1 - INTRODUCCIÓN

A partir de 1950 se desarrollaron los primeros materiales compuestos de fibras naturales, para la industria del automóvil. Las compañías Ford y Mercedes Benz fabricaron parte de los interiores de las puertas y ventanas, paneles frontales del salpicadero y elementos decorativos. El método de fabricación empleado fue la impregnación con resina de un fieltro de fibra de algodón, y curado en prensa. Los elementos fabricados carecían de solicitación estructural y en la mayoría de los casos eran simplemente elementos decorativos. Por lo tanto, dichos materiales compuestos fueron desarrollados para cumplir criterios medioambientales, amortiguamiento de ruido y vibraciones, ahorros de coste y requerimientos estéticos del sector.

En la última década, se ha incrementado el interés en el desarrollo y fabricación de materiales compuestos reforzados con fibras naturales para aplicaciones estructurales de bajo coste. Se trata de una solución en principio viable, debido a la baja densidad de la fibra, mejora de los procesos de extracción, bajo coste de la materia prima, su carácter renovable y biodegradable, alta disponibilidad, reciclabilidad, y avance en los conocimientos de los procesos de fabricación de materiales compuestos convencionales. Hay que destacar que la energía necesaria para producir fibras naturales es del orden de 4 MJ/kg, muy inferior a la necesaria para producir fibra de vidrio (30 MJ/kg) y fibra de carbono (130 MJ/Kg).

Sin embargo, se deben solventar problemas relacionados con la falta de bases de datos robustas con las propiedades de cada fibra y de sus materiales compuestos, baja adherencia entre la fibra y matriz debido al carácter hidrófilo e hidrófobo de la fibra y matriz, respectivamente, alto grado de absorción de humedad, compatibilidad entre las capacidades térmicas de degradación de las fibras y los procesos de fabricación, baja resistencia al fuego, bajas temperaturas de servicio, baja durabilidad en ambientes agresivos y carencia de un método de fabricación robusto, industrializable y de bajo coste. Las propiedades mecánicas, publicadas en la literatura, tienen rangos muy amplios y altas desviaciones estándar. Para una misma fibra, se puede encontrar estudios con valores medios de la resistencia a tracción en un rango (140-800) MPa. Ello es debido a la influencia de factores como las condiciones de cultivo, zona y método de extracción. Incluso dentro de la misma planta, las fibras del interior tienen propiedades diferentes a la fibra de la corteza. Además, por lo general los ensayos no se han llevado a cabo bajo una norma estándar, lo que dificulta la comparativa entre diversos estudios. Respecto a los otros inconvenientes como la humedad, resistencia frente a agentes externos, fuego, durabilidad, falta de adhesión; se aplican tratamientos químicos, pero se debe tener en cuenta el coste e impacto medioambiental de los mismos.

Actualmente existe una gran cantidad de investigaciones y productos en el mercado. En la mayoría de aplicaciones se ha utilizado fibra corta y sin orientación, puesto que facilita el proceso de fabricación, pero las propiedades que se obtienen son muy bajas. A su vez, el mercado ha tratado de solventar los inconvenientes de baja adherencia en la interfase, utilizando polímeros termoestables no biodegradables, con contenidos en resina cercanos al 50%. Dichas soluciones no resolverían el problema del reciclado, ni el uso de recursos renovables.

La producción estimada de materiales compuestos de fibras naturales en Europa para construcción, automóviles, muebles y aplicaciones no estructurales es elevada. En la industria del automóvil se pretende utilizar cerca de 10-15 kg de fibra natural por vehículo. En el caso de que se llegue a desarrollar un material compuesto del tipo estructural, el mercado de las fibras naturales será aún mayor, permitiendo resolver problemas como el reciclado y utilización de recursos renovables.

