Materiales

Se utilizó bagazo de caña donado por el ingenio azucarero de Casasano “La abeja” y arroz quebrado adquirido en el molino de arroz “Buenavista”, ambos ubicados en Cuautla, Morelos, México. Se utilizó glicerina con 99.5 % de pureza como plastificante, hidróxido de sodio (NaOH) con peso molecular de 40.00 para el tratamiento alcalino, ácido acético glacial con 99.7 % de pureza para neutralizar la fibra después del tratamiento alcalino y ácido oléico utilizado como desmoldante del biocompuesto (i.e., Reactivos Química Meyer).

Lugar de experimentación

El experimento se llevó a cabo en el Laboratorio de Materiales Biológicos del Departamento de Ingeniería Mecánica Agrícola de la Universidad Autónoma Chapingo, Texcoco, Estado de México. El bagazo de caña y el arroz quebrado se almacenaron a una temperatura de 4 °C hasta su uso y todas las etapas del experimento se realizaron a temperatura ambiente, 22 ± 2 °C.

Preparación de la fibra

El desmedulado del bagazo de caña se realizó por el método de suspensión (^{Lois, 1982}) utilizando un tamiz de malla de 4 mm, colocando los haces fibrosos en un recipiente para su secado a temperatura ambiente hasta peso constante. Una vez seca, se separó la porción de fibras a las que se les aplicó el tratamiento alcalino, éstas fueron sumergidas en una solución acuosa de NaOH al 5 % a 90 °C por 3 horas (^{Ibrahim et al., 2014}) y enseguida se enjuagaron repetidas veces hasta que las fibras alcanzaron un pH de 7. Previo a los últimos enjuagues, se sumergieron en ácido acético al 5 % para retirar cualquier residuo de NaOH de la superficie de las fibras, posteriormente la fibra tratada se secó a temperatura ambiente hasta peso constante.

Las fibras con tratamiento alcalino (CTA) y sin tratamiento alcalino (STA) se trituraron con un molino para café KRUPS F203 (KRUPS, Solingen, Alemania) y se colocaron sobre un tamiz vibratorio RETSCH AS 200 (RETSCH, Haan, Alemania) a una frecuencia de 70 Hz durante 10 minutos para obtener las diferentes longitudes de fibra (1.00, 0.50 y 0.25 mm).

Preparación del arroz quebrado

El arroz quebrado se molió en un molino de muestras Tecator Cyclotec 1093 Sample mill (Foss, Hilleroed, Dinamarca) y posteriormente se colocó en un tamiz vibratorio RETSCH AS 200 (RETSCH, Haan, Alemania) a una frecuencia de 70 Hz durante 10 minutos para obtener un tamaño de partícula de 250 µm.

Elaboración del biocompuesto

Se mezclaron agua (50 mL) y glicerina (2 mL) en un agitador magnético con calentamiento CIMAREC+ SP88857100 (Thermo Scientific, Waltham, USA) a 150 °C y 300 rpm, durante 5 minutos aproximadamente hasta observarse evaporación en el líquido. Posteriormente se agregó a la mezcla el polvo de arroz (36 g) y una vez que ésta alcanzó el punto de gel se añadieron 5 g de fibra de bagazo de caña y se mezcló hasta que ambos componentes se integraron completamente. Se colocó la mezcla en moldes de aluminio previamente recubiertos con ácido oleico para facilitar el desmolde, y se introdujo en un horno de aire caliente RIOSSA H-33 (Riossa, Monterrey, México) a 100 °C durante 60 minutos. Posteriormente, se aplicó sobre los moldes una presión de 30 kPa a temperatura ambiente (20 ± 2 °C) durante 24 horas para compactar la probeta. Finalmente se colocaron los moldes en el horno a una temperatura de 100 °C durante 40 minutos y se enfriaron a temperatura ambiente. Se realizó el mismo procedimiento para los seis tratamientos.

Pruebas mecánicas del biocompuesto

Resistencia a la Tracción. Se realizaron pruebas de tracción de acuerdo con la norma ASTM D3039 en una máquina universal de ensayos mecánicos INSTRON modelo 3382 (INSTRON, Norwood, USA) a una velocidad de cruceta de 4 mm⋅min^-1, con probetas de dimensiones de 250 x 25 x 4 mm (largo × ancho × espesor). Las probetas se sujetaron entre las mordazas de la máquina cubriendo una longitud de 75 mm en cada extremo de la probeta, la tracción se aplicó hasta la ruptura.

