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INTRODUCCIÓN
La humanidad enfrenta la necesidad de sustituir materiales de orígenes no renovables, cómo plásticos derivados de petróleo (Dorez et al., 2013), esto se da principalmente por el desarrollo tecnológico y el crecimiento de mejores condiciones de vida (Djafari Petroudy, 2017). Situación que lleva a la búsqueda de materiales alternativos cómo respuesta a las problemáticas de medio ambiente y sustentabilidad. De esta forma, se permite alcanzar avances remarcables en ciencia de materiales con el desarrollo de biocompuestos (Faruk et al., 2012). Estos avances han llamado la atención de investigadores, ingenieros y científicos (Ku et al., 2011), convirtiéndose en un aporte vital de industrias cómo la textil, empacamiento, construcción, automotriz y aviación (Chokshi et al., 2020; Martin et al., 2010). Dentro de esta última, la utilización de compuestos con biofibras se ha visto incrementado en industrias Estados Unidenses (Bajwa & Bhattacharjee, 2016), debido a que las fibras naturales proveen a las matrices poliméricas una fuerza y resistencia específica (Herrera Franco & Valadez-González, 2005). Más aún, las agencias regulatorias estadounidenses y Europeas buscan vehículos ambientalmente más eficientes por medio de reducciones en las emisiones. De esta manera, la utilización de materiales compuestos propone un aligeramiento de peso que a su vez contribuye a aminorar el consumo de combustibles (Alves et al., 2010; Kaluza et al., 2017). De igual manera, las entidades de regulación sobre el fin de vida del vehículo (ELV, por sus siglas en inglés) dictaminaron, desde 2015, que el 85% de los materiales utilizados en los automóviles deben ser reusados o reciclados (Johnson & Wang, 2002).
De esta forma, se ha determinado que las fibras naturales disponen de ventajas cómo el bajo costo, baja densidad, propiedades de resistencia apropiada, bajo secuestro de CO2, biodegradabilidad y por su renovabilidad, el tener una disponibilidad más o menos ilimitada. Características que las hacen un reemplazo atractivo para fibras sintéticas cómo la fibra de vidrio o fibra de carbono, (Bledzki & Gassan, 1999; Drzal et al., 2005). Asimismo, su extracción permite la generación de empleos en áreas rurales (Salazar et al., 2011), donde, los materiales naturales si no pueden ser reciclados pueden ser desechados fácilmente debido a la degradación natural producto de la luz, oxidación, hidrolisis o descomposición enzimática producto de microorganismos, generando biomasa, dióxido de carbono y metano (Mohanty et al., 2005; Cooke, 1990). Igualmente, en términos de eficiencia, la energía requerida para producir una estera de lino es el 17% de la energía necesaria para producir un mat de fibra de vidrio (Holbery & Houston, 2006). Similarmente, aunque algunas fibras naturales no sean tan fuertes cómo la fibra de vidrio, estos biomateriales poseen propiedades superiores cómo el porcentaje de elongación al quiebre (Chand & Fahim, 2008).
Las industrias han utilizado las fibras naturales en diversas aplicaciones mecánicas, clasificándolas según su origen. Entre ellas, se encuentran las fibras de líber, como el yute, plátano, lino y cáñamo. La categoría de hojas tiene a la piña, sisal y pino; mientras que las fibras de fruta tienen al coco, algodón y palma (George et al., 2001). Específicamente en el área automotriz, las fibras naturales se han utilizado cómo refuerzo de termoplásticos reemplazando a componentes de fibra de vidrio (Ayrilmis et al., 2011). Estos recursos han sido utilizados por marcas de renombre mundial cómo Mercedes-Benz, Audi, Honda, BMW, General Motors, Volvo, entre otras, las cuales los han utilizado en los interiores de sus vehículos, recubrimientos, apoya cabezas, cuerpos por debajo del suelo e inclusive el látex natural ha servido para reforzar la seguridad del vehículo. También, se han utilizado biomateriales cómo refuerzos de polímeros acrílicos y polipropileno en aplicaciones de paneles internos de puertas (AL-Oqla & Omari, 2017). Más aún, en la industria aeroespacial, las fibras naturales han sido utilizadas de igual manera cómo refuerzo de panelería y cómo reemplazo de estanterías metálicas. De esta manera, han reducido el peso de la aeronave y ha resultado un ahorro significativo en el consumo de combustible (Balakrishnan et al., 2016; Scarponi & Messano, 2015).