Este informe pretende proporcionar una visión de los materiales compuestos de fibras naturales, destacando su importancia en términos de sostenibilidad y rendimiento. La información presentada está extraída de dos fuentes principales: la Tesis Doctoral de D. Angel Renato Pozo Morales (1), y un reciente review publicado en la revista J. Composite Science (2). Ambas son de libre acceso por internet, y contienen muy amplia y comentada bibliografía, por lo que se omiten otras referencias en este articulo, para una mayor concisión.

2 - FIBRAS NATURALES

Las fibras naturales se clasifican en tres tipos: vegetal, animal y mineral. Las fibras con mayor uso en la industria de los materiales compuestos son las vegetales, las cuales se pueden clasificar, de acuerdo a la parte de la planta de donde se extrae, en seis tipos: del tallo (lino, esparto, cáñamo, yute, ramio), de la hoja (palma, piña, sisal, también llamado agave o henequen), semilla (algodón), fruta (coco), caña (bambu), y madera. De los troncos de madera no se van a sacar fibras reforzantes, solamente pasta de celulosa. Las fibras de origen animal (lana, seda) tienen mayor coste que las fibras vegetales, por lo que su uso es principalmente textil, y no se han empleado como refuerzo para materiales compuestos.

Las fibras de origen natural mineral que resultan más interesantes actualmente son las de basalto. El proceso de producción de fibras de basalto presenta aspectos similares al de fibras de vidrio. El basalto se tritura y funde para obtener, mediante hileras, filamentos continuos que se enrollan en bobinas. Las fibras pueden tejerse para obtener con distintos sistemas para matriz (epoxi, etc.) preimpregnados y tejidos secos que pueden luego convertirse en elementos mediante técnicas como RTM (Resin Transfer Moulding). Mediante procesos de pultrusión se obtienen perfiles y tuberías, entre otros elementos.

Son fibras con densidad de 2,65 g/cm3, buenas propiedades mecánicas (resistencia a tracción de 3000 a 5000 MPa, módulo elástico de hasta 110 Gpa y alargamiento a rotura de hasta 3,5%), presentan buena resistencia al fuego y a temperaturas altas (hasta unos 700ºC) y tienen elevada estabilidad química. No son tóxicas y al ser naturales (el basalto es lava enfriada y solidificada al aflorar a la superficie del terreno) son ecológicas, reciclables y sostenibles. Presentan buena compatibilidad con resinas epoxi, viniléster y uretanos y son fibras muy duraderas.

Las fibras naturales se han utilizado por todas las civilizaciones desde la antigüedad, para fabricar cuerdas, cestos, tejidos, etc. En todos los casos se empleaba la fibra de plantas de la región, y los procedimientos actuales para la extracción y tratamiento de la fibra son en muchos casos similares a los empleados hace siglos.

La producción mundial de fibras naturales de origen vegetal es elevada. En 2022, se llegó a una producción de 33 millones de toneladas, sin contabilizar la producción de la madera. El principal uso es la fabricación de elementos del tipo artesanal o estructuras del tipo decorativo. La siguiente tabla resume la producción anual y coste de las principales fibras.

Fibra	Produccion anual (millones de Tm)	Coste ( €/kg)	Modulo elastico (GPa)
Algodón (cotton)	18,5	2,1 – 4,2	6- 10
Bambu (bamboo)	10	0,5	17-90
Yute (jute)	2,5	0,4 – 1,5	20-55
Cañamo (hemp)	0,21	1 – 2,1	30-60
Lino (flax)	0,81	2,1 – 4,2	50-70
Kenaf (kenaf)	0,77	0,3 – 0,5	20-60
Sisal (sisal)	0,38	0,7	10-20
esparto	0,06	1,7

La densidad de todas estas fibras está en el rango 1-1,5 g/cm3, y el alargamiento a rotura es del orden del 3%, semejante a las fibras sintéticas poliméricas.

