MOMENTO

Origen y clasificación

Dependiendo de su uso, las plantas pueden clasificarse como primarias o secundarias, siendo las primeras aquellas que fueron plantadas para extraer sus fibras, tales como el algodón, lino, yute, fique y cáñamo, entre otras. Las plantas secundarias son aquellas cuyas fibras son obtenidas como un producto secundario, por ejemplo maíz, arroz, bagazo de caña de azúcar, piña y coco, entre otras [13].

Las fibras naturales comúnmente se clasifican a partir de la parte de la planta de donde son obtenidas. Es así que pueden ser fibras del tallo, de las hojas o de las semillas [14], tal como se muestra en la Tabla 1. Además, en la misma tabla se incluye la producción anual mundial de algunas fibras.

Tabla 1: Origen y producción mundial anual de diferentes fibras naturales [13, 15, 16].

Composición química y estructura celular

En general, los principales componentes de las fibras naturales son celulosa, hemicelulosa y lignina. Además, están presentes algunos componentes no celulósicos, como pectina, ceras, proteínas, ceniza y sales inorgánicas, entre otros [15, 17]. De acuerdo con John et al. [18], las fibras naturales pueden considerarse compuestos fibrosos de celulosa unidas por una matriz de lignina y hemicelulosa. Factores como la edad, origen y condiciones climáticas durante el crecimiento de la planta, así como el proceso de obtención, determinan el porcentaje de los componentes [19].

La Tabla 2 presenta la composición química de algunas fibras naturales. Las proporciones de cada uno de los principales componentes afectan su comportamiento mecánico (i.e resistencia a la tensión y rigidez), degradación térmica y capacidad de absorción de agua [16, 20, 21, 22, 23]. La Figura 1 muestra la dependencia que hay entre estas propiedades y la composición química de las fibras.

Tabla 2: Composición química de algunas fibras naturales [14, 16, 18, 22, 24].

Figura 1: Dependencia entre la composición química y algunas propiedades de las fibras naturales. Adaptado de Rangappa et al. [16].

En cuanto a la estructura celular, las fibras naturales se caracterizan por una región de celulosa cristalina, donde las células están altamente ordenadas, y una segunda región de celulosa amorfa, caracterizada por células no ordenadas. Estas dos regiones están interconectadas por fragmentos de hemicelulosa y lignina [25, 26]. La Figura 2 muestra la representación esquemática de la estructura celular de las fibras naturales, donde se pueden diferenciar varias capas, desde adentro hacia afuera: la estructura central (lumen); la pared secundaria (conformada por tres capas: S1, S2 y S3, conocidas como capa externa, media e interna, respectivamente); la pared primaria y la laminilla media. La celulosa amorfa se encuentra en la pared primaria [22], mientras que la celulosa cristalina está en la pared secundaria [19].

Figura 2: Representación esquemática de la estructura celular de las fibras naturales. Adaptado de Luna [27].

Métodos de extracción

Existen cuatro métodos para la obtención de fibras naturales: biológicos [28], mecánicos, químicos, y químico-mecánicos [29]. Procedimientos como la explosión de vapor, la vaporización térmica, la trituración y la separación en molinos son empleados dentro de la categoría de métodos mecánicos [30]. El propósito principal de los métodos químicos es separar los principales componentes químicos de las fibras naturales [28] y son eficientes para separar la hemicelulosa y la lignina de la celulosa [30]. Algunos procedimientos, como el desgomado y la mercerización, son los más comunes dentro de esta categoría [31].

Por otro lado, las metodologías biológicas emplean bacterias y otros microorganismos para descomponer la lignina [28]. Los procedimientos mecánicos y biológicos son más benéficos para el medio ambiente debido a que no generan residuos químicos nocivos.

Por otra parte, con el uso de las metodologías biológicas, la separación de las fibras tarda entre dos a tres semanas [28], siendo poco atractivas para aplicaciones industriales. Asimismo, las metodologías mecánicas pueden generar grandes daños y defectos en el material obtenido, afectando sus propiedades mecánicas. Asimismo, las metodologías químicas también pueden disminuir las propiedades mecánicas del material obtenido, pues afectan el proceso de transferencia de esfuerzos entre las microfibrillas que conforman la fibra debido a la remoción excesiva de hemicelulosa y lignina [26].

