Resistencia al Impacto y a la Tracción de Materiales Mate riales Compuestos Plástico-Madera Impact and Tensile Strength of Wood-Plastic Composites M. E. Solís y J. H. Lisperguer Departamento de Química, Facultad de Ciencias, Universidad del Bío-Bío, Avda. Collao Nº1202, Concepción-Chile.
Resumen Se describe el efecto de harina de madera de dos especies, Pinus radiata D. radiata D. Don (pino) y Nothofagus alpina (raulí), sobre las propiedades mecánicas de materiales compuestos plásticomadera, cuando se incorpora en porcentajes de 10 y 20% en la matriz polimérica. Los materiales termoplásticos utilizados fueron polietileno de alta densidad (HDPE) y polipropileno (PP), ambos de origen comercial. Las mezclas se realizaron en un equipo extrusor de laboratorio de tornillo simple y se fabricaron probetas de ensayo para medir la resistencia al impacto Izod y la resistencia a la tracción, con el incremento de madera. El efecto de la incorporación de 10% de madera de raulí aumenta la resistencia a la tracción de los materiales compuestos a base de HDPE y de PP. En este mismo porcentaje, la madera de pino produce también un incremento de la resistencia a la tracción un poco menor. Materiales compuestos con mayor contenido de madera (20%) presentan valores menores de resistencia a la tracción. La resistencia al impacto de los materiales compuestos con 10 y 20% de madera de las dos especies disminuye en un alto porcentaje con respecto del polímero puro.
Abstract This article describes the effect of addition of wood flour from two different species, Pinus radiata D.Don radiata D.Don (pino) and Nothofagus alpina (raulí) alpina (raulí) on the mechanical properties of wood-plastic composites, using 10 and 20% wood content in the polymer matrix. The thermoplastic materials employed included high density polyethylene (HDPE) and polypropylene (PP), both of commercial origin. The mixtures were prepared using a laboratory single-screw extruder, and samples were prepared to determine Izod impact strength and tensile strength as a function of wood content. The tensile strength of HDPE and PP composites increased with 10% raulí wood content. This resistance was somewhat less in samples having the same pine content. Composites with greater wood content (20%) present lower tensile strength values. The impact strength of HDPE and PP based composites with 10 and 20% of both wood species showed a high percentage decrease with respect to the pure polymers.
Keywords : strength of materials, wood-plastic composites, impact strength, tensile strength
INTRODUCCIÓN Los materiales conocidos como compositos plástico-madera han sido extensamente estudiados en la última década y son producidos comercialmente en algunos países de Europa y especialmente en Estados Unidos (Leaversuch, 2000, Clemons 2002). A causa de la limitada estabilidad térmica de la madera, se utilizan materiales termoplásticos de puntos de fusión inferiores a 200º C, como polietileno (PE), polipropileno (PP), cloruro de polivinilo (PVC) y poliestireno (PS), (Youngquist 1995, Lu et al. 2004). La madera es utilizada en forma de fibras de diversos orígenes con determinadas relaciones largo –ancho (coeficiente de esbeltez) o
partículas finas que tienen aproximadamente las mismas dimensiones en todas las direcciones (Liang et al.,1994, Maiti y Singh 1986). Los productos manufacturados a partir de plástico-madera presentan propiedades de alta durabilidad, resistencia a la humedad y a los hongos y tienen usos especialmente orientados a materiales de construcción (Bledzki y Gassan 1999). En los últimos años la investigación sobre estos productos se ha enfocado preferentemente a mejorar la interacción físico-química entre los materiales altamente polares derivados de la madera y los plásticos de baja polaridad por su naturaleza poliolefínica (Lu et al., 2004). La geometría de la madera también influye en las propiedades finales del producto. Las fibras lignocelulósicas incrementan la dureza y rigidez del composito siempre que la adhesión interfacial sea buena (Stark y Rowlands, 2003). La harina de madera o partículas finas de 100 140 mallas pueden utilizarse como un relleno o extendedor para la matriz polimérica, de bajo costo y factible de procesar por extrusión (Törmälä et al.,1985). En el presente trabajo se estudió el efecto del porcentaje de harina de madera de dos especies chilenas, pino y raulí en la resistencia al impacto y a la tracción de compositos manufacturados con polietileno de alta densidad (HDPE) y polipropileno (PP), que son los dos termoplásticos de mayor producción industrial en Chile. Se utilizó un tamaño de partículas de madera de 100 mallas que de acuerdo a Takatani et al. (2000), produce compositos de mejor comportamiento mecánico. Se estudiaron, además las variables del proceso de fabricación como rango óptimo de temperaturas, tiempo de residencia de la mezcla y velocidad del equipo extrusor de laboratorio de tornillo simple.