2.1 - COMPOSICIÓN Y ESTRUCTURA DE LAS FIBRAS VEGETALES

La fibra natural está compuesta por una matriz de lignina y microfibrillas de celulosa y hemicelulosa, ordenadas en anillos concéntricos como una celda primaria y varias secundarias. En cada celda, las microfibrillas de celulosa se encuentran orientadas en espiral, con un determinado ángulo respecto del eje de la fibra, que influye en el modulo elástico (E); en el caso del algodón, el ángulo es alto, y por eso su bajo E, lo contrario que en el lino. El diámetro de una fibra individual es alrededor de 10 μm, y el diámetro de cada microfibrilla en torno a 2-20 nm, formadas por 30-100 moléculas de celulosa. El contenido de celulosa aumenta y el de lignina disminuye desde la celda primaria a las secundarias y el contenido en hemicelulosa se mantiene constante.

La celulosa es un polisacárido semicristalino que le transfiere el carácter hidrófilo y otorga la rigidez estructural. La estructura química de la celulosa es una cadena polimérica lineal, de anillos bencénicos que contienen grupos hidroxilo (-OH) y alcohol (-CH2-OH), enlazados con puentes de –O- .
La hemicelulosa es un polímero ramificado y amorfo. Se encuentra unida fuertemente a la celulosa presumiblemente por puentes de hidrógeno. La estructura, contiene grupos hidroxilos (-OH) y acetilos (CH3CO-), siendo parcialmente soluble en agua e higroscópica.
La lignina es amorfa y principalmente aromática, le confiere resistencia quimica adicional y acoplamiento con la hemicelulosa.

Además de los componentes principales, la fibra contiene pectina, grasas, ceras y sustancia solubles en agua. La composición varía en función de las condiciones de crecimiento, zona de la planta y técnica de medición, por ello presenta un amplio rango de los valores.

2.2 - TIPOS DE FIBRAS NATURALES

Solamente se describen las tres principales, mas amplia discusion está en la Ref (1).

2.2.1 - BAMBÚ

Es una planta perenne en forma de caña hueca perteneciente a la familia de las gramíneas, bajo su denominación existen cerca de 1250 especies. Su mayor particularidad, es la elevada tasa de crecimiento, que puede alcanzar 0.2 m/día, en función de la especie y condiciones de cultivo.

Se cultiva en diversas áreas de Asia, América del Sur y África, con una producción anual de 10 millones de toneladas. La baja densidad de la planta 0.6 g/cm3 y sus buenas propiedades mecánicas, le trasfiere altos coeficientes específicos. Las propiedades son fuertemente dependientes de las condiciones climáticas, edad de maduración, especie, condiciones de cultivo, tratamiento químico de conservación, proceso y zona de extracción. El precio de la materia prima varía entre (0.2 -1) [€/m lineal de caña] en función del diámetro, espesor de pared, alineamiento de la caña y tratamiento químico de conservación. El precio en Europa se multiplica más de 10 veces, debido al transporte. Se utiliza ampliamente en sectores como la construcción, fabricación de tarimas, muebles, elementos de deporte.

Los procesos a nivel industrial se centran en obtener un producto final de bajo coste, a través de maximizar el material extraído y una alta tasa de producción. Aunque es posible obtener fibras sueltas mediante procesos quimicos, es mas frecuente el empleo de listones, de 1 a 4 mm de espesor. En el campo de materiales compuestos, los productos comerciales e investigaciones desarrolladas utilizan listones con la fibra orientada, de distintos espesores. Las resinas utilizadas son el epoxi, poliéster, fenólica, colas blancas. A nivel industrial, los procesos de fabricación utilizados son la inyección de resina en un molde cerrado y prensa de platos calientes, dando como resultado un producto de bajo coste y medias propiedades mecánicas.

2.2.2 - LINO

El lino es una planta perteneciente a la familia de las lináceas (Linum usitatissimum), bajo la denominación existen cerca de 80 variedades. La longitud de la planta es alrededor de 1 m, con un tiempo de cultivo de 100 días. Se cultiva en zonas templadas, en terrenos arcillosos y húmedos cercanos al mar. Europa tiene el 85% del cultivo mundial de lino, siendo Francia, Bélgica y Países Bajos los países con mayor producción.

