Materiales compuestos termoplásticos cargados con

Materiales compuestos termoplásticos cargados
con residuos biogénicos de base proteínica:
influencia del tamaño de partícula
A. Rahhali1, F.Carrillo1,2, J. Macanás1, J. Cañavate1, X.Colom*1
Departamento de Ingeniería Química, Universitat Politècnica de Catalunya BarcelonaTECH. EET, Colom 1,
Terrassa, 08222. 2INTEXTER, Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTECH, Colom 15, Terrassa 08222
1
Thermoplastic composite materials loaded with protein-based biogenic waste: influence of particle size
Materials composits termoplàstics carregats amb residus biogènics
de base proteica: influència de la mida de partícula
Recibido: 6 de junio de 2014; revisado: 19 de diciembre de 2014; aceptado: 19 de octubre de 2015
RESUMEN
Las plumas de pollo son un material de desecho biogénico, disponible en abundancia, ubicuo y de bajo coste
procedente de la producción masiva de carne de pollo de
la industria avícola que actualmente se estima en 925.000
ton/año en la UE. Consecuentemente, se ha suscitado la
posibilidad de reutilizar estos residuos para el desarrollo
de materiales compuestos más respetuosos con el medio
ambiente como alternativa a otras fibras naturales tales
como las celulósicas.
El presente trabajo plantea una propuesta preliminar de
revalorización de residuos de plumas de pollo (Plu) para la
preparación de materiales microcompuestos termoplásticos con matrices de Polietileno de Alta Densidad (HDPE),
Polipropileno (PP) y Etilenvinilacetato (EVA). Concretamente, se ha estudiado el efecto del tamaño de partícula del residuo fibroso de queratina sobre las propiedades
mecánicas, físicas, morfológicas y térmicas de los materiales compuestos obtenidos conteniendo un 20% v/v
de plumas en disposición aleatoria. El residuo, una vez
lavado y desinfectado, ha sido triturado y tamizado para
obtener cinco fracciones de diferente tamaño de partícula
(<100 μm, 100-250 μm, 250-500 μm, 500-1000 μm y 1000
μm) con las que se han preparado placas de materiales
compuestos (160 x 160 x 2 mm3) en condiciones de temperatura, tiempo y velocidad de mezclado y presión establecidas. Los resultados obtenidos han demostrado que
es viable técnicamente preparar materiales compuestos
cargados con plumas para todos los tamaños de partícula estudiados. No obstante, las propiedades mecánicas
de los materiales compuestos HDPE/Plu, PP/Plu y EVA/
Plu disminuyen significativamente si las comparamos con
las de las respectivas matrices puras. Sólo se ha observado una mejora del módulo de Young para el material
compuesto EVA/Plu cuando se utiliza un tamaño de partícula de 100 μm ya que éste muestra la mejor adhesión
en la interfase pluma-matriz tal y como se ha corroborado
mediante microscopía electrónica de barrido (SEM). Sin
embargo, el estudio señala una baja compatibilidad entre
la pluma y todas las matrices utilizadas que es coherente con las características fisicoquímicas del residuo pero
16
que podría mejorarse mediante la selección de agentes de
acoplamiento adecuados. La densidad de los materiales
obtenidos se mantiene en valores similares a los de las
matrices puras confirmando la posibilidad de desarrollar
materiales compuestos ligeros. Además, la estabilidad dimensional decrece cuando aumenta el tamaño de las partículas, sobre todo para los compuestos EVA/Plu que son
los que absorben mayor cantidad de agua.
Palabras clave: materiales compuestos, plumas, biocompuestos, queratina, termoplásticos, propiedades mecánicas, densidad, estabilidad dimensional.
SUMMARY
Chicken feathers are cheap, available and a ubiquitous
renewable waste material resulting from the massive production of chicken meat from the aviary industry which
is estimated in 925.000 ton/year in EU. Consequently, its
abundance and properties suggest that this waste can
be re-used as an alternative material versus those natural
fibres utilized nowadays such as cellulose based fibres.
For these reasons, chicken feathers can be used in some
cases in order to develop more environmentally friendly
composite materials.
The present work proposes a preliminar study regarding
the re-valorization of chicken feathers waste (Plu) for the
preparation of thermoplastic microcomposite materials
with matrixes of High Density Polyethylene (HDPE), Polypropylene (PP) and Ethylene Vinyl Acetate (EVA). Specifically, the effect of the particle size of the fibrous keratinic
waste on mechanical, physical, morphological and thermal
properties was studied in composite materials including
a 20%v/v of chicken feathers in random distribution. The
waste, once clean and disinfected, was ground and sieved
in order to obtain five fractions with different particle size
(<100 μm, 100-250 μm, 250-500 μm, 500-1000 μm and
1000 μm). These fractions were used to prepare sheets of
composite materials of (160 x 160 x 2 mm3) at pre-estaAutor para la correspondencia: xavier.colom@upc.edu*
AFINIDAD LXXIII, 573, Enero - Marzo 2016
blished conditions of temperature, time, mixing speed and
pressure. Obtained results show that production of composite materials by this process is feasible for all the sizes.
On the other hand, mechanical properties of the composite materials HDPE/Plu, PP/Plu y EVA/Plu decrease significantly compared with the values of the neat matrixes. Only
Young’s Modulus increases slightly, especially for EVA/Plu
composites with a particle size of 100 μm because they
present the best adhesion at feather-matrix interface as it
has been corroborated by Scanning Electronic Microscopy
images. Anyway, in general terms, the study shows a low
compatibility between the components what is consistent
with the physic-chemical properties of the residue. However, this compatibility could be improved by using proper
coupling agents. The composite materials are lightweight
materials; their density has not increased, being similar to
that of the matrices. Dimensional stability decreases with
the size of the feather particles especially for EVA/Plu composites, which show higher water absorption.
Keywords: composite materials, feathers, bio-composites, keratin, thermoplastics, mechanical properties, density, dimensional stability.
RESUM
Les plomes de pollastre son un material de rebuig biogènic, molt abundants, ubico i de baix cost que provenen de
l’alta producció de carn de pollastre per part de la indústria avícola que s’estima és a la UE de 950.000 tones/any.
Degut a aquesta alta producció s’ha pensat en la possibilitat de reutilzar aquest residus per el desenvolupament de
materials compòsits respectuosos amb el medi ambient,
com alternativa a d’altres fibres naturals com poden ser
les cel·lulòsiques.
Aquest treball de recerca planteja una proposta preliminar de revalorització dels residus de ploma de pollastre
per a la preparació de materials microcompòsits termoplàstics amb matrius de polietilè d’alta densitat (HDPE),
polipropilè (PP), i etilè acetat de vinil (EVA). Concretament
s’ha estudiat l’efecte de la grandària del residu queratínic en les propietats mecàniques, físiques, morfològiques
i tèrmiques dels materials compòsits obtingudes amb un
20% v/v amb distribució aleatòria. El residu, una vegada
rentat i desinfectat, ha esta molturat i garbellat per obtenir cinc fraccions de diferent grandària ((<100μm, 100-250
μm, 250-500 μm, 500-1000 μm y 1000 μm), amb les que
s’han preparat plaques de material compòsit de 160 x 160
x 2 mm3 en condicions de temperatura, temps i velocitat
de barreja i pressió preestablertes. Els resultats obtinguts
han demostrat que es factible tècnicament aconseguir
materials compòsits incorporant plomes de diferents grandàries. Tot i això les propietats mecàniques obtingudes en
tots el materials analitzats decreixen significativament si
les comparem amb les pròpies de les respectives matrius
pures. Tan sols el mòdul de Young millora lleugerament,
sobretot per el compòsit EVA/Plu amb una grandària de
partícula de 100 μm atès que aquest mostra una millor
adhesió entre components tal com s’ha corroborat mitjançant SEM (Microscòpia electrònica d’Escombrat). Cal
assenyalar que l’estudi mostra una baixa compatibilitat
entre els components que és coherent amb les característiques físico-químiques del residu però que podria
AFINIDAD LXXIII, 573, Enero - Marzo 2016
millorar-se mitjançant la selecció d’agents d’acoblament
adequats. La densitat dels materials compòsits és manté
en valors semblants a les pròpies de les matrius, per tant
es poden aconseguir compòsits lleugers. Tanmateix l’estabilitat dimensional dels compòsits decreix al augmentar
la grandària de les partícules de ploma, principalment en
els compòsits EVA/Plu que son els que absorbeixen major
quantitat d’aigua.
Paraules clau: materials compòsits, plomes, bio-compòsits, queratina, termoplàstics, propietats mecàniques,
densitat, estabilitat dimensional.
INTRODUCCIÓN
El uso de fibras naturales para el refuerzo de materiales
compuestos se ha extendido considerablemente durante las últimas décadas como alternativa a los refuerzos
sintéticos para determinadas aplicaciones [1-6]. Esta tendencia ha seguido una evolución creciente motivada por
razones medioambientales [7] y por el deseo de reducir
el coste de los materiales compuestos mediante la sustitución de los refuerzos sintéticos por refuerzos naturales
renovables y más económicos, respectivamente. Además,
las propiedades específicas de algunos de estos refuerzos
naturales han favorecido el desarrollo de productos para
aplicaciones donde se requiere: aislamiento térmico, eléctrico o acústico, ligereza y resistencia mecánica [8]. Respecto al impacto sobre el medio ambiente, los materiales
compuestos que utilizan fibras naturales ofrecen ventajas
como: una menor dependencia de las fuentes de energía
no renovable y una reducción de las emisiones contaminantes y de gases de efecto invernadero [9].
Entre la gran variedad de fibras naturales que actualmente han sido propuestas para el desarrollo de materiales
compuestos más respetuosos con el medio ambiente,
las plumas de pollo procedentes de residuos de la industria avícola son una alternativa potencial que merece ser
considerada por su disponibilidad, ubicuidad, bajo coste
y propiedades. Concretamente, estos residuos son un material de desecho biogénico que se genera en gran cantidad ya que representan un 5-9 % de la masa total del
pollo [10] y su producción anual en la Unión Europea es de
aproximadamente 925.000 ton/año [11,12].
