Caracterización anatómica

El análisis de las fibras se hizo por su posible influencia en las propiedades físicas y mecánicas del material compuesto.

La longitud promedio de fibra fue mayor para la edad de 5 años (1 554 µm), seguido de la de 4 años (1 399 µm) y la de 6 años (1 100 µm). De acuerdo con ^{IAWA (1989)}, dichas dimensiones son catalogadas como fibras de longitud mediana (900-1 600 µm); por lo tanto, a todas se les consideró así. El diámetro de fibra promedio fue de 28, 27 y 26 µm, para las edades 5, 4 y 6 años sin que se confirmara una diferencia significativa.

Según ^{Ibama (1991)}, el diámetro de fibra se clasifica como mediano. El espesor de pared promedio para las tres edades (2 µm) se define como muy delgada (^{IAWA, 1989}). El coeficiente de esbeltez (conocido también como la relación largo/ancho) registró su valor más alto para los 5 años de edad (57), seguido de la de 4 años (53) y la de 6 años (44). Los resultados se muestran en el Cuadro 3.

Caracterización química

Los contenidos de extractivos, holocelulosa, lignina y cenizas resultaron muy semejantes para las tres edades evaluadas. El contenido de extractivos y de cenizas fueron numéricamente inferiores a los registrados por ^{Oluwadare y Asagbara (2008)}, quienes en un estudio de la composición química de Sterculia setigera Delile, especie de misma familia que Guazuma crinita (Cuadro 4). Los resultados de contenido de lignina guardaron semejanza numérica con los valores hallados por ^{Oluwadare y Asagbara (2008)}. El contenido de holocelulosa fue superior al consignado por ^{Pettersen (1984)} para Guazuma tomentosa Kunth.

Propiedades físicas

Contenido de Humedad

En la Figura 1 se presentan los valores promedio de humedad final para todas las muestras del material compuesto PP-Bolaina blanca, los cuales oscilan entre 2.2 a 0.9 % para el año 4, de 2.7 a 1.3 % para el año 5 y de 2.1 a 1.2 % para el año 6. Los contenidos de humedad guardan similitud numérica en las tres edades consideradas, a pesar de que estadísticamente resultó como variable influyente. La composición química de las fibras de G. crinata casi no registró diferencias en sus tres edades.

Figura 1 Contenido de humedad de los materiales compuestos PP-Bolaina blanca. 

La proporción de partículas en el material compuesto PP-Bolaina blanca y la humedad final evidenciaron una relación proporcional, la cual obedece a la naturaleza higroscópica inherente de la madera. Los carbohidratos que conforman la pared celular de las fibras vegetales, tales como celulosa y hemicelulosas, incluyen grupos hidroxilo (OH), los que son bastante afines al agua (^{Caulfield et al., 2005}; ^{Bouafif et al., 2009}). Asimismo, el contenido promedio de holocelulosa (celulosa y hemicelulosas) en las fibras de G.crinita para las tres edades en estudio está por encima de 70 %, lo que confirma una fuerte afinidad entre las fibras y la humedad circundante. En materiales compuestos plástico-madera, los componentes lignocelulósicos son responsables de la ganancia de humedad; las matrices por lo general poseen carácter hidrófobo (^{Klyosov, 2007}; ^{Caicedo et al., 2015}).

^{Cárdenas (2012)} hace referencia a un intervalo máximo de aceptabilidad para el contenido de humedad en materiales compuestos de 2 %. El mismo autor registró valores de 0.27 a 0.31 % para materiales compuestos elaborados por el método de inyección.

El análisis estadístico indicó que las variables edad y proporción de mezcla son altamente significativas (p≤0.0041). La interacción doble edad*tamaño de partícula y la interacción triple afectan de igual manera a los valores de humedad (p≤0.0040).

Densidad aparente

La Figura 2 presenta los valores promedio de densidad aparente para todas las muestras del material compuesto PP-Bolaina blanca. Los valores oscilan entre 0.91 a 0.76 g.cm^-3 para el año 4, de 0.93 a 0.83 g.cm^-3 para el año 5 y de 0.90 a 0.82 g.cm^-3 para el año 6. La edad 5 años registra los valores más altos en densidad aparente; no obstante, la caracterización anatómica y química practicadas a las fibras de G. crinita resultaron con poca diferencia para las tres edades en estudio.

Figura 2 Densidad aparente de los materiales compuestos PP-Bolaina blanca. 

El análisis estadístico sugirió que las variables edad, tamaño de partícula y proporción de mezcla ejercen influencia altamente significativa (p≤0.0015); sin embargo, las interacciones dobles y la interacción múltiple no actuaron de esa forma sobre la densidad (p≥0.0405).