Resistencia a la flexión. Se determinó la resistencia a la flexión a tres puntos de acuerdo con la norma ASTM D7264, para lo cual se utilizaron probetas de dimensiones de 100 x 13 x 4 mm y una distancia entre soportes de 75 mm; se utilizó una máquina universal de ensayos mecánicos INSTRON modelo 3382 (INSTRON, Norwood, USA), la velocidad de desplazamiento de la cruceta se fijó en 5 mm⋅min^-1.

Resistencia a la compresión. La resistencia a compresión se determinó de acuerdo con la norma ASTM D3410, para lo cual se utilizaron probetas de 25 x 25 x 4 mm. La probeta se colocó entre los platos de compresión de la máquina universal INSTRON modelo 3382 (INSTRON, Norwood, USA) aplicando una carga compresiva hasta la ruptura sobre un tramo de 25 mm a una velocidad de 3 mm⋅min^-1.

Contenido de humedad

La humedad se determinó en probetas de dimensiones de 100 x 13 x 4 mm, las cuales se secaron a 105 °C hasta peso constante, se registró el peso antes (M1) y después (M2) del secado para calcular el contenido de humedad con la Ecuación 1 (^{Jumaidin et al., 2017}).

Absorción de agua

La absorción de agua del biocompuesto se determinó siguiendo la metodología reportada por (^{Guleria et al., 2018}). Las probetas, previamente secadas a 90 °C en un tiempo aproximado de 24 horas hasta alcanzar peso constante (P1), se sumergieron en 60 mL de agua a temperatura del ambiente en intervalos de tiempo de 1 hora. Al retirarlas del agua se limpiaron con un paño de algodón y se registró nuevamente el peso (P2). El porcentaje de absorción de agua, durante 20 horas continuas, se calculó con la Ecuación 2.

Biodegradabilidad

El porcentaje de biodegradabilidad del biocompuesto se determinó a partir del método de enterramiento en el suelo (^{Franco et al., 2004}). Se enterraron probetas de 100 x 13 x 4 mm en un suelo con un pH de 6 y 40 % de materia orgánica (base peso seco) a una profundidad de 8 cm. La temperatura se mantuvo a 22 ± 2 °C y el contenido de humedad en el suelo se mantuvo en un rango de 30 a 40 % al agregar 500 mL de agua por cada 1500 g de suelo cada 3 días (^{Wang et al., 2017}; ^{Guleria et al., 2018}). Antes de enterrar las probetas se secaron en un horno RIOSSA H-33 (Riossa, Monterrey, México) a 90 °C hasta peso constante y se anotaron los pesos iniciales (Pi), después de intervalos de tiempo de 1 semana las probetas se limpiaron con agua y posteriormente se secaron a 90 °C hasta peso constante, finalmente se registró el peso final (Pf) para poder obtener el porcentaje de biodegradabilidad (Ecuación 3).

Análisis de microestructura

Las superficies de fractura por tensión de los biocompuestos se observaron con un microscopio electrónico de barrido JEOL JSM-6390 (JEOL, Tokio, Japón) a una aceleración de voltaje de 10 kV. Todas las muestras se cubrieron con oro-paladio en proporción 80-20 respectivamente, para inducir la conductividad.

Diseño del experimento

Se utilizó un diseño experimental con asignación de tratamientos al azar con dos factores de estudio, tratamiento alcalino con dos niveles (CTA y STA) y longitud de fibra de bagazo de caña con tres niveles (1.00, 0.50 y 0.25 mm). Cada tratamiento fue evaluado en cinco probetas para cada prueba mecánica y en cinco probetas para las pruebas de contenido de humedad y absorción de agua.

Análisis estadístico

El análisis estadístico de los datos se condujo de acuerdo con el diseño experimental. Se realizó un análisis de la varianza simple y multifactorial para identificar el efecto de los factores sobre las propiedades mecánicas. Se realizó una prueba de comparación de medias (Tukey, 0.05).

Comportamiento mecánico del material

La resistencia mecánica a la tracción del biocompuesto con tratamiento alcalino y longitud de fibra de 0.25 mm resultó estar ligeramente por debajo de algunos plásticos (Tabla 2), tales como el polietileno de baja densidad (5 a 13 MPa), polietileno lineal de baja densidad (13 a 27 MPa), compuesto flexible de policloruro de vinilo (8 a 24 MPa) y considerablemente superior a los plásticos expansibles tales como poliestireno expansible (0.134 MPa), polipropileno expansible (0.363 MPa) y polietileno expansible (0.275 MPa) (IMPI, 2000), de tal manera que dicho biocompuesto es una propuesta ecológica prometedora para diversas aplicaciones.