Recientemente han aparecido estudios que proponen el
uso de residuos de plumas de pollo para el desarrollo de
materiales compuestos demostrando que la presencia de
fibras procedentes de plumas en materiales compuestos
poliméricos determina su comportamiento mecánico [1315], su morfología [16] y sus propiedades térmicas [17] y
acústicas [18]. Aparte de las aplicaciones de las plumas
en materiales compuestos, también se han desarrollado
otros productos industriales tales como filtros [19,20].
Respecto a la incorporación de plumas en materiales compuestos, es importante destacar las posibles ventajas técnicas, medioambientales y económicas que se derivarían
de una posible revalorización de estos residuos. La sustitución de parte de la matriz polimérica por un residuo ligero y biodegradable supondría, por un lado, un ahorro de
matriz polimérica de origen no renovable y, por otro lado,
una reducción de la cantidad de residuo a tratar por parte
17
timas indicadas anteriormente, obteniéndose placas de
material compuesto de 160 x 160 x 2 mm3.
Se prepararon mezclas de cada una de las matrices con
cada una de las fracciones de diferente tamaño de partícula de las plumas pre-tratadas (100 μm, 100-250 μm,
250-500 μm, 500-1000 μm y 1000 μm) para una composiTeniendo en cuenta las consideraciones anteriores, el preción fija del 20 % en volumen de plumas [22]. En todos los
sente trabajo se centra en la caracterización de materiales
casos se preparó una placa de referencia con las matrices
compuestos de matriz termoplástica cargados con plupoliméricas puras de HDPE, PP y EVA.
mas pretratadas de distintos tamaños. Concretamente, se
2.3. Análisis mecánico
fabrican materiales compuestos con diferentes termoplásLas curvas de esfuerzo-deformación de los materiales
ticos y se estudia el efecto del tamaño de partícula de las
compuestos se determinaron mediante un ensayo de
plumas en las propiedades físicas, mecánicas, morfológitracción uniaxial con una máquina universal de ensayos
cas y térmicas de los materiales compuestos obtenidos.
Instron mod. 3366 (Instron, Reino Unido), según las especificaciones del método ASTM D-638-84. Las probetas de
ensayo se troquelaron en forma de probetas haltera según
METODOLOGÍA
las especificaciones de la norma ASTM-D-412-98. La vede ensayo
fue[22].
deEn20
mm/min
condiciones
2.1. Materiales
una composición fija del locidad
20 % en volumen
de plumas
todos
los casos y
se las
preparó
una placa de
temperatura
humedad
relativa de 23±2 ºC y 50±5%,
Las matrices termoplásticas utilizadas, suministradas
referencia con las matricesde
poliméricas
puras de yHDPE,
PP y EVA.
respectivamente. A partir de las curvas esfuerzo-deformapor Repsol YPF (España) y disponibles comercialmente,
2.3. Análisis mecánico ción obtenidas se determinó el módulo de Young (E), la
fueron: Polietileno de Alta Densidad (HDPE, ALCUDIA®
Las curvas de esfuerzo-deformación de los materiales compuestos se determinaron mediante un ensayo de
resistencia máxima de tracción (s), la deformación a rotura
4810-B), Polipropileno (PP, Isplen® 099 K2M) y el copolítracción uniaxial con una máquina universal de ensayos Instron mod. 3366 (Instron, Reino Unido), según
(e) y laASTM
tenacidad
(W)
deldematerial
somemero etilenvinilacetato (EVA, Alcudia® PA-539). las especificaciones del método
D-638-84.
Lastanto
probetas
ensayo se compuesto
troquelaron en forma
de
a ensayode(Elac,norma
El residuo queratínico de plumas de pollo fue suministrado
sc, eASTM-D-412-98.
,
W
)
como
de
las
matrices
puras,
probetas haltera según lastido
especificaciones
La
velocidad
de
ensayo
fue de
c
c
20 mm/min
y las condiciones
de temperatura
y humedadde
relativa
de 23±2
ºC y 50±5%,
respectivamente.
por un gestor de residuos autorizado de Cataluña
(Espamediante
el programa
cálculo
Bluehill
v2 (Instron,
ReiA partir
de las curvas no
esfuerzo-deformación
obtenidas se
determinó
el módulo
Young
(E), la
ña). Las plumas de pollo fueron pretratadas para
su limUnido). Se analizaron
cinco
muestras
de de
cada
material
resistencia máxima de tracción (), la deformación a rotura () y la tenacidad (W) tanto del material
pieza, desinfección y estabilización. Primero, las
plumas
compuesto, representándose el promedio y la desviación
compuesto sometido a ensayo (Ec, c, c, Wc ) como de las matrices puras, mediante el programa de
se lavaron a temperatura ambiente utilizando una
solución
estándar de dichas propiedades.
cálculo Bluehill v2 (Instron, Reino Unido). Se analizaron cinco muestras de cada material compuesto,
acuosa con el 0,7% v/v de un tensioactivo catiónico
(Te- el promedio
2.4.y laAnálisis
representándose
desviaciónfísico
estándar de dichas propiedades.
tranyl BC-80, Kao Corporation S.A., España). Después del
2.4.1. Densidad
una composición
20 %densidad
en volumen de
de plumas
[22]. En todoscompuestos
los casos se preparó
una placa de
lavado, las plumas se aclararon con agua destilada
y se fija del La
los materiales
se determinó
2.4. Análisis
físico
referencia
con
las
matrices
poliméricas
puras
de
HDPE,
PP
y
EVA.
secaron en una estufa a 60 °C hasta masa constante. Fimediante el método del picnómetro ASTM D 792-91 (mé2.4.1. Densidad
nalmente, las plumas se almacenaron en un desecador
a
todo de ensayo A), utilizando alcohol isopropílico como
2.3. Análisis mecánico
La densidad de los materiales
compuestos
se determinó
mediante eldel
método
del picnómetro
ASTM se
D
temperatura ambiente.
líquido
de
ensayo.
Lacompuestos
densidad
material
compuesto
Las curvas de esfuerzo-deformación
de los
materiales
se determinaron
mediante
un ensayo de
792-91 (método de ensayo A), utilizando alcohol isopropílico como líquido de ensayo. La densidad del
Las plumas así pretratadas presentan una longitud
segúndelaensayos
Ecuación
tracciónvariauniaxial con una calculó
máquina universal
Instron1:
mod. 3366 (Instron, Reino Unido), según
material compuesto se calculó según la Ecuación 1:
especificaciones
del método ASTM D-638-84. Las probetas de ensayo se troquelaron en forma de
ble en un amplio rango que varía entre 2,5 ± 0,7las
mm
y 13,4
m
probetas haltera según las especificaciones
La velocidad de ensayo fue de
Ec.1.
dec la normaaASTM-D-412-98.
i ± 1,7 mm, lo que a priori podría limitar las propiedades
(1)
(ma  mrelativa
20 mm/min y las condiciones de temperatura y humedad
de 23±2 ºC y 50±5%, respectivamente.
i)
finales de los materiales compuestos que se A
quieren
fa3
partirρc de
las curvas
esfuerzo-deformación
obtenidas
se determinó
de laYoung
(E), la
representa
la densidad
aparente del material
compuesto
(g/cm ), el
mamódulo
representa
masa aparente
Donde
bricar. Por este motivo se optó por uniformizarresistencia
ellatamaño
Donde
representa
la de
densidad
aparente
del
la masa aparente
la ymuestra
completamente
inmersa
en el
de
muestra
en aire
mi representa
máxima
de (g),
tracción
(),ρlac deformación
a rotura
()
la tenacidad
(W) tanto
delmaterial
material
3
líquido de ensayo
(es este
caso es alcohol
líquido
de sometido
ensayo (g)
ycompuesto
ρi representa
de partícula a 1000 μm mediante el trituradocompuesto
mecánico
), mdel
representa
la masa
aparente
de la
a ensayo
(Ec, c, cla
,(g/cm
Wdensidad
de
c ) como
a las matrices puras, mediante el programa de
3
isopropílico: 0,875 g/cm ). Se analizaron tres muestras de cada tipo de material compuesto y se calculó la
cálculo Bluehill
v2 (Instron,
Reino Unido). Se analizaron cinco muestras de cada material compuesto,
(Retsch mod.SN100) y posterior tamizado (Retsch
mod. desviación
muestra
correspondiente
estándar. en aire (g), mi representa la masa aparente de la
representándose
y la desviación
estándar de dichas
propiedades.
AS200) de las plumas pretratadas. Posteriormente,
dife- el promedio
muestra
completamente
inmersa
en el líquido de ensayo
2.4.2. Estabilidad dimensional
rentes fracciones de las plumas trituradas se molturaron
(g) y ρi representa la densidad del líquido de ensayo (es
La estabilidad dimensional del material compuesto se evaluó indirectamente mediante la3 determinación
en un molino de bolas (Retsch MM301) y se2.4.
tamizaron
este caso es alcohol isopropílico: 0,875 g/cm ). Se analiAnálisis físico
de la variación del espesor y de la absorción de agua según el método ASTM D570-99. Se prepararon
nuevamente para conseguir fracciones de diferente
tazaron
tres
cadacon
tipo
material
compuesto
probetas
rectangulares
(25,4
x 12,7
x 2muestras
mm3) que sede
secaron
airede
caliente
a 60 ºC
durante 24 h yy
2.4.1. Densidad
maño de partícula (≤100 μm, 100-250 μm, 250-500
μm,
se
calculó
la
correspondiente
desviación
estándar.
posteriormente
se
acondicionaron
en
un
desecador
a temperatura
ambiente.
Seguidamente,
se sumergió
la
La densidad de los materiales compuestos se determinó
mediante
el método
del picnómetro
ASTM D
muestra
en agua
ºC2.4.2.
durante
24 h. Finalmente,
la muestracomo
se extrajo
eliminando
condel
un
500-1000 μm y 1000 μm), con el objetivo de 792-91
estudiar
el dea 25
Estabilidad
dimensional
(método
ensayo
A), utilizando
alcohol isopropílico
líquidodel
de baño,
ensayo.
