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CARACTERIZACIÓN Y EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL
ALMIDÓN TERMOPLÁSTICO (TPS) REFORZADO CON FIBRAS LIGNOCELULÓSICAS, PLASTIFICADO CON ETANOLAMINA
JUAN ESTEBAN FRANCO BARRIOS ZAYRA PAOLA RAMIREZ CABRERA
UNIV ERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA BOGOTA D.C.
2009
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CARACTERIZACIÓN Y EVALUACIÓN DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ALMIDÓN TERMOPLÁSTICO (TPS) REFORZADO CON FIBRAS LIGNOCELULÓSICAS, PLASTIFICADO CON ETANOLAMINA
JUAN ESTEBAN FRANCO BARRIOS ZAYRA PAOLA RAMIREZ CABRERA
Proyecto de Grado
Asesor
Isabel Cristina Jiménez Useche MSc. Ingeniería Mecánica
UNIV ERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERIA
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA BOGOTA D.C.
2009
3
Página de Aceptación
______________________________
Isabel Cristina Jiménez Useche Asesora
______________________________
Andrés Córdoba
Jurado
Bogotá D.C., Junio de 2009
4
AGRADECIMIENTOS
En este momento de nuestras vidas, a un paso de culminar una etapa más dentro de
ellas, conviene mirar en retrospectiva y darles el reconocimiento a las personas que
hicieron que nuestro estudio de Pregrado y el presente Proyecto de Grado fuesen
posibles. Agradecemos a nuestros padres por darnos el valioso regalo de la
educación; por estar siempre ahí, apoyándonos en los momentos tanto de dif icultad
como en los de satisfacción y alegr ía, por confiar en nuestras capacidades y darnos
ánimo en todo momento de nuestra vida universitaria. A nuestros hermanos, por
acompañarnos en este proceso y ser parte fundamental dentro de nuestro desarrollo.
A nuestras familias, por estar presentes en nuestras vidas augurándonos éxitos en
todo momento. A nuestros amigos, los que fueron y los que han sido, por que nos
mostraron que la Universidad es un espacio que hay que disfrutar y aprovechar al
máximo. A nuestros profesores, por ser fuente de conocimiento y trasmitirnos experiencias de vida para el ejercicio con orgullo de nuestra bella profesión. Gracias a
ellos hoy tenemos un acercamiento a la Ingenier ía Química que nos permitirá
desempeñarnos en un futuro en el área. A nuestra asesora, Isabel Useche, por
mostrarnos que a pesar de las dif icultades hay que ser persistentes y constantes para
llegar a alcanzar las metas que uno se ha propuesto. A Diego Ballesteros, por su
colaboración en la gestión de turnos en los laboratorios de Ingeniería Mecánica. En
general, gracias a todas las personas que participaron activamente o con su simple
presencia en el desarrollo de este Proyecto de Grado.
5
CONTENIDOS
Pág.
Introducción...................................................................................................................8
1. Objetivos .......................................................................................................................9
1.1. Objetivo General .................................................................................................9
1.2. Objetivos Espec íf icos ..........................................................................................9
2. Estado del Arte............................................................................................................10
2.1. El Almidón .........................................................................................................10
2.1.1.Generalidades .....................................................................................10
2.1.2.Gelatinización del Almidón..................................................................13
2.2. Polímeros biodegradables a base de almidón .................................................13
2.2.1.Contextualización ................................................................................13
2.2.2.Almidón termoplástico o TPS..............................................................14
2.2.3.Plastif icantes .......................................................................................16
2.2.4.Problemáticas asociadas al TPS ........................................................18
2.3. Mater iales Compuestos ....................................................................................18
2.3.1.Definición .............................................................................................18
2.3.2.Matriz ...................................................................................................19
2.3.3.Refuerzo ..............................................................................................19
2.3.3.1. Fibras Continuas ...................................................................20
2.3.3.2. Fibras Discontinuas ..............................................................20
2.3.3.3. Partículas ..............................................................................21
2.3.3.4. Fibras Lignocelulósicas.........................................................21
2.3.3.5. Características de las f ibras lignocelulósicas.......................22
2.3.3.6. Cisco de Café........................................................................23
2.3.3.7. Interfase Fibra - Matriz ..........................................................24
2.3.3.8. Comportamiento mecánico de polímeros reforzados ..........25
2.3.4.Apartes del desarrollo investigativo en Mater iales Compuestos........25
6
3. Mater iales y Equipos...................................................................................................37
3.1. Mater iales ..........................................................................................................37
3.2. Equipos ..............................................................................................................37
3.2.1.Molino de Martillos ..............................................................................37
3.2.2.Mezclador Interno................................................................................38
3.2.3.Prensa .................................................................................................39
3.2.4.Agitador ...............................................................................................40
4. Metodología ................................................................................................................41
4.1. Adecuación y/o pretratamiento de Materias Primas.........................................41
4.1.1.Pur if icación – Adecuación Cisco de Café...........................................41
4.1.2.Pretratamiento Almidón.......................................................................42
4.2. Elaboración de la pre - mezcla .........................................................................42
4.3. Gelatinización premezcla ..................................................................................43
4.4. Adecuación premezcla - trituración...................................................................43
4.5. Procesamiento en Mezclador Interno de la premezcla ....................................44
4.6. Trituración producto Mezclador Interno ............................................................44
4.7. Preparación de Probetas ..................................................................................45
4.8. Pruebas Mecánicas ...........................................................................................46
4.9. Prueba de Granulometr ía – tamizado del cisco de café ..................................46
4.10. Caracterización morfológica de los compuestos............................................46
5. Resultados ..................................................................................................................47
5.1. Prueba 0: Reconocimiento de equipos y estandarización del proceso ...........47
5.1.1.Elaboración de la pre – mezcla...........................................................47
5.1.2.Estandarización de la gelatinización del plastif icante: etanolamina. 49
5.2. Pruebas 1 – 7: Desarrollo Experimental ...........................................................52
5.3. Granulometr ía Cisco de Café............................................................................56
6. Análisis de Resultados...............................................................................................57
6.1. Desarrollo Experimental ....................................................................................57
6.2. Tamaños de partícula del cisco de café ...........................................................58
7
6.3. Influencia del porcentaje de f ibra sobre el TPS................................................60
6.4. Influencia del tamaño de partícula del cisco de café sobre el TPS reforzado. 62
6.5. Pruebas Mecánicas ...........................................................................................63
6.6. Caracterización de los compuestos – Prueba SEM .........................................70
7. Conclusiones...............................................................................................................74
Referencias .................................................................................................................76
8
INTRODUCCIÓN
Debido a su composición y características físico – químicas, los desechos poliméricos
provenientes de la industria del plástico presentan biodegradabilidad muy baja o nula.
Es así como se acumulan en los botaderos de basura ocupando gran espacio, y
aunque se piense en su incineración como una solución al problema, esto da origen a
la generación de gases contaminantes que acentúan las problemáticas ambientales.
Lo anterior, sumado al desabastecimiento paulatino de petróleo a nivel mundial, ha
generado gran interés en el desarrollo de polímeros biodegradables dentro de los
cuales se encuentra el almidón termoplástico o TPS. La alta disponibilidad de la
mater ia prima para su producción así como los bajos costos y fácil procesamiento se
encuentran dentro de las bondades asociadas a este biopolímero.
Diferentes estudios han sido desarrollados en la Universidad de los Andes con el f in de
estandarizar y caracterizar el proceso de producción de este tipo de polímero. De esta
forma, se ha obtenido almidón termoplástico variando parámetros puntuales dentro de
su procesamiento incluyendo el tipo de almidón (maíz, papa, etc.), el tipo de
plastif icante (glicerina, urea – etanolamina, etc.), así como aspectos intr ínsecos del
proceso de extrusión y pelletizado. El resultado f inal ha sido un polímero, aunque con
grandes ventajas, de pobres propiedades mecánicas y alta solubilidad en agua que
afectan su desempeño en aplicaciones comerciales.
Es por ello que las investigaciones más recientes han centrado su atención sobre las
f ibras naturales como un tipo espec íf ico de refuerzo, que al ser adicionado al TPS
durante su proceso de producción, podría mejorar las características mecánicas
asociadas al polímero incluyendo una mayor resistencia a la tensión, tenacidad, entre
otras, generando un polímero viable en aplicaciones donde se requieren materiales
resistentes y livianos.
El interés del presente Proyecto de Grado radica en poder determinar la inf luencia de
las f ibras lignocelulósicas en las propiedades mecánicas de polímeros biodegradables,
en el caso específ ico del TPS plastif icado con etanolamina. Así, se podrá establecer
una comparación con los resultados obtenidos para las matrices puras así como para
matrices reforzadas y plastif icadas con la mezcla urea – etanolamina, identif icando el
mejoramiento en el desempeño mecánico cuando se realizan este tipo de refuerzos.
9
1. OBJETIVOS
1.1. Objetivo General:
Determinar y estudiar la inf luencia de las f ibras lignocelulósicas sobre las propiedades
mecánicas de polímeros biodegradables, específ icamente, para el almidón
termoplástico o TPS como matriz pura.
1.2. Objetivos Específicos: • Producir pellets de almidón termoplástico reforzado a nivel de laboratorio bajo una
formulación específ ica de almidón, plastif icante (etanolamina) y f ibras (cisco de
café).
• Evaluar las propiedades mecánicas del biopolímero reforzado para analizar el
efecto derivado del refuerzo en matrices de TPS.
10
2. ESTADO DEL ARTE
2.1. El Almidón
2.1.1. Generalidades
El almidón es un homopolisacárido formado a partir de glucosa (C6H12O6) como
monómero. Es un polisacárido de reserva alimenticia predominante en las plantas,
donde se encuentra frecuentemente en raíces y semillas, de ahí que sea de gran
abundancia en la naturaleza. Proviene frecuentemente de fuentes agrícolas como el
maíz, la yuca, el arroz y la papa, entre otros, y proporciona entre el 70 y el 80% de las
calorías consumidas por los humanos en todo el mundo [1].
A nivel químico, en las células vegetales, el almidón se encuentra como una mezcla de
dos polisacáridos muy similares, conocidos como amilosa y amilopectina, generando
regiones cristalinas y no cristalinas en capas alternadas. Así mismo, el almidón se almacena en gránulos, cuyos diámetros van de 3 a 100 µm. La amilosa se caracteriza
por ser un polímero lineal (no ramificado) de residuos de glucosa, conectados por
enlaces glucosídicos α – (1 → 4) de forma que se suelen formar largas cadenas
lineales de hasta 1000 subunidades de glucosa. La amilosa puede formar agregados
hidratos en solución acuosa y de esta manera formar una estructura helicoidal bajo
algunas condiciones; no obstante, en realidad no es soluble en agua [2].
Por otra parte, la amilopectina es un polímero ramificado (se le conoce como una
versión ramificada de la amilosa). En este sentido, además de los enlaces α – (1 → 4),
la amilopectina contiene puntos de ramificación en los cuales se presentan enlaces del
tipo α – (1 → 6) entre unidades monoméricas de glucosa. Este enlace se encuentra
localizado, en promedio, cada 25 unidades lineales de glucosa [2]. Su peso molecular
es muy alto y se encuentran fracciones que llegan a alcanzar incluso 200 millones de
Daltones. La amilopectina constituye alrededor del 75 % de los almidones comunes
encontrados en la naturaleza, de forma que aquellos que se encuentran formados
exclusivamente por este tipo de polisacárido son conocidos como céreos [1].
La Figura 1, a continuación, muestra la estructura de los polímeros mencionados
anteriormente, esto es, la amilosa y la amilopectina, con el f in de detallar los tipos de
enlaces presentes en cada uno de ellos:
11
Figura 1. Estructura de Amilosa y Amilopecti na [3].
Como se mencionó anteriormente, los almidones comerciales se obtienen de las
semillas de cereales, particularmente de trigo, de maíz, varios tipos de arroz, y de
algunas raíces y tubérculos, tales como la patata, batata, mandioca, yuca y papa. Los cereales son una fuente representativa de almidones, siendo el de maíz el almidón
más importante desde el punto de vista industrial [4].
Dependiendo de la fuente de almidón se t iene una composición del mismo en relación
a sus componentes principales. La tabla a continuación muestra el contenido de
amilosa y amilopectina para diferentes tipos de almidón:
Contenido Contenido Velocidad de Gelatinización Gelatinización
Tipo de Almidón de Amilosa (%) de Amilopectina (%) Hinchamiento Granular Inicio (ºC) Final (ºC)
Papa 20 - 21 79 - 80 Rápida 50 - 56 68
Trigo 25 - 30 70 - 75 Lenta 58 64
Tapioca 16 - 17 83 - 84 Rápida 49 65
Maíz 25 - 28 72 - 75 Lenta 62 72 - 80
Arroz 17 - 30 70 - 83 Lenta 58 - 69 79 - 86 Tabla 1. Carac terísticas par a tipos de almidón (contenido de amilosa y amilopectina y rango de temper atura par a
gelatinización en exceso de agua) [5].
12
Los granos de almidón son el resultado de un arreglo de sus componentes, esto es, de
la amilosa y la amilopectina, de forma que este se caracteriza por tener zonas o
regiones amorfas y zonas cristalinas. La amilosa es responsable de las regiones
amorfas mientras que la amilopectina es determinante en la estructura cristalina del
grano de almidón. En consecuencia, para cada una de las fuentes de almidón
registradas en la Tabla 1 existe un grado específ ico de cristalinidad de acuerdo con el
contenido de amilopectina [6].
Los gránulos de almidón pueden presentar diferentes tipos de geometr ía (redonda,
irregular, ovalada, poligonal, geometr ía simple, entre otras) dependiendo de la fuente
del mismo [6]. Así, dependiendo del or igen del almidón, se han logrado establecer
diferentes tamaños y formas de grano que se pueden caracterizar mediante
herramientas analít icas. La prueba “SEM” (Scanning Electron Microscopy) es una
herramienta que ha permitido observar con detalle la estructura granular de diferentes
tipos de almidón. La Figura a continuación muestra la distribución granular para el
almidón proveniente de papa, maíz, trigo y arroz:
Figura 2. Estructura granular para diferentes tipos de al midón [5].
13
Tal como se puede apreciar en la Figura 2, el almidón de papa exhibe los gránulos
más grandes en contaste con los otros tipos de almidón. Así mismo, la mayor parte de
los gránulos de almidón de trigo presentan conformación esférica aunque existen
granos alargados de forma ovalada. Para el almidón de maíz, los gránulos son
evidentemente menores en tamaño en comparación con el almidón de papa, mientras
que los gránulos de almidón de arroz son los más pequeños de todos. La forma de
estos dos últimos no es esférica específ icamente (poliédrica) [5].
2.1.2. Gelatinización del almidón
Los gránulos de almidón nativo son insolubles en agua fría; no obstante, cuando estos
gránulos se calientan en agua, con la progresiva hidratación se rompen los enlaces de
hidrógeno más débiles en las áreas amorfas, de manera que se acaba la estructura
altamente orientada y cristalina. A este proceso se le conoce como gelatinización, la
cual se alcanza a determinada temperatura dependiendo del t ipo de almidón. Cuando
los gránulos de almidón se gelatinizan absorben agua aumentando la viscosidad de la suspensión [8].