De forma general, se observa que, al evaluar la interacción entre los factores de tratamiento alcalino de la fibra y longitud de ésta, hay una diferencia significativa (P ≤ 0.05) sobre la resistencia mecánica del material (Tabla 3). Los compuestos con longitud de fibra corta y con la aplicación de tratamiento alcalino mostraron una mayor resistencia mecánica, lo que se atribuye a una mejor transferencia de esfuerzos de la matriz hacia la fibra.

Propiedades de tracción. Se observó que la resistencia a la tracción y el módulo de Young aumentan en los biocompuestos que tienen fibra con tratamiento alcalino (CTA, Tabla 3), esto es debido a que, al remover parte de la lignina de las fibras, se modifica químicamente su superficie y aumenta la irregularidad de la misma, ocasionando una mejora en el enlace interfacial fibra-matriz (^{Saba et al., 2015}). De igual forma, ^{Wang et al. (2017)} sugieren que una buena adhesión fibra-matriz resultará en un incremento en el esfuerzo de tracción, debido a la similitud química en la estructura de ambos polisacáridos (celulosa y almidón), ya que dichos polímeros interactúan a través de puentes de hidrógeno formando una red rígida que incrementa el esfuerzo de tensión.

Por otro lado, hay una tendencia en el incremento de la resistencia a la tracción en compuestos con menor tamaño de partícula (Tabla 2). La mejora en el esfuerzo de tracción en compuestos con tratamiento alcalino de la fibra y con menor longitud de ésta, concuerda con lo reportado en la literatura (^{Wang et al., 2017}; ^{Guleria et al., 2018}) y se atribuye a una mejor transferencia de esfuerzos de la matriz hacia la fibra.

Propiedades de compresión. Los compuestos reforzados con fibra CTA, mostraron una mayor resistencia a la compresión que aquellos STA, siguiendo la misma dirección que en la prueba a la tracción, por lo que el comportamiento obtenido puede explicarse de manera similar. De igual manera, se observa que existen diferencias significativas entre los biocompuestos con diferente longitud de fibra, donde la longitud de fibra de 0.25 mm ocasionó una mayor resistencia a compresión que las longitudes de 0.50 y 1.00 mm (Tabla 3). La menor resistencia a la compresión en biocompuestos reforzados con fibra de mayor longitud se atribuye a que un mayor tamaño de partícula resulta en un mayor espacio entre partículas, por lo tanto, mayor porosidad del material (^{Tumwesigye et al., 2020}). Diversas investigaciones han reportado que el incremento en la porosidad disminuyó la resistencia mecánica en los biocompuestos reforzados con fibras naturales de okra, algodón, lino y palma datilera (^{Prachayawarakorn et al., 2010}; ^{Ibrahim et al., 2014}; ^{Guleria et al., 2018}).

Propiedades de flexión. Los resultados del ensayo de flexión muestran diferencias significativas entre los tres tamaños de longitud de fibra; para este caso, la resistencia mecánica del biocompuesto está fuertemente determinada por la longitud de la fibra, siendo más resistente con fibra de longitud más corta (0.25 mm) (Tabla 3).

Contrario a los resultados obtenidos en la prueba de tracción y compresión, en la prueba de flexión no se encontraron diferencias significativas en la aplicación del tratamiento alcalino de las fibras. Esto se atribuye principalmente a que la distancia con el eje neutro es muy corta, por la posición en que fueron ensayadas las probetas, de manera que los esfuerzos de tracción y compresión en los extremos superior e inferior se multiplicaron por valores muy bajos; en ensayos de probetas de mayor grosor, se esperaría que la resistencia a flexión sea proporcional a la resistencia a tracción y a compresión.

Sin embargo, a pesar de no existir diferencias significativas en la aplicación del tratamiento alcalino, el compuesto con tratamiento alcalino y menor longitud de fibra resultó ser el más resistente de todos (Tabla 2), lo que concuerda con los resultados de compresión y tracción. La resistencia a la flexión fue superior a la de tracción, lo que concuerda con lo obtenido por otros autores como ^{Morgan (2005)} y ^{Guleria et al. (2018)}.

Contenido de humedad

A pesar de que se observan ligeras variaciones entre tratamientos en el contenido de humedad de los biocompuestos, no hubo diferencias significativas entre ninguno de ellos (Tabla 2); ni el tratamiento alcalino ni la longitud de fibra ocasionaron diferencia en el contenido de humedad.

