Lo que debe saber sobre compuestos de plástico y madera

Los compuestos de plástico y fibras naturales, entre los cuales los de madera son los más comerciales (WPC, del inglés wood polymer compound), se pueden fabricar a partir de una diversidad de resinas, tales como polietileno, polipropileno y poliestireno. Sus principales aplicaciones están en las industrias automotriz, deportiva, de construcción (pisos, molduras, techos, paredes, pasamanos) y de fabricación de otros bienes de consumo. En este tipo de productos, las fibras aportan propiedades como mayor rigidez, estabilidad dimensional y reducción de costos al permitir el uso de una menor cantidad de resinas. Justamente, son las piezas de mayor espesor las mejores candidatas para emplear los rellenos de fibras naturales.

Según Philip Neumann, gerente de ventas del Centro de Extrusión de la empresa alemana fabricante de maquinaria  para transformación de plásticos Reifenhauser, la posibilidad de crear casi cualquier geometría en perfiles de compuestos de plástico y madera abre de forma casi ilimitada las aplicaciones para este tipo de materiales. “La idea es reemplazar perfiles en madera pura por perfiles en madera y plástico que ofrezcan mejores propiedades, así como reemplazar perfiles netamente plásticos con propiedades adecuadas pero a un costo menor en materia prima”.

Tom Brown, director de ventas y mercadeo de la división de extrusión de Milacron, asegura que en este momento es difícil determinar el tamaño del mercado latinoamericano para este tipo de compuestos. “En octubre de 2007 estimábamos que el mercado mundial estaba alrededor de 900.000 toneladas, de las cuales 77% corresponde a Norteamérica, 12% a Europa y 8% a Asia.  El 3% restante pertenece a América Latina, Medio Oriente y el sur de África, en conjunto”, le comentó a Tecnología del Plástico. La empresa ha instalado 300 líneas de extrusión de WPC en el mundo, de las cuales 5 están en América Latina.

El directivo señala que aunque América Latina aparezca en la categoría de menor volumen, la compañía cree que crecerá a un nivel mucho mayor, con base en los requerimientos de información y el interés que han percibido en la región durante el último año. “Es necesario mencionar que América Latina es una zona rica en fibras naturales como madera, cascarilla de arroz, granos de café, sisal, yute, fique, lino, bambú, henequén, coco, agave o residuos fibrosos de palma, lo cual podría jugar a favor del desarrollo de este tipo de compuestos”, concluyó.

El mercado para los compuestos de plástico y fibra de madera presenta un potencial interesante de crecimiento. De acuerdo con Miguel Martínez, gerente de ventas de Milacron para la región, sus aplicaciones se ven especialmente en construcciones como pisos en áreas húmedas para piscinas o albercas, y en molduras para las casas. 

Ante las buenas perspectivas de desarrollo en la región para los compuestos de plástico y fibra de madera, los empresarios latinoamericanos interesados en incursionar en este segmento deben asegurarse de buscar un nicho de aplicación, contar con acceso a una fuente suficiente de la fibra natural y, sobre todo, conocer cómo preparar adecuadamente la formulación de WPC para obtener un proceso estable.

Equipamientos necesarios
El proceso más aceptado hasta el momento para transformar compuestos de plástico y fibra de madera es la extrusión continua de piezas en la que predomina una dimensión lineal, como tablas, perfiles y vigas. Las máquinas preferidas son las extrusoras de tornillos gemelos cónicos contrarrotacionales, de 80 y 86 mm de diámetro, que ofrecen capacidades de producción entre 1.000 y 1.700 libras/hora. Estas máquinas se distinguen por ofrecer un espacio amplio en la zona de alimentación (apropiada para mezclas de baja densidad a granel) y por contar con sistemas de venteo, que son necesarios para remover la humedad generada en las fibras, aunque la mayor parte de esta humedad debería ser eliminada de la fibra antes de iniciar el proceso de extrusión. 