Luego de la temperatura de gelatinización, la viscosidad disminuye por la ruptura del
gránulo y la solubilización de los componentes. Así, al descender la temperatura las
cadenas de almidón interaccionan entre sí encerrando agua en su estructura y
formando agregados a modo de geles. Finalmente, después de un tiempo, la
interacción entre las cadenas del polisacárido aumenta expulsando agua de la
estructura, fenómeno conocido como retrogradación [9].
2.2. Polímeros biodegradables a base de almidón
2.2.1. Contextualización
Para nadie son un misterio las diferentes problemáticas medio – ambientales, en
ascenso, derivadas del crecimiento incontrolable de la industria del plástico. El manejo
de los residuos sólidos plásticos ha generado a nivel global una preocupación
generalizada, ya que por su composición y características físico – químicas, su
degradación es casi nula. Es así como en los depósitos y botaderos de basura estos
se suelen acumular, y aunque se piense en su incineración como una alternativa para
su degradación, esto resulta en un problema aún mayor debido a la generación de
gases contaminantes que se van acumulando paulatinamente en la atmósfera
14
terrestre. Estas problemáticas, sumadas a la escasez en el abastecimiento de petróleo
a medida que transcurre el tiempo, han hecho de estos polímeros de origen
petroquímico un producto cada vez menos llamativo y comercializado, dando origen a
investigaciones en búsqueda de fuentes alternativas para la producción de materiales
plásticos.
De esta manera, se ha dado origen a la producción de biopolímeros con el f in de
encontrar una solución a todas las problemáticas, antes mencionadas, asociadas a los
polímeros convencionales. Investigaciones recientes se han enfocado en la producción
de almidón termoplástico, conocido como TPS, por sus siglas en inglés (ThermoPlastic
Starch), debido a que la materia pr ima para su producción (almidón) resulta ser una
fuente natural renovable al encontrarse en forma abundante en la naturaleza.
Adicionalmente, los costos asociados a la producción de este biopolímero son
mínimos, sin contar con el alto grado de biodegradabilidad que este posee.
2.2.2. Almidón termoplástico o TPS Numerosas investigaciones se han dedicado recientemente al estudio del TPS con el
f in de lograr una estandarización del proceso mediante el cual se producen pellets de
este. Así, para lograr la plastif icación del almidón, partiendo de este en su estado
natural, es necesario generar una serie de esfuerzos tanto mecánicos como térmicos,
en presencia de un tipo de plastif icante, dando como resultado f inal el biopolímero en
estudio. Para la preparación del TPS se han utilizado diferentes tipos de plastif icantes,
como la glicerina, la urea y la etanolamina, entre otros, así como mezclas entre ellos
[8].
Así, el TPS es un material que se obtiene por la disrupción o modif icación estructural
que se da dentro del gránulo de almidón cuando este es procesado con un bajo
contenido de agua y la acción de fuerzas térmicas y mecánicas en presencia de
plastif icantes que no se evaporan fácilmente durante el procesamiento [10].
Se ha determinado que los plásticos biodegradables a base de almidón tienen por lo
general un porcentaje de este comprendido entre el 10 y el 90%; no obstante,
investigaciones han concluido que el biopolímero debe tener un porcentaje mayor al
60% pues de lo contrario el material puede quebrarse con facilidad debido a las
uniones débiles en la matr iz plástica. En relación al almidón, se tiene que las fuentes o
15
tipos de almidón más comunes en la producción de almidón termoplástico son el
almidón de maíz, trigo y papa [6].
Los estudios se han enfocado en diferentes aspectos involucrados a lo largo del
proceso productivo con el f in de evaluar los parámetros de procesamiento más
relevantes logrando una formulación adecuada. El interés radica en poder generar
polímeros con una homogeneidad y características de resistencia mecánica similar a
la de los polímeros derivados de la industria petroquímica de forma que estos puedan
ser reemplazados con la confianza de un buen desempeño de los biopolímeros. Se
han realizado sinnúmero de pruebas que han permitido estandarizar el proceso,
incluyendo condiciones de operación: orden de mezclado, tipo de mezcladora, perf il de
temperatura en la extrusora, número de pasadas por la extrusora, velocidad de tornillo,
contenido de humedad en la materia prima, entre otros. Adicionalmente, se han hecho
análisis en relación al t ipo de formulación variando la proporción de almidón,
plastif icante y agua, con el f in de lograr encontrar aquella que proporcione los mejores
resultados para el TPS terminado, sin embargo, esta ha sido una tarea ardua y los estudios siguen en continuo progreso con el f in de perfeccionar consecutivamente el
método de producción.
En la Universidad de los Andes, específ icamente, diferentes estudiantes se han
dedicado a la investigación del almidón termoplástico o TPS en el desarrollo de sus
proyectos de Grado. Así, las investigaciones se han enfocado en etapas puntuales
dentro del procesamiento de este biopolímero, desde la caracterización y
estandarización del proceso para la obtención del TPS hasta el análisis del producto
terminado en algún campo en particular, por ejemplo, propiedades mecánicas,
biodegradabilidad, análisis térmico, entre otras.
En sus tesis, Vargas [11] y Medina [12] presentan en forma detallada el proceso de
producción de pellets de almidón termoplástico, haciendo un recorrido que muestra el
desarrollo experimental a partir de la materia prima hasta la generación de los pellets.
Hacen énfasis especial en el tipo de formulación, así como en las condiciones bajo las
cuales se debe dar la producción incluyendo perfiles de temperatura, tipo de
mezcladora, operación de la extrusora, entre otras. Ropaín [13], por otra parte, estudia
el efecto derivado del tipo de formulación sobre las propiedades mecánicas del TPS
con el f in de poder establecer un estándar de desempeño mecánico para este tipo de
biopolímeros. Finalmente, Merchán [14] realiza un análisis de la biodegradación en
películas de almidón termoplástico, mediante el montaje de la prueba de
16
biodegradabilidad por titulación de CO2. El resultado obtenido permitió comprobar
cómo efectivamente el TPS se degrada por la acción microbiana al ser ingerido por
bacterias y hongos en un medio natural.
Las condiciones de procesamiento para el trabajo actual fueron implementadas
teniendo en cuenta el desarrollo investigativo previo y los resultados a los que se ha
llegado en relación a la producción de almidón termoplástico, lo anterior, con el f in de
poder centrar la atención en otro tipo de parámetros en pro de mejorar las propiedades
del biopolímero f inal.
2.2.3. Plastificantes Los plastif icantes son sustancias utilizadas para aumentar la f lexibilidad y elasticidad
de los plásticos, de igual forma, se emplean para obtener un producto resistente y más
fácil de manejar. Este t ipo de compuestos químicos (plastif icantes) actúan como
lubricantes internos reduciendo las interacciones intermoleculares (fuerzas de Van der Waals) entre las cadenas de polímero. El efecto del plastif icante es hacer que el
mater ial sea más maleable facilitando su tratamiento industrial [8].
Como ya se ha discutido, la producción de almidón termoplástico o TPS se ha hecho
con diferentes tipos de plastif icantes dentro de los cuales los más trabajados han sido
el glicerol, la urea, la etanolamina, el agua, glicoles de alto y bajo peso molecular,
entre otros. El interés se ha centrado en encontrar el o los plastif icante(s) que
proporcione(n) las mejores propiedades para el biopolímero f inal. En este sentido,
diferentes autores han mostrado como cada plastif icante afecta de forma diferente las
propiedades mecánicas del almidón termoplástico procesado [8].
En el caso del glicerol, se tiene que es el plastif icante más comúnmente usado y aún
cuando proporciona alta tenacidad y resistencia a la tensión, la elongación del material
suele ser muy baja dando origen a películas difíciles de manejar dada su fragilidad
[16]. Así, el TPS plastif icado con glicerol tiende a la retrogradación o recristalización
después de ser almacenado por un periodo de tiempo, provocando un material frágil y
rígido. En consecuencia, se ha determinado que este plastif icante no es la mejor
alternativa en la producción del biopolímero [17].
En el caso de la urea, se ha probado que previene la retrogradación del almidón [17].
En relación a su estructura química, se ha reportado que los grupos amida presentes
17
en ella favorecen la formación de puentes o enlaces de hidrógeno con el almidón
durante el proceso de producción del TPS, en comparación con los grupos hidroxilo
presentes en el glicerol [16]. Aunque este plastif icante previene la recristalización de
forma efectiva, el material obtenido se caracteriza por tener baja f lexibilidad siendo
rígido y frágil [8] [17].
Teniendo en cuenta las consideraciones anteriores, se planteó la hipótesis de que al
procesar el almidón con otro plastif icante además de la urea (que sea compatible o
buen solvente para ella), dar ía como resultado un mejor desempeño del TPS. Estudios
preliminares mostraron que la etanolamina suprime la retogradación del almidón
termoplástico generando un material más f lexible [17], sin embargo, existen fallas
sobre las propiedades térmicas del material [8].
Estudios recientes se han enfocado en mezclas urea – etanolamina como
plastif icantes para la producción del TPS de manera que la combinación restringe en
forma efectiva la retrogradación del TPS, mejora las propiedades mecánicas del mater ial y previene la separación de la urea del mismo. Se ha considerado que esta
mezcla podr ía ser un mejor plastif icante para el almidón [17].
La Figura a continuación muestra el SEM para el almidón termoplástico al emplear los
diferentes tipos de plastif icantes previamente analizados:
Figura 3. SEM para el TPS al usar diferentes plastificantes [17].
18
2.2.4. Problemáticas asociadas al TPS El problema fundamental en la producción de TPS ha sido el de lograr producir
polímeros, como se dijo anteriormente, mecánicamente resistentes que cumplan con
todas las condiciones de calidad establecidas en el mercado; no obstante, los
resultados obtenidos hasta este punto han dado or igen a nuevas variables en el
método de producción de TPS con el f in de que el resultado f inal sea el adecuado.
Esto se debe básicamente a que el TPS como tal se caracteriza por tener un alto
grado de solubilidad en el agua y unas propiedades mecánicas pobres, lo cual resulta
ser una desventaja en el momento de usar este tipo de polímeros en aplicaciones
comerciales. Es por ello que las investigaciones más recientes han centrado su
atención sobre las f ibras naturales como un tipo específ ico de refuerzo, que al ser
adicionado al TPS durante su proceso de producción, podría mejorar las
características mecánicas asociadas al polímero incluyendo una mayor resistencia a la
tensión, tenacidad, entre otras [15].
El eje central de desarrollo de este Proyecto de Grado está relacionado
intrínsecamente con la caracterización y entendimiento de los nuevos avances en
torno al caso específ ico de producción de almidón termoplástico (TPS) con refuerzos
de f ibras lignocelulósicas, por lo cual, este será el siguiente eje temático en cuanto a
teoría se refiere.
2.3. Materiales Compuestos
2.3.1. Definición Por material compuesto se entiende la combinación de dos o más materiales
insolubles entre sí, de manera que cada uno de los componentes mantiene su
integridad. Estos mater iales combinan las propiedades de otra clase de materiales,
aprovechando sus ventajas y compensando sus defectos. La naturaleza ofrece un
mater ial compuesto que es la madera, existen otros como los hormigones hechos de
grava y cemento [22].
Este material está formado por un aglutinante, matriz y por otro u otros materiales
como refuerzos de diferentes formas geométricas y tamaños, que tienen una
proporción determinada entre ellos, para poder obtener propiedades y características
especif icas. Generalmente, los mater iales compuestos son el resultado de la unión de
19
f ibras (refuerzo) de alta resistencia y alta rigidez con otro mater ial (matriz), formando
fases diferentes: la fase dispersa o refuerzo y la fase continua o matriz.
Como se mencionó anteriormente, las propiedades de los materiales compuestos son
superiores a las de los materiales formados por separado, haciendo que la utilización
de éstos sea cada vez más importante en materiales en los que son necesarias dichas
propiedades, en las que el mater ial por sí solo no puede brindar, tal es el caso de
polímeros, metales y cerámicos.
Los materiales compuestos están formados por dos partes claramente diferenciadas:
la matriz, que sirve fundamentalmente de base de los otros materiales y los materiales
reforzadores que serán de otra clase de material distinto de la matr iz.
2.3.2. Matriz
La matriz es el espacio en donde se encuentra alojado el refuerzo y forma una fase
continua. Es en esencia, el elemento aglomerante, y sus propiedades determinan aspectos como los parámetros de operación y las condiciones de fabricación, así
también es responsable del control principal de las propiedades eléctricas, el
comportamiento y el uso a temperaturas elevadas del compuesto. Es importante que
los refuerzos estén bien unidos a la matriz, así pueden ser transmitidas su resistencia
y rigidez al material compuesto. La resistencia de la interfase de un material
compuesto es un factor importante para su comportamiento a la fractura, así una
interfase fuerte da como resultado un material con alta rigidez y alta resistencia [22].
Las matrices pueden ser de tres tipos: mater iales compuestos de matriz plástica o
MCMP o de matr iz polimérica, materiales compuestos de matriz metálica y materiales
compuestos de matriz cerámica. De esta forma las mejoras en la propiedades termo
elásticas van a depender del tipo de preparación que se haya usado y de las
condiciones físicas entre otras. Los materiales más usados en las matrices son
polímeros, metales y cerámicos. Estos se seleccionan en función de la aplicación
requerida, por ejemplo: las matrices poliméricas son buenas ya que son moldeables;
las matr ices metálicas resisten altas temperaturas [22].
2.3.3. Refuerzo
Los refuerzos poseen valores altos de dureza, módulo de elasticidad y de resistencia,
al ser combinadas con una matriz se incrementan estas propiedades, aunque nunca
20
alcanzan éstos los valores del refuerzo. Los diferentes tipos de refuerzos se pueden
clasif icar en tres categorías: f ibras continuas, f ibras discontinuas y partículas [6].
Figura 4. Tipos de materiales compuestos según la fibra utilizada [23].
Los tipos de f ibras más utilizados en mater iales compuestos son: Fibras de carbono,
f ibras de vidrio y f ibras de polímeros sintéticos. Las unidades básicas de estas f ibras
son el carbón, la silicona, el oxígeno y el nitrógeno, los cuales se caracterizan por una
fuerte unión covalente interatómica, baja densidad, estabilidad térmica y son muy
abundantes en la naturaleza [23].
2.3.3.1. Fibras Continuas
Desde el punto de vista de propiedades mecánicas, se puede obtener una gran
ventaja al usar f ibras continuas, ya que estas proporcionan una alta fuerza y rigidez al
mater ial. Es importante la forma en que se lleva a cabo el arreglo de las f ibras en el
mater ial ya que esto afecta a su vez las propiedades del material. Las f ibras continuas
se pueden organizar en forma unidireccional, es decir f ibras en paralelo, en
orientación bidireccional o en or ientación aleatoria. Luego de realizado el arreglo del
mater ial, en cualquiera de las orientaciones en las que se distribuyo la f ibra, el material
tiende a ser isotrópico, material que posee las mismas propiedades físicas en todas
las direcciones [6].
2.3.3.2. Fibras Discontinuas
Estas f ibras se consideran cortas comparadas con las f ibras continuas, aunque se
pueden clasif icar como largas comparadas con su diámetro. Estas f ibras pueden ser
arregladas, en la misma dirección o de manera aleatoria. En el caso de las f ibras
discontinuas, la orientación define que tan isotrópico resulta el mater ial. Si se orientan
21
las f ibras hacia una misma dirección, el material resultante es ortotrópico (no-
isotrópico) y si las f ibras se arreglar aleatoriamente, el material resultante es cercano a
ser isotrópico [6].