Absorción de agua

Se observó que el compuesto sin tratamiento alcalino y con longitud de fibra de 0.25 mm absorbió menos agua, mientras que el compuesto sin tratamiento alcalino y con longitud de fibra de 1.00 mm absorbió más agua (Figura 1), lo que sugiere que en compuestos con fibra STA, mientras más corta sea la longitud de ésta, menos agua absorbe. Los compuestos con fibra CTA manifestaron una absorción de agua más lenta; los materiales elaborados con fibra STA absorbieron más del 60 % de agua en las primeras horas, mientras que los compuestos con fibra CTA se mantuvieron por debajo de esta cifra. La absorción de agua es indeseable en la mayoría de las aplicaciones potenciales del biocompuesto.

Figura 1 Absorcion de agua de compuestos con fibra sin tratamiento alcalino (STA) y con tratamiento alcalino (CTA), con tres longitudes de fibra (L1, L2 y L3).
Figure 1. Water absorption of fiber composites without alkaline treatment (STA) and with alkaline treatment (CTA), with three fiber lengths (L1, L2 and L3). 

Biodegradabilidad

Luego de 4 semanas, la biodegradabilidad fue de 73.3, 76.7 y 74.7 % para los biocompuestos CTA, y de 80.9, 81.7 y 81.7 % para los biocompuestos STA con longitud de fibra de 0.25, 0.50 y 1.00 mm, respectivamente (Figura 2). Es claro que los compuestos CTA presentan un porcentaje de biodegradabilidad menor a los compuestos STA (Figura 2), este fenómeno puede ser atribuido a que el tratamiento alcalino mejora el enlazamiento interfacial fibra-matriz, produciendo una red fuerte que reduce el acceso de agua y microflora del suelo, resultando en una mayor resistencia a la degradación (^{Franco et al., 2004}; ^{Guleria et al., 2018}). Los compuestos elaborados con fibra de longitud corta (0.25 mm) tanto en los compuestos CTA y STA, presentaron un menor porcentaje de biodegradabilidad.

Figura 2 Biodegradabilidad en suelo de compuestos con fibra sin tratamiento alcalino (STA) y con tratamiento alcalino (CTA), con tres longitudes de fibra (L1, L2 y L3).
Figure 2. Biodegradability in soil of fiber composites without alkaline treatment (STA) and with alkaline treatment (CTA), with three fiber lengths (L1, L2 and L3). 

La tasa de degradación de los seis biocompuestos fue mayor en la primera semana (Figura 2), lo que se atribuye a que al degradarse primero el almidón se pierde la integridad estructural del biocompuesto (^{Ibrahim et al., 2014}), formando agujeros o canales que favorecen la entrada de microorganismos presentes en el suelo, ocasionando que la tasa de degradación aumente rápidamente en los primeros días (^{Franco et al., 2004}).

Análisis de microestructura

En las micrografías (Figura 3), se observa la morfología de la superficie de fractura de los compuestos sin tratamiento alcalino y 1.00 mm de longitud de fibra (Figura 3a), sin tratamiento alcalino y 0.25 mm de longitud de fibra (Figura 3b) y con tratamiento alcalino y 0.25 mm de longitud de fibra (Figura 3v), en los cuales se presentan diferentes mecanismos de falla: de la matriz, de la interfaz fibra matriz y de las fibras (^{Ibrahim et al., 2014}).

Figura 3 Microscopia electronica de barrido: a) biocompuesto sin tratamiento alcalino y longitud de fibra de 1 mm; b) biocompuesto sin tratamiento alcalino y longitud de fibra de 0.25 mm; c) biocompuesto con tratamiento alcalino y longitud de fibra de 0.25 mm.
Figure 3. SEM micrographs: a) biocomposite without alkaline treatment and 1 mm fiber length; b) biocomposite without alkaline treatment and 0.25 mm fiber length; c) biocomposite with alkaline treatment and 0.25 mm fiber length. 

En todos los biocompuestos se observa la falla de la matriz; sin embargo, en la Figura 3(a y b) se observan fallas en la interfaz fibra-matriz, o separación de la fibra y la matriz, debido a una pobre adherencia entre ambas; por otro lado, en la Figura 3cc se observa que la fractura se presentó sin mostrarse una separación entre la fibra y la matriz, reflejando una buena adhesión entre ambas y mayor resistencia a compresión, tracción y Módulo de Young (Tabla 3), lo que se atribuye al tratamiento alcalino, lo cual concuerda con resultados obtenidos en otras investigaciones (^{Ibrahim et al., 2014}; ^{Wang et al., 2017}; ^{Xie et al., 2018}).