmicas de los materiales. No obstante, el PEI-2 produce una interfase matriz-refuerzo más flexible, dando lugar a unas mejores propiedades de impacto.