2.3.3.3. Partículas
Las partículas pueden tener un rango amplio de geometr ías, sin embargo deben tener
aproximadamente las mismas dimensiones en todas las direcciones para que el
refuerzo sea efectivo, las partículas deben ser pequeñas y distribuidas uniformemente
a lo largo de la matriz. La incorporación homogénea de las partículas dentro del
mater ial hace que el compuesto sea isotrópico [23].
La función que tienen los refuerzos en los materiales compuestos es generar ventajas
tanto físicas como mecánicas sobre otros materiales. Desde el punto de vista de las
propiedades mecánicas, se puede obtener una gran mejora mediante el uso de f ibras
continuas, reforzando en la dirección del esfuerzo aplicado; mientras que con partículas se experimenta una disminución de resistencia pero se obtiene una gran
isotropía en el material [6].
Figura 5. Distribución de las fi bras (a) orientadas aleatoriamente, (b) dirección del es fuerzo aplicado [23].
2.3.3.4. Fibras lignocelulósicas
La industria agr ícola es una gran fuente de materiales f ibrosos, tales como raíces,
hojas, tallos y partes de las plantas. Por lo general, estos materiales representan una
fuente de contaminación en los las zonas rurales. Sin embargo, éstos son fuente de
celulosa, ya que están compuestos de materiales vegetales, y a la vez son fuente para
la obtención de mater iales compuestos. Hoy en día es evidente que existe una
tendencia a reciclar materiales sintéticos y obtener materiales compuestos de plásticos
y f ibras naturales, los cuales presentan ventajas en su biodegradabilidad [24].
22
El creciente interés en las f ibras lignocelulósicas se debe a su bajo costo de
producción y baja densidad, que es traducida en su alta resistencia y rigidez
comparada con compuestos reforzados con f ibra de vidrio y f ibra de carbono, además
de un benéfico impacto ambiental. Su desventaja radica en la difícil dispersión de ésta
en la matriz polimérica debido a la naturaleza polar e hidrofóbica de las f ibras
naturales y la no polar de los polímeros.
2.3.3.5. Características de las fibras lignocelulósicas
Las f ibras lignocelulosicas están compuestas de f ibrillas de celulosa contendidas en
una matriz de lignina. Las f ibras están alineadas a lo largo de la longitud de la f ibra,
maximizando la rigidez a la tensión y la resistencia. La eficiencia del refuerzo de la
f ibra depende de la cristalinidad y características de la celulosa.
Los principales componentes de la f ibra son: celulosa, hemicelulosa, lignina, pectina y ceras. Los aspectos que determinan las propiedades generales de las f ibras son:
composición química, estructura ángulo microfibrilar, dimensiones de celda y defectos.
La celulosa o fracción hidrocarbonada de una muestra recibe el nombre de
holocelulosa y está compuesta de una parte de celulosa y otra parte de hemicelulosa.
La celulosa posee un alto número de grupos hidroxilo lo que hace que los rellenos
celulósicos como las f ibras de α – celulosa se caractericen porque su superficie es
muy polar, siendo bastante incompatibles con termoplásticos apolares como las
poliolefinas. La lignina tiene menor número de grupos funcionales de carácter polar,
sin embargo posee una polaridad elevada. Así, los rellenos lignocelulósicos son
menos polares que las f ibras de celulosa. La polaridad es sensiblemente superior a la
de los termoplásticos no polares lo que les hace incompatibles con ellos.
Generalmente, la resistencia a la tensión y el módulo de elasticidad aumentan al
aumentar la cantidad de celulosa. Por otro lado, la rigidez de la f ibra está determinada
por el ángulo macrofibrial. Así, si las f ibras tienen una orientación en forma de espiral
perpendicular al eje de la f ibra, el material será más dúctil. Mientras, que si las
microfibrillas están orientadas paralelas al eje de la f ibra, las f ibras serán rígidas,
inf lexibles y tendrán alta resistencia a la tensión [26].
23
Algunas de las f ibras más utilizadas en el sector comercial se muestran a
continuación:
Tabla 2. Carac terísticas de las fi bras más usadas en el sec tor comercial [27].
2.3.3.6. Cisco de café
El cisco de café es el sobrante que queda cuando el grano de café es trillado para ser
consumido. Este desperdicio es voluminoso y peligroso al ser un buen combustible. El
cisco de café es comúnmente usado como fuente de energía en ladr illeras, como
complemento en la comida de los peces y para la extracción de aceite vegetal.
Es una partícula elástica, de color crema y suave al tacto. No presenta homogeneidad,
ya que está compuesto de una parte carnosa (epicarpio) que proviene de los granos
que no han completado su madurez. El cisco está formado de f ibrillas. Las f ibras
presentan un lumen delgado, que tienen frecuentes desviaciones ortogonales hacia la
periferia de la f ibra, que algunas veces es sencilla y otras veces se encuentra
ramificada. Es una estructura de hojuelas de f ibras lignocelulósicas sin orientación
preferencial.
El cisco de café presenta la siguiente composición ( Instituto de Nutrición de Centro
América y Panamá, 1978).
24
Tabla 3. Composición del cisco de café [27].
Entre las propiedades relevantes del cisco de café se encuentra que tiene una
compresibilidad del 19,19% y una densidad aparente de 0,32 g/ml. Un tamaño de
partícula que se encuentra entre tamaños de malla Mesh # 5 e inferiores a Mesh # 10
[27].
2.3.3.7. Interfase Fibra – Matriz
La zona de interfase es una región donde tiene lugar la unión entre la matriz y el
refuerzo, que condiciona las propiedades mecánicas f inales de los materiales
compuestos. Para que exista una adecuada unión interfacial es necesario que haya
una buena mojabilidad del reforzante por parte de la matriz, para que asegure un buen
contacto y las f ibras queden fuertemente unidas al material de la matr iz para que la
carga sea transferida correctamente de la matriz a las f ibras. Si la unión no es la
adecuada, las f ibras corren el riesgo de salirse de la matriz durante la carga,
reduciendo la resistencia del compuesto. Otra característica determinante al introducir
f ibras en un material es la similitud de los coeficientes de la expansión térmica de los
mater iales, ya que si estos se contraen o se expanden de forma distinta, se podr ían
romper las f ibras o la unión con la matr iz.
Figura 6. Interfase matriz – fibra. Transferenci a de cargas de la matriz a l a fibra [23].
25
Las f ibras naturales tienen grupos OH en sus superficies, adquiriendo un carácter
hidrofilico y siendo polares. Mientras que las matrices poliméricas, generalmente
provenientes de hidrocarburos se caracterizan por ser no polares. Entonces, al
mezclarse hace que exista un problema de adhesión entre las f ibras y el polímero.
Así, al emplear un polímero a base de almidón, que es polar, hace que exista una
buena compatibilidad, generando una fuerte adhesión, haciendo que en este caso no
sea necesario emplear un agente de acople para que la mezcla se mantenga unida.
2.3.3.8. Comportamiento mecánico de polímeros reforzados
Todo t ipo de refuerzo afecta el comportamiento de mecánico de un material
polimér ico. Fibras largas harán que el material sea rígido y usualmente más denso,
mientras que vacio o espumado hace que el material sea menos rígido y más liviano.
A continuación se muestra un esquema del grado de rigidez del material en función del
esfuerzo, para diferentes tipos de refuerzos, donde la relación de la característica del
mater ial es determinante para su comportamiento mecánico.
Figura 7. Relación entre l a rigidez, el tipo de relleno y su relación de aspec to en materiales compuestos de
matriz polimérica [27].
2.3.4. Apartes del desarrollo investigativo en Materiales Compuestos
Se hará un recorrido específ ico sobre la forma en que se ha venido trabajando a nivel
mundial la producción de biopolimeros reforzados en pro de mejorar paulatinamente la
calidad de estos polímeros con una gran proyección a futuro:
26
En la actualidad, los polímeros reforzados con f ibras son empleados en diferentes
tipos de aplicaciones (por ejemplo, en el sector automotriz) en las cuales se requieren
propiedades mecánicas satisfactorias combinadas con productos estables y livianos.
De esta manera, las f ibras naturales se han constituido como un refuerzo capaz de
proveer las propiedades antes mencionadas y ahí el esfuerzo incesante en su
desarrollo investigativo. En relación a este tipo de f ibras, el interés se debe no solo al
hecho de tener la capacidad funcional para sustituir a las generalmente empleadas
f ibras de vidrio, sino también a las ventajas desde el punto de vista de su peso y la
adhesión matriz – f ibra. Adicionalmente, las f ibras naturales presentan ventajas en el
campo de la ecología ya que al ser biodegradables permiten un tratamiento de
residuos controlado y sin impacto negativo sobre el medio ambiente. Dentro de las
f ibras empleadas en los diferentes trabajos investigativos se suelen encontrar el lino
(f lax), el yute (jute), la f ibras de ramio (ramie), y f ibras derivadas del proceso de
producción de aceite de palma, siendo estas materias primas renovables y de bajo
costo.
El TPS, como se comentó anteriormente, presenta limitaciones en relación a sus
propiedades mecánicas para un tipo determinado de aplicaciones, de forma que al
emplear f ibras naturales como refuerzo se genera un aumento en la resistencia a la
tensión debido a que este t ipo de f ibras tienen mayor resistencia a la tensión y módulo
de Young y menor elongación, en contraste con la matriz. La calidad asociada al
biopolímero reforzado depende en forma considerable de la interfase f ibra – matriz, ya
que solo en el caso en que se tenga una interfase bien formada será posible la
transferencia de “stress” desde la matriz hacía la f ibra. Por otra parte, un parámetro
ampliamente relacionado con las propiedades mecánicas es la longitud de la f ibra que
será empleada para hacer el refuerzo, existiendo una longitud de f ibra crítica a part ir
de la cual no se obtendrán resultados satisfactorios en relación a un mejoramiento en
este tipo de propiedades. Se puede acceder a información concerniente a las
propiedades mecánicas de diferentes tipos de f ibras en la literatura: en el caso de la
resistencia a la tensión, se tiene un rango comprendido entre 254-390 N/mm2 hasta
1100 N/mm2 para el lino, uno entre 187 y 533 N/mm2 para el yute, mientras que para el
ramio, este rango es muy alto (850-900 N/mm2) [15]. Para concluir en relación a las
ventajas asociadas a las f ibras naturales, se tiene que estas reducen la abrasión en
contraste con las f ibras de vidrio y carbón, lo cual se debe a su baja densidad.
27
A continuación, se presentarán los estudios más recientes efectuados a nivel mundial
en el caso específ ico de la influencia de las f ibras naturales en las propiedades
mecánicas de los polímeros biodegradables.
En su desarrollo investigativo, Wollerdorfer y Bader [15] hacen un recorrido
experimental bastante estructurado seguido de un análisis de los resultados obtenidos
con el f in de poder concluir sobre el cambio en las propiedades mecánicas de
biopolímeros cuando se emplean f ibras naturales como refuerzo.
Inicialmente se hace una selección de materiales y métodos para el desarrollo
experimental. En relación a esto, se escogen diferentes tipos de biopolímeros, entre
ellos Bionelle® (Polybutylene succinate adipate copolymer), Biopol® (poly-β-
hydroxybutyrate copolyester), Biocell® (cellulose diacetate), al igual que el
biopolímero de interés para este Proyecto de Grado: TPS, fabricado a partir de
almidón de trigo y el uso de sorbitol y glicerol como agentes plastif icantes.
Adicionalmente, se emplean mezclas de almidón termoplástico disponibles comercialmente, como lo son Bioplast GS 902, compuesta por almidón de papa,
celulosa y polímeros sintéticos, y Mater-Bi®, elaborada a partir de almidón de maíz y
polyester biodegradable. Finalmente, se emplea un biopolímero conocido como
TPS/PCL, el cual se elabora haciendo una mezcla de almidón de trigo termoplástico
con 40% de PCL (poly(�-)caprolactone). Los polímeros mencionados anteriormente
son biodegradables y fueron adquiridos a diferentes proveedores con excepción del
TPS el cual fue elaborado a nivel de laboratorio y cuyo proceso de producción se
explicará posteriormente [15].
En relación a las f ibras empleadas, se encuentran el lino (flax) y el yute (jute), las
cuales fueron adquiridas en forma de f ibras largas. Así mismo, se usaron fibras de ramio (ramie), con una longitud de 12 mm y fibras de aceite de palma las cuales son
un sub – producto de la industria de aceite de palma. Finalmente, en el grupo de
mater iales se encuentran las resinas, que son usadas como agentes de acople para
lograr mejorar la interface f ibra – matriz.
Con los materiales antes mencionados, esto es, las matrices poliméricas y las f ibras
naturales, se sigue un riguroso proceso a nivel de laboratorio para la obtención de
biopolimeros reforzados.
28
Es de nuestro interés hacer un análisis detallado del caso del TPS, en el cual se
empleó el lino en diferentes proporciones como refuerzo de la matriz polimér ica. En
torno a esto, se realizaron una serie de métodos analíticos con el f in de evaluar la
resistencia a la tensión. Adicionalmente, se realizaron estudios para determinar la
longitud de la f ibra en algunos de los pellets obtenidos y sacar conclusiones en
relación al efecto derivado del contenido de f ibra y el tipo de matriz empleado.
A continuación se presentarán con detalle los resultados obtenidos tras efectuar los
métodos analít icos antes mencionados: en el caso de la evaluación de las propiedades
mecánicas de los biopolímeros, la prueba de la resistencia a la tensión permitió
establecer una comparación entre los valores de esta en el caso de la matriz pura y el
valor de la resistencia a la tensión en el caso en el cual se realizara el refuerzo con
alguno de los tipos de f ibras empleadas.
La Figura 8 resume los resultados obtenidos en el caso de los compuestos Bionolle –
f ibras y Biopol – f ibras:
Figura 8. Resistencia a la tensi ón para los bi opolímeros Bi onolle y Biopol con y sin refuerzo [15].
Tal como se puede observar en la Figura 8, la resistencia a la tensión en el caso de
Bionolle aumenta solo cuando el refuerzo de la matriz polimérica se da con f ibras de
ramio. De esta forma, se tiene que al reforzar Bionolle con este tipo de f ibras, con un
% peso equivalente al 25%, el resultado es satisfactorio al haber un incremento en las
propiedades mecánicas. Por otra parte, si se observa la gráfica se puede concluir que
en el caso en el cual se emplean f ibras de aceite de palma como refuerzo el resultado
es dramático ya que la resistencia a la tensión decrece en forma considerable con
respecto a la matriz pura, lo cual se debe básicamente al alto contenido de impurezas
que provocan fracturas en la matriz. Para concluir, se puede decir que en el caso de
29
Bionolle el módulo de Young de 460 N/mm2 puede ser al menos doblado al emplear
refuerzos de f ibras lignocelulósicas (ramio), mientras que la elongación se puede
reducir desde un 274% hasta cerca del 5% [15].