PARTE EXPERIMENTAL Las muestras fueron elaboradas en el centro de alta tecnología de la madera de la Universidad del Bío-Bío, Concepción, Chile. Se procedió a tamizar la harina de madera de pino y raulí, recolectado en la fábrica de muebles de nuestra Universidad, utilizando un tamiz de 150 micrones de granulometría lo que equivale a 100 mallas. Las maderas de estas dos especies fueron mezcladas con polietileno de alta densidad (HDPE) y con polipropileno de alto impacto (PP) para obtener compositos con 10% y 20% de reemplazo de plástico por madera. Las mezclas se realizaron en una máquina extrusora-inyectora para plásticos de tornillo simple. La extrusora tiene un tornillo extrusor de 81 cm de largo con un diámetro interior y exterior de 2,2 cm y 2,6 cm respectivamente. Las mezclas obtenidas de la máquina extrusora se introdujeron en un molde de acero inoxidable a fin de fabricar probetas de ensayo de acuerdo a la norma ASTM D 256 -93a, (1993) y norma ASTM D 638-00, (2000). La determinación de resistencia al impacto de las mezclas se realizó en una máquina para resistencia al Impacto, marca Satec, modelo BLI de acuerdo a la norma ASTM 256-93a. (1993). Se usó el método Izod con probetas de las siguientes dimensiones: 70 mm de largo y un área de 10 mm de arista, con entalla. Estas determinaciones fueron realizadas con probetas tanto en estado secas como después de sumergidas en agua, como lo indica la norma ASTM D 61800, (2000), la cuál señala que las muestras se deben sumergir en agua a 20 ° C (temperatura ambiente) durante 65 horas. La resistencia a la tracción de las mezclas se realizaron en una máquina INSTRON 4468 de capacidad máxima de 10000 Kgf y de acuerdo a la norma ASTM D 638-00, (2000), con probetas de las siguientes dimensiones:115 mm de largo por 19 mm de ancho y 6 mm de alto.
La probeta además tiene una parte central de menor área: 33 mm de largo y un área de 6 mm de arista. La velocidad del ensayo fue de 1,0 mm/minuto. Para las determinaciones de resistencia al impacto se ensayaron 10 probetas con reemplazo del 10% y 10 probetas con reemplazo del 20% para cada polímero. Se elaboraron además 10 probetas de cada plástico puro para tener valores referenciales de control. Las determinaciones de resistencia a la tracción se realizaron con 5 probetas por cada porcentaje de reemplazo y por cada polímero, más las correspondientes probetas para cada polímero puro. Se realizó un análisis estadístico de los datos mediante un análisis de varianza ANOVA y las diferencias significativas a un 95% de confianza fueron establecidas usando un test LSD.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN La Fig. 1 muestra las propiedades de resistencia al impacto de HDPE y PP mezclados con harina de madera de pino en porcentajes de 10 y 20%.