Es así que la combinación de metodologías químicas y mecánicas surgen como una alternativa eficiente para la obtención de fibras naturales, sobre todo cuando serán obtenidas de materiales con alta dureza. La investigación realizada por Luna et al. [27] estableció una metodología químico-mecánica para la obtención de fibras de bambú Guadua angustifolia (guadua), material caracterizado por su alta dureza [32]. El procedimiento comienza con el corte del culmo (tallo) de la guadua en segmentos longitudinales, los cuales se sumergen en una solución de hidróxido de sodio al 2,5 % caliente a 80° por 3 horas; este proceso tiene como objetivo ablandar el material. Posteriormente, las tiras son pasadas por una máquina de molino de rodillos, diseñada y construida para la investigación, con la que se obtiene la separación de las fibras. Con este proceso se obtienen fibras con una longitud promedio de 9 cm.

Propiedades físicas y mecánicas

Como se explicó anteriormente, las propiedades de las fibras naturales están fuertemente influenciadas por su composición química. Sin embargo, factores como los defectos, los procesos de extracción, el grado de cristalinidad, y el contenido de humedad, entre otros, afectan su desempeño [33]. La Tabla 3 presenta algunas propiedades físicas y mecánicas de varias fibras naturales.

Tabla 3: Propiedades de algunas fibras naturales [13, 19, 27, 34].

El comportamiento mecánico de las fibras naturales es predominantemente frágil, con una relación lineal entre esfuerzos y deformaciones hasta la falla súbita de la fibra [27, 35]. Además, es evidente que existe una alta variabilidad en la determinación de sus propiedades.

Tratamientos de compatibilización para ser usadas como refuerzo en matrices poliméricas

Algunas de las desventajas de emplear fibras naturales como refuerzo de matrices poliméricas son la alta variabilidad de sus propiedades, la absorción de agua, la baja resistencia y la durabilidad, entre otras. Sin embargo, el principal inconveniente es la baja compatibilidad que existe entre las fibras y las matrices poliméricas comúnmente empleadas. Esta incompatibilidad es consecuencia del comportamiento hidrofílico de las fibras e hidrófobo de los polímeros [15, 36, 37, 38], lo que produce una transferencia deficiente de esfuerzos desde la matriz hacia las fibras, dando como resultado bajas resistencias mecánicas del material compuesto conformado.

Mecánicamente, es la región de la interfase la directamente encargada del proceso de transferencia de esfuerzos entre los constituyentes del material compuesto y, por tanto, las propiedades de esta juegan un papel preponderante en el desempeño mecánico [2]. De acuerdo con Hull et al. [39], las propiedades de la región interfacial son consecuencia de la adherencia entre fibras y matriz, las cuales pueden ser atribuidas a cinco mecanismos, actuando de manera aislada o en combinada: humectabilidad, interdifusión, atracción electrostática, adherencia química y adherencia mecánica. De esta forma, existen dos métodos para incrementar la adherencia de polímeros reforzados con fibras naturales: el primero enfocado a modificar las propiedades físico-químicas de las fibras y el segundo modificando el polímero [40]. Para aplicaciones industriales, son comúnmente empleadas las metodologías encaminadas a modificar las fibras [29, 41].

En general, la modificación de las propiedades de las fibras se puede realizar a través de procesos químicos o físicos [13, 19]. El propósito de los procesos químicos es reducir las características hidrofílicas de las fibras, a través de su inmersión en diferentes soluciones que reaccionen con los grupos hidroxilo presentes en la hemicelulosa y la lignina [42, 43], induciendo así una mayor compatibilidad química con los polímeros [7]. De esta forma se emplean tratamientos con soluciones alcalinas, acetilación y benzoilación, entre muchas otras [9]; sin embargo, los tratamientos alcalinos y, dentro de estos, los que emplean soluciones de hidróxido de sodio (NaOH), son los más empleados [19]. Por otra parte, las modificaciones realizadas por procesos físicos están enfocadas en transformar las propiedades superficiales de las fibras, incrementando principalmente la adherencia mecánica con los polímeros [9, 24]. Algunas de las técnicas empleadas dentro de los procesos físicos son los tratamientos plasma, la irradiación ultravioleta y corona, entre otros [43].