Paralelamente, al observar la Figura 8 se puede decir que el comportamiento del
Biopol es similar al del Bionolle, siendo el yute al 25% la f ibra que proporciona una
mayor mejora en relación a las propiedades mecánicas. De igual forma, hay que tener
en cuenta que al emplear este tipo de f ibra se requirió la aplicación de la resina
Rokramar 3030 (R 3030) como agente de acople con el f in de proveer unos buenos
resultados, ya que al usar la f ibra sin la resina la resistencia a la tensión fue
ligeramente menor que cuando efectivamente se emplea. Análogamente, se tiene que
las f ibras de celulosa, aunque en menor medida, también proporcionan mejoras en la
resistencia a la tensión en contraste con la matriz pura.
Para el caso de los compuestos Biocell – f ibras, los resultados pueden ser
condensados en la siguiente f igura:
Figura 9. Resistencia a la tensi ón para Biocell con y sin refuerzo [15].
La Figura 9 muestra como en el caso particular del biopolímero conocido como Biocell,
un incremento en el contenido de f ibra hasta un 35% desde un 25% no genera
incremento alguno en la resistencia a la tensión, lo cual se debe fundamentelmente a
que no existe una incorporación suficente de esta alta cantidad de f ibra. Así, un
contenido aproximado de 25% en el caso de f ibras de celulosa generan el mejor
resultado en torno a las propiedades mecánicas del polímero. En resumen, al emplear
refuezos de f ibras la elongación puede ser reducida desde un 9,1% hasta valores
30
comprendidos entre 3 – 4,2% y el módulo de Young incial de 1500 N/mm2 crece en un
80% [15].
La Figura 10 presenta los resultados obtenidos en el caso en el cual se empleó TPS
como matr iz pura, siendo el análisis de estos de vital importancia dada la naturaleza
del presente estudio:
Figura 10. Resistencia a la tensión para TPS con y sin refuerzo [15].
De esta figura se puede concluir que en el caso de la composición de almidón termoplástico con fibras naturales se obtienen resultados realmente satisfactorios. Así, es posible aumentar la resistencia a la tensión de la matr iz pura
hasta cuatro veces, alcanzando un valor aproximado de 37 N/mm2, tal como se puede
apreciar en la Figura 10. Por otra parte, la elongación fue reducida desde un 45%
hasta un valor de 1,3 – 2,0%, mientras que el módulo de Young se comporta de forma
similar a la resistencia a la tensión presentando un incremento considerable al emplear
f ibras naturales como refuerzo.
Se puede decir que el lino es una f ibra adecuada como refuerzo de almidón
termoplástico, de manera que cuando se emplea un contenido del 15% en porcentaje
peso y la resina VP1681 como agente de acople, se da el mayor incremento en las
propiedades mecánicas en relación con las pobres propiedades inherentes al TPS
puro. Como se puede apreciar en la Figura 10, un porcentaje de f ibra entre el 15 y el
20% produce resultados satisfactorios; no obstante, en el caso del 15% se requiere la
utilización de un agente de acople para un mejoramiento signif icativo de las
propiedades mecánicas mientras que en el caso del 20% solo se emplea la f ibra sin
agente de acople alguno.
31
Es importante decir que en el caso del TPS no se pudo obtener un contenido de f ibra
mayor al 20%, a diferencia de los biopolímeros hasta este momento analizados, lo cual
se debe a la alta viscosidad que se maneja en el procesamiento de este polímero
biodegradable. En relación a las resinas, no fue posible emplear Rokramar 3030 en
este caso ya que era muy pegajosa para procesar compuestos de almidón
termoplástico y f ibras, por lo cual se emplearon dos tipos de resinas alternativas:
Kolophonium y VP1681.
Finalmente, se pude decir que el resultado de la resistencia a la tensión fue el mismo
para el caso en el cual se emplearon f ibras de lino únicamente (20% porcentaje peso),
y aquel en el cual el porcentaje de estas fue del 15% más un 1% de resina.
Hasta este punto ha quedado claro que las f ibras naturales presentan mejoras
signif icativas en la resistencia a la tensión al actuar como refuerzos en matrices de
polímeros biodegradables; no obstante, los resultados obtenidos en el caso de las
mezclas de almidón termoplástico adquiridas comercialmente no fueron los mismos: la
Figura 11 muestra la gráfica de resistencia a la tensión para los compuestos Bioplast –
f ibras, al igual que el valor para el Bioplast puro, esto es, sin refuerzo alguno.
Figura 11. Resistencia a la tensión para Bi oplast con y sin r efuerzo [15].
De la f igura anterior se puede observar que no existe un efecto signif icativo derivado
de reforzar Bioplast con f ibras naturales, ya que en ambos casos la resistencia a la
tensión es prácticamente la misma.
Los resultados para Mater – Bi y TPS/PCL se encuentran condensados en la siguiente
f igura:
32
Figura 12. Resistencia a la tensión para los biopolímeros M ater-Bi y TPS/PCL con y sin r efuerzo [15].
La resistencia mecánica para Mater – Bi, como se puede apreciar, sufre un pequeño
incremento al emplear f ibras naturales, sin embargo, es de anotar que para el caso de
la f ibra de lino, no existe una tendencia obvia en cuanto al contenido de f ibra y el valor
de la resistencia a la tensión. El mejor resultado para este polímero se obtiene al
emplear f ibras de ramio con un contenido del 15%. En forma similar, se obtienen
resultados análogos para el caso del TPS/PCL, con la diferencia de que la f ibra con
que proporciona mejores resultados es el lino (15% porcentaje en peso).
Posterior al análisis de las propiedades mecánicas, se tomaron algunos compuestos
sin importar que estos tuvieran buenos o no tantos buenos efectos derivados del
reforzamiento, con el f in de estudiar la distribución de la longitud de f ibra. Los
resultados para el caso de interés, esto es, TPS y f ibras de lino son mostrados a
continuación:
33
Figura 13. Distribución de longitud de fibra en compuestos TPS – fi bras de lino [15].
La Figura 13 muestra la inf luencia de etapas del procesamiento como la extrusión y el
moldeado, al igual que el contenido de f ibra, sobre la longitud de f ibra resultante en
compuestos TPS – f ibras de lino. Como se puede observar, el pico se hace más
predominante para longitudes de f ibra entre 101 y 200 µm en la medida en que
aumenta el contenido de f ibra, de forma que rara vez existen f ibras con longitudes
inferiores a los 100 µm.
Para el caso de los polímeros Biocell y Bionolle, con un contenido de f ibra de lino del
25%, los resultados fueron:
34
Figura 14. Distribución de longitud de fibra para compuestos Biocell – fibra de lino y Bi onolle – fibra de lino, con un
25% de conteni do de l a fibra [15].
En la f igura anterior se puede ver como para el compuesto Biocell – f ibra de lino (25%)
el pico máximo se obtiene para una longitud de f ibra comprendida entre los 201 y 300
µm, mientras que para Bionolle – lino (25%), la distribución se da de forma diferente,
con f ibras de tamaños mayores.
En el caso del compuesto Biocell – lino, se tomó una foto a nivel microscópico que
permite observar la superficie de fractura, que demuestra que la longitud de f ibra
crítica para este compuesto es de alrededor 150 µm, no obstante, el tamaño
predominante está entre los 201 y 300 µm, tal como se mencionó anteriormente,
suficiente para incrementar la resistencia a la tensión en comparación con la matriz
pura.
Figura 15. Superficie de fractura para el compues to Biocell – lino [15].
Hasta este entonces se mostraron los resultados derivados del proceso investigativo
de Bader y Wollerdorfer [15] en relación a la inf luencia de las f ibras naturales sobre las
propiedades mecánicas de biopolímeros. Para concluir, se puede decir que desde el
35
punto de vista del mater ial, el contenido de f ibra se encuentra limitado por
compatibilidad insuficiente o alta viscosidad, así como por el acortamiento drástico de
las f ibras durante el procesamiento. Los resultados obtenidos muestran que los
poliésteres no son matrices poliméricas adecuadas para el refuerzo empleando f ibras
naturales, ya que no se pudo observar un aumento signif icativo en la resistencia a la
tensión. En forma contraria, los polisacáridos parecen ser matrices compatibles tal
como se pudo observar en el caso del TPS. Esto se debe al alto grado de adhesión
f ibra – matriz producto de la similitud química entre los termoplásticos y las f ibras
naturales, siendo estos resultados fundamentales en el desarrollo del presente
Proyecto de Grado.
Dentro de las investigaciones más recientes se encuentra la realizada por Curvelo,
Carvalho y Agnelli [28], en la cual se emplearon f ibras celulósicas de la pulpa del
“Eucalyptus urograndis” como refuerzo para almidón termoplástico con el f in de
mejorar sus propiedades mecánicas.
En forma similar al procedimiento antes descrito desarrollado por Bader y colegas [15],
la investigación de Curvelo [28] también presenta un estudio preliminar de materiales y
métodos, encerrados en un marco experimental para el desarrollo f inal de tests que
permitan la formulación de conclusiones. La preparación de la matriz, esto es, el
almidón termoplástico, al igual que de las mezclas matr iz – f ibra y los materiales
empleados son descritos a continuación:
En el caso de las f ibras, como se comentó anteriormente, se emplearon f ibras
blanqueadas de la pulpa del Eucalyptus Urograndis. Por otra parte, la matriz fue
preparada con almidón de maíz regular (28% de amilosa) y glicerina (30% w /w, en
base seca) como plastif icante. Paralelamente, la cantidad de f ibra para las mezclas
f ibra – matriz fue calculada como un porcentaje sobre el total del peso seco del
almidón más la glicerina, de forma que un 16% de f ibras (por peso) corresponde a la
máxima cantidad que puede ser dispersada homogéneamente dadas las condiciones
bajo las cuales se realizó la experimentación.
La Figura 16 muestra los resultados obtenidos en el caso de la prueba de la
resistencia a la tensión. En esta se puede observar el modulo (E1 %), la elongación (�r)
y la resistencia a la tensión (UTS) tanto para la matriz pura como para las muestras
preparadas con 16% w /w de f ibra.
36
Figura 16. Resultados propiedades mecánicas para matriz pura y matriz reforzada [28].
De la f igura anterior se puede decir que tanto el módulo como la resistencia a la
tensión sufren un incremento considerable (156% y 120%, respectivamente), mientras
que la elongación se reduce desde un 31% hasta un 11%. Lo anterior muestra que las
f ibras empleadas efectivamente refuerzan la matriz pura generando unas propiedades
mecánicas más favorables para aplicaciones comerciales de este tipo de polímeros.
Adicionalmente, se obtuvo que el contenido de humedad fue de 22% para el TPS y de
15% para el compuesto o mezcla.
Una microscopia electrónica de barrido (SEM: scanning electron microscopy) muestra
la superficie de fractura de los compuestos TPS – f ibras al 16%. En la Figura 17,
mostrada a continuación, se observa claramente la buena distribución o dispersión de
las f ibras en la matriz de almidón termoplástico. Análogamente, se obtiene una buena
adhesión de la matriz y las f ibras celulósicas, lo cual se debe a su similitud química.
Figura 17. Superficie de fractura de l os compues tos obtenidos [28].
37
3. MATERIALES Y EQUIPOS
3.1. Materiales
Para el desarrollo experimental del presente estudio se empleó Almidón Nativo de
Maíz, el cual fue donado por la empresa Industrias Del Maíz S.A., almacenado en los
laboratorios de polímeros del Departamento de Ingenier ía Mecánica de la Universidad
de los Andes.
Etanolamina, por su parte, fue el plastif icante escogido para llevar a cabo las
diferentes formulaciones; este insumo fue adquirido en CIA COMEQ LTDA (Bogotá,
Colombia), bajo la presentación de 1 Kg.
La f ibra utilizada es Cisco de Café, donada por la empresa Coodecafec (Cooperativa
Departamental Cafetera de Cundinamarca), en Bogotá, Colombia. (Ver Figura 18).
Figura 18. Fibras de Cisco de Café.
3.2. Equipos
A continuación se detallan los equipos empleados en el desarrollo experimental del
presente Proyecto de Grado. En la sección “Metodología” se explicarán las
condiciones de operación específ icas de cada uno de ellos.
3.2.1. Molino de Martillos Este equipo permite tratar diferentes mater iales con el f in de triturarlos y adecuarlos
con f ines específ icos. El interés radica en obtener granulometr ía de salida muy f ina. El
Molino empleado hace parte del inventario de laboratorio del Departamento de
38
Ingenier ía Mecánica de la Universidad de los Andes. La fotografía a continuación
muestra el equipo anteriormente mencionado:
Figura 19. Molino de Martillos. Departamento Ingeniería Mecánica, Uniandes .
3.2.2. Mezclador Interno Se emplea el Mezclador Interno Brabender Plasticorder PLE 331. Algunas
características de este equipo incluyen una longitud de diámetro de 25:1, con un
diámetro de barril de ¾ in [11]. La velocidad de tornillo (en rpm) se especif ica de
acuerdo con el procedimiento experimental a realizar y el f in del mismo. El Mezclador
tiene una capacidad máxima por corrida de 50 gramos (aproximadamente). Así mismo,
se puede hacer un seguimiento detallado del torque en el procesamiento del material a
lo largo de la corrida.
El Mezclador Interno, que se encuentra en el laboratorio de Polímeros del
Departamento de Ingenier ía Mecánica, en la Universidad de los Andes, es mostrado a
continuación:
39
Figura 20. Mezclador Inter no Brabender Plas ticorder PLE 331. D epartamento Ingeni ería Mecánica, Uniandes.
Es importante mencionar que el Mezclador Interno tiene un desfase en relación a la
temperatura de aproximadamente 10 ºC. Así, si se quiere trabajar a una temperatura
de 140 ºC en el equipo, se debe especif icar una temperatura de 150 ºC en el panel.
3.2.3. Prensa Se emplea la prensa Dake, modelo 44 – 251, de serial 170046. La carga máxima
aplicada corresponde a 100 000 lb y las condiciones de operación eléctricas son 7200
W y 30 Amperios [11]. Este equipo es propiedad del Departamento de Ingenier ía
Mecánica de la Universidad de los Andes y es mostrado a continuación:
Figura 21. Prensa Dake. Departamento Ingeniería M ecánica, Uni andes.
40
3.2.4. Agitador Para llevar a cabo las mezclas en el desarrollo experimental, se emplea el Agitador
Master Servodyne del Departamento de Ingenier ía Química de la Universidad de los
Andes. La velocidad de giro (en rpm) se especif ica de acuerdo a los requerimientos de
procesamiento. Este equipo es mostrado a continuación:
Figura 22. Agitador Master Ser vodyne. D epartamento Ingeni ería Química, U niandes.
41
4. METODOLOGÍA
4.1. Adecuación y/o pretratamiento de Materias Primas
4.1.1. Purificación – Adecuación Cisco de Café Teniendo en cuenta resultados de Proyectos de Grado previos [6], en los cuales se
recomienda purif icar la f ibra a emplear, las f ibras de Cisco de Café fueron sometidas a
un proceso de alcalinización con el f in de eliminar el porcentaje de lignina, procurando
una mayor compatibilidad con la matriz polimérica en la etapa de mezclado.
El interés al purif icar las f ibras consiste en poder eliminar una cantidad considerable de
lignina al igual que otro tipo de impurezas que podrían afectar el desempeño del
polímero biodegradable que se quiere producir.