Respecto al tamaño de partículas, los tratamientos que incluyen las partículas más pequeñas registraron los valores de densidad más altos, dada la mayor facilidad de encapsulamiento del material (^{Fabiyi, 2007}; ^{Klyosov, 2007}; ^{Cárdenas, 2012}). Asimismo, se aprecia un ligero incremento en la densidad, cuando aumenta la proporción de partículas en el material compuesto. A pesar de que la madera de bolaina blanca presenta una densidad baja, el incremento de la misma favorece la densidad del material compuesto.

^{Moya et al. (2012)} calcularon valores de entre 0.98 y 1.04 g.cm^-3 para materiales compuestos reforzados con aserrín de pino. ^{Cárdenas (2012)} determinó densidades de 1.06 a 1.11 g.cm^-3 para materiales compuestos de polipropileno y madera de pino elaborados por el método de inyección; ^{Lázaro et al. (2016a)} dieron a conocer resultados similares, mediante el método combinado de extrusión y compresión. A su vez, ^{Soatthiyanon (2010)} consignó densidades entre 1.01 y 1.14 g.cm^-3 para diferentes tipos de materiales compuestos. Los números de densidad aparente generados en el presente estudio fueron inferiores, con respecto a los de la literatura citada.

Absorción e hinchamiento

La Figura 3 exhibe los valores promedio de absorción e hinchamiento para el material compuesto PP-Bolaina blanca durante dos meses de inmersión en agua.

Figura 3 Valores promedio de absorción e hinchamiento en materiales compuestos PP-Bolaina blanca. 

Los valores promedio de absorción varían de 17.4 a 5.7 % para el año 4, de 18.8 a 6.0 % para el año 5 y de 11.6 a 5.1 % para el año 6. A pesar que la variable edad presentó diferencia altamente significativa (p≤0.0001), la composición química de las fibras de G.crinita para las tres edades fue muy similar, por lo que no influyó en estos resultados.

Se aprecia una ligera disminución de los valores de absorción al emplear partículas de menor tamaño, lo cual concuerda con ^{Fabiyi (2007)} y con ^{Fuentes-Talavera et al. (2014)}. Cuando la interface en el material compuesto es homogénea y compacta, los elementos fibrosos están embebidos dentro de la matriz e imposibilitados de absorber humedad del exterior. Las partículas grandes son difíciles de embeber por la matriz y dejan regiones expuestas por donde absorberán humedad (^{Simonsen y Rials, 1996}; ^{Caulfield et al., 2005}). Asimismo, se reconoce una relación directa entre los valores de absorción y la proporción de partículas. ^{Klyosov (2007)} señala que la mayoría de plásticos utilizados en materiales compuestos, prácticamente, no absorben agua; por consiguiente, la incorporación de partículas celulósicas es la responsable de incrementar significativamente la absorción de agua.

Soattiyanon (2010) registró valores de absorción entre 8 y 9 % para diferentes tipos de materiales compuestos durante periodos de inmersión superiores a 6 meses, en materiales procesados por inyección; proceso que asegura un mejor recubrimiento de la fibra y por ende una mayor resistencia a la absorción. A su vez, ^{Lázaro et al. (2016a)} calcularon valores de absorción de 14 a 15 % en materiales compuestos de polipropileno y bambú, resultados similares a los de la presente investigación.

El análisis estadístico indicó una influencia altamente significativa (p≤0.0001) para las tres variables; del mismo modo, las interacciones dobles edad*tamaño de partícula y edad*proporción de mezcla, así como la interacción triple, afectaron los valores de absorción (p≥0.0007).

Los valores promedio de hinchamiento variaron entre 5.8 y 3.1 % para el año 4, de 5.8 a 3.3 % para el año 5 y de 5.2 a 3.6 % para el año 6. Las edades de 5 y 6 años tuvieron el mayor aumento de hinchamiento para las dos primeras horas de inmersión en agua. Por lo general, los tratamientos con partículas más grandes alcanzaron los valores más altos de hinchamiento, dado que no se encapsula totalmente la fibra, tendencia consignada en diferentes estudios (^{Okubo et al., 2004}; ^{Mattos et al., 2014}). Se define una relación directa entre el hinchamiento y la proporción de partículas, tal como sucede en la absorción. Esto se debe a la naturaleza hidrofílica de las partículas de madera, en especial por la presencia de grupos hidroxilo (OH) en la celulosa y hemicelulosas, componentes mayoritarios en la madera (^{Caulfield et al., 2005}; ^{Bouafif et al., 2009}).