El rango de las fibras de lino en longitud es de hasta 90 cm y de 12 a 16 micras de diámetro. Las fibras de lino se encuentran embebidas en la matriz de lignina en los tallos. A nivel macroscópico, el tallo se compone de haces de fibras. En la escala microscópica, cada haz de fibras se compone de capas concéntricas que difieren en espesor, composición química y estructura. Cada capa está compuesta de microfibrillas de celulosa formando un ángulo microfibrilar con la dirección de la fibra.

Los métodos tradicionales para separar la fibra son la inmersión de la planta en agua (“Water Retting”: el tallo del lino se sumerge en agua y se produce un ataque microbacteriano) o el método del rocío en condiciones de ambiente (“Dew Retting”) que consiste en cortar los tallos de lino y se dejan en el campo para que se pudran. La pectina se elimina mediante la acción combinada de bacterias, sol y aire. En ambos se requiere un tiempo de (14-28 días) para degradar los componentes de pectina, hemicelulosa y lignina. Estos procesos se conocen como enriado de fermentación microbiológica (maceración). También pueden extraerse las fibras por tratamiento químico, utilizando habitualmente hidróxido de sodio. Es un proceso altamente eficiente y produce una fibra de mejor calidad.

Después de la extracción, las fibras se secan al aire libre o en estufa, se clasifican y realiza el proceso de hilatura. En la actualidad, diversas compañías como Safilin, han implementado un control de calidad al proceso (materia prima, número de fibras por haces, retorcimiento del haz, diámetro, defectos, densidad de masa lineal tex), con el fin de obtener una bobina de fibra natural del tipo técnico, para aplicaciones estructurales.

Compañías europeas como Club Master of Linen, Safilin, Familin, Procotex, Lineo, Flaxcomposites han desarrollado una fibra técnica continua, a través del control de la materia prima, proceso de extracción y procesos de fabricación. Sin embargo, soluciones completamente biodegradables con buenas propiedades no han sido desarrolladas o al menos no han tenido el éxito que cabría de esperar. En la actualidad, se ha optado por el uso de resinas del tipo epoxi, con resultados positivos en propiedades mecánicas (383 MPa y 32 GPa). Sin embargo, desde un punto de vista medioambiental completamente negativos, puesto que no resuelve la dependencia con los recursos no renovable y reciclables.

Como ejemplo de aplicaciones prototipo, la compañía Suiza (Bcomp) en 2017, ha desarrollado el capó de un coche deportivo con fibra natural de lino tejida, con el fin de reducir el peso. El coche demostrador LINA de EconCore’s technology en 2017, ha utilizado el concepto de estructura sándwich fabricada con lino unidireccional continuo y matriz PLA para fabricar el cuerpo del vehículo.

2.2.3 - ALGODÓN

El algodón es casi celulosa pura, con suavidad y permeabilidad al aire que lo han hecho la fibra textil más popular. El largo de la fibra varía de 10 a 65 milímetros y el diámetro de 1 a 22 micras, es necesario un proceso de hilatura para hacer un hilo continuo, como con el resto de fibras naturales. Absorbe la humedad rápidamente, lo que hace confortable la ropa de algodón.

La fibra pertenece al género Gossypium, siendo la especie más cultivada originaria de México. Se trata de una fibra casi celulosa pura con alto ángulo microfibrilar, por lo que su modulo elástico es mas bajo que el de otras fibras. Los productos comerciales son del tipo textil, careciéndose de una aplicación como material compuesto.

2.2.4 - FIBRAS NATURALES ANIMALES: SEDA

Producida por el gusano de seda (Bombyx mori). El mayor productor es China, Brasil e India. La longitud de la fibra alcanza los 1500 mm y diámetro (10-13) μm. Uno de los mayores inconvenientes es el elevado coste, siendo 20 veces superior al del algodón. Los productos comerciales son del tipo textil y elementos quirúrgicos, careciéndose de una aplicación como material compuesto .