El hecho de que Ecuador tenga una confluencia de 3 regiones biogeográficas le ha permitido ser considerado como un país megadiverso (Iturralde-Pólit et al., 2017), donde, modelos de distribución han logrado identificar 87 ecosistemas distintos dentro (Cuesta et al., 2017). De hecho, en la región andina se han identificado 136 especies de flora por lo cual su biodiversidad ha sido bien conocida durante cientos de años (Keating, 2008). Inclusive, la región amazónica es considerada una de las áreas más biodiversas del mundo (Lessmann et al., 2016) por lo que el país se encuentra dentro de los 17 países mega diversos con más de 25000 especies de plantas descritas científicamente (Mestanza-Ramón et al., 2020). Muchas veces, la biodiversidad de flora se ha utilizado cómo recursos de manera artesanal, cómo es el caso de la hoja de la Astrocaryum standleyanum (Arecaceae) también conocida como palma de mocora (Jácome & Montúfar, 2013). Esta ha sido utilizada en aplicaciones de mueblería cómo se muestra en la Figura 1.
El método de extracción y aprovechamiento de la hoja de mocora ha sido desarrollado empíricamente, iniciando con la cosecha mediante el uso de una navaja larga en forma de gancho. Las hojas son extraídas de una manera que permita la sustentabilidad. Posteriormente, son secadas al sol y blanqueadas con humo, para luego ser trenzada y utilizadas (Pedersen, 1994). La fibra para este estudio es obtenida desde la localidad de Calceta en la provincia de Manabí donde hay un comercio por parte de las comunidades (Fadiman, 2008).
Por otro lado, las metodologías actuales para la caracterización de materiales se realizan de manera formal y normalizada cómo se desarrolló en la investigación de Elkhaoulani et al. (2013), quienes caracterizaron mecánica y térmicamente un material compuesto de polímero a base de la fibra de cáñamo de moraccan. En esta, se realizaron microscopia electrónica de barrido (SEM, por sus siglas en inglés), análisis termogravimétrico (TGA, por sus siglas en inglés), pruebas de resistencia a la tracción, entre otras. El SEM permitió evaluar la morfología de las fibras y su dispersión dentro de una matriz polimérica, encontrando que las fibras son de tipo tubular con una sección elipsoidal y posee una buena adherencia al polímero. En tanto que Thygesen et al. (2006) lograron observar las dislocaciones que se forman en las fibras. Por otro lado, Rao & Rao (2007), caracterizaron las fibras de Palma de Roystonea regia, la palma datilera y el bambú la cual presenta una resistencia a la tracción de 549 MPa, 459 MPa y 503 MPa, respectivamente. También, la investigación de Huang & Netravali (2007), caracterizó el hilo de lino, la cual presentó resistencia hasta los 353 MPa y 5% en el esfuerzo de elongación. De igual manera, Rajesh & Pitchaimani (2017), realizaron la caracterización y comparación de las resistencias de hilos tejidos de manera distinta en fibras de yute y banana, donde la configuración de yute con un trenzado horizontal presentó la mejor respuesta siendo esta de 16 MPa. Considerando caracterizaciones de fibras del entrono ecuatoriano, Barreno-Avila et al. (2021) caracterizaron un material compuesto de una resina polimérica reforzada con fibra de mora de castilla, que muestra una resistencia a la tensión de 18.62MPa y una resistencia a la flexión de 46.9MPa. Suárez et al. (2022), encontraron resistencias a los esfuerzos tensionantes y flexores de 30.27MPa y 18.97MPa, respectivamente en compuestos de resinas poliester y fibras de fique. Por otro lado, la caracterización térmica de las fibras resulta importante debido a que el considerar la degradación permite conocer cuál es la temperatura de operación, al igual que las temperaturas a las cuales se puede hacer curados para compuestos con materiales polimérico termo-estables (Monteiro et al., 2012). En este sentido, las técnicas de termogravimetría son utilizadas para determinar temperaturas de degradación cómo lo hizo Maheshwaran et al. (2018), al caracterizar la fibra celulítica natural de la planta de Potus (Epipremnum aureum), donde se reportó una degradación desde la evaporación del agua hasta la depolimerización de la cera. En cambio, debido a su bajo costo, buenas propiedades mecánicas, renovabilidad y biodegradabilidad (Baiardo et al., 2004), las fibras naturales cómo las celulosas, henequén, sisal, coco, yute, palma, bambú, madera entre otras, han sido utilizadas cómo refuerzos de resinas termofijas y termoplásticas (Herrera-Franco & Valadez-González, 2004). De esta manera, debido a las aplicaciones artesanales conocidas, se puede ver que hay una oportunidad de aplicación de la fibra de mocora dentro de las ciencias de la mecánica, sin embargo, debido a que no ha tenido una caracterización formal, esta investigación tiene como objetivo caracterizarla y determinar sus propiedades térmicas, mecánicas así como su interacción con un termofijo cómo la resina poliéster insaturada, teniendo a la fibra en calidad de refuerzo para formar un material compuesto.