El procedimiento mencionado anteriormente consiste en hervir las f ibras durante media hora en NaOH al 10%, las cuales son posteriormente lavadas con H2O destilada
con el f in de remover el hidróxido de sodio completamente de ellas. Finalmente, se
secan por 24 horas a una temperatura de 80 ºC [6]. El montaje empleado es mostrado
en la Figura siguiente:
Figura 23. Montaje para la alcalinizaci ón (eli minación de lignina) de l as fibras .
Por otra parte, se realizó una adecuación del tamaño de f ibra (después del proceso de
secado), el cual será explicado con mayor detalle en la sección “Resultados – Análisis
de Resultados”. En sí, en las primeras pruebas se utilizó la f ibra en tamaños grandes
al no haber sido pasada por un tamiz; luego, para pruebas posteriores, la f ibra fue
tamizada y reducida en tamaño, obteniéndose un polvo y f ibras f inas que fueron
42
empleadas en las pruebas f inales (Para mayor detalle sobre los tamices empleados,
Ver sección 4.9.)
4.1.2. Pretratamiento del Almidón En el caso del Almidón Nativo de Maíz, este debió ser secado con el f in de eliminar el
exceso de humedad. Para ello, se siguió el procedimiento presentado por Vargas [11]
en su Proyecto de Grado, según el cual la temperatura óptima de secado es de 120 ºC
por 90 minutos [11].
4.2. Elaboración de la pre – mezcla Para la elaboración de la pre – mezcla se requirieron las siguientes mater ias primas:
Almidón Nativo de Maíz (Seco), Etanolamina y H2O (para la elaboración del blanco –
sin refuerzo). Para obtener TPS reforzado, además de los anteriores insumos, se
empleó Cisco de Café purif icado. En este sentido, se tiene una formulación especif ica Almidón/Etanolamina (A/E) en base másica; H2O en exceso (% sobre peso seco del
almidón más la etanolamina) y f ibra purif icada (% sobre peso seco).
La formulación en todas las pruebas consistió en 70% de Almidón, 30% de
plastif icante (Etanolamina) y 40% de H2O en exceso. No obstante, el porcentaje de
cisco de café varío en cada una de las pruebas (Ver “Resultados”).
Para el proceso de mezclado (tiene lugar en el Agitador Master Servodyne), se siguió
el procedimiento registrado por Herrera [6] en su Proyecto de Grado. Así, inicialmente,
se mezcla el plastif icante (etanolamina) con el agua en exceso por un t iempo de 5 min
a 500 rpm. Se agrega la f ibra en forma paulatina y se mezcla hasta la obtención de
una mezcla homogénea. Posteriormente, se introduce el almidón lentamente bajo una
velocidad de agitación de 1000 rpm. Se realiza mezclado por 10 min.
En el caso de la formulación sin cisco de café, se sigue el mismo procedimiento
explicado anteriormente pero se omite el paso que hace referencia a la adición del
cisco de café.
A continuación se muestra una fotografía para la Prueba 1 (ver detalles en
Resultados). En este caso, la f ibra no es adecuada (reducida en tamaño):
43
Figura 24. El abor ación pre-mezcla en Agitador Master Ser vodyne.
4.3. Gelatinización Premezcla La pre – mezcla obtenida es gelatinizada al ser sometida a un proceso de secado a
una temperatura de 105 ºC por 12 horas (procedimiento base de acuerdo con Herrera
[6]). Para ello se empleó el Horno del Laboratorio de Ingenier ía Química, mostrado a
continuación:
Figura 25. Horno empleado en procesos de secado durante la experi mentación.
El secado se realizó en beakers de plástico en las pruebas iniciales y en bandejas en
las pruebas posteriores. Esto se encuentra detallado en la sección “Resultados”.
4.4. Adecuación premezcla – trituración Dadas las condiciones de la pre-mezcla luego del secado, se emplea el Molino de
Martillos (detallado en Equipos) con el f in de triturarla y adecuarla para facilitar su entrada al mezclador interno. En los casos en los cuales la pre – mezcla seca resultó
ser de consistencia “cauchosa” no se pudo emplear el Molino en tanto que el material
44
se quedaba pegado a las paredes, por lo cual se redujo en cuadritos la premezcla con
el mismo fin antes mencionado.
4.5. Procesamiento en Mezclador Interno de la pre – mezcla La pre – mezcla molida o reducida en tamaño es alimentada al mezclador interno. En
este caso, para cada prueba, se procesan 200 gramos de pre- mezcla (4 corridas de
50 gramos cada una). Las condiciones de operación corresponden a 140 ºC y 50 rpm
por 6 min teniendo en cuenta que este es el t iempo de estabilización del torque [11].
Posteriormente, el producto obtenido del mezclador interno debe ser almacenado en
un desecador para evitar su contacto con el medio húmedo circundante que puede
afectar su degradabilidad.
4.6. Trituración producto Mezclador Interno “La pasta” o material obtenido del mezclador interno debe ser pasado nuevamente por
el Molino de Martillos con el f in de ser triturado para la posterior elaboración de
probetas en la prensa. En este caso se deben almacenar nuevamente los pellets
obtenidos en el desecador hasta el momento en el cual se vaya a realizar el prensado.
La Figura a continuación muestra un ejemplo de los pellets obtenidos luego de triturar
el producto del mezclador interno:
Figura 26. Ej emplo pellets para elaboraci ón de probetas por prensado.
45
4.7. Preparación de Probetas
La elaboración de probetas tiene lugar en la Prensa Dake (para detalles ver: Equipos)
bajo la norma ASTM D4703 para la cual se tienen las siguientes especif icaciones [6]:
Temperatura (oC) 140
t fundido (min) 8 t sostenido (min) 1
t enfriamiento (hasta 50 oC) 5 Carga (lb) 70 000
Tabla 4.Condiciones de operación de la prensa para la elaboración de probetas .
Los pellets obtenidos del procedimiento anterior (4.6.) son dispuestos sobre placas
para su introducción a la prensa, en la cual el material se funde para la producción de
probetas de prueba. La Figura siguiente ilustra este procedimiento para un caso en
particular:
Figura 27. Ej emplo distribución material sobr e placas para prensado.
Después del proceso de fundición, las probetas obtenidas son como las mostradas a
continuación:
Figura 28. Probetas obteni das para pruebas mecánicas.
46
4.8. Pruebas Mecánicas
Se realizan pruebas de tensión para la evaluación de las propiedades mecánicas de
las probetas obtenidas. Para ello, se sigue la norma ASTM D638M a una velocidad de
5 mm/min. La realización de las pruebas antes mencionadas tiene lugar en el
Laboratorio de Pruebas del Departamento de Ingenier ía Mecánica de la Universidad
de los Andes.
Los datos que se obtienen de estas pruebas son procesados y analizados para la
obtención de resultados y su posterior análisis.
4.9. Prueba de Granulometría – tamizado del cisco de café Con el f in de obtener valores numéricos en relación a los tamaños de f ibra que fueron
empleados en la experimentación as í como la frecuencia de los mismos en una
muestra aleatoria, se realiza la Prueba de Granulometr ía sobre el cisco de café.
Se emplean una serie de “tamices estándar para ensayo” del Departamento de
Ingenier ía Civil, Uniandes (“USA Standard Testing Sieve”). Los tamices empleados
con su respectiva descripción son detallados en la Tabla siguiente:
Referencia N° de Malla Abertura (in) ASTM E ‐ 11 / 2001 10 0,0787
ASTM E ‐ 11 / 87 16 0,0469 ASTM E ‐ 11 / 2001 30 0,0234
ASTM E ‐ 11 / 2001 50 0,0117 Tabla 5. Descripción de tamices empl eados en prueba de granulometría.
4.10. Caracterización morfológica de los compuestos
La caracterización morfológica del TPS reforzado en relación a la interfase matriz –
f ibra, esto es, la dispersión de las f ibras en la matriz de almidón termoplástico, se
efectúa mediante una microscopia electrónica de barrido (SEM) que muestra en forma
detallada la superficie de fractura de los compuestos. Esta prueba se realiza en la
Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá, en el Laboratorio de Microscopía
Electrónica de Barrido.
47
5. RESULTADOS
5.1. Prueba 0: Reconocimiento de equipos y estandarización del proceso
Con el f in de hacer un reconocimiento exhaustivo tanto de los equipos a emplear en el
desarrollo del presente Proyecto de Grado así como de la metodología a seguir, se
realizó una prueba preliminar en la cual se siguieron las etapas detalladas
anteriormente.
5.1.1. Elaboración de la pre – mezcla La elaboración de la pre – mezcla se realizó bajo una formulación Almidón
Seco/Etanolamina (A/E) (70/30) en base másica. Por otra parte, se empleó un 32% de H2O en exceso (sobre el peso seco del almidón más la etanolamina), teniendo como
base los resultados obtenidos por Herrera [6] en su Proyecto de Grado. Finalmente, en
el caso de f ibra purif icada (cisco de café), se empleó un 12,5% (sobre el peso seco del almidón y la etanolamina) con el f in de reforzar el TPS.
En la elaboración de la pre – mezcla se presentaron ciertas situaciones que vale la
pena resaltar. La pre – mezcla se preparó con 12,5% de f ibra de cisco de café que
había sido previamente purif icada (alcalinización) y obtenida en pedazos
considerablemente grandes, tamaño que afectó en forma definit iva la homogeneidad
de la pre – mezcla. En relación a lo anterior, se tiene que cuando las f ibras fueron
mezcladas con la etanolamina pre – gelatinizada (con H2O en exceso), su disolución
en la mezcla fue muy difícil debido al tamaño de partícula al igual que a su dureza
(Figura 29). En consecuencia, al cabo de los 5 minutos de agitación y mezclado se
observa una suspensión de f ibras en la superficie que no logró ser disminuida en
tamaño e incorporada en la mezcla dada la rigidez de la misma.
Figura 29. Adición de fibra a mezcla etanolamina – agua.
48
La adición consecutiva del almidón dio como resultado una mezcla ligeramente
homogénea y viscosa en un principio, sin embargo, en la medida en que se adicionaba
la cantidad total de almidón, se observó cómo la mezcla se tornaba seca hasta el
punto f inal en el cual se obtuvo una especie de har ina (mezcla sólida seca en
partículas muy pequeñas).
Figura 30. Resultado de l a pre – mezcl a.
De acuerdo con la Figura 30, se puede decir que bajo la formulación en estudio, el
resultado de la pre – mezcla dif irió en relación a los resultados registrados en
Proyectos de Grado previos en los cuales se obtenía una mezcla completamente
homogénea y en forma de masa viscosa. Se podría pensar que lo anterior se
encuentra relacionado con el porcentaje de H2O en exceso empleada en la pre –
gelatinización aunque es importante mencionar que al tratarse de una formulación
nueva (sin emplear urea como plastif icante y usando pre – gelatinización de la
etanolamina), los resultados están sujetos a una estandarización previa del proceso
para la producción del TPS reforzado.
No obstante el resultado preliminar no fuese el esperado, se realizó el secado de la
pre – mezcla con el f in de observar si existía gelatinización del almidón por parte del
agente plastif icante, etanolamina, en ausencia de urea.
La pre – mezcla “gelatinizada” (después de 11 horas en el horno a 105 ºC) no presenta
ningún cambio signif icativo en relación al momento en que fue elaborada (Figura 31).
En este entonces se plantea la hipótesis de que no hubo gelatinización y en
consecuencia, no se podrá generar un polímero en las etapas de procesamiento
siguientes.
49
Figura 31. Pre – mezcl a seca.
Por las razones citadas previamente, la pre – mezcla obtenida no fue alimentada al
mezclador interno para la obtención posterior de probetas de prueba,
interrumpiéndose el proceso para la obtención de TPS reforzado.
Se plantearon las siguientes hipótesis en relación a la no gelatinización del almidón:
• El pre – tratamiento de la f ibra no fue el adecuado requiriéndose tamaños de
partícula mínimos para su dispersión completa en la pre – mezcla.
• El porcentaje de agua no fue suficiente para lograr una pre – mezcla húmeda
en forma de masa, completamente homogénea y que permitiese una
gelatinización al ser secada.
• El tipo de formulación con únicamente etanolamina pre – gelatinizada (sin urea)
como agente plastif icante t iene influencia sobre la obtención f inal de la pre –
mezcla y la plastif icación de la misma.
5.1.2. Estandarización de la gelatinización del plastificante: etanolamina
Se sugirió entonces un estudio o conjunto de pruebas con el f in de observar la
gelatinización del almidón con etanolamina como agente plastif icante, bajo diferentes
porcentajes de agua en exceso y sin porcentaje alguno de f ibra.
Para ello, se tuvieron en cuenta las formulaciones presentadas en la tabla siguiente:
50
A/E % agua en exceso
1 70/30 0 2 70/30 10 3 70/30 20 4 70/30 30 5 70/30 40
Tabla 6. For mulaci ones para el estudio de la infl uencia del % de H2O en exceso.
La realización experimental de la pre – mezcla en el caso 1 y 2, dieron como resultado
mezclas muy secas y similares a las obtenidas en el proceso incial en el cual se
realizó el refuerzo con f ibras. Por otra parte, en el caso de la formulación 3 se obtuvo
una mezcla homogénea y viscosa, mientras que la formulación 4 y 5, aunque
homogéneas, resultaron ser aguadas lo cual imposibilitó su distribución en la bandeja
para el posterior secado (ver Figura 32).
Figura 32. Pre – mezcl as de acuer do a formul aciones en Tabla 6.
Se realizó el proceso de secado bajo las mismas condiciones previamente explicadas,
obteniéndose que para los porcentajes de agua en exceso correspondientes a 30 y
40% el almidón efectivamente es plastif icado. Para el caso de 0 y 10% el secado no
cambia en forma representativa el aspecto físico del polvo obtenido.
Las muestras obtenidas para las formulaciones 4 y 5 son mostradas a continuación:
Figura 33. Pre – mezcl a formul ación 4 después de secado.
51
Figura 34. Pre – mezcl a formul ación 5 después de secado.
En las f iguras anteriores se evidencia un secado radial de adentro hacia afuera, debido
a que el recipiente en el cual estaban contenidas las mezclas era de plástico, material
aislante. A su vez se presencia una acumulación de material en el centro, resultado del
tiempo entre el mezclado y el secado de las muestras, siendo de vital importancia secar las muestras inmediatamente después del mezclado, para así evitar la
sedimentación del material.
De acuerdo con los resultados obtenidos de este estudio se puede decir que un porcentaje de H2O en exceso entre el 30 y el 40% resulta adecuado para la formulación de la pre – mezcla. Por otra parte, queda claro que al reforzar el TPS se
debe minimizar el tamaño de partícula de la f ibra a emplear para la obtención de una
mezcla homogénea.
En forma preliminar, se puede decir que la nueva formulación en estudio, sin urea
como agente plastif icante, podría ser empleada en el procesamiento de TPS
reforzado, sin embargo se requiere llevar a cabalidad el proceso para comprobar si
esto se cumple.
Los resultados del presente estudio permiten establecer el porcentaje de agua en exceso para la puesta en marcha del desarrollo experimental, de forma que en adelante, las formulaciones tendrán un 40% de agua en exceso.