Para el resto de fibras incluidas en la tabla 1 (página 3), el proceso de extracción es similar al ya descrito para el lino. Se utilizan en productos artesanales, careciendo en la mayoría de casos de una fibra técnica para aplicaciones estructurales. Por su bajo coste, varias de ellas se han empleado para compuestos de fibra corta, no orientada.

En todos los casos, las propiedades mecánicas presentan un amplio rango de valores y en determinados estudios valores del coeficiente de variación o desviación estándar del 60 %. Los motivos se discuten detalladamente en la Ref (1), destacando que se debe analizar críticamente los valores presentados en la literatura. Todas estas consideraciones complican una adecuada comparación y selección entre las distintas fibras naturales entre los diversos estudios, aunque en todos los casos son fibras celulósicas, que se diferencian en el porcentaje y ángulo de microfibrillas. Siendo químicamente similar a las fibras sintéticas poliméricas, como las fibras de nylon y poliéster, sus propiedades serán similares, y las poliaramidas serian su límite superior alcanzable.

3 - MATRICES ORGÁNICAS

El propósito de la matriz es aglutinar el refuerzo (fibra) en la orientación adecuada y transferir carga hacia y entre las fibras de forma uniforme, proporcionar la resistencia a la propagación de grietas y de daños inducidos de forma externa y proporcionar la resistencia a cortadura interlaminar, rigidez y resistencia a compresión. Un aspecto fundamental es la compatibilidad química que debe existir entre la fibra y la matriz, compatibilidad con el proceso de fabricación, a fin de obtener un material compuesto con altas prestaciones mecánicas.

3.1 - TERMOESTABLES

Al tratarse de polímeros sintéticos basados en recurso derivados del petróleo, los termoestables no son considerados como una alternativa ecológica. Sin embargo son mayoritariamente utilizados, debido a su naturaleza reactiva, buena compatibilidad e impregnación con los refuerzos convencionales. En el campo de los materiales compuestos de fibras naturales, debido al amplio abanico de formatos y conocimientos de su comportamiento, se ha optado por el uso de resinas termoestables como las epoxi, poliéster y fenólica. Se considera que resinas como la bismaleimida no pueden ser utilizadas con la fibra natural, debido a que su temperatura de curado (˃200° C) es incompatible con la temperatura de degradación de la fibra natural.

Cabe señalar, la existencia de resinas denominadas “Green epoxi”, las cuales se caracterizan, según sus desarrolladores, por ser más respetables con el medioambiente, puesto que parte de los materiales proviene de recursos vegetales. Sin embargo, poca información se encuentra disponible en el mercado y la mayoría de productos tienen un elevado coste.

3.2 - TERMOPLÁSTICOS

En las industrias de materiales plásticos para envases y uso general, y bajo coste, los cuatro polímeros Polietileno (PE), Poli cloruro de vinilo (PVC), Polipropileno (PP) y Poliestireno (PS) cubren casi el 70% del consumo total.

Se dispone además de los termoplásticos técnicos, como las poliamidas, poliésteres, policarbonatos, y otros muchos, ente los que el Nylon es uno de los más conocidos y empleados, aunque su coste es al menos 5 veces mayor que los anteriores.

En uno y otro caso, se encuentran publicaciones de termoplásticos que incorporan fibra corta de origen natural, con orientación aleatoria, aunque por los problemas de adhesividad es mucho mas frecuente el empleo de fibra corta de vidrio.

3.3 - POLÍMEROS BIODEGRADABLES

Actualmente varios polímeros biodegradables y basados en recursos renovables han aparecido a nivel comercial, debido a la concienciación medioambiental y limitación de los recursos no renovables basados en derivados del petróleo.

