El potencial y los retos de los compuestos WPC y las fibras naturales

Los compuestos de plástico y madera u otras fibras naturales  (WPC, en inglés) son una forma de darle valor agregado a material vegetal usualmente desechado, así como de darles mayores propiedades de desempeño a los plásticos. Así, las resinas termoplásticas tales como polipropileno (PP), polietileno (PE), poliestireno (PS), ácido poliláctico (PLA) y policloruro de vinilo (PVC) pueden ser mezcladas con materiales celulósicos, como madera o fibras, para producir compuestos procesables fácilmente y reciclables. El uso de lignocelulósicos en el procesamiento de termoplásticos de uso masivo para reducir costos o mejorar el desempeño mecánico no es nuevo y hay investigaciones en el tema desde los años sesenta.

En Estados Unidos ha habido un crecimiento reciente de los WPC en la construcción residencial con la cancelación del uso de madera tratada con CCA (arseniato de cobre cromatado) en este mercado, y en Europa es uno de los principales segmentos de crecimiento (25% anual). El estudio de la empresa británica Applied Market Information Ltd., de Bristol, dice que para finales del presente año el volumen de mercado llegará a 140.000 toneladas, duplicando el volumen de 2007.
Los WPC se hacen típicamente con cargas de relleno de 30 a 60%, aunque se logran mayores llegando hasta 90%. Uno de los rellenos más populares es la harina de madera, que se puede obtener a partir del molido fino de material de desecho postindustrial, como astillas, aserrín o residuos de cepillo. El uso de fibras, aunque más difíciles de procesar, puede resultar en mejores propiedades del compuesto y actuar más como refuerzo que como relleno. La fibra se obtiene de fuentes vírgenes o recicladas, como demoliciones o material impreso usado. También se puede obtener a partir de árboles pequeños, residuos agroindustriales (flores, café, etc.) y especies subutilizadas.
Para estabilizar el compuesto es necesario el uso de aditivos, cada uno con una función específica. Los lubricantes mejoran la apariencia y el procesamiento y los agentes de acople mejoran la adhesión entre el material celulósico y el plástico. Otros aditivos usados incluyen colorantes, estabilizantes UV, agentes espumantes y resinas termoestables.

La producción de WPC es usualmente un proceso de dos etapas: mezclado y formado. En la etapa de mezclado, la harina o las fibras se combinan con el plástico fundido, junto con los aditivos necesarios, para producir un compuesto homogéneo. El formado se puede hacer por extrusión, inyección o moldeo por compresión.
Existen factores que afectan el procesamiento de WPC. El primero es la humedad. Como el material celulósico es hidrofílico, es necesario secarlo puesto que la presencia de humedad se observará en el formado como defectos de superficie o presencia de vacíos en la pieza. Por otro lado, la temperatura del fundido no debería superar los 200oC, ya que la exposición prolongada a altas temperaturas puede resultar en la producción de volátiles, decoloración, malos olores y degradación de la parte celulósica. Además, mientras la madera se hincha y encoge por su contenido de humedad, el polímero presenta ese comportamiento con la temperatura.

Usos potenciales
Las propiedades mecánicas y físicas, resistencia, rigidez, resistencia al impacto, densidad y color, son características importantes para tener en cuenta en las diferentes aplicaciones de WPC. En el sector automotriz, se podría usar la ventaja que tienen estos materiales de baja gravedad específica respecto a compuestos con rellenos inorgánicos. En productos de uso en el hogar como manijas y agarraderas, entre otros, en los cuales se tendría apariencia de madera pero se procesan como plásticos. Finalmente en construcción, que es el sector con mayor potencial, donde los WPC se usan para aplicaciones semi o no estructurales como baldosas de uso exterior, listones, perfiles para ventanas, etc. gracias a la apariencia y el mejor desempeño térmico y de “creep” respecto a plásticos sin rellenar o reforzar. De hecho, este mercado está siendo afectado por la relación calidad/costo, el impacto de usar químicos para tratamiento de madera en el ambiente, la aceptación por parte de los constructores y el mercadeo efectivo.

Asuntos pendientes
Existen, sin embargo, varios retos que hay que resolver y en los que se está trabajando alrededor del mundo. En procesamiento, se trabaja en el desarrollo de mejores sistemas de mezclado que minimicen el daño a las fibras y de mejores sistemas de formado, extrusión (perfilería y co-extrusión), inyección y compresión. Respecto a los aditivos, en desarrollar mejores sistemas de compatibilización, mejorar las propiedades de la fracción de madera o fibra por medio de modificación enzimática, química o con plasma para optimizar el desempeño en exteriores.

En términos del desempeño a largo plazo de estos compuestos aún hay temas pendientes o parcialmente resueltos, sin embargo, el gran potencial de este material ha impulsado la investigación al respecto. Según el Servicio Forestal del Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA), hay que avanzar en la solución de los siguientes interrogantes:

• La durabilidad a largo plazo de los WPC en exteriores, incluyendo factores bióticos y abióticos.
• La posibilidad de simular esta exposición usando métodos acelerados de envejecimiento en laboratorio.
• Cuáles hongos y de qué manera colonizan y degradan los WPC en condiciones naturales.
• En términos de estandarización qué hongos y bacterias deberían usarse en los ensayos.
• De qué manera la forma de la fibra o harina de madera influencia la degradación de WPC.
• La degradación de los aditivos usados para producir WPC, si la hay, cómo afecta a la degradación del compuesto.
• Qué aplicaciones requerirían del uso de fungicidas en la formulación del compuesto y de qué forma estos fungicidas interfieren con los agentes de acople.