52
5.2. Pruebas 1 – 7: Desarrollo Experimental
En el caso del desarrollo experimental que tuvo lugar en diferentes laboratorios de la
Facultad de Ingenier ía (Uniandes), se realizaron una serie de pruebas cada una de las
cuales siguió la metodología detallada en la sección anterior (Metodología). Así, se
realizaron siete pruebas siendo el interés en esta sección el de mostrar los resultados
obtenidos en cada una de ellas para su posterior análisis y realización de cálculos.
• A continuación se detallan las pruebas así como la formulación experimentada en cada una de ellas:
FORMULA CIÓN PRUEBA A E FIBRA H2O
1 70 30 12,5 40 2 70 30 6,25 40 3 70 30 6,25 40 4 70 30 9,375 40 5 70 30 0 40 6 70 30 3 40 7 70 30 3 40
Tabla 7. For mulaci ones experimentadas para la producción de TPS (con o sin refuerzo).
Para la Tabla anterior, se tiene la siguiente nomenclatura:
A: % de Almidón en la formulación
E: % de Etanolamina en la formulación
FIBRA: % en exceso de Cisco de Café purif icado sobre el peso seco (almidón +
etanolamina)
H2O: % de Agua en exceso sobre el peso seco (almidón + etanolamina)
• Teniendo claras las pruebas, a continuación se detalla la etapa de Pre – tratamiento del almidón:
Prueba Pretratamiento
Almidón 1
2 SE REALIZA
SECADO
3 A 120 °C POR 90
MIN
4 EN CADA UNA DE
5 LAS PRUEBAS 6 7
Tabla 8. Pretratamiento del almi dón en el desarrollo experimental.
53
• Los detalles para la Purificación y Adecuación de las fibras se enuncian en la
Tabla siguiente:
PURIFICACIÓN - ADECUACIÓN CISCO DE CAFÉ Prueba Purificación Adecuación
1 Alcalinización de la fi bra: Ninguna - tamaños de fibr a grandes
2 (para todas las pruebas excepto Prueba 5 - sin fibra) Se usa el tamiz del lab de iqui - tamaños medios de fibra
3 Hervir fibras durante media hora en NaOH (al 10%) Se usa fi bra con tamaño muy reduci do (pol vo y producto colador lab)
4 Lavar con agua destil ada Se usa fi bra con tamaño muy reduci do (pol vo y producto colador lab)
6 Secado a 80 °C por 24 horas Se usa fi bra con tamaño muy reduci do (pol vo y producto colador lab)
7 Ninguna - tamaños de fibr a grandes Tabla 9. Pretratamiento del Cisco de Café en las pruebas.
• Los resultados obtenidos en la experimentación, en el caso de la elaboración de la pre – mezcla, fueron:
PREM EZCLA Prueba Elaboración Detalles
1
Mezcla de consistenci a líquida, viscosa. No presenta homogeneidad.
2 Para todas las Pruebas (excepto Prueba 5): Premezcla 1: Consistencia extraña (fluido dilatante) -
Agua + Etanolamina → mezclado por 5 mi nutos apariencia líquida con grumos de material sólido
Se adiciona la fibra paulatinamente hasta obtener mezcl a homogénea Premezcla 2: Pr emezcla líquida - viscosa
3 Se adiciona el almi dón paulatinamente, mezclado por 5 mi nutos Premezcla con buena dispersión de l a fibra
4 Se obtiene una mezcla homogénea
6
7 Premezcla no es homogénea (fibr as grandes)
5 Se sigue el mismo procedimi ento - se salta paso de adición fibr a Premezcla homogénea Tabla 10. R esultados de la elaboración de la premezcla en cada prueba.
• Para la gelatinización de las diferentes pre-mezclas se obtuvo:
GELATINIZACIÓN PREM EZCLA Prueba Metodología Detalles Secado
1 Recipientes de plastico - beakers
2 Recipientes de plástico - beakers
SE REALIZA SECADO Secado de ambas premezclas: 1 y 2
A 105 °C POR 12 HORAS Sedimentación de fibra en el fondo de recipientes
3 EN CADA UNA DE Secado en bandeja - se dispersa el material en bandeja
4 LAS PRUEBAS Secado en bandeja - se dispersa el material en bandeja
5 Secado en bandeja - se dispersa el material en bandeja
6 Secado en bandeja - se dispersa el material en bandeja
7 Secado en bandeja - se dispersa el material en bandeja Tabla 11. D etalles del Secado de las premezclas .
54
• Resultados trituración pre - mezclas secas – Molino I:
MOLINO I Prueba Detalles
1 Premezcla f ue pasada por el molino
Dif icultad para trabajar el material - "cauchoso"
2 Premezcla no pudo ser pasada por el molino
El material es cauchoso y se queda pegado a las paredes del molino
Se reduce en cuadritos para alimentación al mezclador interno
3 Premezcla no es pasada por el molino
Se corta en pequeños cuadritos para alimentarlo al mezclador interno
4 Premezcla no es pasada por el molino
Se corta en pequeños cuadritos para alimentarlo al mezclador interno
El material no es cauchoso como en pruebas anteriores
5 Se corta en pequeños cuadritos para alimentarlo al mezclador interno 6 Se corta en pequeños cuadritos para alimentarlo al mezclador interno
7 Se corta en pequeños cuadritos para alimentarlo al mezclador interno
Tabla 12. D etalles del uso del Molino - trituración de las premezclas para su ingreso al mezclador interno.
• Resultados operación del Mezclador Interno:
MEZCLADOR INTERNO Prueba Metodología Detalles Mez. Interno
1 No hay incovenientes en la operación
2 Premezcla 1: 1 pasada - torque es elevado - material no se puede trabajar
Premezcla 2: Se logran efec tuar 2 pasadas de 50 gramos c/u
Operación mezclador: Tercera Pasada → T orque supera el umbral de 100, material se queda
T = 140 °C, 50 rpm pegado en el equipo, se eleva temperatura para degradación y posterior
hasta estabilización del torque (6 min) remoción de mezcl a → se suspende uso del mezclador interno
3 Se pr ocesan 200 gramos de premezcl a El torque se encuentra en el rango aceptabl e y se da la plastificaci ón del almidón
4 (4 corridas de 50 g c/u) En la primer a pasada se alcanza un torque muy elevado, el material se queda
atascado en el equipo, se suspende el uso del mezclador interno
5 No hay incovenientes en la operación - Plastificación del almidón
6 No hay incovenientes en la operación - Plastificación del almidón
7 No hay incovenientes en la operación - Plastificación del almidón Tabla 13. D etalles del uso del Mezclador Interno.
• Trituración de material procesado en Mezclador Interno – Molino II:
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MOLINO II Prueba Detalles
1 Producto de mezclador interno se pasa por el molino
Almacenamiento en desecador
2
3 Producto de mezclador interno se pasa por el molino
Almacenamiento en desecador
4
5 Producto M.I. se pasa por el Molino - Almacenamiento desecador
6 Producto M.I. se pasa por el Molino - Almacenamiento desecador
7 Producto M.I. se pasa por el Molino - Almacenamiento desecador Tabla 14. D etalles del uso del Molino - trituración material de salida M ezclador Interno.
• Resultados Prensado – Preparación de Probetas:
PRENSADO ‐ PREPARACIÓN DE PROBETAS
Prueba Metodología Detalles Prensado
1 Se preparan 5 probetas ‐ 2 probetas se rompen (160 gramos en total)
Material rígido
2 No existe material suficiente para generar probetas de prueba
Prensado: Se sugiere usar bandeja para secado de premezcla en pruebas posteriores
3 T = 140 °C, t. fundido = 8 min Se preparan 7 probetas (190 gramos en total)
t. sostenido = 1 min Se observan grietas en probetas ‐ al sacarlas del molde se rompen todas
4 t. enfriamiento = 5 min No hay material para llevar a cabo la elaboración de probetas
5 Carga = 70 000 lb Se preparan probetas ‐ solo se obtienen 2 al final
Al no tener Fibra el Material es más flexible
6 Se preparan probetas ‐ difíciles de desmoldear ‐ se obtienen 2 probetas sin
que se rompan
7 Se preparan probetas ‐ difíciles de desmoldear ‐ se obtienen 2 probetas sin
que se rompan Tabla 15. D etalles del prensado para l a obtención de probetas de prueba.
• Finalmente, dentro del proceso experimental, se muestran los resultados
cualitativos en relación a la evaluación de las propiedades mecánicas del TPS (con
o sin refuerzo) producido:
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PRUEBAS MECÁNICAS
Prueba Detalles
1 Prueba de tensión ‐ cálculo de elongación del material
Material rígido y duro
2
3 No hay probetas completas para realizar pruebas mecánicas
4
5 Prueba de tensión ‐ cálculo de elongación del material
Material más flexible aunque sigue siendo duro
6 No se puede realizar prueba de tensión ‐ Material se rompe
al ser sujetado en Máquina de Ensayos
7 Prueba de tensión ‐ cálculo de elongación del material
Material rígido y duro Tabla 16. R esultados cualitati vos de las pruebas mecánicas realizadas a las probetas.
5.3. Granulometría cisco de Café
• Resultados Prueba de Granulometría – tamizado del cisco de café: Una muestra de 174,62 gramos fue pasada por la batería de tamices registrando el
valor que quedaba sobre cada una de las mallas al igual que el valor (en gramos) que
pasó por la última malla siendo este el tamaño de partícula menor. De acuerdo con los
resultados obtenidos se planteó la siguiente Tabla:
Tamaño de Partícula Masa (en gramos) Frecuencia (%) TP ≥ 0,0787 in 64,95 37,20
0,0787 in > TP ≥ 0,0469 in 63,45 36,34 0,0469 in > TP ≥ 0,0234 in 30,82 17,65
0,0234 in > TP ≥ 0,0117 in 11,9 6,81
TP < 0,0117 in 3,5 2,00 Tabla 17. R esultados tamizado cisco de café.
En la tabla anter ior, TP hace referencia a Tamaño de Partícula.
57
6. ANÁLISIS DE RESULTADOS
6.1. Desarrollo Experimental
Tal como se puede observar en la Tabla 16, existieron únicamente tres pruebas en las
cuales después de haberse realizado todo el proceso, se pudo ejecutar la evaluación
de las propiedades mecánicas con éxito. Las pruebas en mención corresponden a la
Prueba 1 y Prueba 7, al igual que la Prueba 5, con y sin refuerzo respectivamente.
En el caso de la Prueba 1, aunque se logró el objetivo f inal de producir TPS reforzado
con cisco de café al cual se le pudiesen realizar ensayos para determinar su
comportamiento mecánico, se observó que la pre – mezcla asociada no era
completamente homogénea. Así, aunque de consistencia líquida y viscosa, la pre –
mezcla no se homogeneizó debido al tamaño de f ibra que se empleó en esta prueba
(tamaños de f ibra grande).
Por las consideraciones anteriores y con el f in de obtener una pre – mezcla más
homogénea, se consideró una disminución en el tamaño de la f ibra para la Prueba 2.
Así mismo, para estudiar el efecto del porcentaje de f ibra purif icada en la formulación
se hizo una disminución en el porcentaje del cisco de café (a la mitad) en comparación
con la Prueba 1. El interés era obtener un TPS menos rígido y frágil al que se obtuvo
de esta prueba (Prueba 1). No obstante, en la Prueba 2 existen problemas de
procesamiento en el Mezclador Interno que detienen el proceso. Desde este entonces,
se recomienda realizar el secado de las premezclas en bandejas (y no en beakers),
para evitar la sedimentación de la f ibra.
La Prueba 3, por su parte, aunque con la misma formulación de la Prueba 2, implicó
tamaños de f ibra aún menores (polvo y productos del colador del laboratorio)
obteniéndose una pre – mezcla altamente homogénea y con buena dispersión del
cisco de café. El material puede ser procesado en el mezclador interno y se llega
hasta el punto del prensado, sin embargo, las probetas de prueba generadas
presentan grietas de manera que en el momento de ser desmoldeadas se rompen en
pequeños trozos.
Se aumenta de nuevo el porcentaje de f ibra para la Prueba 4, manteniendo el tamaño
mínimo del cisco de café. Nuevamente, el torque en el mezclador interno es muy
elevado de manera que el material se queda atascado en el equipo, por lo cual se
58
debe suspender el uso de este. Se propone que la prueba siguiente tenga un
contenido pequeño de f ibra (de tamaño mínimo) para ver cómo se comporta el
mater ial.
En la Prueba 6 se emplea el menor porcentaje de f ibra en relación a las otras pruebas,
y se llega al punto que se producen probetas de prueba pero dadas su condición de
rigidez se rompen al ser sujetadas por la Máquina de Ensayos.
De acuerdo con la teoría registrada en el Estado del Arte, en la medida en que se
disminuye el tamaño de la f ibra aumenta la superficie de contacto que interacciona con
la matriz polimérica, de manera que cada vez que se procuró disminuir el cisco de café
hasta la obtención de un polvo f ino, se estaban generando las condiciones propicias
para una buena compatibilidad del TPS con el refuerzo, generando así un material
bastante rígido y frágil. Más aún, si se mantenía el tamaño mínimo de la f ibra y se
aumentaba el porcentaje de la misma en la formulación, se tiene que el refuerzo del
mater ial hac ía que este fuese rígido en exceso y de gran dif icultad para su procesamiento, siendo este el caso que se puedo observar en la Prueba 4 en la cual el
mater ial se quedo atascado en el mezclador interno.
El interés con la Prueba f inal (Prueba 7), era el de estudiar la inf luencia del tamaño de
partícula del refuerzo (cisco de café) sobre el biopolímero f inal obtenido. Para ello, se
sigue la misma formulación de la Prueba 6, con la diferencia que en esta prueba
(Prueba 7) se emplea tamaño de f ibra grande. Se pretende ver como se ve afectado el
TPS reforzado cuando se procesa con f ibra en tamaño grande y pequeño, si se
mantiene constante el porcentaje de f ibra en la formulación.
6.2. Tamaños de partícula del cisco de café
Al graficar los datos registrados en la Tabla 17, se obtiene:
59
Gráfica 1. Frecuencias tamaño de part ícula para el cisco de café.
Como se puede apreciar en la gráfica, en una muestra aleatoria el tamaño de partícula
para el cisco de café es mayormente grande. Así, en la muestra, el 73,54%
corresponden a f ibras de tamaños elevados en el rango de TP ≥ 0,0469 in.
Con el resultado de esta prueba se establecen los tamaños de f ibra que fueron
empleados en la experimentación, para lo cual se realiza el siguiente análisis: dentro
de los tamaños de “fibras grandes” se considera cualquier tamaño de partícula, en
mayor proporción los tamaños mayores dada su frecuencia alta en una muestra dada
(174,62 gramos en este caso). En el caso de “fibras medianas”, estas corresponden
a las f ibras que pasaron a partir del segundo tamiz, de manera que TP < 0,0469 in.
Finalmente, para las “fibras pequeñas o mínimas” se tiene que estas fueron las que
pasaron por el tercer tamiz, de manera que TP < 0,0234 in, siendo estos polvos f inos.