Los polímeros biodegradables son materiales cuyas propiedades físicas o mecánicas se deterioran o degradan completamente cuando se exponen a un microorganismo, dióxido de carbono (proceso aeróbico), metano (proceso anaeróbico) o agua (proceso aeróbico y anaeróbico). Sin embargo, no todos ellos son basados en recursos renovables. La velocidad de biodegradación, depende de las condiciones ambientales (número y tipo de microorganismos, temperatura, humedad) de cada polímero, con un tiempo entre 6-12 semanas, produciendo biomasa, agua y dióxido de carbono. En el caso de los polímeros biodegradables, existen cuatro formas de producirlos:

Extraídos de biomasa como el almidón, polisacáridos, celulosa, proteínas, lípidos.
Síntesis química de monómeros derivados de la biomasa.
Fermentación natural o bacterias, tales como el poli-hidroxialcanoato (PHA) y poli-hidroxibutirato (PHB).
Síntesis química, a partir de recurso fósiles como la poli-ε-caprolactona (PCL).

Los polímeros de mayor uso en aplicaciones de envases son los basados en almidón, el PE de procedencia biológica, el PLA (Ácido Poliláctico) y PHAs.

3.4 - ALMIDÓN

El almidón es una macromolécula compuesta de dos polisacáridos (amilosa y amilopectina). Puede encontrase en varios recursos renovables como el arroz, patata, maíz y presenta ventajas como el precio y variedad de procesados (extrusión, inyección para moldeo y termo conformado). Las desventajas están relacionadas con su baja temperatura de descomposición, baja resistencia a impacto, alta absorción de agua y bajas propiedades mecánicas. El polímero suele ser modificado con la completa o parcial esterificación de grupos hidroxilos, producto comercialmente disponible (Sconacell A).

3.5 - POLIHIDROXIALCANOATO (PHA, PHB)

Los PHA son polímeros biosintéticos producidos por la fermentación de azúcares o lípidos. En función de la longitud de la cadena lateral de sus unidades monoméricas se puede obtener PHA con diversos puntos de fusión, cristalización, flexibilidad, resistencia a la tracción, biocompatiblidad y velocidad de biodegradación (PHB, copolímeros PHB-V). En el mercado existen más de 100 monómeros diferentes. El PHB es altamente cristalino y previo a su punto de fusión tiene un nivel de descomposición elevado, resultando un material frágil. Estas propiedades pueden ser controladas con el contenido de “hydroxy valerato” en el copolímero PHB-V, resultando ser menos cristalino y más procesable. El PHB-V es un termoplástico, puede ser procesado por extrusión, inyección, coating y con técnicas de laminado vía húmeda. Actualmente, el coste es elevado, pero su interés ha crecido debido a su similitud en términos mecánicos y térmicos con el polipropileno y polietileno. Tianan Biologic Material Co. (China) es el mayor productor de PHB con una capacidad anual de 10 kTde producción.

3.6 - ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA)

Es un poliéster alifático lineal termoplástico, producto de la esterificación del ácido láctico. El proceso de mayor uso para la obtención del monómero es por vía ROP (Ring Opening Polimerization). Se trata de un proceso de carácter renovable, bajo coste energético, medioambiental y económico (3 $/kg). Se procesa como granza de polilactida de alta masa molar (Mw∼100000 Da). El producto final es transparente, de apariencia brillante, alta rigidez y procesable en varios formatos

4 - PROPIEDADES MECÁNICAS DE LOS MATERIALES COMPUESTOS DE FIBRAS NATURALES

A pesar, de las prometedoras propiedades mecánicas encontradas en la literatura para las fibras naturales, las propiedades mecánicas de los materiales compuestos reforzados con fibras naturales son generalmente más bajas de lo esperado. Actualmente, los productos finales o materiales se utilizan solo en aplicaciones sin solicitación estructural (muebles, suelos, equipos de deporte, embalaje, artículos decorativos) con limitadas o nulas aplicaciones estructurales .

