Composición, condiciones de extrusión y propiedades de eco-compuestos de residuos plásticos de origen agrario y urbano reforzados con fibras residuales de celulosa

Abstract

Los residuos plásticos de origen agrario y urbano, así como los residuos de origen industrial representan un importante problema medioambiental que requiere de soluciones. En el presente trabajo, se han obtenido materiales compuestos reforzados con fibras residuales de pasta de celulosa Kraft (FRC) utilizando, como matriz, un plástico reciclado de origen agrario o una aleación del mismo con un residuo plástico de origen urbano. Este tipo de materiales son medioambientalmente sostenibles (de ahí que se les denomine eco-compuestos) y pueden servir como materia prima para fabricar productos con aplicaciones en distintos sectores (e.g., automoción o construcción). Los eco-compuestos se obtuvieron en continuo a escala piloto utilizando una extrusora de doble husillo corrotante. El contenido de fibras en los mismos varió entre un 25 % y un 35%, en peso. Para mejorar la adhesión matriz-refuerzo se llevó a cabo un proceso de extrusión reactiva en el que se empleó un 1,5 % y un 3 %, en peso, de un agente de acoplamiento constituido por un polietileno maleado (MAPE) seleccionado previamente, así como un agente de entrecruzamiento constituido por un peróxido orgánico, cuyo contenido óptimo fue objeto de estudio. En primer lugar, se estudiaron los efectos de tres configuraciones de husillo (diseñadas para generar distintos grados de mezcla dispersiva y distributiva), dos velocidades de giro de los husillos (150 y 200 rpm) y diversos perfiles de temperatura sobre las propiedades mecánicas de los materiales compuestos y la atricción experimentada durante el proceso de extrusión por las fibras de celulosa utilizadas como refuerzo. El desarrollo de un nuevo método para la caracterización morfológica de un importante número de FRC mediante análisis de imágenes, permitió una evaluación fiable de dicha atricción. Por otra parte, se desarrolló una metodología fiable para determinar la distribución de tiempos de residencia de eco-compuestos en extrusoras. Esto permitió observar que el grado de mezcla axial empeora al incrementarse el contenido de fibras de los eco-compuestos, que empieza a ser perjudicial para sus propiedades a partir del 30%, en peso, de fibras. Los datos se ajustaron a un modelo matemático que permite representar numéricamente el patrón de flujo de los eco-compuestos, y poder llegar a optimizar su composición y condiciones de extrusión. El módulo y la resistencia a tracción de los eco-compuestos sin agente de acoplamiento en los que se utilizó un plástico reciclado de origen agrario como matriz fueron hasta un 667 % y un 70 % mayores que los del plástico reciclado de origen agrario, respectivamente. La resistencia a la tracción de estos eco-compuestos fue superior a la que cabría esperar para materiales sin agente de acoplamiento. Se determinó que esto se debía a la mejora de la adhesión interfacial proporcionada por el carácter polar del copolímero de etileno y acetato de vinilo, aún presente en cantidades significativas en el plástico reciclado de origen agrario. Cuando se utilizó MAPE las resistencias a la tracción y flexión de los eco-compuestos experimentaron incrementos inferiores a los esperables, alcanzando 20,3 y 24 MPa, respectivamente. Esto se debió a que el incremento de la adhesión interfacial provocado por el MAPE también genera mayores esfuerzos de cizalla durante el procesamiento, lo que reduce la longitud media de las fibras y limita los beneficios del uso del MAPE. Mediante la utilización de modelos micromecánicos se estimó que el módulo y la resistencia intrínseca de las FRC de Eucaliptus Globulus utilizadas eran de 16,4 GPa y 180 MPa, respectivamente. Estos datos apenas disponibles en la bibliografía- revelan la capacidad de aprovechamiento de estas FRC como refuerzo en materiales compuestos, reduciendo su impacto ambiental. La incorporación del residuo plástico de origen urbano a la matriz de los eco-compuestos dio lugar a incrementos sustanciales en su módulo y resistencia a la tracción (hasta el 61 % y 31 %, respectivamente), sin que se viera perjudicada su resistencia al impacto, en términos globales. Los valores máximos registrados en las dos propiedades anteriores fueron de 1,3 GPa y 24,6 MPa, respectivamente. Por su parte, el peróxido orgánico aporta un mayor beneficio a las propiedades de los eco-compuestos cuando se emplea al 0,025 %, en peso, permitiendo alcanzar módulos y resistencias a la tracción de hasta 1,40 GPa y 42,67 MPa, respectivamente.