0,00
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
30,00
35,00
40,00
TP ≥ 0,0787 in
0,0787
in > TP ≥ 0,0469
in
0,0469
in > TP ≥ 0,0234
in
0,0234
in > TP ≥ 0,0117
in
TP < 0,0117 in
Porcentaje (%
)
Frecuencias Tamaño de Partícula: Cisco de Café
60
6.3. Influencia del porcentaje de fibra sobre el TPS
Con el f in de estudiar y analizar el efecto derivado de aumentar el porcentaje de f ibra
en una formulación dada manteniendo el tamaño de partícula en un valor f ijo, se
plantea el siguiente método analítico, en forma cualitativa:
Se f ijo el tamaño del cisco de café en su tamaño mínimo, esto es, TP < 0,0234 in y se
variaron los porcentajes del mismo en las formulaciones. Lo anterior corresponde al
desarrollo experimental de las Pruebas 3, 4 y 6, en las cuales los porcentajes de f ibra
son de 6,25%, 9,375% y 3%, respectivamente. Así mismo, se tendrá en cuenta el
resultado obtenido de la Prueba 5 en la cual no se realizó refuerzo alguno, de forma
que el porcentaje de f ibra resulta ser del 0%.
Aunque solo en el blanco (Prueba 5) se pudo realizar la determinación y evaluación de
las propiedades mecánicas, existe suficiente información dentro del procesamiento del
mater ial a partir de la cual se pueden establecer conjeturas. Así, en el caso de la
Prueba 4 (la de mayor % de f ibra), el proceso se ve interrumpido en el mezclador
interno de manera que no hay material para llevar a cabo la elaboración de probetas.
En la Prueba 3 (le sigue en porcentaje de f ibra) si se realiza prensado aunque se
observan grietas en las probetas las cuales se rompen en el momento de ser sacadas
del molde. Posteriormente, de la Prueba 6 (la de menor % de f ibra) si se pueden
obtener probetas que pueden ser desmoldeadas sin romperse, sin embargo estas se fracturan en la máquina de ensayos. Para la prueba sin contenido alguno de f ibra
(Prueba 5) se obtiene el TPS y como se mencionó anteriormente, se pueden efectuar
todas las pruebas pertinentes al ser un material más f lexible y fácil de manipular.
Con los detalles analizados anteriormente, se establece una escala de “Calidad de la
Probeta” de la siguiente manera:
CALIDAD DE LAS PROBETAS Referencia Detalles
0 No se pueden elaborar probetas - no hay material
1 Existe prensado - existencia de grietas en probetas - se rompen al ser sacadas del molde
2 Existe prensado - probetas difíciles de desmoldear - se obtienen probetas sin que se rompan -
hay rompimiento de las probetas en la Máquina de Ensay os
3 Se obtienen probetas que pueden ser sometidas a ev aluación mecánica con éxito Tabla 18. Escala cualitati va de calidad de l as probetas obtenidas.
61
Se establece la tabla siguiente con los resultados obtenidos y comentados:
% de Fibra Calidad de Probetas 0 3 3 2
6,25 1 9,375 0
Tabla 19. Análisis cualitativo para determinar el efec to deri vado del aumento del % de Cisco de Café.
A partir de la tabla anterior, se genera la siguiente gráfica:
Gráfica 2. Efecto del aumento del porcentaje de cisco de café sobre la calidad de las probetas obtenidas.
Tal como se puede apreciar en la gráfica y consistente con el fundamento teórico
estudiado para la realización del presente Proyecto de Grado, en la medida en que se
aumenta el porcentaje de f ibra (manteniendo constante el tamaño de la misma) con el
f in de reforzar TPS, el material obtenido es más r ígido y frágil. De esta forma, al
aumentar el contenido de f ibra en la formulación se está generando un mayor refuerzo
de la matriz polimérica, existiendo un punto en el cual el porcentaje puede ser tan alto
que evita el procesamiento adecuado del material para la obtención del biopolímero.
Este comportamiento es de esperarse dado que la dureza y rigidez del material está
asociada al refuerzo del mismo.
00,51
1,52
2,53
3,5
0 2 4 6 8 10
Calidad
de la Probeta
Contenido de Cisco de Café en la formulación (%)
Efecto del aumento del % de fibra en el material
62
6.4. Influencia del tamaño de partícula del cisco de café sobre el TPS reforzado
Como se comentó anteriormente, investigaciones al respecto sugieren que en la
medida en que se disminuye el tamaño de partícula del refuerzo, aumenta la superficie
de contacto del mismo, de forma que al ser procesado en la producción de TPS
reforzado generará un biopolímero más rígido producto de las interacciones entre sus
componentes.
Esto pudo ser comprobado en la experimentación realizada, para lo cual se tendrán en
cuenta los resultados obtenidos de las Pruebas 6 y 7. En ambos casos, la formulación
fue la misma en términos del porcentaje de cisco de café empleado; no obstante, la
diferencia signif icativa entre ellas radicó en los tamaños de partícula del refuerzo en
cada uno de los casos. En la Prueba 6 se empleó cisco de café de tamaño pequeño o
mínimo mientras que en la Prueba 7 este fue empleado sin ningún t ipo de adecuación
previa (prevalecen tamaños de f ibra grande).
En términos cualitativos y tal como se puede apreciar en la Tabla 16, en el caso de la
Prueba 6, aunque se obtuvieron probetas, estas se caracterizaron por ser rígidas y
frágiles de manera que se rompieron en la máquina de ensayos. Por otra parte, en la
Prueba 7, la probetas fueron obtenidas con éxito lográndose realizar las respectivas
pruebas para la evaluación del desempeño mecánico.
Teniendo en cuenta lo anterior se puede decir que en la medida en que se disminuye
el tamaño de partícula del refuerzo, manteniendo f ijo el contenido de este en la
formulación, el material f inal obtenido es más r ígido y frágil sensible a la fractura, lo
cual se debe a una mayor efectividad del refuerzo.
Ahora, si se comparan los resultados obtenidos de las Pruebas 1 y 7 (en ambos casos
el tamaño de f ibra fue grande), en las cuales los porcentajes de cisco de café fueron
de 12,5 y 3%, respectivamente, se pude llegar a la conclusión que el material obtenido
de la Prueba 1 es más rígido y duro que el obtenido de la Prueba 7, de acuerdo con
los elementos discutidos en la sección anterior. Esto puede ser verif icado si se
analizan las propiedades mecánicas del TPS reforzado en cada uno de los casos, lo
cual será objeto de estudio en la sección siguiente teniendo en cuenta que en ambos
casos fue satisfactoria la realización de las pruebas mecánicas.
63
6.5. Pruebas Mecánicas Como se explicó en la Metodología, se realizaron pruebas de tensión a las probetas
obtenidas siguiendo la norma ASTM D638M. En el caso de la Prueba 1, se realizó la
prueba de tensión a seis probetas, mientras que en la Prueba 5 (sin refuerzo) y la
Prueba 7, a dos probetas. Los datos obtenidos fueron procesados con el f in de realizar
las gráficas Esfuerzo vs Deformación para cada una de las pruebas.
En el caso de la Prueba 1, la gráfica es mostrada a continuación:
Gráfica 3. Gráfica Esfuerzo (MPa) vs Deformaci ón ( mm/mm) para la Prueba 1 (12,5 % de cisco de café).
Así mismo, para la Prueba 5 en la cual no se realizó refuerzo alguno del TPS, la
gráfica obtenida fue:
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 0,005 0,01 0,015 0,02
Esfuerzo (M
Pq)
Deformación (mm/mm)
Gráfica Esfuerzo vs Deformación: Prueba 1
Probeta 1
Probeta 2
Probeta 3
Probeta 4
Probeta 5
Probeta 6
64
Gráfica 4. Gráfica Esfuerzo (MPa) vs Deformaci ón ( mm/mm) para la Prueba 5 (0 % de cisco de café).
Finalmente, para la Prueba 7 la gráfica obtenida fue:
Gráfica 5. Gráfica Esfuerzo (MPa) vs Deformaci ón ( mm/mm) para la Prueba 7 (3 % de cisco de café).
De acuerdo con la teor ía de Materiales, una gráfica Esfuerzo – Deformación para
mater iales dúctiles es de la siguiente forma:
0
2
4
6
8
10
12
0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006
Esfuerzo (M
Pa)
Deformación (mm/mm)
Gráfica Esfuerzo vs Deformación:Prueba sin Refuerzo
Probeta 1
Probeta 2
0
2
4
6
8
10
12
0 0,005 0,01 0,015
Esfuerzo (M
Pa)
Deformación (mm/mm)
Gráfica Esfuerzo vs Deformación: Prueba 7
Probeta 2
Probeta 1
65
Figura 35. Gráfica Es fuerzo - Deformaci ón para materiales dúctiles [18].
De la Figura anterior se puede decir que una Gráfica Esfuerzo – Deformación se
caracteriza por tener dos zonas: una de comportamiento elástico y una de
comportamiento plástico. En la región elástica (comprendida entre O y A) el esfuerzo y
la deformación son directamente proporcionales y se dice que el comportamiento del
mater ial es lineal [18]. En la región plástica se presenta deformación con incrementos
prácticamente inapreciables en la fuerza de tensión, lo cual se conoce como cedencia
o f luencia del material [18]. En la zona elástica el material al ser deformado puede
retornar a su estado original, no obstante, aumentos en el esfuerzo por encima del
límite elástico provocaran un colapso del material que causarán una deformación
permanente del mismo.
Es importante mencionar que dependiendo del tipo de material así mismo se tiene un
tipo específ ico de curva esfuerzo – deformación característica:
Figura 36. Diagrama Esfuerzo - Defor mación para materiales dúc tiles y frágiles [19].
66
De acuerdo con la Figura anterior, los materiales dúctiles (tales como el acero
estructural dulce, el aluminio o el bronce) exhiben un amplio intervalo de deformación
en la región plástica antes de la fractura. A su vez, los materiales frágiles, como el
hierro colado o vidrio, se rompen sin ninguna o muy pequeña deformación plástica
[19].
Teniendo en cuenta las generalidades mencionadas anteriormente en relación a los
diagramas Esfuerzo – Deformación podemos concluir que el material procesado en el
laboratorio, esto es, tanto el TPS reforzado como el TPS sin refuerzo alguno, se
caracterizan por ser materiales r ígidos y frágiles que exhiben únicamente un
comportamiento dentro de la zona elástica. En este sentido no se obtiene un
comportamiento plástico lo cual se encuentra asociado a la poca f lexibilidad y grado de
elongación observada en el material producido, siendo el comportamiento plástico uno
de los aspectos fundamentales y condiciones deseadas en la producción de
polímeros.
Empleando las Gráficas 3 – 5, se realizó el cálculo de las propiedades mecánicas para
cada uno de los mater iales procesados. Así, el cálculo del Módulo de Young (o Módulo
de Elasticidad), se hizo encontrando la pendiente de la región linealmente elástica
para cada una de las probetas, para un posterior promedio que permitió obtener este
valor para cada una de las pruebas.
A su vez, el Esfuerzo a la Tensión o Esfuerzo de Fluencia, que es el valor mínimo de
esfuerzo para el cual el material comienza a deformarse plásticamente, se halló
empleando los diagramas esfuerzo – deformación ubicando el esfuerzo máximo de la
zona elástica y a partir del cual se generaría una deformación plástica. Finalmente, se
realizó el cálculo del % de elongación. Los resultados obtenidos son mostrados a
continuación:
FORMULACIÓN Prueba Almidón (%) Etanolamina (%) Cisco de Caf é (% en exceso) Agua (% en exceso)
1 70 30 12,5 40
7 79 30 3 40
5 70 30 0 40 Tabla 20. F ormulaciones para el cálculo de las propiedades mecánicas.
67
Modulo de Young Resistencia a la Tensión % de Prueba (MPa) (MPa) Elongación
1 3316,5 11,20 0,26
7 2295,3 9,14 0,51
5 (Blanco) 2015,7 10,07 0,58 Tabla 21. R esultados propiedades mecánicas para las formulaciones con y si n refuerzo.
Se plantean las propiedades mecánicas del Polietileno de Alta Densidad o HDPE
(High Density Polyethylene) teniendo en cuenta que este es un polímero termoplástico
ampliamente utilizado en la industria, en sectores como la construcción, la fabricación
de prótesis, envases, contenedores de agua y combustibles, entre otros, por lo cual
puede servir como referente en relación a características deseadas del almidón
termoplástico reforzado.
Modulo de Young Resistencia a la Tensión % de Material (MPa) (MPa) Elongación HDPE 600 - 1400 20 - 32 180 - 1000
Tabla 22. Propi edades mecánicas del Polietileno de Alta Densidad – HDPE [20]. Los resultados consignados en la Tabla 21 evidencian en forma clara el efecto
derivado de producir TPS con y sin refuerzo. En este caso se tiene que al reforzar el
TPS con cisco de café hay un incremento del Módulo de Young y de la Resistencia a
la Tensión en contraste con el caso en el cual no se efectuó refuerzo alguno. Esto es
precisamente lo que se esperaba ya que el material reforzado es más rígido y frágil
producto del refuerzo como tal. Así mismo, el % de elongación es muy pequeño en
ambos casos lo cual se basa, como se explicó anteriormente, en la inexistencia de un
comportamiento plástico del material obtenido. No obstante, se puede concluir que la
elongación disminuyó al efectuar el refuerzo con cisco de café, siendo el TPS sin
refuerzo ligeramente más f lexible y fácil de manipular.
Por otra parte, los resultados obtenidos en términos de Módulo de Young, Resistencia
a la Tensión y % de elongación, confirman el planteamiento cualitativo en relación a la
inf luencia del porcentaje de cisco de café sobre las características del biopolímero
obtenido f inalmente. Así, el menor Módulo de Young corresponde al TPS sin refuerzo,
de manera que este fue el material más f lexible (dentro de las limitaciones antes
comentadas). En la medida en que se aumenta el porcentaje de refuerzo en la
formulación, el resultado fue un TPS más rígido, duro y frágil, de forma que el TPS con
12,5% de cisco de café presenta la mayor rigidez que puede ser apreciada por el alto
valor obtenido en el Módulo de Young.
68
El valor del Módulo de Young para el TPS reforzado con 3% de cisco de café es
ligeramente superior al obtenido del TPS sin refuerzo, lo cual se debe a que aún
siendo más rígido producto del refuerzo, el porcentaje no es tan signif icativo como
para incrementar en un alto grado las propiedades mecánicas como es el caso del
TPS con 12,5% de f ibra.
La Gráfica siguiente permite observar los resultados obtenidos con el f in de establecer
comparaciones:
Gráfica 6. Módulo de Young para diferentes materiales.
En la gráfica, tener en cuenta:
A Contenido de Almidón (%) E Contenido de Etanolamina (%)
CC Contenido Cisco de Café (% en exceso) H2O Contenido de Agua (% en exceso)
Al efectuar el refuerzo del TPS, el Módulo de Young aumenta en un 64,53% (con
12,5% de cisco de café) y 13,89% (con 3% de cisco de café), en relación al valor que
se obtiene cuando el TPS no es reforzado. El incremento en el Módulo de Young
0,00
500,00
1000,001500,00
2000,00
2500,003000,00
3500,00
4000,00
Módulo de
Young
(MPa)
Módulo de Young para diferentes Materiales
69
indica un aumento considerable en la rigidez del material. Para el caso del Esfuerzo a
la Tensión, la gráfica obtenida fue:
Gráfica 7. Resistencia a la tensión para diferentes materiales.