Por lo general, los materiales fabricados por las empresas con mejores prestaciones mecánicas, no son biodegradables. Utilizan altos contenidos de resina epoxi o poliéster, llegando a tener contenido en volumen de resina del 50%. Las compañías han optado por esta solución, debido principalmente a los problemas de fabricación con los polímeros biodegradables, relacionados con la baja adherencia en la interfase fibra matriz.

En el caso de materiales completamente biodegradables, en la literatura pocas investigaciones o productos comerciales existen con altas propiedades mecánicas. Aunque se han hecho ensayos de materiales compuestos de fibras naturales y resina biodegradable termoplástica (PLA), es actualmente es un reto a superar.

5 - PROCESOS DE FABRICACIÓN

Existen diversos procesos de fabricación convencionales compatibles con las fibras naturales. En el caso de fibra corta aleatoriamente orientada se tiene el moldeo por compresión de láminas (SMC), el método de impregnación con pistola o manual y método de inyección de resina. En el caso de fibra continua, se tiene el método de laminado manual por vía húmeda y curado en estufa o condiciones ambiente, bolsa de vacío, moldeo por autoclave, proceso de inyección o infusión de resina (RTM, RFI, RLI).

5.1 - MODELO POR COMPRESIÓN DE LÁMINAS (SHEET MOULDING COMPOUND)

El SMC es utilizado en procesos de moldeo por compresión en caliente de una fibra en formato corta de vidrio, carbono o natural y una resina termoestable, generalmente poliéster insaturado. Se utiliza para producir piezas de geometría compleja, con bajas propiedades mecánicas, buen acabado superficial y alta cadencia. Durante el proceso se añaden otros ingredientes, tales como aditivos termoplásticos, catalizadores, inhibidores, espesantes y pigmentos, para mejorar sus características y su comportamiento durante el proceso de moldeo del producto final. El material inicial se suministra en forma de lámina y posteriormente a través de la compresión en un molde cerrado se realiza el curado de la resina, bajo presión alrededor de 30-120 bar.

La principal ventaja es la automatización del proceso para cadencias de productos elevada, permitiendo fabricar geometrías complejas con un coste mínimo. Los productos comerciales de fibra natural, no superan los 40 MPa de resistencia a tracción con módulos a flexión por debajo de los 5.0 GPa .

LAMINADO MANUAL VÍA HÚMEDA

Proceso desarrollado en un molde abierto, que utiliza generalmente fibra seca en formato corto o tejido y resina aplicada in-situ por vía manual (“Hand lay-up”) o con pistola (“Spray lay-up”). El proceso de curado se realiza en condiciones atmosféricas estándar. Se utiliza para fabricar elementos de baja solicitación estructural y bajo coste como cuerpos de caravanas, carenados de camiones, bañeras, platos de ducha, botes pequeños y palas de aerogenerador. La formulación de la resina (epoxi, poliéster, viniléster o fenólica) será específica para conseguir piezas con baja porosidad, curados a temperatura ambiente, bajo coeficiente de contracción y buen acabado superficial .

6 - DESAFÍOS Y LIMITACIONES

6.1 - ABSORCIÓN DE HUMEDAD

Las fibras naturales tienen grupos polares en la celulosa, la cual atrae a las moléculas de agua a través de puentes de hidrógeno, por lo que tienen una alta tendencia a la absorción de humedad. La absorción de agua causa una inestabilidad dimensional, hinchamiento y pérdida de composición química de la fibra, a través de cambio en el contenido de lignina y despegue entre la fibra y matriz. Todo ello, se traduce en una pérdida de propiedades mecánicas como la rigidez y resistencia a flexión, a tracción, a compresión e impacto . La absorción de humedad por las fibras, puede ser reducida por modificaciones químicas de la fibra con tratamientos de acetilación, metilación, cianoetilación, benzoilación, tratamiento de permanganato o acrilación.