La densidad
papel absorbente
agua superficial,
y1:se determinó tanto
como elcompuesto
espesor final dese
la
material
calculó
la Ecuacióndimensional
efecto del tamaño de partícula en las propiedades
decompuesto
los el seexceso
Ladesegún
estabilidad
della masa
material
probeta de ensayo. El porcentaje de absorción de agua (WA en %) de la muestra del material compuesto
ma
materiales compuestos fabricados.
evaluó
indirectamente
mediante
la
determinación
de
se calculó según la Ecuación 2:
Ec.1.
c 
i
2.2. Preparación del material compuesto.
la variación del
espesor
(m
a m

w
wi )o  y de la absorción de agua seWA

x 100
Los materiales compuestos fueron obtenidos mediante
el
gúnEc.2.
el
método
ASTM
D570-99.
probetas
la densidad
aparente
del
material
compuesto
(g/cm3Se
), ma prepararon
representa la masa
aparente
Donde ρc representa
wo de la muestra 3completamente
aparente
inmersa en
el
de la de
muestra
mi representa la masa
mezclado de las diferentes fracciones de partículas
plu-en aire (g),rectangulares
(25,4
x 12,7
x 2 mm ) que se secaron
con
w representan
inicial la
y final
de la muestra,
respectivamente.
Donde wdeo yensayo
representa
densidad
del líquido
de ensayo (es este caso es alcohol
líquido
(g) y ρlai masa
3 aire caliente a 60 ºC durante 24 h y posteriormente se
mas pretratadas, previamente acondicionadasisopropílico:
mediante
0,875 g/cm ). Se analizaron tres muestras de cada tipo de material compuesto y se calculó la
desviación
estándar.
Lalas
variación
de
espesor de la muestra
la desecador
placa de material
compuesto se calculó
según la
secado en una estufa durante 4 h a 105 ºC, concorrespondiente
distin-porcentual
acondicionaron
endeun
a temperatura
ambiente.
Ecuación
3:
tas matrices de HDPE, PP y EVA. El mezclado2.4.2.
se ha
reaSeguidamente,
se
sumergió
la
muestra
en
agua
a
25 ºC
Estabilidad dimensional

e  eo  la muestra se extrajo del baño,
lizado utilizando una mezcladora Brabender (Brabender®
durante
24
h.
Finalmente,
Ec.3. compuesto
La estabilidad dimensional del material
indirectamente mediante la determinación
es  se evaluóx 100
esegún
o
decondiciola variación del espesor
y de la absorción
aguapapel
el
método ASTMel
D570-99.
Se prepararon
mod. W50EHTPL, GmbH & Co. KG, Alemania) en
eliminando
condeun
absorbente
exceso
de agua
3
representa (25,4
lasuperficial,
variación
delseespesor
muestra
(%),
mientras
eo hy ye
Donde
e
rectangulares
x 12,7 xporcentual
2 mm
) que
secaronde
conlaaire
a como
60
ºC durante
24
sºC,
nes óptimas preestablecidas [21]: temperatura probetas
de
160
y se
determinó
tanto
lacaliente
masa
elque
espesor
representan el espesor
inicial y final
la muestra
(mm), respectivamente.
Para esta caracterización
se
posteriormente
se acondicionaron
en undedesecador
a temperatura
ambiente. Seguidamente,
sumergió la
170 ºC y 120 ºC para el HDPE, el PP y el EVA, respectivafinal de
la probeta
de
ensayo.
El porcentaje
deseabsorción
analizaron
cada tipo
compuesto.
muestra
en tres
aguamuestras
a 25 ºCdedurante
24 de
h. material
Finalmente,
la muestra se extrajo del baño, eliminando con un
mente, tiempo de mezclado de 5 min y velocidad
de absorbente
los ro- el excesode
(WA en y%)
de la muestra
del como
material
compuesto
papel
de agua
agua superficial,
se determinó
tanto la masa
el espesor
final de la
dillos del cabezal de mezclado de 50 rpm. Posteriormente,
se
según
la Ecuación
probeta
de ensayo.
El porcentaje
de absorción
de agua
(WA en %)2:
de la muestra del material compuesto
2.5. Análisis
morfológico
de calculó
la superficie
de rotura
se calculó según la Ecuación 2:
la mezcla de componentes se consolidó por compresión
w  wo  x 100 en una prensa de placas calientes (Collin Mod. P 200E, Dr.
(2)
Ec.2.
WA 
wo
Collin GmbH, Alemania) durante 5 minutos, a una
presión
de 100 kN y a las respectivas temperaturas de Donde
trabajo
w representan la masa inicial y final de la muestra, respectivamente.
wo yópde la industria avícola. Al mismo tiempo, esta propuesta
representaría una reducción de costes en el procesado de
la carne de pollo debido a que el aprovechamiento de un
residuo sin valor [18-20] evitaría su gestión y tratamiento.
La variación porcentual de espesor de la muestra de la placa de material compuesto se calculó según la
Ecuación 3:
18
Ec.3.
e s 
e  eo  x 100
eo LXXIII, 573, Enero - Marzo 2016
AFINIDAD
Donde es representa la variación porcentual del espesor de la muestra (%), mientras que eo y e
La estabilidad dimensional del material compuesto se evaluó indirectamente mediante la determinación
de la variación del espesor y de la absorción de agua según el método ASTM D570-99. Se prepararon
probetas rectangulares (25,4 x 12,7 x 2 mm3) que se secaron con aire caliente a 60 ºC durante 24 h y
posteriormente se acondicionaron en un desecador a temperatura ambiente. Seguidamente, se sumergió la
muestra en agua a 25 ºC durante 24 h. Finalmente, la muestra se extrajo del baño, eliminando con un
papel absorbente el exceso de agua superficial, y se determinó tanto la masa como el espesor final de la
probeta de ensayo. El porcentaje de absorción de agua (WA en %) de la muestra del material compuesto
se calculó según la Ecuación 2:
Ecuación 3:
Ec.3.
e s 
e  eo  x 100
eo
(3)
Donde es representa la variación porcentual del espesor de la muestra (%), mientras que eo y e
Donde De representa la variación porcentual del espesor
representan el espesor inicial ys final de la muestra (mm), respectivamente. Para esta caracterización se
de la demuestra
(%),
mientras
que eo y e representan el esanalizaron tres muestras
cada tipo de
material
compuesto.
pesor inicial y final de la muestra (mm), respectivamente.
2.5. Análisis morfológico
de la caracterización
superficie de rotura se analizaron tres muestras de
Para esta
cada tipo de material compuesto.
2.5. Análisis morfológico de la superficie de rotura
Se caracterizó la superficie de rotura de las probetas sometidas al ensayo de tracción uniaxial para obtener una
medida indirecta de la resistencia de unión de la interfase
partículas de pluma-matriz. El análisis de la superficie se
realizó mediante microscopía electrónica de barrido (SEM)
con un microscopio JEOL 5610 (USA). Antes del análisis,
las muestras seleccionadas se recubrieron con una capa
de oro-paladio de aproximadamente 15 nm para mejorar
su conductividad. Se analizó la superficie de rotura correspondiente a las muestras de los materiales compuestos
preparados con cada una de las matrices utilizadas.
2.6. Análisis Térmico
El análisis termogravimétrico (TGA) se utilizó para analizar
el comportamiento frente a la temperatura de los distintos
materiales compuestos. El equipo utilizado fue el TGA/SDTA850e Mettler Toledo. En un ensayo típico, la muestra se
calienta en un rango de temperatura de 30-600 ºC a 10 ºC/
min en atmósfera inerte (N2), determinando la pérdida de
masa en función de la temperatura.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. Propiedades mecánicas
La Figura 1 muestra las curvas esfuerzo-deformación de
las matrices HDPE, PP y EVA y de los compuestos cargados con un 20% v/v de plumas de 1000 mm. Se observa
que las matrices puras de PP y HDPE presentan un Módulo de Young y una resistencia a tracción superior a las de
la matriz EVA. Por el contrario, ésta última presenta mayor
deformación a rotura, lo que es coherente con sus características de elastómero.
Asimismo, cuando se incorpora un 20% v/v de pluma en
las matrices se produce en todos los casos una disminución significativa de la deformación a rotura comparada con la propia de las matrices puras tal y como puede
apreciarse en el gráfico ampliado de la Figura 1. Estos resultados son coherentes con la hipótesis de partida, es
decir, que la compatibilidad entre las matrices poliméricas
y el residuo queratínico es baja. Sin embargo, la reducción de la resistencia a tracción de los materiales HDPE/
Plu y PP/Plu fue moderada frente a las matrices puras,
hecho que podría compensar en cierta medida la pérdida
de otras propiedades mecánicas si se tiene en cuenta que
estos nuevos materiales compuestos suponen una ventaja
económica pues reducen el consumo de polímeros puros
y pueden, además, suponer una ventaja ambiental por el
hecho de valorizar el residuo.
De la misma forma, se apreció un incremento del módulo
para los materiales compuestos obtenidos con plumas de
AFINIDAD LXXIII, 573, Enero - Marzo 2016
tamaño de partícula de 1000 mm. No obstante, se considera necesario evaluar en detalle estos resultados preliminares para determinar si la evolución de estas propiedades mecánicas depende del tamaño de partícula, tal y
como se comentará más detalladamente en el siguiente
apartado.
PP
HDPE
EVA
PP/Plu20
HDPE/Plu20
EVA/Plu20
45
Esfuerzo de tracción (MPa)
w  wo  x 100
Ec.2.
WA 
Donde wo y w representan
wo la masa inicial y final de la
muestra,
respectivamente.
la masa
inicial y final de la muestra, respectivamente.