Como se observa, al realizar el refuerzo (12,5% de cisco de café) existe un pequeño
aumento en el esfuerzo a la tensión (aumento del 11,22%) en contraste con el caso en
el cual no se realizó refuerzo alguno, lo cual implica un mejoramiento en las
propiedades mecánicas del material desde este punto de vista. Sin embargo, ambos
mater iales (con y sin refuerzo) se encuentran alejados del valor registrado para el
HDPE de aplicación comercial.
Para el porcentaje de elongación, la diferencia entre el material procesado en el
laboratorio y el HDPE es abismal, lo cual muestra la mayor deficiencia en el
termoplástico biodegradable que se quiere obtener. Estudios futuros deben están
enfocados en este campo con el f in de obtener un material menos rígido, f lexible y
cuyo porcentaje de elongación se encuentre en un rango aceptable.
Por otra parte, estableciendo comparaciones con Proyectos de Grado previos, se
sugiere emplear como plastif icante una mezcla urea – etanolamina en trabajos futuros
teniendo en cuenta que cada uno de los plastif icantes empleado en forma individual
0,005,00
10,0015,0020,0025,0030,0035,0040,00
Resistencia a la Tensión
(MPa)
Resistencia a la Tensión para diferentes Materiales
70
puede provocar problemas en el procesamiento que afectan en forma negativa el
desempeño f inal del material.
6.6. Caracterización de los compuestos – Prueba SEM
A continuación se muestran las diferentes amplif icaciones que permiten ver la
distribución de la f ibra en el material así como el estado del TPS después de ser
procesado para las probetas de las Pruebas 1, 3 y 6.
En el caso de la Prueba 1, en la cual se empleó un 12,5% de Cisco de Café en tamaño
grande, las fotografías obtenidas son mostradas a continuación:
Figura 37. SEM TPS (70% almidón, 30% etanolamina, 12.5% cisco de café, 40% de agua) Fibra Grande.
La primera fotografía (esquina superior izquierda) muestra en forma general la
distribución de la f ibra en el material. En este caso, teniendo que el porcentaje de cisco
de café fue alto y el tamaño de f ibra empleado fue grande, se t iene que la distribución
del refuerzo no se da homogéneamente en la matriz polimér ica. La segunda fotografía
muestra f ibras de diferentes tamaños, pero en mayor proporción f ibras grandes
(algunas de ellas alargadas). La última fotografía (esquina inferior derecha) muestra
aglomeraciones de f ibra en diferentes sectores del material, lo cual se encuentra
relacionado a suspensiones de f ibra que no lograron ser incorporadas totalmente en el
71
TPS. Aún cuando la mezcla no fue completamente homogénea, las fotografías 3 y 4
permiten observar en forma clara la buena compatibilidad existente entre matriz –
f ibra. Tal como se puede apreciar, las f ibras se encuentran completamente
“embebidas” en la matriz polimérica, de forma que existe una buena adhesión de la
matriz y el cisco de café dada su similitud química.
Los poros presentes en el material y que pueden ser apreciados en las diferentes
fotografías, se encuentran asociados a espacios vacíos en los cuales habían
fracciones de f ibra que terminaron en la otra región de las probetas en el momento de
la fractura.
En el caso de la Prueba 3, en la cual se empleó 6,25% de Cisco de Café en tamaño
pequeño o mínimo, el resultado del SEM se muestra a través de las siguientes
fotografías:
Figura 38. SEM TPS (70% almidón, 30% etanolamina, 6.25% cisco de café, 40% de agua) Fibra Pequeña.
72
En este caso, se observa una mejor distribución de las f ibras en el mater ial, teniendo
en cuenta que al ser pequeñas estas pudieron ser dispersadas en la matriz polimérica
dando origen a una mezcla homogénea. Por otra parte, si se observa con detalle la
fotografía 2, se puede ver como el tamaño de la f ibra efectivamente es menor en
contraste con el tamaño del cisco de café empleado en la Prueba 1. Nuevamente, las
fotografías 3 y 4 evidencian la buena compatibilidad entre los componentes del TPS
reforzado, esto es, f ibra – matriz.
Finalmente, para el caso de la Prueba 6, en la cual se empleó 3% de Cisco de Café en
tamaño pequeño o mínimo, se obtuvieron las siguientes fotografías:
Figura 39. SEM TPS (70% almidón, 30% etanolamina, 3% cisco de café, 40% de agua) Fibra Pequeña.
La primera fotografía (esquina superior izquierda) evidencia el poco porcentaje de
cisco de café empleado para esta prueba. Así mismo, la poca f ibra que se puede
apreciar presenta tamaño muy reducido. Al analizar la interacción entre matriz y f ibra,
se puede decir que para esta formulación de TPS reforzado existe mayor cohesión
entre sus componentes, lo cual se debe tanto al tamaño de partícula como al
porcentaje del refuerzo empleado en la formulación, factores que permiten que la matriz rodee de forma adecuada a las f ibras sin presentar espacios vacios alrededor.
73
Es importante resaltar que la cohesión entre la matriz y la f ibra es un factor
fundamental para integrar las f ibras al compuesto y así obtener un material con
buenas propiedades mecánicas reflejadas en un buen desempeño.
Para todas las f ibras se observa que estas no presentan una orientación definida, es
decir las f ibras no tienden a alinearse, esto se debe a que el proceso de plastif icación
ocurre por medio de un mezclador interno y no de una extrusora, caso en el cual las
f ibras se alinean en el sentido de la extrusión.
De igual forma para todos los resultados SEM se observa una fractura quebradiza del
mater ial, lo que explica los altos valores del módulo de Young obtenidos para las tres
formulaciones. No obstante, como se puede apreciar en las diferentes fotografías, las
grietas no pasan por secciones con f ibra lo cual permite intuir que el problema se
encuentra asociado al plastif icante o al procesamiento como tal del TPS y no a las
f ibras las cuales presentan un alto grado de compatibilidad con la matriz polimérica.
74
7. CONCLUSIONES
El desarrollo del presente Proyecto de Grado permitió establecer en forma clara el
efecto derivado de reforzar matrices de TPS (plastif icado exclusivamente con
etanolamina) con f ibras lignocelulosicas. Así, el material procesado con cisco de café
presenta alta dureza y rigidez, durabilidad, mayor resistencia a la tensión a costa de
baja elongación, en contraste con la matriz pura de TPS. El mater ial reforzado
presenta un Módulo de Young mayor al TPS sin refuerzo alguno, considerándose un
mater ial frágil ausente de la elongación característica de polímeros termoplásticos.
Para la elaboración de la pre – mezcla es deseable que el tamaño de partícula de la
f ibra sea mínimo; esto con el f in de que se logre dispersar completamente, generando
una mezcla homogénea en la cual no existan suspensiones de f ibra que puedan
alterar el desempeño del biopolimero f inal a obtener. Así mismo, los resultados
obtenidos sugieren que el secado en bandejas de la pre – mezcla es el adecuado.
Se logró establecer la inf luencia del porcentaje de f ibra sobre el TPS cuando se
mantiene el tamaño de partícula del cisco de café en un valor f ijo. En este sentido, en
la medida en que se aumenta el porcentaje de f ibra con el f in de reforzar el TPS, el
mater ial obtenido es más rígido y frágil. Este comportamiento es de esperarse dado
que la dureza y rigidez del material está asociada al refuerzo del mismo. De esta
forma, al aumentar el contenido de f ibra en la formulación se está generando un mayor
refuerzo de la matriz polimérica, siendo este el interés en muchas aplicaciones
comerciales.
Otro resultado clave de la presente investigación fue la determinación de la influencia
del tamaño de partícula del cisco de café sobre el TPS reforzado cuando se mantiene
f ija una formulación específ ica. En este caso, se logró establecer que en la medida en
que se disminuye el tamaño de partícula del refuerzo, manteniendo f ijo el contenido de
este en la formulación, el material f inal obtenido es más rígido y frágil sensible a la
fractura, lo cual se debe a una mayor efectividad del refuerzo.
Trabajos futuros en torno al TPS reforzado deben centrar la atención sobre el
comportamiento plástico de los biopolímeros procesados, ya que hasta ahora el
resultado ha sido un material frágil, aunque resistente y duro, de poca elongación,
siendo esta una característica deseable en plásticos de aplicación comercial. Se debe
75
lograr procesar un material que sea viable y capaz de sustiuir a los polímeros
convencionales derivados de la industria petroquímica.
De acuerdo con el desarrollo investigativo que tuvo lugar como parte del presente
Proyecto de Grado, se sugiere el uso de una mezcla urea – etanolamina como
plastif icante en trabajo futuros, teniendo en cuenta que al usar uno de los plastif icantes
por separado, se pueden generar condiciones de procesamiento que pueden afectar el
desempeño f inal del biopolimero. No obstante, los resultados obtenidos en esta
investigación fueron contundentes y muestran el efecto derivado de reforzar TPS con
f ibras lignocelulosicas.
En el caso de la caracterización morfológica de los compuestos, la prueba SEM sobre
las probetas obtenidas permitió concluir que existe una buena compatibilidad entre la
matriz polimérica (TPS) y el refurzo (cisco de café), dada la similitud química entre
ellos.
76
REFERENCIAS
[1] Purves, William Kirkw ood. (2001). Life, the science of biology. Sinauer Associates,
6th Edition.
[2] Horton, R.H., Moran, L.A. (1995). Bioquímica. Traducido de la Obra en Inglés:
Principles of Biochemistry. Prentice Hall Hispanoamerica. México.
[3] Scientif ic Psychic. (2007). Carbohydrates - Chemical Structure. Consultado en
Mayo de 09 a través de: http://www.scientif icpsychic.com/fitness/carbohydrates1.html
[4] QuimiNet.com. Información y Negocios segundo a segundo. (2000). El almidón.
Consultado en Mayo de 2009 a través de:
http://www.quiminet.com.mx/ar1/ar_%253By%2510%25C6%2514b%259A%25EA.htm
[5] Gregorová, Eva., Pabst, Willi., & Bohacenko, Ivan. (2006). Characterization of
different starch types for their application in ceramic processing. Journal of the
European Ceramic Society, 26, 1301 – 1309.
[6] Herrera, J. (2009). Procesamiento y caracterización de almidón termoplástico (TPS)
reforzado con f ibras lignocelulósicas. Proyecto de Grado, Universidad de los Andes.
[7] Gómez, M.A. (2003). El Rincón de la Ciencia. ¿Qué es el almidón?. Consultado en
Mayo de 2009 a través de: http://centros5.pntic.mec.es/ies.victoria.kent/Rincon-
C/Curiosid/Rc-58.htm
[8] Guerrero, L. (2008). Estudio de la morfología y las propiedades mecánicas de
almidón termoplástico (TPS) plastif icado con la mezcla urea – etanolamina y reforzado
con nanoarcilla. Proyecto de Grado, Universidad de los Andes.
[9] Monografías.com. (1997). Almidón de los cereales nativos y modif icados:
propiedades y aplicaciones en la alimentación. Los almidones nativos. Consultado en
Mayo de 2009 a través de:
http://www.monografias.com/trabajos43/almidones/almidones2.shtml#almid
[10] Villada, H. S., Acosta, H.A. (2008). Investigación de Almidones Termoplásticos,
Precursores de Productos Biodegradables. Información Tecnológica, 19, 3 -14.
77
Versión online consultada a través de: http://www.scielo.cl/scielo.php?pid=S0718-
07642008000200002&script=sci_arttext
[11] Vargas, A. (2007). Evaluación y estandarización de los parámetros de producción
de pellets de almidón termoplástico (TPS) a partir de almidón nativo de maíz. Proyecto
de Grado, Universidad de los Andes.
[12] Medina, L. (2007). Evaluación de los parámetros de procesamiento y formulación
involucrados en el desarrollo de una lámina de TPS (almidón termoplástico) para
termoformado. Proyecto de Grado, Universidad de los Andes.
[13] Ropaín, R. (2007). Procesamiento de un polímero a base de almidón de maíz:
efecto de la formulación en las propiedades mecánicas y biodegradación del material.
Proyecto de Grado, Universidad de los Andes.
[14] Merchán, J. (2007). Análisis de la Biodegradación en Películas de Almidón Termoplástico. Proyecto de Grado, Universidad de los Andes.
[15] Wollerdorfer, M., & Bader, H. (1998). Influence of natural f ibres on the mechanical
properties of biodegradable polymers. Industrial Crops Production, 8, 105 – 112.
[16] Tang, X., Alavi, S. & Herald, T.J. (2008). Effects of plasticizers on the structure and
properties of starch – clay nanocomposite f ilms. Carbohydrate Polymers, 74, 552 –
558.
[17] Ma, X. F., Yu, J. G., Wan, J.J. (2006). Urea and ethanolamine as a mixed
plasticizer for thermoplastic starch. Carbohydrate Polymers, 64,267 – 273.
[18] Monografías.com. (1997). Mendoza, J. Ensayo de tracción en Metales.
Consultado en Junio de 2009 a través de:
http://www.monografias.com/trabajos38/traccion-en-metales/traccion-en-metales.shtml
[19] Fotunecity.com. Capítulo II. Fundamento Teórico. Comportamiento de los
Mater iales bajo carga. Consultado en Junio a través de:
http://members.fortunecity.com/ginermendocilla/Fun.htm
78
[20] MATBASE. Material Properties of HDPE. Consultado en Junio a través de:
http://www.matbase.com/material/polymers/commodity/hdpe/properties
[21] Milton, Graeme Walter. The theory of composites. Cambridge; New York:
Cambridge University Press, 2002.
[22] Grupo de Mecánica de Sólidos, Facultad de Matemática y Computación,
Universidad de La Habana, Cuba. Modelación De Materiales Compuestos y Sus Aplicaciones. Vol. 21, No. 1, 2003.
[23] Mecánica Avanzada de Materiales-Mater iales Compuestos. Facultad de Ciencias
Exactas, y Naturales
http://www.uprm.edu/civil/circ/newsite/w ebresearchers/LuisGodoy/courses/INCI6017/1
0%20Materiales/Compuestos%20Laminados.pdf. Citado 22 Mayo de 2009.
[24] R.J.Balam-Cocum,S.Duarte-Aranda y G. Canche-Escamilla.Obtencion y
caracterización de materiales compuestos de f ibras de la “’piña” de henequén y
polipropileno.Revista de Ing. Química, noviembre, año/vol 5.Universidad Autónoma
Metropolitana Iztapalapa.2006.
[25] ESPA ÑA. WIKPEDIA. [En línea]. [Consultado el 30 de Abril 2008]. Disponible en
http://w ikipedia.org/w iki/Imagen:Estructura_Celulosa.png
[26] VELA NDIA, Fabián Rodrigo. Estimación de modulo de elasticidad en materiales
compuestos de matriz polimérica y f ibras naturales cortas. Proyecto de Grado
Estudiante de Ing. Mecánica, Universidad de los Andes, 2008.
[27] TORRES, Germán Camilo. Caracterización y diseño de un material para el
moldeo por compresión de autopartes con refuerzo de f ibras naturales locales. Proyecto de Grado Estudiante de Ing. Mecánica, Universidad de los Andes, 2008.
[28] Curvelo, A.A.S., de Carvalho, A.J.F., & Agnelli, J.A.M. (2001). Thermoplastic
starch – cellulosic f ibers composites: preliminary results. Carbohydrate Polymers
Production, 45, 183 – 188.
[29] ASTM D-638M. (1990). Standard test method for tensile properties of plastic.