^{Cárdenas (2012)} declaró incrementos en el hinchamiento cercanos a 10 % en materiales compuestos reforzados con madera de pino (50 por ciento del peso total), para periodos de inmersión superiores a cinco meses. En otra investigación, ^{Gonzáles et al. (2018)} registraron cifras de 2.6 % en materiales compuestos con bambú (30 % del peso total), para las primeras 24 h de inmersión y en materiales elaborados por extrusión y compresión. Los valores de hinchamiento obtenidos en el presente estudio superaron a los indicados por ^{Gonzáles et al. (2018)}, pero fueron inferiores a los de ^{Cárdenas (2012)}, quien experimentó con periodos de inmersión más prolongados y materiales compuestos elaborados por inyección.

El análisis estadístico indicó que la variable proporción de mezcla presentó influencia altamente significativa (p=0.0001) sobre los valores de hinchamiento.

Propiedades mecánicas

Módulo de ruptura (MOR)

La Figura 4 reúne los valores promedio de módulo de ruptura (MOR) en flexión estática y tensión para todas las muestras del material compuesto PP-Bolaina blanca. Los valores promedio de MOR en flexión variaron entre 33.7 y 26.2 MPa para el año 4, de 33.1 a 25.6 MPa para el año 5 y de 33.6 a 25.5 MPa para el año 6.

Figura 4 Módulo de ruptura (MOR) en flexión estática y tensión paralela de los materiales compuestos PP-Bolaina blanca. 

Se aprecia una relación inversa entre la proporción de partículas y los valores de MOR en flexión, en la que los tratamientos con menos proporción de partículas alcanzaron valores altos de MOR. De acuerdo a ^{Klyosov (2007)}, conforme aumenta la proporción de fibras lignocelulósicas en material compuesto, el MOR empieza a decrecer.

Los valores de MOR en flexión obtenidos en el estudio que aquí se documenta se asemejan a los referidos por ^{Cárdenas (2012)} y ^{Klyosov (2007)} (31-34 MPa y 21-26 MPa, respectivamente). Otros investigadores, como ^{Idrus et al. (2011)} y ^{Ravi et al. (2014)} coinciden en afirmar lo contrario: una mayor cantidad de fibras en el material compuesto mejora los valores de MOR en flexión. Una explicación para este comportamiento es la deficiente interacción refuerzo/matriz en el material compuesto, debido al método de fabricación, así como a las características anatómicas (longitud y espesor de pared) de las fibras de G. crinita. Es preciso señalar que la responsabilidad de conferir resistencia mecánica al material compuesto recae en las fibras. El análisis estadístico señaló para la variable proporción de mezcla una influencia altamente significativa (p=0.0001) sobre los valores de MOR en flexión.

Los valores promedio de MOR en tensión se registraron en un intervalo de 16.7 y 11.6 MPa para el año 4, de 16.2 a 11.2 MPa para el año 5 y de 18.8 a 10.7 MPa para el año 6. Los de MOR en tensión tuvieron similitud numérica en las tres edades estudiadas, a pesar de que estadísticamente la edad es una variable influyente. El coeficiente de esbeltez de la fibra de G. crinita casi no tuvo diferencias en sus tres edades.

Respecto al tamaño de las partículas, se aprecia un incremento moderado de los valores del MOR en tensión, si se utilizan piezas más grandes. ^{Stark y Berger (1997)} argumentaron que dicha característica es mayor cuando aumenta el tamaño de partículas, hasta alcanzar 250µm (60 ASTM), punto a partir del cual el MOR tensión empieza a decrecer. Sin embargo, autores como ^{Bledzki et al. (2005)} y ^{Nourbakhsh et al., (2010)} sostienen que la resistencia a la tensión en materiales compuestos PP-madera crece al disminuir el tamaño de las partículas, y atribuyeron este comportamiento a una mejora en la adhesión interfacial entre las partículas de madera y la matriz.

Se verificó un incremento significativo en los valores del MOR en tensión cuando se reduce la proporción de partículas de madera en el material compuesto (p=0.0001). Este fenómeno ha sido señalado por otros investigadores (^{Klyosov, 2007}; ^{Ravi et al., 2014}), que coinciden al afirmar que altas concentraciones de partículas de madera reducen el MOR del material compuesto.

^{Caulfield et al. (2005)} registraron valores de MOR en tensión de 44.9 MPa para materiales compuestos de polipropileno y fibras de álamo (30 por ciento del peso total). ^{Stark y Rowlands (2003)} consignaron valores de MOR de 29.4 y 37 MPa para materiales compuestos con aserrín en 40 y 20 % del peso total, respectivamente. ^{Cárdenas (2012)} registró valores de MOR entre 19 y 25 MPa para materiales compuestos polipropileno y madera de pino elaborados por el método de inyección.

Para las variables edad, tamaño de partículas y proporción de partículas, el análisis estadístico indicó una influencia altamente significativa (p=0.0001); del mismo modo, las interacciones dobles edad*tamaño de partícula y edad*proporción de mezcla, así como la interacción triple incidieron sobre los valores de MOR en tensión (p≤0.0093).