Donde wo y w representan
La variación porcentual de espesor de la muestra de la plaLa variación porcentual de espesor de la muestra de la placa de material compuesto se calculó según la
ca de material compuesto se calculó según la Ecuación 3:
40
35
30
25
20
15
10
5
0
0
100
200
300
400
500
Deformación a rotura (%)
600
700
Figura 1. Curvas esfuerzo-deformación de las matrices de PP, HDPE y EVA y de los materiales compuestos
PP/Plu
HDPE/Plu
y EVA/Plu
cargados
con un
Las Figuras
2-5 muestran
los resultados
del comportamiento
mecánico
a tracción, calculados
a partir de
las curvas esfuerzo deformación, de los distintos materiales compuestos preparados con las diversas
20 % v/v de plumas de 1000 mm. También se muesfracciones de plumas de diferente tamaño de partícula (HDPE/Plu, PP/Plu y EVA/Plu). En todos los
casos, el tra
porcentaje
de plumas
fue del 20
% v/v.
arriba
a laañadido
derecha
una
ampliación de la zona de
En la Figura 2 se representan los valores de resistencia a tracción a máxima carga (c) de los materiales
bajas deformaciones en el rango de 0 a 15%.
compuestos HDPE/Plu, PP/Plu y EVA/Plu y de las correspondientes matrices puras. Se observa que la
Figura 1. Curvas esfuerzo-deformación de las matrices de PP, HDPE y EVA y de los materiales compuestos PP/Plu HDPE/Plu y
EVA/Plu cargados con un 20 % v/v de plumas de 1000 m. También se muestra arriba a la derecha una ampliación de la zona de
bajas deformaciones en el rango de 0 a 15%.
presencia de residuo de plumas provoca, tal y como era predecible, una reducción significativa de c en
todos los materiales compuestos comparada con  de las matrices puras: PP > c_PP/Plu, HDPE >
c_HDPE/Plu, EVA > c_EVA/Plu) Concretamente, c ha disminuido un 25, 45 y un 55 % comparada con las
resistencias de las matrices puras, PP, HDPE y EVA respectivamente. Por lo tanto, los resultados indican
que la incorporación de residuo de plumas en el rango de tamaño de 100 a 1000 m no actúa como
refuerzo de ninguna de las matrices poliméricas termoplásticas utilizadas sino, más bien como carga.
Además, se observa que el tamaño de partícula en el rango estudiado no tiene prácticamente influencia en
la resistencia a tracción de los materiales compuestos.
No obstante, en los casos de las matrices poliolefínicas de HDPE y PP se observa un aumento de c del
10%, comparativamente con el resto de fracciones de plumas de tamaño inferior cuando se utiliza la
fracción de plumas de 1000 μm. Este ligero incremento puede estar relacionado con la longitud crítica de
la fibra necesaria para que la fibra pueda alcanzar el esfuerzo máximo [21], ya que la eficacia de las
mismas como refuerzo de la matriz disminuye en la medida como lo haga la longitud media de las fibras.
En este sentido, se ha comprobado que para materiales compuestos HDPE/Plu los valores de longitud
crítica son de ca. 0,25 mm [15]. Además, debe considerarse el efecto positivo de otros factores que se
c
hacen evidentes al aumentar el tamaño de partícula como: i) una mayor interacción física por cierre de
forma entre componentes por efecto de la mayor rugosidad de las fibras y ii) una mejor dispersión de las
partículas de plumas en la matriz, evitando posibles aglomerados de fibras pequeñas de queratina. Los
materiales HDPE/Plu y PP/Plu son los que muestran una mayor resistencia, con un valor de ca. 22 MPa.
Las Figuras 2-5 muestran los resultados del comportamiento mecánico a tracción, calculados a partir de las
curvas esfuerzo deformación, de los distintos materiales
compuestos preparados con las diversas fracciones de
plumas de diferente tamaño de partícula (HDPE/Plu, PP/
Plu y EVA/Plu). En todos los casos, el porcentaje de plumas añadido fue del 20 % v/v.
En la Figura 2 se representan los valores de resistencia a
tracción a máxima carga (s ) de los materiales compuestos HDPE/Plu, PP/Plu y EVA/Plu y de las correspondientes
matrices puras. Se observa que la presencia de residuo
de plumas provoca, tal y como era predecible, una reducción significativa de sc en todos los materiales compuestos comparada con s de las matrices puras: sPP > sc_PP/
sHDPE > sc_HDPE/Plu, sEVA > sc_EVA/Plu) Concretamente,
Plu,
sc ha disminuido un 25, 45 y un 55 % comparada con las
resistencias de las matrices puras, PP, HDPE y EVA respectivamente. Por lo tanto, los resultados indican que la
incorporación de residuo de plumas en el rango de tamaño de 100 a 1000 mm no actúa como refuerzo de ninguna
de las matrices poliméricas termoplásticas utilizadas sino,
más bien como carga. Además, se observa que el tamaño
de partícula en el rango estudiado no tiene prácticamente influencia en la resistencia a tracción de los materiales
compuestos.
No obstante, en los casos de las matrices poliolefínicas de
HDPE y PP se observa un aumento de sc del 10%, comparativamente con el resto de fracciones de plumas de
tamaño inferior cuando se utiliza la fracción de plumas de
1000 μm. Este ligero incremento puede estar relacionado
con la longitud crítica de la fibra necesaria para que la fibra
pueda alcanzar el esfuerzo máximo [21], ya que la eficacia
de las mismas como refuerzo de la matriz disminuye en
la medida como lo haga la longitud media de las fibras.
En este sentido, se ha comprobado que para materiales
compuestos HDPE/Plu los valores de longitud crítica son
de 0,25 mm [15]. Además, debe considerarse el efecto positivo de otros factores que se hacen evidentes al aumentar el tamaño de partícula como: i) una mayor interacción
19
Resistencia a tracción (MPa)
En síntesis, se demuestra que los resultados de c y Ec obtenidos (Figuras 2 y 3) indican que el residuo de
de las
matrices
poliméricas
Este comportamiento no se
de refuerzo
fibra corta
[21].
Bajo las
premisastermoplásticas.
de que las partículas
física por cierre de forma entre componentes porplumas
efectono
deactúa como
corresponde
con
el
que
podría
estimarse
a
priori
teniendo
en
cuenta
las
propiedades
de los componentes y
fibrosas de plumas (formadas por raquis, barbas y bárbula mayor rugosidad de las fibras y ii) una mejor dispersión
lasposibles
aproximaciones micromecánicas
utilizadas
comúnmente
predicción
de propiedades
elásticas de
las) se comportan
como
fibras depara
un lamismo
diámetro
y
de las partículas de plumas en la matriz, evitando
fibra
corta [21].
Bajo las premisas
de que las
partículas
condeuna
relación
longitud/diámetro
constante
y de
que sefibrosas de plumas
aglomerados de fibras pequeñas de queratina. materiales
Los mate-compuestos
barbas la
y denominada
bárbulas) se comportan
fibras de un
mismode
diámetro y con una
cumple
“regla decomo
las mezclas”
el valor
riales HDPE/Plu y PP/Plu son los que muestran (formadas
una mayorpor raquis,
relación
longitud/diámetro
constante
y
de
que
se
cumple
la
denominada
“regla
de
las
mezclas”
el valor de
la resistencia a tracción del material compuesto (sc) puede
resistencia, con un valor de 22 MPa.
45
la resistencia a tracción
del material
puede estimarse
por medio de la Ecuación 4:
estimarse
porcompuesto
medio de(
lac)Ecuación
4:
HDPE/Plu
PP/Plu
EVA/Plu
40
35
30
ߪ௖ ൌ ܸ݇௙ ߪ௙ ൅ ܸ௠ ߪ௠ Ec.4
(4)
donde s
sf, sm representan
resistencia
a tracción
donde c, f, m representan
lac,resistencia
a tracción dellamaterial
compuesto,
de lasdel
plumas y de la matriz
material compuesto,
de las plumas
y de laenmatriz
polimépolimérica, respectivamente,
Vf y Vm representan
la fracción
volumen
de plumas y matriz,
y Vm representan
la fracción
respectivamente y k rica,
es unrespectivamente,
término denominadoVf“factor
de eficiencia del
esfuerzo”en
que es función de la
15
volumenfibrosas
de plumas
y matriz,
respectivamente
y kresistencia
es un y módulo de las
adhesión entre las partículas
y la matriz.
Teniendo
en cuenta que la
10
término
“factor
de1),
eficiencia
del esfuerzo”
plumas son superiores
a las dedenominado
las matrices puras
(Tabla
en condiciones
ideales de buena adhesión y
5
espartículas
función de
la dirección
adhesióndel
entre
las partículas
adecuada orientaciónque
de las
en la
esfuerzo
aplicado (esfibrosas
decir, k=1), los valores de
0
la los
matriz.
Teniendo
en cuenta
que la
y módulo
resistencia esperadosyde
materiales
compuestos
deberían
deresistencia
ser superiores
a los de las matrices puras
Matriz
100
100-250
250-500
500-1000
1000
45
de las
plumas
sonobtenido
superiores
a las de las matrices puHDPE/Plu
PP/Plu
EVA/Plu
y, por lo tanto, superiores
a los
que se han
experimentalmente.
Tamaño de partícula de la fracción de pluma (μm)
40
ras (Tabla 1), en condiciones ideales de buena adhesión y
Figura 2. Resistencia a la tracción a máxima carga de los materiales compuestos HDPE/Plu, PP/Plu y EVA/Plu cargados con
adecuada
de las
partículas
en lay plumas
dirección
delpara la fabricación del
2. Resistencia
a la tracción
a máxima
de1.los
Módulo, deformación
a rotura orientación
y resistencia máxima
a tracción
de matrices
utilizados
fraccionesFigura
de35
diferente tamaño
de residuo de pluma pretratado
y de las correspondientes
matrices carga
puras.Tabla
material compuesto.
esfuerzo aplicado (es decir, k=1), los valores de resisten30materiales compuestos HDPE/Plu, PP/Plu y EVA/Plu
3
Material
Densidad
(g/cmde
) los materiales
Resistencia acompuestos
Módulo
de
En la cargados
Figura 3 se observa
la evolución del
de Young
(E) de los
compuestos
cia
esperados
deberían
de Deformación a
con fracciones
deMódulo
diferente
tamaño
demateriales
residuo
de
25
HDPE/Plu, PP/Plu y EVA/Plu. En este caso, la tendencia mostrada por Ec es distinta a la descrita por los
tracción
(MPa) puras
Young
(GPa)
rotura (%)
ser
superiores
a
los
de
las
matrices
y,
por
lo
tanto,
pluma
pretratado
y
de
las
correspondientes
matrices
puras.
valores de 20
resistencia a la tracción. Concretamente, la incorporación de plumas en las matrices de HDPE
HDPE
0,96 a los que se 26,0
obtenido
0,5
1,50  0,15
300  100
y PP no afecta al valor de Ec, manteniéndose estable para tamaños de partícula inferiores a 1000 m. A
superiores
han
experimentalmente.