Fig. 1: Resistencia al impacto de HDPE y PP mezclados con madera de Pino radiata. Es posible apreciar que al agregar madera a los polímeros se produce una disminución de la resistencia al impacto. Esta disminución es mayor con el aumento del porcentaje de madera. La disminución de la resistencia al impacto alcanza valores significativos que en términos de porcentajes de diferencia para valores medios es de 77% para HDPE y de 80% para PP, cuando el reemplazo es de 10%.Compositos con 20% de madera de pino presentan una nueva disminución de resistencia al impacto de un 17% para ambos polímeros, respecto de compositos con 10% de contenido de madera. Maiti y Singh (1986) examinaron diferentes compositos a base de madera y polipropileno, comprobando que la resistencia al impacto Izod disminuía con el incremento de relleno de polvo de madera de cedro (también conocido como Cedrus Deodara-Indian Cedar). Wolcott y Englund (1999) detectaron una disminución de resistencia al impacto de un 50%, respecto del polímero puro, en polietileno de alta densidad (HDPE), cuando se agrega un 14% de harina de madera. De acuerdo a esto es posible postular que la distribución de harina de madera en la matriz polimérica disminuye el grado de cristalinidad, lo cual dificulta la disipación de energía necesaria para mantener la resistencia al impacto. La Fig. 2 muestra las propiedades de resistencia a la tracción de HDPE y PP mezclados con harina de madera de pino en porcentajes de 10 y 20%. En este caso se produce un aumento de la resistencia a la tracción de los compositos respecto del polímero puro. Este aumento de la resistencia es mayor con reemplazos del 10%. Disminuye con el reemplazo de 20% pero su resistencia es superior al polímero puro.
Fig. 2: Resistencia a la tracción de HDPE y PP mezclados con madera de pino radiata. El aumento de la resistencia a la tracción es significativa respecto del polímero puro y en términos de porcentajes para los valores medios es de un 35% para HDPE y de 13% para PP cuando el reemplazo es de 10%.Para reemplazos del 20% las propiedades de resistencia a la tracción de los compositos no presentan diferencias significativas respecto de los polímeros puros. Oksman (1996), llegó a conclusiones similares utilizando compositos a base de madera de Pinus silvestris y polietileno de baja densidad (LDPE). El aumento de la resistencia a la tracción, no es muy significativo en este trabajo y requiere de una sustancia compatibilizadora o acoplante para alcanzar diferencias significativas. Es posible suponer que la distribución del relleno de madera en la matriz polimérica produce un aumento de la viscoelasticidad del material, lo cual determina un aumento de la resistencia a la tracción. La Fig. 3 muestra las propiedades de resistencia al impacto de HDPE y PP mezclados con harina de madera de raulí en porcentajes de 10 y 20%. Es posible observar que se produce una disminución de las propiedades de resistencia al impacto al reemplazar polímero por madera de raulí, pero esta disminución tiene un efecto menor que cuando se usa madera de P. radiata es este mismo tipo de compositos. El reemplazo de 10% de HDPE por madera de raulí disminuye la resistencia al impacto del material en un 70%. El mismo porcentaje de reemplazo en PP utilizando madera de raulí disminuye la resistencia al impacto en un 49%. Reemplazos del 20% en HDPE y PP producen un nuevo descenso de la resistencia al impacto del material pero esta disminución es menos drástica correspondiendo a un 32% para el composito a base de HDPE y de 20% en el composito a base de PP.
Fig.3: Resistencia al impacto de HDPE y PP mezclados con madera de raulí. La Fig. 4 muestra las propiedades de resistencia a la tracción de HDPE y PP mezclados con madera de raulí en porcentajes de 10 y 20%. Es posible observar que se produce un aumento de la resistencia a la tracción de los compositos con respecto al polímero puro. El mayor aumento se produce con reemplazos del 10% de PP por madera de raulí. Los valores promedio de la resistencia a la tracción en HDPE aumentan en 22% y en PP 40%. El reemplazo de 20% del polímero por madera disminuye la resistencia a la tracción a valores que no presentan diferencias significativas respecto del termoplástico puro.
Fig.4: Resistencia a la tracción de HDPE y PP mezclados con madera de raulí.
