¿Qué requisitos deben cumplirse para formular WPC?

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La incorporación de fibras celulósicas a los plásticos es un proceso atractivo desde el punto de vista económico y de desempeño de los productos terminados. Ha venido desarrollándose desde hace décadas y hoy en día son varias las ofertas de maquinaria especializada para el propósito. Sin embargo, se sabe que la adición de las fibras celulósicas, ya sea en forma de harina o viruta de madera, no es un proceso simple o libre de complicaciones. El propósito de este artículo es el de mencionar algunas de los requisitos que deben cumplirse en el intento de aprovechar las cargas celulósicas y también el de recopilar algunos adelantos recientes de tipo comercial que están disponibles para los industriales interesados en este tema.

La atención que han recibido las cargas de tipo celulósico en los plásticos se debe principalmente a su bajo costo y a su abundancia en la naturaleza. También, las fibras celulósicas tienen la connotación de ser más aceptables desde el punto de vista ambiental, por ser un recurso renovable. Sin embargo, el primer gran reto que el proceso de adición debe superar es la falta de compatibilidad de la superficie de las fibras con una variedad de materiales plásticos. Otro aspecto preocupante es la naturaleza hidrofílica de las fibras, especialmente en las regiones no cristalinas de éstas, y que tiene como una consecuencia, el hinchamiento de las mismas dentro de la matriz polimérica.

Las fibras tienen dominios cristalinos cuya resistencia mecánica puede ser tan grande como la del acero, pero estas propiedades no pueden trasladarse al compuesto polimérico si no existe una interacción o adhesión fuerte entre los componentes polares de la celulosa y los no polares de los plásticos (no polares, como el polietileno, polipropileno y los estirénicos, entre otros). Por lo tanto es necesario aplicar esquemas de modificaciones químicas, generalmente, en la superficie de las fibras.

La idea global es la de fijar sobre las fibras apéndices hidróbicos que puedan sobreponer los efectos adversos con las matrices poliméricas no polares de los compuestos. Se ha encontrado que la resistencia a la temperatura de estos apéndices es afectada positivamente por la mayor resistencia de las zonas cristalinas de las fibras; un hecho que permite diseñar productos de alto desempeño con la temperatura. De esta manera, se forma un enlace fuerte entre dos fases, una de las cuales está inicialmente en estado líquido (la resina fundida), y la que está en estado sólido, las fibras que contienen los apéndices fijados en la superficie. En la primera etapa de la interacción de las fases es necesario (pero no suficiente) que el líquido cubra la superficie del sólido, creando un contacto íntimo.

La habilidad de la fase líquida para cubrir la fase sólida se denomina mojado. Enseguida del mojado viene la interacción química entre la matriz continua de resina fundida y las fibras para formar una adhesión satisfactoria y permanente entre las dos fases. Esta adhesión viene a complementar la acción de mojado mencionada, creando así las condiciones necesarias y suficientes para hacer efectiva la adición de las fibras celulósicas en los materiales plásticos.

La respuesta comercial que resuelve la necesidad de los apéndices que mencionamos, son los denominados agentes de compatibilización de los cuales citamos algunas ofertas recientes.

Chemtura ofrece hoy en día dos nuevas referencias de agentes lubricantes y de acople recomendados para fijar fibras de madera y otros productos naturales  en compuestos de poliolefinas. Estas son las referencias Polybond 1103 y Polybond 3029. La primera se recomienda en procesos que deben realizarse a bajas viscosidades. La segunda es ahora un 50% más eficiente y permite adicionar una mayor cantidad de fibras en el compuesto. Esta referencia es un copolímero de injerto de polietileno de alta densidad con anhídrido maléico que además puede ser usado para compatibilizar mezclas de polietileno con polímero polares como el nylon y el EVOH.

Fusabond® WPC-576D es un copolímero de etileno con una funcionalidad anhídrida que DuPont ha diseñado específicamente para la fabricación de compuestos de madera plástica. Con la adición de este agente de compatibilización se incrementan las propiedades mecánicas de resina a la vez que se aporta una mayor resistencia a la humedad. La resistencia a la admisión de agua conlleva a una mayor duración de los productos porque se incrementa la estabilidad dimensional y se disminuye la tendencia a la formación de hongos y pudrición en general. DuPont afirma que los niveles de adición de este agente son menores que aquellos necesarios con otros copolímeros de injerto tipo MAH.

Otra opción que tienen los procesadores de madera plástica es la de comprar la resina lista para usar. Una oferta en este sentido la hace Agrolinz Melamine International y un grupo de investigación austriaco, WoodKplus. Se trata de una resina de melamina eterificada que tiene una ventana de procesamiento similar a la de los termoplásticos, denominado Hiperesin. De acuerdo con su fabricante, se procesa en un extrusor cónico convencional y puede aceptar hasta un 70% de fibra de madera y un 5% de aditivos. Con esta resina Agrolinz ha producido productos terminados bajo la marca Hiperwood, que han demostrado comportarse como la madera en los procesos de terminación, con ventajas adicionales como la mayor resistencia a la temperatura y propiedades mecánicas extras.

De forma similar, la empresa JER Envirotech International, de Canadá, ofrece a los procesadores de moldeo por inyección y extrusión las mezclas de fibras naturales con plásticos en forma de  concentrados listos para usar. Su portafolio consta de más de 40 formulaciones básicas y afirman su disposición para crear nuevas fórmulas del interés de cada usuario.

La base del concentrado puede ser polipropileno, poliestireno u otras resinas sugeridas por el cliente. Las fibras ofrecidas son las de pino, cedro, arce y cascarilla de arroz. De acuerdo con el proveedor, estos “biocompuestos” pueden ser procesados en equipos de inyección con un cambio mínimo en el ajuste de la máquina y sin efectuar modificaciones físicas en las líneas de producción. Los concentrados se presentan en forma de gránulos cuya humedad externa es menor al 1,5% y la interna menor al 1,0%. Si la humedad llega a ser más alta se presentarían problemas de interferencia con los agentes de espumado, en caso que estos se utilizaran. El fabricante también asegura que el mojado de las fibras por la resina es otra de las variables importantes de calidad que es manejada cuidadosamente en sus productos. Tampoco admite la presencia de residuos de polvo.

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