15
PP un
0,90

5
1,60

0,15
440  60
37
pesar de ésto, para materiales compuestos reforzados con tamaños de partícula de 1000 m se observa
En la Figura 3 se observa la evolución del Módulo de
-2
ligero incremento
de Ec, del 6 y el 8%, respecto al E de las matrices HDPE y PP puros, respectivamente.
10
EVA
0,93
3,2.10
 3.10-3
690  60
23,0  1,5 a rotura
Young
(E
)
de
los
materiales
compuestos
HDPE/Plu,
PP/
Tabla
1.
Módulo,
deformación
y
resistenPor el contrario, la presencia
de partículas de pluma en los materiales compuestos EVA/Plu sí que origina
c
Barbas
de las
0,90
5 significativo del módulo, incrementándose entre 1300-1600%, en función
4,8  1,5
7,7  0,8
180  60
un incremento
del tamaño
cia máxima a tracción de matrices y plumas utilizaPlu y EVA/Plu.
En este caso, la tendencia mostrada por
Ec de
plumas [22]
partícula de0fibra.
dos para la fabricación del material compuesto.
es distinta
a la descrita
por los250-500
valores
de resistencia
a la
Matriz
100
100-250
500-1000
1000
tracción. Concretamente, la incorporación de plumas
en
Resistenciaentre
a
Módulo
de
Deformación
Material
Densidad
En
consecuencia,
se
puede
deducir
que las diferencias
los
resultados
teóricos y los experimentales
2000
HDPE/Plude la PP/Plu
Tamaño de partícula
deEVA/Plu
pluma (μm)
tracción (MPa) Young (GPa) a rotura (%)
(g/cm3)
las matrices
de
HDPE
y PP nofracción
afecta
al valor de
Edeben
, manc
1800
se
a
la
baja
compatibilidad
de
los
dos
materiales
utilizados,
es
decir,
las matrices termoplásticas y
Figura 2. Resistencia a la tracción a máxima carga de los materiales compuestos HDPE/Plu, PP/Plu y EVA/Plu cargados con
HDPE
0,96
26,0 ± 0,5
1,50 ± 0,15
300 ± 100
teniéndose
para
tamaños
de partícula
fracciones
de diferente tamaño
residuo de pluma
pretratado
y de las correspondientes
matrices puras. inferiores a
1600 deestable
el residuo queratínico. Por lo tanto, aunque las plumas tienen una resistencia y módulo superior a la
PP
0,90
37 ± 5
1,60 ± 0,15
440 ± 60
1000 mm.
1400 A pesar de ésto, para materiales compuestos
matriz, éstas no son capaces de reforzar las matrices debido a su pequeña longitud y a la baja
EVA
0,93
23,0 ± 1,5
3,2.10-2±
690 ± 60
En la reforzados
Figura 3 se1200
observa
evolución del de
Módulo
de Young (E)
los materiales
compuestos
conla tamaños
partícula
de de1000
mm se
oblo demuestran los bajos valores de k (
HDPE/Plu, PP/Plu y EVA/Plu. En este caso, la tendencia mostrada por Ec es distinta compatibilidad
a la descrita por los que existe entre ambos componentes, tal y como
3.10-3
un1000
ligero
incremento
Ec, del de
6 plumas
y el 8%,
respecto
valoresserva
de resistencia
a la tracción.
Concretamente, de
la incorporación
en las matrices
HDPE
0,1-0,2)decalculados
con
la Ec.4
se muestran
la Tabla 2.
que7,7
la ±incorporación
de agentes
Barbas
de y que
0,90
180en
± 60
4,8Se
± prevé
1,5
0,8
800
y PP no
afecta
al
valor
de
E
,
manteniéndose
estable
para
tamaños
de
partícula
inferiores
a
1000
m.
A
al E de las matrices
HDPE y PP puros, respectivamente.
c
las plumas
demacoplamiento
adecuados
podría aumentar la compatibilidad de los materiales y aumentar, por tanto, las
600
pesar de ésto, para materiales
compuestos reforzados con tamaños de partícula de 1000
se observa un
Por el contrario, la presencia de partículas de pluma en
[22]
ligero incremento de400
Ec, del 6 y el 8%, respecto al E de las matrices HDPE y PP puros,
respectivamente.
propiedades
de los materiales compuestos.
materiales
que
origina
inPor el los
contrario,
la presencia decompuestos
partículas de pluma enEVA/Plu
los materialessí
compuestos
EVA/Plu síun
que origina
200
un incremento
significativo
del módulo, incrementándose
entre incrementándose
1300-1600%, en función del entre
tamaño de
cremento
significativo
del módulo,
En consecuencia, se puede deducir que las diferencias en0
partícula de fibra.
100 del
100-250
250-500
500-1000
1000
1300-1600%,Matriz
en función
tamaño
de partícula
de
fibra.
tre los resultados teóricos y los experimentales se deben
esfuerzo
(k) para los materiales
con utilizados,
la fracción de tamaño de partícula de
a ladelbaja
compatibilidad
de compuestos
los dos preparados
materiales
Tamaño de partícula de la fracción de pluma (μm) Tabla 2. Factor de eficiencia
2000
HDPE/Plu
PP/Plu
EVA/Plu
Vdecir,
v/v.matrices termoplásticas y el residuo queratíni1000 m y una composición
f del 20%
es
las
Figura 3. Módulo de
Young
de
los
materiales
compuestos
HDPE/Plu,
PP/Plu
y
EVA/Plu
cargados
con
fracciones
de
diferente
1800
tamaño de residuo de pluma pretratado y las correspondientes matrices puras.
co. Por lo tanto, aunque las plumas tienen una resistencia
1600
Material compuesto
k
y módulo superior a la matriz, éstas no son capaces de
1400
HDPE/Plu
0,15
1200
reforzar las matrices debido a su pequeña longitud y a la
PP/Plu
0,20
1000
baja compatibilidad
que existe entre
EVA/Plu
0,12 ambos componen800
tes, tal y como lo demuestran los bajos valores de k (~
600
0,1-0,2) que
calculados
Ec.4
y que se muestran
en ala1, confirmando que
De hecho, se puede observar
los valorescon
de klason
significativamente
inferiores
400
Tabla
2.
Se
prevé
que
la
incorporación
de
agentes
de
acola
interacción
entre
las
matrices
poliolefínicas
y
las
plumas
es
muy
baja
y
que
la
orientación
al azar de las
200
aumentar
la elcompatibilidad
0
fibras en la matriz noplamiento
maximiza adecuados
la resistencia podría
del material
que, por
contrario, sí podría mejorarse con
Matriz
100
100-250
250-500
500-1000
1000
de fibras
los materiales
y aumentar,
por tanto,
las otra
propiedades
una orientación de las
en la dirección
del esfuerzo,
que sería
posible vía para mejorar las
de
los
materiales
compuestos.
Tamaño de partícula de la fracción de pluma (μm)
prestaciones. Asimismo, la baja compatibilidad observada entre las matrices termoplásticas y las plumas
Tabla 2. de
Factor
eficiencia
del esfuerzo
(k) para los mateFigura 3. Módulo de Young de los materiales compuestos HDPE/Plu, PP/Plu y EVA/Plu cargados con fracciones de diferente
viene a confirmar los resultados
otrosde
trabajos
publicados
[22, 24].
tamaño de residuo de pluma pretratado y las correspondientes matrices puras.
riales compuestos preparados con la fracción de tamaño de
Figura 3. Módulo de Young de los materiales compuestos
partícula de 1000 mm y una composición Vf del 20% v/v.
HDPE/Plu, PP/Plu y EVA/Plu cargados con fracciones
de
diferente tamaño de residuo de pluma pretratado
y las
Material compuesto
k
correspondientes matrices puras.
HDPE/Plu
0,15
25
Módulo de Young (MPa)
Módulo de Young (MPa)
Resistencia a tracción (MPa)
20
En síntesis, se demuestra que los resultados de sc y Ec
obtenidos (Figuras 2 y 3) indican que el residuo de plumas no actúa como refuerzo de las matrices poliméricas
termoplásticas. Este comportamiento no se corresponde
con el que podría estimarse a priori teniendo en cuenta
las propiedades de los componentes y las aproximaciones
micromecánicas utilizadas comúnmente para la predicción de propiedades elásticas de materiales compuestos
20
PP/Plu
0,20
EVA/Plu
0,12
De hecho, se puede observar que los valores de k son
significativamente inferiores a 1, confirmando que la interacción entre las matrices poliolefínicas y las plumas es
muy baja y que la orientación al azar de las fibras en la
matriz no maximiza la resistencia del material que, por el
contrario, sí podría mejorarse con una orientación de las
AFINIDAD LXXIII, 573, Enero - Marzo 2016
Tenacidad (J)
Tenacidad (J)
mejora constatada para tamaños de partícula de 1000
fibras en la dirección del esfuerzo, que sería otra posible
mm, respecto del resto de fracciones de 250 y 500 mm
vía para mejorar las prestaciones. Asimismo, la baja comes consecuencia de una mayor eficacia del refuerzo
patibilidad observada entre las matrices termoplásticas y
para longitudes medias de fibras alrededor del valor de
las plumas viene a confirmar los resultados de otros trabalongitud crítica [15], que a su vez contribuye a comjos publicados [22, 24].
pensar la pérdida de propiedades por el incremento de
Las Figuras 4 y 5 muestran el efecto del tamaño de par140
propagación
de fisuras.
tícula de las plumas sobre la deformación a la rotura y la
HDPE/Plu
PP/Plu
EVA/Plu
tenacidad de los materiales compuestos HDPE/Plu, PP/
120
Plu y EVA/Plu. Nuevamente, los valores de ambas propie140
HDPE/Plu
PP/Plu
EVA/Plu
100
dades mecánicas son significativamente inferiores a las
120
de las matrices puras. Sin embargo, es destacable la gran
80
diferencia entre el comportamiento de los materiales de
100
matriz poliolefínica (HDPE/Plu y PP/Plu) y el fabricado con
60
80
matriz de EVA. Estos últimos se ven menos afectados por
40
la incorporación de plumas, mientras que los materiales
60
HDPE/Plu y PP/Plu presentan decrecimientos de la de4020
formación y tenacidad significativos, superiores al 95 %
respecto al valor original de las matrices puras. En relación
20 0
Matriz
100
100-250
250-500
500-1000
1000
con la influencia del tamaño de partícula, cabe destacar
Tamaño de partícula de la fracción de pluma (μm)
0
que
materiales
EVA/Plu
unplumas
decrecimiento
ini-a la
Figura 5. Energía a la rotura
de los materiales
HDPE/Plu,
PP/Plu y EVA/Plu
cargados1000
con fracciones de diferente
Las Figuras
4 y 5los
muestran
el efecto del
tamaño demuestran
partícula de las
sobre la deformación
Matriz
100 compuestos
100-250
250-500
500-1000
de residuo de pluma pretratado
y las correspondientes
matrices
puras. de
Se muestra
rotura y lacial
tenacidad
los materiales compuestos
HDPE/Plu,
PP/Plu
Nuevamente,
Tamaño
de partícula de
la fracción
pluma también
(μm) una ampliación de la zona de
de ladedeformación
a rotura
del 692
%yalEVA/Plu.