Aplicaciones y desarrollos hoy
TechWood Inc., compañía británica, ha desarrollado un sistema modular para la fácil construcción de casas completas de WPC. Las primeras casas, con área útil de 85 m2 y precio inicial de 210.00 euros, se están construyendo en Europa y Estados Unidos. TechWood produce los componentes de las casas a partir de WPC con contenido de fibra natural de 75%. Se logra una rigidez de 6.000 a 7.000 Mpa con el uso de fibras largas. Los perfiles que van a soportar cargas se refuerzan adicionalmente con insertos de metal o fibra de vidrio, logrando una rigidez de 10.000 a 14.000 Mpa.

TechWood ha construido una colaboración con Cincinnati Extrusion desde 2002. De esta forma Cincinnati ha podido optimizar continuamente su línea Fiberex. Los cinco modelos de extrusora (38, 58, 80, 92 y 135) están disponibles para entregas de hasta 1.000 kg/h. Cuentan con dosificación y alimentación modulares de material que permiten el procesamiento de materias primas preparadas de manera distinta, además de los sistemas de degasificación para compuestos con hasta 85% de contenido de fibras naturales.

Similarmente, en Colombia la empresa Maeco ha desarrollado en conjunto con la Universidad de los Andes la producción de perfiles de WPC a partir de PVC reciclado y usando como relleno de cisco de café, una cáscara del grano que se quita en la trilla. Se han construido casas de 48 m2 de área base y su precio está alrededor de 8000 dólares. (Ver el artículo en esta edición).

Milacron ofrece el sistema Plug & Play para el pretratamiento y la alimentación de los materiales necesarios para extruir madera plástica. La fibra, la resina y los aditivos críticos se alimentan primero a una unidad de dosificación y mezclado. En seguida, estos materiales se aglomeran para lograr su compactación y mejor manejo en las etapas siguientes. La empresa presenta para esta aplicación su línea TC86 de tornillos con gran diámetro (176 mm, afilados hasta 86 mm, con una relación LD de 27:1) que tiene una zona de alimentación optimizada para lograr una transmisión calorífica uniforme y rápida desde el tornillo hasta el material. Un alto torque a baja velocidad facilita un fundido homogéneo y una plastificación eficiente en la extrusión de vinilos. Los tornillos dobles cónicos generan presión positiva de bombeo para obtener una extrusión de calidad.

Chemnitz Technical University instaló una extrusora de doble tornillo ZE 40 A x 50 D UTXi de KraussMaffei Berstorff GmbH en su Centro de Tecnologías Livianas Integrales (ZIL). Con este equipo Chemnitz busca fortalecer su investigación y conocimiento en el uso de compuestos reforzados con fibras naturales. Las actividades de investigación y desarrollo están enfocadas en nuevos procesos combinados de inyección por moldeo para plásticos reforzados con materiales de fibras largas y productos textiles semi-terminados. Estos materiales son usados como elementos de construcción en las industrias de autos y de aeronaves así como para trenes, donde ayudan a bajar peso y por lo tanto reducir las emisiones de CO2.

Según KraussMaffei, la serie ZE-UTX, para el procesamiento óptimo de compuestos reforzados con fibras naturales, se destaca por tener mezclado de material e intercambio de calor intensivos, distribución angosta de tiempo de residencia y tasas de entrega independientes de la velocidad. Los canales profundos de los tornillos garantizan un gran volumen libre para una descarga confiable del vapor de agua liberado en el procesamiento, mejorando el procesamiento de fibras naturales sin secar (fibras con contenido de humedad residual de hasta 12%). Además, el diseño de los elementos Multi-Process de KraussMaffei evita que las fibras se dañen por altas temperatura o tasas de corte.

Por su parte, Reifenhäuser Extrusion organizó en diciembre de 2009 un evento “Open House” donde exhibió las líneas de extrusión directa de WPC Generation II BiTrudex. La nueva generación logra ahorros de energía de hasta 30%, reducción de polvo, es de fácil manejo, cuenta con un tamaño adicional de extrusora para perfiles de WPC más pequeños y realiza medición gravimétrica de las cantidades procesadas de componente plástico que aumenta la flexibilidad y el control del proceso.

De acuerdo con voceros de la compañía, Coperion es pionero del proceso en un sólo paso para convertir fibras celulósicas sin secar y resinas poliolefínicas en productos finales como cubiertas exteriors, pellets de madera plástica y sus subsecuentes aplicaciones. Tornillos gemelos corrotantes son utilizados para mezclar estos materiales difíciles de homogeneizar. Según la empresa fabricante, estas extrusoras son diseñadas para ser excelentes mezcladores de alta cizalla pero adicionalmente proveer diversas opciones para el control de la temperatura. Esto, en respuesta a que el reto de mezclar fibras naturales con materiales poliméricos es controlar es controlar la potencia de la cizalla para lograr un mezclado eficiente sin sobrecalentar materiales altamente sensibles a la temperatura.

Entek ofrece líneas de extrusión para compuestos de madera plástica con base en los extrusores E-Max, de tornillos gemelos, que tienen barriles segmentados y tornillos con un diseño eficiente desde el punto de vista energético. Los tamaños de tornillo van desde 27 mm a 133 mm, siendo más populares los tamaños desde 53 mm. La productividad en el procesamiento de madera plástica varía desde entre 500 y 1.500 libras/hora hasta entre 6.000 y 12.000 libras /hora, con un máximo de 300 rpm.