6.2 - TEMPERATURA DE DEGRADACIÓN DE LA FIBRA

La temperatura de degradación de las fibras se encuentra alrededor de los 215±10° C. Se considera que a mayor contenido en celulosa mayor flamabilidad y por lo tanto mayor degradación. Por el contrario, cuanto mayor contenido en lignina menor degradación, debido a la formación de carbón que auto protege el núcleo de la fibra. Agentes acoplantes como el MAPP (Maleic Anhydride grafted Polypropylene) pueden mejorar la estabilidad térmica.

6.3 - COMPORTAMIENTO FRENTE AL FUEGO

Al tratarse de fibras naturales, las exigencias frente a comportamientos agresivos como el fuego o disolventes, ha de ser limitada. La adición de agentes retardantes como el polifosfato de amonio pueden mejorar el comportamiento frente al fuego, pero su uso en un concepto respetable con el medioambiente se vería limitado por el alto precio (14 $/kg) y coste ecológico .

6.4 - MEJORA DE LA INTERFASE

La interfase fibra matriz es una zona de difusión o reacción, en la cual dos fases o componentes son química o mecánicamente parcialmente combinados.

Algunas características del material compuesto vienen definidas por las propiedades de la interfase. En el caso de tener una pobre adhesión, las cargas no son transferidas correctamente, lo que se traduce en unas malas propiedades mecánicas . Para mejorar la adhesión entre fibra y matriz, se debe modificar la estructura o morfología de la fibra, eliminando las ceras o pectinas que actúan como barrera para anclar fibra y matriz, modificar o reducir el comportamiento hidrófilo de los grupos hidroxilos (OH) de la fibra, para mejorar la compatibilidad con la matriz. Para ello, se utiliza diferentes tratamientos químicos, aditivos reactivos o agentes acoplantes.

6.5 - TRATAMIENTOS QUÍMICOS PARA MITIGAR LOS INCONVENIENTES

Existe una gran variedad de tratamientos para mitigar los inconvenientes mencionados. Entre ellos, se puede mencionar el tratamiento alcalino, silano, acetilación, benzoilación, acrilación, acrilonitrilo, agentes de acoplamiento maleico, permanganato, peróxido, isocianato, ácido esteárico, clorito de sodio, triazina, derivado de ácido graso (cloruro de oleoilo) y bacterias. El objetivo principal de los tratamientos químicos, es eliminar los componentes no celulósicos como las ceras, pectinas, componentes inorgánicos que forman el lumen de la fibra, sustancias aditivas, para transformar la superficie de la misma.

7 - PERSPECTIVAS FUTURAS

Las fibras naturales de origen vegetal pueden competir con la fibra de vidrio; sus costes son similares, las propiedades mecánicas del mismo orden, aunque con mayor variabilidad, y se emplean procesos de fabricación similares, de fibra corta como SMC y de impregnación de tejidos. Como tal, sus posibles aplicaciones son los mercados actuales del GRP (“Glass Reinforced Plastics), principalmente en sectores del automóvil y construcción.

El principal argumento a favor de las fibras naturales está en su sostenibilidad: el consumo de energia es muy inferior, al igual que la producción de CO2. Los residuos generados en su extracción y tratamiento químico pueden ser controlados, así como el consumo de agua. Si se emplean resinas termoestables el reciclado tiene las mismas dificultades que los compuestos de GRP, aunque si la eliminación es por incineración no quedará ningún resto, aprovechando su combustión. Un inconveniente potencial es que la vida útil del producto puede ser mas corta, al comparar con GRP, por los problemas mencionados de durabilidad.

Considerando todo lo anterior, los análisis de mercado le dan un potencial de crecimiento superior al 10 % en los próximos años.

8 - BIBLIOGRAFÍA

[1] Angel Renato Pozo Morales, ‘Materiales Compuestos de Fibras Naturales’.

Tesis Doctoral UPM (2019). Disponible en https://oa.upm.es/55053/

[2] P. Pecas et al, ‘Natural Fibre Composites and Their Applications: A Review’.

J. Compos. Sci. 2018, 2(4), 66; https://doi.org/10.3390/jcs2040066