385 %
para la lostamaño
baja tenacidad en el rango de 0 a 4 J.
Figura 5. Energía a la rotura de los materiales compuestos HDPE/Plu, PP/Plu y EVA/Plu cargados con fracciones de diferente
valores de ambas propiedades mecánicas son significativamente inferiores a las de las matrices puras. Sin
fracción de tamaño de partícula de 100 μm, reduciéndose tamaño de residuo de pluma pretratado y las correspondientes matrices puras. Se muestra también una ampliación de la zona de
embargo, es destacable la gran diferencia entre el comportamiento de los materiales de matriz
baja tenacidad en el rango de 0 a 4 J.
aún
más para
lasy elsiguientes
Finalmente,
Figura
5. Energía
a la rotura
de los
materiales
poliolefínica
(HDPE/Plu
y PP/Plu)
fabricado con tres
matriz fracciones.
de EVA. Estos últimos
se ven menos
A la vista de
los resultados,
puede destacarse
el mejor
comportamiento
de compuestos
la matriz de EVA frente a las
afectados por
la incorporación
los materiales
y PP/Plu presentan
para
tamaños de
deplumas,
1000mientras
μm sequeobservó
un HDPE/Plu
ligero incremento
HDPE/Plu,
PP/Plu
y EVA/Plu
cargados
fracciones
de
matrices poliolefínicas
(HDPE
y PP) cuando
se incorporan
plumas.con
Este hecho
es probablemente
debido a
decrecimientos de la deformación y tenacidad significativos, superiores al 95 % respecto al valor original
Alalamayor
vista decompatibilidad
los resultados, entre
puedeeldestacarse
el mejor
comportamiento
de ha
la matriz
de EVA
frente
a lasprevios
EVA
y las
plumas,
y comopretratado
se
corroborado
estudios
de lapuras.
deformación,
latamaño
fracción
de 500-1000
diferente tamaño
de residuo
detalpluma
y lasencode las matrices
En relación conrespecto
la influencia adel
de partícula,
cabe destacarμm,
que matrices
los
poliolefínicas (HDPE y PP) cuando se incorporan plumas. Este hecho es probablemente debido a
[23]. Concretamente, los mejores resultados se obtuvieron para tamaños de partícula de 100 μm debido a
materiales con
EVA/Plu
un decrecimiento
inicial
la deformación
a rotura del la
692evolu% al 385la%mayor compatibilidad
unmuestran
valor de
elongación
delde 297
%. Asimismo,
rrespondientes
matrices
puras.
muestra
tambiénenuna
amentre el EVA
y las plumas,
tal Se
y como
se ha corroborado
estudios
previos
que para tamaños pequeños de partícula las microfisuras que se forman durante la deformación presentan
para la fracción de tamaño de partícula de 100 μm, reduciéndose aún más para las siguientes tres
[23].
Concretamente,
losde
mejores
resultados
se
obtuvieron
para tamaños
derango
partículade
de 100
μm
debido
a
ción de la tenacidad de los materiales EVA/Plu define una un crecimiento
pliación
la
zona
de
baja
tenacidad
en
el
0
a
4
J.
individual menor con absorción de energía y en consecuencia la muestra sufre una
fracciones. Finalmente, para tamaños de 1000 μm se observó un ligero incremento de la deformación,
que para tamaños pequeños de partícula las microfisuras que se forman durante la deformación presentan
deformación ligeramente superior antes de la rotura. Adicionalmente, la mejora constatada para tamaños
muy μm,
parecida
a delaelongación
descrita
para
la elongación,
respecto a tendencia
la fracción de 500-1000
con un valor
del 297
%. Asimismo,
la evoluciónun
de
crecimiento individual menor con absorción de energía y en consecuencia la muestra sufre una
de partícula
de 1000
m,
respecto
del
de fracciones
de 250 yla500
m constatada
es consecuencia
de una mayor
la tenacidad
de los materiales desde
EVA/Plu el
define
una de
tendencia
parecida
a lapura
descrita
para deformación
la
reduciéndose
valor
73 J muy
de la
matriz
has3.2.
Propiedades
Físicas
ligeramente
superior
antes
deresto
la rotura.
Adicionalmente,
mejora
para tamaños
eficacia
delderefuerzo
para
longitudes
medias
de fibras de
alrededor
delm
valor
de longitud crítica
elongación, reduciéndose desde el valor de 73 J de la matriz pura hasta valores de 22 J y 14 Jde
al
partícula
1000
m,
respecto
del
resto
de
fracciones
250 yresultados
500
es consecuencia
de prouna [15],
mayorque a su
ta
valores
de
22
J
y
14
J
al
incorporar
plumas
de
100
μm
y
Las
Figuras
6,
7
y
8
muestran
los
de
las
incorporar plumas de 100 μm y 1000 μm, respectivamente.
vez contribuye
a compensar
la pérdida
dede
propiedades
por eldelincremento
de propagación
deque
fisuras.
eficacia
del refuerzo
para longitudes
medias
fibras alrededor
valor de longitud
crítica [15],
a su
1000 μm, respectivamente.
piedades
mediante
los ensayos
vez contribuye
a compensarfísicas
la pérdidadeterminadas
de propiedades por el incremento
de propagación
de fisuras.de
3.2. Propiedades
Físicas
densidad, estabilidad dimensional y absorción de agua
LasPropiedades
Figuras 6, 7Físicas
y 8 muestran los resultados de las propiedades físicas determinadas mediante los ensayos
3.2.
HDPE/Plu
PP/Plu
EVA/Plu
para
diferentes
tamaños
dedepartícula
de
pluma.
800
Las
6, 7estabilidad
y 8 muestran
los resultados
de las propiedades
físicas
determinadas
mediante
los ensayos
de Figuras
densidad,
dimensional
y absorción
agua para
diferentes
tamaños
de partícula
de pluma.
de densidad, estabilidad dimensional y absorción de agua para diferentes tamaños de partícula de pluma.
HDPE/Plu
PP/Plu
EVA/Plu
700
0,98
EVA/Plu
0,96
400
300
100
Matriz
AFINIDAD LXXIII, 573, Enero - Marzo 2016
0,90
0,90
0,88
0,88
0,86
0,86
0,84
0,84
0,80
0,80
Figura 4. Deformación a la rotura de los materiales compuestos HDPE/Plu, PP/Plu y EVA/Plu cargados con fracciones de
diferente tamaño de residuo de pluma pretratado y de las correspondientes matrices puras. Se muestra también una ampliación de
la zona de bajas deformaciones en el rango de 0 a 25%.
A la vista de los resultados, puede destacarse el mejor
comportamiento de la matriz de EVA frente a las matrices poliolefínicas (HDPE y PP) cuando se incorporan plumas. Este hecho es probablemente debido a la
mayor compatibilidad entre el EVA y las plumas, tal y
como se ha corroborado en estudios previos [23]. Concretamente, los mejores resultados se obtuvieron para
tamaños de partícula de 100 μm debido a que para
tamaños pequeños de partícula las microfisuras que
se forman durante la deformación presentan un crecimiento individual menor con absorción de energía y en
consecuencia la muestra sufre una deformación ligeramente superior antes de la rotura. Adicionalmente, la
0,92
0,92
0,82
0,82
100
100-250
250-500
500-1000
1000
Tamaño de partícula de la fracción de pluma (μm)
Figura 4. Deformación a la rotura de los materiales
compuestos HDPE/Plu, PP/Plu y EVA/Plu cargados
con fracciones de diferente tamaño de residuo de pluma pretratado y de las correspondientes matrices puras. Se muestra también una ampliación de la zona
de bajas deformaciones en el rango de 0 a 25%.
0,94
0,94
Densidad (g/cm3)
200
PP/Plu
0,96
500
0
HDPE/Plu
0,98
Densidad (g/cm3)
Deformación (%)
600
Matriz
100-250 250-500
250-500
500-10001000 1000
Matriz
100100 100-250
500-1000
Tamaño
de partícula
la fracción
de pluma
Tamaño
de partícula
de lade
fracción
de pluma
(μm) (μm)
Figura 6. Densidad de los compuestos HDPE/Plu, PP/Plu y
EVA/Plu y de las correspondientes matrices puras para
diferentes tamaños de pluma.
Tal y como se observa en la Figura 6, los valores de
la densidad para las matrices de HDPE, PP y EVA son
0,96 kg/m3, 0,90 kg/m3 y 0,94 kg/m3, respectivamente. Teniendo en cuenta que la densidad de las plumas
es de 0,9 g/cm3 [25], la incorporación del 20% v/v de
plumas debería producir una ligera disminución de la
densidad en los tres tipos de materiales compuestos,
independientemente del tamaño de plumas utilizado.
Esto es justamente lo que se constata valorando los
datos obtenidos. Sin embargo, es destacable que la
presencia del 20% v/v de plumas afecta en mayor medida al HDPE y al EVA debido a que la diferencia de
densidades entre la pluma y estas matrices (7,3 y 5 %,
21
Figura 6. Densidad de los compuestos HDPE/Plu, PP/Plu y EVA/Plu y de las correspondientes matrices puras para diferentes
tamaños de pluma.