Milacron ofrece el sistema Plug & Play para el pretratamiento y la alimentación de los materiales necesarios para extruir madera plástica. Como se observa en la figura 1, la fibra presecada, 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. Una nueva operación de secado garantiza la condición óptima de humedad para el correcto procesamiento en extrusión. La empresa aconseja usar su nuevo modelo de extrusor TC96, que transmite el calor de una manera eficiente desde el tornillo al material. Para este efecto, los tornillos son de mayor tamaño y con una zona de alimentación de mayor área superficial.  Estos tornillos también son cónicos y pueden procesar compuestos de fibra de madera con un contenido hasta de 70%, con una productividad de 1.180 kg/hr.

Miguel Martínez, gerente de ventas para América Latina del área de sistemas de extrusión de Milacron, informa que un sistema Plug&Play está próximo a entregarse en México, otra línea llegará a Colombia y dos líneas serán entregadas en Brasil en noviembre próximo. Martínez suministra en la tabla 1 información de interés sobre cómo podría ser una formulación sugerida para iniciar trabajos de investigación y desarrollo.

Philip Neumann, director de ventas del Centro de Extrusión de Reifenhauser,le comentó a Tecnología del Plástico que su compañía ha vendido alrededor de 17 líneas de extrusión de perfiles de WPC, alrededor del mundo. Estos equipos están diseñados para operar con HDPE y PP, con contenidos de fibra que superan el 70%. Reifenhauser ofrece la tecnología ReiMAP-tec (que designa a la tecnología desarrollada para resistir altos niveles de abrasión en extrusión), que extiende la vida útil del equipo a 4 ó 5 veces la que se alcanza con las versiones de nitruro. Por otro lado, se ha formado la alianza denominada ReiKoFrom, entre Reifenhauser, la empresa procesadora de materias primas para madera plástica Kosche, de Alemania, y la firma Haller Formholz, un productor de concentrados de WPC en gránulos, también de Alemania. Esta asociación brinda a los clientes la experiencia ganada en estos frentes y los ayuda a contar con las soluciones más adecuadas para cada caso de aplicación.    

Por su parte, Entek ofrece sus 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. Doug Macosh, presidente de Fiber Composites LLC, una firma que fabrica muelles de madera plástica bajo las marcas Fiberon y WeatherBest, asegura que su empresa es la de mayor crecimiento en Norteamérica y que su éxito ha sido de la mano de Entek, por la calidad de sus equipos y apoyo tecnológico.

El consumo de energía es, de acuerdo con Cincinnati Extrusion, elevado cuando se trata de extruir perfiles y tubería. Se han reportado consumos hasta seis veces más que en la extrusión convencional. Esta empresa afirma que la máquina Konos 63, de tornillos gemelos cónicos, especial para fabricar madera plástica, ofrece ahorros hasta del 25% en el consumo de energía, comparado con las máquinas tradicionales equivalentes del mercado. Esta oferta también se hace para el modelo Argos de tornillos paralelos, que posee motores de corriente alterna libres de mantenimiento. Otro factor que facilita el ahorro de energía es el aislamiento del barril de la extrusora, el cual minimiza la radiación de calor. Por otro lado, la geometría de los tornillos está diseñada para requerir un mínimo de torque al mismo nivel de productividad. El enfriamiento interno de estos tornillos facilita el control del consumo de energía.

Acerca del manejo de las fibras
En cuanto al manejo de la humedad en las fibras, la compañía alemana Krauss-Maffei propone realizar un secado previo y además usar un sistema de venteo en extrusión, con el objetivo de minimizar el consumo de energía. Gran parte de la humedad se elimina en el presecado y la cantidad residual se evapora en extrusión. Para esto, sugiere emplear su modelo K-M de 36D, contrarrotacional y con doble venteo, para la fabricación de perfiles.

De acuerdo con Tom Brown, de Milacron, cuando se utiliza fibra de madera como otras fibras naturales en el proceso siempre es recomendable secar la fibra a niveles de 1% de humedad o menos antes de llevarla a la extrusora. De esta forma, la extrusora se desempeñará de forma óptima y se obtendrán productos de mejor calidad. Según el ejecutivo, en el mercado hay disponibles secadores de aire caliente especialmente diseñados para este propósito de Conair y sistemas de secado especialmente diseñados para fibras naturales de Scott Equipment.