Como se mencionó anteriormente, el objetivo de los tratamientos alcalinos con NaOH es eliminar la hemicelulosa y la lignina presente en la fibra, reduciendo así su comportamiento hidrofílico. Además, el NaOH puede reaccionar con grupos hidroxilo presentes en la región amorfa de la celulosa, exponiendo la celulosa cristalina para que reaccione con la matriz empleada [18, 44]. Si para el tratamiento se emplean concentraciones de NaOH altas (mayores al 10 %) o se hacen por tiempos prolongados (mayores a 1 h), se puede generar una deslignificación excesiva de la fibra, que trae como consecuencia una disminución en su desempeño mecánico [29, 45, 46, 47].

En ciencia de materiales, los tratamientos plasma han sido empleados desde 1960 [48]. El plasma es considerado el cuarto estado de la materia y consiste en la ionización de un gas (son generados aplicando descargas eléctricas a un gas) o calentándolo a altas temperaturas; sin embargo, en el procesamiento de materiales son comunes los plasmas generados a partir de descargas eléctricas [49]. Los plasmas calientes se caracterizan por tener altas temperaturas dentro del gas ionizado (desde 4000K a 20000K), mientras que en los plasmas fríos los electrones tienen mayor temperatura que los iones positivos [50, 51]. Los plasmas fríos son comúnmente empleados para el tratamiento de materiales [52].

En general, los plasmas fríos se usan para tres propósitos: funcionalización de superficies, depositación de láminas delgadas y grabado [48, 49, 53]. Aunque las alteraciones que los plasmas fríos generan en las superficies de los materiales son complejas, varias investigaciones reportan que no modifican las propiedades macroscópicas del material tratado [9, 27, 54, 55, 56], pues las especies del plasma no penetran más allá de 100 × 10⁻¹⁰ m (100 Å) de la superficie [57].

Los procesos de grabado están enfocados en la remoción de material de la superficie [51], lo cual puede ser realizado usando procesos químicos, llamados grabados húmedos, o procesos físicos o físico-químicos, llamados grabados en seco. Los procesos de grabado en seco pueden realizarse a través de pulverización física (physical sputtering) reacciones químicas o mecanismos asistidos por iones. En la pulverización física, el material es removido por procesos puramente físicos.

Luna et al. [27] realizó modificaciones en fibras de guadua empleando tratamientos con soluciones de hidróxido de sodio (proceso químico) y con plasma de grabado en seco (proceso físico). Los resultados muestran que el tratamiento químico reduce la cantidad de hemicelulosa y lignina, que trae como consecuencia una disminución en la resistencia a tensión y en la capacidad de absorción de agua de las fibras. En el primer caso, la disminución de la resistencia se atribuye a una afectación en la transferencia de esfuerzos entre las microfibrillas y, en el segundo caso, a que los grupos OH presentes en estos componentes son los que controlan en gran medida las características hidrofílicas de las fibras. Además, los análisis morfológicos usando micrografías SEM (microscopio electrónico de barrido, por sus siglas en inglés) muestran que este tratamiento tiene un efecto de “limpieza” en la superficie de las fibras. Por otra parte, los tratamientos con plasma de grabado en seco no alteran la resistencia mecánica ni la capacidad de absorción de agua e incrementan la rugosidad superficial de las fibras tratadas.

Conclusiones

Se presentó una revisión sobre aspectos técnicos relevantes para el uso de fibras naturales como refuerzo de matrices poliméricas. Las fibras incluidas en esta revisión constituyen a las obtenidas de plantas, que presentan comportamientos hidrofílicos que las hacen incompatibles con los polímeros. Es así que para su empleo es necesario realizar algunos tratamientos direccionados a aumentar la adherencia entre las fases del compuesto. Además, esta revisión incluye algunos de los hallazgos realizados en la investigación realizada por Luna et al. [27], la cual estuvo enfocada a proporcionar aspectos técnicos y científicos del uso de fibras de bambú Guadua angustifolia como refuerzo de matrices poliméricas. Se espera que en un futuro cercano las fibras naturales se conviertan en recursos sostenibles y renovables ampliamente usados en la industria de materiales compuestos y contribuyan a alcanzar los logros de los beneficios dentro de una economía circular.