Tal y como se observa en la Figura 6, los valores de la densidad para las matrices de HDPE, PP y EVA
son 0,96 kg/m3, 0,90 kg/m3 y 0,94 kg/m3, respectivamente. Teniendo en cuenta que la densidad de las
plumas es de 0,9 g/cm3 [25], la incorporación del 20% v/v de plumas debería producir una ligera
disminución de la densidad en los tres tipos de materiales compuestos, independientemente del tamaño
de plumas utilizado. Esto es justamente lo que se constata valorando los datos obtenidos. Sin embargo, es
destacable
que la presencia del 20% v/v
plumas afecta
en mayor medida
al HDPE
y al PP
EVA debido
a
respectivamente)
es demayor
comparada
con
la del
y
que la diferencia
de densidades
entre la pluma y estas matrices (7,3 y 5 %, respectivamente) es mayor
la pluma
(1,3 %).
comparada con la del PP y la pluma (1,3 %).
HDPE/Plu
PP/Plu
EVA/Plu
Variación de espesor (%)
5
4
3
2
1
0
Matriz
100
100-250
250-500
500-1000
Tamaño de partícula de la fracción de pluma (μm)
con las fracciones de pluma de 100 μm y 1000 μm. En particular, la Figura 9 muestra los resultados obtenidos para
la matriz HDPE, destacando una mayor absorción de agua
para el compuesto HDPE/Plu cargado con la fracción de
plumas de 1000 μm en comparación con los que contienen
plumas de 100 μm. Concretamente, la absorción de agua
de los compuestos con partículas de 1000 mm es el doble
comparada con la de 100 mm (2,2 % frente al 0,9%). Además, se observa que el HDPE se descompone totalmente
mientras que la descomposición del material compuesto
HDPE/Plu no es total con un residuo del 3,2% y 2,8%,
respectivamente. Este residuo se atribuye totalmente a los
componentes inorgánicos contenidos en las plumas.
1000
Figura 7. Variación de espesor de los materiales compuestos HDPE/Plu, PP/Plu y EVA/Plu para
diferentes
tamaños
de partícula
de pluma.
y 8 muestran
los resultados
del ensayo
de estabilidad
dimensional, representando
HD
DPE/Plu1000
Masa (mg)
10
8
6
4
2
0
14 0
100
HDP
PE
200
H
HDPE/Plu100
0
300
Temperatura
T
a (ºC)
HD
DPE/Plu1000
400
5500
600
12a 9. Datos del anáálisis termogravim
Figura
métrico de las muuestras HDPE/Pllu para tamaños de
d pluma de 100 μμm y 1000 μm y de la
corresppondiente matriz pura.
p
Figura 9. Datos del análisis termogravimétrico de las
muestras HDPE/Plu para tamaños de pluma de 100
P
muestr
tran un comp
portamiento muy
m similar aal de los HDP
PE/Plu
Por ootra parte, loss materiales PP/Plu
(Figurra 10).
misma μm
figurra ytambién
observa, au
unque de man
nera matriz
menos aacusada,
una mayor
μmEny laa1000
de lasee correspondiente
pura.
8
Masa (mg)
10
absorcción de agua para
p los materriales preparaddos con partícculas de plumaas más grandees. Al igual qu
ue para
el casso del HDPE
E, la descom
mposición del PP es práctticamente tottal y la desccomposición de los
compu
uestos
PP/Plu
u
se
mantiene
%
independien
ntemente
del
tamaño
t
de
fib
bra.
En
este
c
sobre
el
96%
aso, el
6
residuuo final es ligeeramente supeerior al obteniddo para los materiales
m
HDP
PE/Plu.
Por otra parte, los materiales PP/Plu muestran un comportamiento
muy similar
alPP/Plu100
de los
HDPE/Plu
PP
0
PP
P/Plu 1000 (Figura 10).
4
En 114la misma figura también se observa, aunque de ma2
nera
menos acusada, una mayor absorción de agua para
1
12
los0 materiales preparados con partículas de plumas más
0
100
200
300
400
5500
600
grandes.
Al igual que para
el caso
1
10
Temperatura
T
a (ºC) del HDPE, la descomposición
PP es
prácticamente
lade descomposiFiguraa 9. Datos del del
anáálisis termogravim
métrico
de las muuestras HDPE/Pllu paratotal
tamaños de
d y
pluma
100 μμm y 1000 μm y de la
8
corresppondiente
matriz pura.
p
ción de los compuestos PP/Plu se mantiene sobre el 96%
6 parte, loss materiales PP/Plu
independientemente
del
tamaño
de fibra.
En este
caso,
el
P
muestr
tran
un comp
portamiento
muy
m similar
aal de los
HDP
PE/Plu
Por ootra
(Figurra 10). En laa misma figurra también see observa, au
unque de man
nera menos aacusada, una mayor
residuo
final
es
ligeramente
superior
al
obtenido
para
los
absorcción
de
agua
p
para
los
mater
riales
preparad
dos
con
partíc
culas
de
pluma
as
más
grande
es.
Al
igual
qu
ue
para
4
el casso del HDPE
E, la descom
mposición del PP es práctticamente tottal y la desccomposición de los
materiales
HDPE/Plu.
compuuestos PP/Pluu se mantiene sobre el 96%
% independien
ntemente del tamaño
t
de fibbra. En este caso, el
Massa (mg)
agua de los materiales compuestos de matriz poliolefínica
es muy baja (0,6-0,7 %) e independiente del tamaño de
las pluma, mientras que la de los materiales EVA/Plu es
mayor (~ 1,5 %) y muestra una tendencia dependiente de
la fracción de pluma utilizada.
Estos resultados ponen de manifiesto que el tamaño de
fibra sólo afecta la estabilidad dimensional de los materiales compuestos EVA/Plu y de manera poco significativa. Esta diferencia en la tendencia es debida al mayor
carácter hidrofílico de la matriz EVA respecto a las matrices poliolefínicas que permite una mayor accesibilidad del
agua hacia los intersticios de la matriz que, a su vez, se ve
favorecida por la mayor capacidad de retención de agua
de las plumas de tamaño de partícula mayor.
H
HDPE/Plu100
0
12
Figura 7. Variación de espesor de los materiales compuestos HDPE/Plu, PP/Plu y EVA/Plu para diferentes tamaños de partícula
de pluma.
Las figuras 7
la
evolución de la variación de espesor (Figura 7) y de la absorción de agua (Figura 8) de los distintos
materiales compuestos en función de la fracción de pluma. Para todos los materiales se produce un
Lasdelfiguras
8 muestran
los resultados
del dimensional)
ensayo de
incremento
espesor de7la ymuestra
de  3 % (disminución
de la estabilidad
debido al
carácterestabilidad
hidrofílico del material
queratínico. Larepresentando
absorción de agua de los
compuestos
de matriz
dimensional,
lamateriales
evolución
de la
poliolefínica
es muy baja
%) e independiente
las pluma, mientras
que la de los
variación
de(0,6-0,7
espesor
(Figura 7)dely tamaño
de ladeabsorción
de agua
materiales EVA/Plu es mayor ( 1,5 %) y muestra una tendencia dependiente de la fracción de pluma
(Figura 8) de los distintos materiales compuestos en funutilizada.
Estos resultados
ponen
manifiesto de
que el
tamaño dePara
fibra sólo
afecta los
la estabilidad
dimensional
ción de
la de
fracción
pluma.
todos
materiales
se de los
materiales compuestos EVA/Plu y de manera poco significativa. Esta diferencia en la tendencia es debida
produce un incremento del espesor de la muestra de ~ 3 %
al mayor carácter hidrofílico de la matriz EVA respecto a las matrices poliolefínicas que permite una
(disminución
la los
estabilidad
dimensional)
debido
al ca- por la
mayor accesibilidad
del aguade
hacia
intersticios de la
matriz que, a su vez,
se ve favorecida
mayor capacidad
retención de agua
las plumas de
tamaño de partícula
rácter de
hidrofílico
deldematerial
queratínico.
Lamayor.
absorción de
HDP
PE
14
2 final es ligeeramente supe
residuuo
erior al obteniddo para los materiales
m
HDP
PE/Plu.
HDPE/Plu
PP/Plu
EVA/Plu
0
1
14 0
PP
PP/Plu100
0
PP
P/Plu 1000
100
200
300
0
Temperatu
ura (ºC)
400
500
600
100
200
300
0
Temperatu
ura (ºC)
400
500
600
1
12
2,00
1,50
1,00
1
10
Massa (mg)
Absorción de agua (%)
2,50
8
6
4
0,50
2
0,00
Matriz
100
100-250
250-500
500-1000
1000
Tamaño de partícula de la fracción de pluma (μm)
Figura 8. Absorción de agua de los materiales compuestos HDPE/Plu, PP/Plu y EVA/Plu para diferentes tamaños de partícula de
pluma y las correspondientes matrices puras.
Figura 8. Absorción de agua de los materiales compuestos
HDPE/Plu, PP/Plu y EVA/Plu para diferentes tamaños de
3.3. Análisis
Termogravimétrico
partícula
de pluma y las correspondientes matrices puras.
Las Figuras 9-11 representan los termogramas obtenidos para cada una de las matrices de polímero puro
junto con
los obtenidos
paraTermogravimétrico
los materiales compuestos preparados con las fracciones de pluma de 100
3.3.
Análisis
μm y 1000 μm. En particular, la Figura 9 muestra los resultados obtenidos para la matriz HDPE,
Las
Figuras
9-11
losHDPE/Plu
termogramas
destacando una mayor absorción derepresentan
agua para el compuesto
cargado con obtenidos
la fracción de plumas
de 1000para
μm encada
comparación
que matrices
contienen plumas
100 μm. Concretamente,
la absorción
unacon
deloslas
de depolímero
puro junto
con de
agua de los compuestos con partículas de 1000 m es el doble comparada con la de 100 m (2,2 % frente
los obtenidos para los materiales compuestos preparados
al 0,9%). Además, se observa que el HDPE se descompone totalmente mientras que la descomposición
del material compuesto HDPE/Plu no es total con un residuo del 3,2% y 2,8%, respectivamente. Este
residuo se atribuye totalmente a los componentes inorgánicos contenidos en las plumas.