Según Philip Neumann, de Reifenhauser, esta compañía alemana desarrolló un proceso de extrusión que permite incorporar fibras con un contenido de humedad de hasta 10% que no requiere procesos previos de secado.

WPC en inyección
Como tendencia reciente deben tenerse en cuenta ahora los productos inyectados, que empiezan a ser aceptados en Europa y Estados Unidos. JET Envirotech International, de Canadá, ha venido promoviendo el uso de sus compuestos en operaciones de inyección. La promesa hace referencia a su convencimiento de que la última generación de termoplásticos rellenos con fibras naturales puede ser convertida en productos de excelente calidad mediante el moldeo por inyección, con un mínimo de ajustes en las máquinas inyectoras y sin realizar modificaciones físicas en estas máquinas. Para esta empresa dos factores de calidad son importantes para controlar en la materia prima: la humedad de los gránulos de compuesto para no afectar el desempeño de los agentes de soplado y la calidad de la encapsulación de las fibras en la resina. En la figura 2 se observa la foto de dos partes producidas mediante moldeo por inyección de una mezcla de madera plástica.

JET Envirotech provee a los transformadores las pautas para lograr una operación exitosa de productos de madera plástica moldeados por inyección.  Por ejemplo, con respecto a la condición del molde existente en la planta del usuario sugiere que el sistema de canal debe tener una capacidad mínima de flujo para minimizar los esfuerzos cortantes en el compuesto.

En referencia a las condiciones del proceso, afirma que las temperaturas típicas para el moldeo de la madera plástica puede estar entre 170 y 188ºC en la parte posterior del molde, entre 180 y 200ºC en la zona media del molde y entre 200 y 210ºC en la zona de la válvula de inyección.

Krauss Maffei es uno de los proveedores más grandes de máquinas de moldeo por  inyección diseñadas especialmente para procesar materiales compuestos, incluyendo la madera plástica. El elemento central de estos diseños es el extrusor corrotacional de tornillos gemelos, que va montado en las máquinas modelo MX de dos placas y pistón de inyección. Este tipo de máquina puede operar continuamente puesto que la resina fundida se lleva a la cabeza acumuladora en los momentos en que la entrada al molde está cerrada. Durante la inyección el acumulador se vacía completamente permitiendo la mezcla por contraflujo entre las resinas acumuladas a diferentes tiempos en cada ciclo. KraussMaffei ha vendido cinco máquinas de 3.000 toneladas de fuerza en la prensa en Europa, que pueden procesar mezclas con contenido de harina de madera entre 40% y 50%.

Chile, pionero en América Latina
El Laboratorio de Materiales Compuestos de la Universidad del Bío-Bío está trabajando en investigaciones con plásticos reciclados de diversos orígenes, tanto industriales como domiciliarios. También está trabajando con desechos de materiales lignocelulósicos, que no tengan otras aplicaciones, para generar compuestos económicamente viables.

De acuerdo con el ingeniero Mario Núñez Decap, jefe del laboratorio de materiales compuestos de la institución, la dimensión del mercado potencial en Chile para este tipo de compuestos es difícil de dimensionar, ya que nadie duda del potencial del material, pero existen barreras culturales frente a lo nuevo, que serán difíciles de sobrepasar. Por otro lado, Núñez Decap asegura que el producto recién se está conociendo para ciertas aplicaciones puntuales. “En la actualidad, existen grandes empresas madereras que están buscando la generación de negocios innovadores y ven con buenos ojos la producción de estos compuestos, no solo pensando en el mercado interno, sino en el extranjero”, agregó.

También en Chile, luego de siete años de investigación y desarrollo en la región del Bio-Bio se creó la empresa Lignoplast, con el objetivo de producir compuestos de madera-plástico. El proyecto se desarrolló en conjunto entre las empresas ISESA y Forestal Oriana, y del lado académico contó con la participación de la Unidad de Desarrollo Tecnológico (UDT) de la Universidad de Concepción y del Centro de Investigación de Polímeros Avanzados, CIPA, así como con el apoyo de Innova Bio-Bio.