CONCLUSIONES El uso de harina de madera como relleno de HDPE y PP produce un fuerte incremento de la resistencia a la tracción cuando el porcentaje de reemplazo es de 10% en peso. Cuando se utiliza madera de raulí con PP, el incremento de la resistencia a la tracción puede llegar a un 40% superior al polímero puro. Reemplazos de un 20% del polímero disminuyen la resistencia a la tracción de HDPE y PP, alcanzando valores similares al termoplástico puro. La resistencia al impacto de compositos plástico-madera disminuye respecto del polímero puro. Esta disminución alcanza valores de alrededor del 80% en HDPE y PP cuando se usa madera de pino en porcentaje de 10%. El uso de madera de raulí produce una disminución menor de
resistencia al impacto y es de alrededor de 49% cuando se reemplaza el 10% de PP por esta madera. La resistencia al impacto está ligada a la capacidad de disipación de energía del material. Es posible postular que el grado mayor de cristalinidad del polímero puro permite una mejor disipación de energía que el composito plástico-madera, lo cual le confiere mayor resistencia al impacto. En términos generales, es recomendable utilizar rellenos de madera de hasta un 10% cuando se requiere un material de alta resistencia a la tracción, resistencia al agua y donde la resistencia al impacto no sea importante.
AGRADECIMIENTOS Los autores agradecen al Proyecto de la Dirección de Investigación de la Universidad del BíoBío, Concepción 033004 3/R por el apoyo financiero otorgado para el desarrollo de esta investigación.
REFERENCIAS ASTM D 256-93a, American Society For Testing Materials, Determ ining the pendulum impact resistance of notched specimens of plastics, Philadelphia, PA.(1993 ). [ Links ] ASTM D 638-00, American Society For Testing Materials, Standard test m ethod for tensile properties of plastics, Philadelphia, PA.. (2000). [ Links ] ASTM D 618-00, American Society for Testing Materia ls, Standard practice for conditioning [ Links ] plastics for testing, Philadelphia, PA.. (2000) Bledzki, A.K. y J. Gassan, Composites reinforced with cellulose based fibres, Prog. Polym. Sci.: 24, 221-274 (1999). [ Links ] Clemons, C., Wood-plastic composites in the United States, Forest Prod. J.: 52 (6), 10-18 (2002). [ Links ] Leaversuch,R.D., Wood-fiber composites build promising role in extrusion, Modern Plastics: Dic, 56-59 (2000). [ Links ] Liang, B.H., L. Mott, S.M. Shaler y G. T. Caneba, Properties of transfer-molded wood[ Links ] fiber/polystyrene composites, Wood and Fiber Science: 26 (3), 382-389 (1994). Lu, J.Z., Q. Wu, y I.I. Negulescu, Surface and Interfacial Characterization of Wood-PVC Composites: Thermal and Dynamic Mechanical Properties, Wood and Fiber Science:36 (4), [ Links ] 500-510, (2004) Maiti, S.N. y K. Singh, Influence of wood flour on the mechanical properties of polyethylene, Journal of Appl. Polym. Sci.: 32, 4285-4289 (1986). [ Links ] Oksman, K., Improved interaction between wood and synthetic polymers in wood/polymer [ Links ] composites, Wood Science and Technology. 30, 197-205 (1996). Stark, N.M. y R.E. Rowlands, Effects of wood fiber characteristics on mechanical properties of wood/polypropylene composites, Wood and Fiber Science: 35 (2), 167-174 (2003). [ Links ]
Takatani, M., H. Ito, S. Ohsugi, T. Kitayama, M. Saegusa, S. Kawai y T. Okamoto, Effect of lignocellulosic materials on the properties of thermoplastic polymer/wood composites, Holzforschung: 54 (2), 197-200 (2000). [ Links ] Törmälä, P., E. Pääkkonen y K. Luoto, Injection Molding and Extrusion of Composites of Low Density Polyethylene (LDPE) and Plywood Grindings, Journal of Appl. Polym. Sci.: 30, 423-427 [ Links ] (1985). Wolcott, M.P. y K. Englund,A technology review of wood-plastic composites. Proc. Wood FiberPlastic Composites, Forest Products Society, Madison, WI. 103-111 (1999). [ Links ] Youngquist, J.A., Unlikely partners?. The marriage of wood and nonwood materials, Forest [ Links ] Prod.J.:45 (10), 25-30 (1995).