Módulo de elasticidad (MOE)

La Figura 5 exhibe los valores promedio de módulo de elasticidad (MOE) en flexión estática y tensión para todas las muestras del material compuesto PP-Bolaina blanca. Los valores promedio de MOE en flexión estática fluctuaron entre 1.3 y 0.9 GPa para el año 4, de 1.2 a 0.9 GPa para el año 5 y de 1.2 a 1.0 GPa para el año 6.

Figura 5 Módulo de elasticidad (MOE) en flexión estática y tensión de los materiales compuestos PP-Bolaina blanca. 

Los tratamientos con mayor proporción de partículas obtuvieron valores más altos de MOE en flexión. Las fibras de madera, generalmente, presentan buen comportamiento a la flexión, por lo cual los materiales compuestos con mayor cantidad de fibras demandan más esfuerzo para lograr su deformación (^{Caulfield et al., 2005}; ^{Idrus et al., 2011}). Sin embargo, reforzar con más partículas el material compuesto no produce, necesariamente, mejoras en el MOE en flexión. ^{Ravi et al. (2014)} señalan que los espacios vacíos, la baja interacción entre fibras y una deficiente dispersión de las mismas en la matriz, influyen en forma negativa en las propiedades mecánicas del material compuesto.

Para la variable proporción de mezcla, con el el análisis estadístico se obtuvo una influencia altamente significativa (p=0.0017) en los valores de MOE en flexión estática.

Los valores promedio de MOE en tensión variaron de 1.0 a 0.5 GPa para el año 4, de 0.9 a 0.6 GPa para el año 5 y de 0.9 a 0.7 GPa para el año 6.

Se observó un leve incremento en los valores del MOE en tensión cuando se emplearon partículas de G.crinita más grandes, tal como sucedió con el módulo de ruptura. Los valores más altos de MOE en tensión correspondieron a los tratamientos con partículas de mayor tamaño y resultaron inferiores a los citados por ^{Caulfield et al. (2005)}; ^{Lisperguer et al. (2013)} y ^{Cárdenas (2012)}.

La baja adhesión interfacial entre las partículas de G.crinita y la matriz de polipropileno posiblemente generaron zonas de alta heterogeneidad en el interior del material compuesto, lo que mermó su resistencia a la deformación (^{Essabir et al., 2015}). Asimismo, las características anatómicas de sus fibras en las tres edades bajo estudio registraron valores bajos, con longitudes de fibras de tamaño mediano y espesores de pared muy delgadas, características poco deseadas para ensayos de tensión (^{García et al., 2003}).

Para la variable tamaño de partícula, el análisis estadístico indicó una influencia altamente significativa (p=0.0001); del mismo modo, las interacciones dobles edad*tamaño de partícula y edad*proporción de mezcla presentaron influencia altamente significativa sobre los valores de MOE en tensión (p≤0.0005).

Resistencia al impacto

La Figura 6 presenta los valores promedio de resistencia al impacto para todas las muestras del material compuesto PP-Bolaina blanca. Los valores oscilaron de 0.62 a 0.46 J para el año 4, de 0.47 a 0.44 J para el año 5 y de 0.52 a 0.42 J para el año 6.

Figura 6 Resistencia al impacto de materiales compuestos polipropileno - Bolaina blanca. 

Los valores para la edad de 4 años fueron ligeramente más altos, a pesar de que el coeficiente de esbeltez de la fibra casi no tuvo diferencias en las tres edades.

Los tratamientos con partículas más grandes y pequeñas, respectivamente obtuvieron los valores de resistencia al impacto más elevados. Este comportamiento irregular puede explicarse por la deficiente interacción refuerzo/matriz en el material compuesto, debido al método de fabricación. La presencia de madera como refuerzo en la matriz PP genera zonas en las que se concentra el esfuerzo, lo que propicia el inicio de grietas y la potencial falla del material compuesto (^{Nourbakhsh et al., 2010}).

^{Stark y Berger (1997)} observaron que conforme aumentaba el tamaño de partícula, se incrementaba también la resistencia al impacto para diferentes materiales compuestos. Sin embargo, esto no se ajusta a los resultados del presente estudio en las que la matriz es la principal responsable de absorber la energía producida por el impacto. ^{Durowaye et al. (2014)} señalan que los incrementos en la cantidad de partículas de madera reducen la habilidad de absorber energía por parte de la matriz, lo que disminuye la resistencia al impacto en el material compuesto, influencia también consignada por ^{Yuan et al. (2008)}.

El análisis estadístico indicó que las variables edad y tamaño de partícula ejercieron influencia altamente significativa (p≤0.0002); del mismo modo, las interacciones dobles y la interacción triple afectaron los valores de resistencia al impacto (p≤0.0004).