22
0
0
Figura 10. Datos del análisis termogravimétrico de las
PP/Plu para tamaños de pluma de 100 μm y 1000
μm y de la correspondiente matriz pura.
muestras
Tal y como se aprecia en los termogramas de las muestras
de EVA/Plu (Figura 11), el inicio de la descomposición del
EVA tiene lugar a una temperatura ligeramente inferior a
la del PP y HDPE, debido a que la matriz EVA presenta
AFINIDAD LXXIII, 573, Enero - Marzo 2016
Figura 12. Microfotografías SEM de la superficie de fractura de probetas HDPE/Plu.
Figura 13. Microfotografías SEM de la superficie de fractura de probetas PP/Plu.
Figura 14. Microfotografías SEM de la superficie de fractura de probetas EVA/Plu.
el grupo acetato que descompone antes que las cadenas
poliolefínicas del HDPE y PP. De igual forma, también se
puede apreciar, como se ha mencionado anteriormente, la
absorción de agua total del compuesto EVA/Plu es mayor
que la de las muestras HDPE/Plu y PP/Plu. Igual que se
observó con los compuestos HDPE/Plu y PP/Plu, el residuo que se obtiene en los compuestos EVA/Plu es atribuible completamente a las plumas y presenta un valor
próximo al 3 %, de forma similar al del PP/Plu.
3.4. Microscopía electrónica de barrido
Para poder evaluar la compatibilidad de las matrices poliméricas con los residuos queratínicos, se tomaron microfotografías SEM de la superficie de fractura de las probetas utilizadas en los ensayos de esfuerzo-deformación
(sección 3.1). Las Figuras 12-14 muestran una selección
de dichas microfotografias SEM correspondientes a los
materiales HDPE/Plu (Figura 12), PP/Plu (Figura 13) y EVA/
Plu (Figura 14).
Todas las microfotografías confirman una pronunciada heterogeneidad de la distribución de tamaños, orientación y
AFINIDAD LXXIII, 573, Enero - Marzo 2016
morfología de las plumas en el interior de la matriz, que es
consistente con los resultados obtenidos en la evaluación
de las propiedades mecánicas. Consecuentemente, la
anisotropía del material potencia la aparición de defectos
y micro/macro fisuras en el material, reduciendo significativamente sus propiedades mecánicas tal y como se ha
mencionado anteriormente. Además, si tenemos en cuenta la baja compatibilidad de los componentes del material
compuesto debido a sus diferencias en naturaleza (biopolímeros naturales frente a polímeros sintéticos) y carácter
hidrofílico/hidrofóbico (mayor hidrofobicidad de los polímeros sintéticos), todo ello explica la disminución de las
propiedades mecánicas al incorporar las plumas. En síntesis, el resultado de la mezcla es una masa microgranulada, con un grado de dispersión amplio y características
superficiales que no facilitan la cohesión entre las fases.
En las figuras 12 y 13 que muestran las microfotografías de
los compuestos de HDPE/Plu y PP/Plu, respectivamente,
se observa la poca adhesión interfacial entre ambos componentes, independientemente del tamaño de partícula, lo
23
que provoca un aumento del número de huecos alrededor
Figuraa 10. Datos del annálisis termogravvimétrico de las m
muestras PP/Plu para
p
tamaños de pluma
p
de 100 μm
m y 1000 μm y dee la
de
la
fibra.
corresp
pondiente
matriz pura.
pCuando se fractura el compuesto, la superficie
de
las
plumas
aparece
limpia
y
se
puede
deducir
ésTal y como se aprecia en los termogramas de las muestras de EVA//Plu (Figura 11), el que
inicio
o de
la
descoomposición
deel EVA tiene lu
ugar
a una tem
mperatura por
ligeeramente
inferrior aqueda
la del PPP y HDPE,
a
tas
son fácilmente
extraibles,
lo que
clarodeebido
que
que laa matriz EVA
A presenta el grupo acetatoo que descom
mpone antes que las cadenaas poliolefíniccas del
laHDPE
fractura
produce
de
interfase
de
la matriz
E y PP. De se
i
igual
forma, tambiénasetravés
ppuede aprecia
ar, la
como
se ha
h mencionad
do anteriorme
nte, lay
absorcción de agua total del com
EVA//Plu es mayor que la de laas muestras H
HDPE/Plu y PP/Plu.
P
no
fracturando el mpuesto
propio
refuerzo como sería óptimo
para
Igual que se observvó con los com
mpuestos HDP
PE/Plu y PP/Plu, el residuo que se obtiene
ne en los comp
puestos
EVA/
/Plu es atribuiible
completam
mente a lasideal.
pllumas y preseenta un valor próximo
p
al 3 %
%, de forma similar
s
un
material
compuesto
al del PP/Plu.
EVA
E
12
EVA/Plu100
EVA
A/Plu1000
300
Temperatura
a (ºc)
400
10
Masa (mg)
8
6
4
2
0
0
100
200
5000
600
Figuraa 11. Datos
del annálisis
termograv
vimetrico
de las m
muestras
EVA/Plu
u para tamaños de
d pluma de 100
μμm ylas
1000 μm.
Figura
11.
Datos
del
análisis
termogravimetrico
de
muestras EVA/Plu para tamaños de pluma de 100 μm y 1000 μm.
3.4. M
Microscopía electrónica
e
dee barrido
Para Figura
poder evaluaar
matrices poliméricas
p
co
on los residuuoscon
queratínic
cos, se
bilidad deel
laas compuesto
La
14la compati
muestra
EVA/Plu
tamatomarron microfotografías SEM de la superficcie de fracturra de las probetas utilizadaas en los ensay
yos de
ño
fibraiónde
100
μm.
En12-14
este
caso
se observa
que
la
esfuerde
rzo-deformaci
(sección
3.1).
3
Las
Figurras
mueestran
una seleección
de dichhas microfotog
grafias
SEM correspondienntes a los mateeriales HDPE
E/Plu (Figura 12),
1 PP/Plu (Figura 13) y EV
VA/Plu (Figu
ura 14).
fibra aparece más integrada en la matriz mostrando así
una mejor adhesión interfacial, con pequeñas áreas con
cortes limpios que indican que las fibras en algunos casos
se han roto en lugar de separarse de la propia matriz. En
el contorno de la partícula no aparecen huecos importantes, aunque tampoco suficientes fragmentos de la matriz
dispersos sobre la superficie de las fibras queratínicas que
confirmen una buena adhesión.
Finalmente,
es importante destacar que el tamaño de par tícula es efectivamente un parámetro que afecta de forma significativa a la interacción entre componentes y a
las propiedades macroscópicas del material [26-28]. Tal y
como se expuso anteriormente, las mejores propiedades
mecánicas de los materiales compuestos se obtuvieron
para las plumas de menor tamaño de partícula 100 μm
ya que ofrecen una superficie específica mayor y aunque
también generan micro-grietas su contribución al empeoramiento de las propiedades del material es inferior al que
se produce cuando se trabaja con plumas de mayor tamaño. Al aumentar el tamaño de partícula se promueve
la formación de grietas críticas y fallas de mayor consideración que empeoran las propiedades mecánicas del
material (Figuras 4 y 5).
4. CONCLUSIONES
Con este trabajo se ha demostrado, por un lado, que es
posible la revalorización de residuos de plumas de pollo
pretratados para la obtención de materiales compuestos con matrices termoplásticas (HDPE, PP y EVA). Así,
la mezcla de fracciones de plumas de diferente tamaño
(100 – 1000 mm) con las matrices termoplásticas ha permitido preparar materiales compuestos con un contenido
de pluma del 20% v/v. No obstante, las propiedades mecánicas de los compuestos HDPE/Plu, PP/Plu, en general
e independientemente del tamaño de partícula, disminuyen significativamente si las comparamos con las de las
respectivas matrices puras. Tan sólo se observan ligeras
24
mejoras del Módulo de Young cuando el tamaño de fibra
utilizado es de 100 μm.
De entre las matrices estudiadas, los compuestos EVA/Plu
muestran un mejor comportamiento mecánico comparado
con los obtenidos con matrices poliolefínicas (HDPE, PP)
debido a la mayor hidrofilidad del EVA que propicia una
mejor compatibilidad entre los componentes. Igual que en
el caso de los compuestos HDPE/Plu y PP/Plu, los compuestos EVA/Plu muestran mejor comportamiento cuando
se utilizan fracciones de plumas de tamaño más pequeño,
debido fundamentalmente a la menor longitud de las microfisuras que se forman durante la deformación que tiene
lugar antes de la rotura.
Por lo que se refiere a otras propiedades, la densidad no
varía en relación con el tamaño del residuo queratínico. Sin
embargo, la estabilidad dimensional sí que empeora cuando se incrementa el tamaño de las plumas, especialmente
para los compuestos EVA/Plu. Esto es debido a la mayor
absorción de agua del material promovida por el carácter
más hidrofílico de la matriz EVA y a la mayor capacidad de
absorción de agua de las plumas de mayor tamaño tal y
como ha sido corroborado por termogravimetría.
Si bien los resultados obtenidos con estos materiales,
constituidos a partir de polímeros termoplásticos y de residuos biogénicos, indican que es posible la revalorización
de estos residuos para obtener nuevos biocomposites con
un posible menor impacto ambiental para aplicaciones
industriales, solamente tendrían un nicho de aplicación
real allí donde las exigencias de resistencia mecánica no
fueran críticas. Es destacable que la fabricación de estos
materiales podría ser positiva tanto para la reducción del
volumen global de este tipo de residuo como para la reducción del consumo de materias primas poliméricas. Estos efectos positivos serían valiosos siempre y cuando se
pudiera garantizar que las propiedades de los materiales
compuestos fueran, como mínimo, comparables a las de
las matrices puras, lo que se demuestra como inviable sin
realizar modificaciones en el proceso de fabricación. En
este sentido, se propone la incorporación de agentes de
acoplamiento que contribuyan a mejorar efectivamente la
compatibilidad entre los componentes, lo que podría aumentar las prestaciones de estos materiales y ampliar así
el número de aplicaciones, limitadas por ahora a situaciones en las que la resistencia del material no es determinante.
AGRADECIMIENTOS
Los autores desean agradecer al Ministerio de Ciencia e
Innovación (España) y a FEDER el apoyo económico recibido (proyecto MAT 2010-17057) para la realización de este
trabajo y a la AECID por la ayuda económica concedida
al Sr. Ahmed Rahhali (MAEC-AECID 2011-2014.593407.
III-3).
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