MÉTODOS Y MATERIALES
La fibra de la hoja de mocora fue adquirida directamente de los artesanos de la población de Calceta en la provincia de Manabí, después de haber pasado por el proceso de cosecha, secado y blanqueamiento de los artesanos. La Figura 2 muestra el producto de los artesanos después del último proceso de secado.
Esta fue adquirida en 2 formas, natural y tranzada para ser examinada. De esta forma, los sujetos de prueba fueron obtenidos cómo racimo, el cual se comprendió de 103 ejemplares que se pueden observar en la Figura 3a, estos fueron inspeccionados para determinar su longitud, ancho espesor y peso. Por otro lado, la Figura 3b muestra los sujetos trenzados.
Inspección microscópica
En primera instancia, se realizó una microscopia con un equipo AMScope de iluminación led WF 10x20 y magnificación de hasta 90x. En segunda instancia, se realizó la microscopia SEM con un microscopio Vega 3 Tescan. Los parámetros empleados en el SEM fueron: Voltaje de aceleración (HV) de 15 kV y 20 kV (Kahraman & Karadag, 2017; Mohd et al., 2014);, magnificación de 500 x y 1,6 Kx. En este sentido, se buscó observar una morfología definida que permita explicar el comportamiento conocido de la fibra.
Pruebas mecánicas
Las pruebas mecánicas de las fibras fueron realizadas bajo la norma de la Sociedad Estadounidense para ensayos de materiales (ASTM por sus siglas en inglés), ASTM D 2256-02 mediante una máquina de prueba universal (Huang & Netravali, 2007). Por otro lado, las muestras trenzadas fueron caracterizadas bajo la norma ASTM-D 5034 (Rajesh & Pitchaimani, 2017).
Pruebas térmicas
El análisis TGA se lo realizó con una muestra de 6,337 mg, a una temperatura inicial de 40 ℃ hasta alcanzar una temperatura límite de 600 ℃ (Maheshwaran et al., 2018) y un escalón de aumento de 15 ℃ por minuto (Yao et al., 2008) con la utilización de un equipo Perkins Elmer-Pyris, para observar la degradación máxima bajo esta tasa de calentamiento.
Prueba con resina de poliéster
Se realizó una prueba con resina poliéster insaturada debido a su costo y disponibilidad, pues se ha demostrado que fibras cómo la de Kadzu proveniente de lianas y hebras de banano, tienen un potencial económico al ser utilizadas cómo refuerzo de esta matriz polimérica, al igual que con hojas de papel (Herrera Franco & Valadez-González, 2005). De esta manera, 20 muestras de características dimensionales promedio fueron sumergidas en una solución de resina con 20% estireno, 0,03% de peróxido de etil metil cetona (MEKP, por sus siglas en inglés) y 12% de naftaleno de cobalto los cuales son agentes de curado y activador respectivamente (Smith & Hashemi, 2014), que permita estudiar la adherencia de la fibra a la resina.
RESULTADOS
Al haber obtenido la fibra de mocora por racimos de los artesanos, se observó que esta presenta variaciones en sus longitudes. La Figura 4 muestra la distribución de dichas longitudes en los 103 especímenes obtenidos, lo cual permitió tener muestras con una longitud aproximada de entre 1 a 1,1 metros para los respectivos ensayos.
Por otro lado, tomando como referencia el punto medio de cada una de las fibras, se midió su ancho. Sin embargo, estas no muestran una regularidad, ya que dicha característica depende de la técnica de los artesanos. Las mediciones obtenidas se muestran en el gráfico de dispersión de la Figura 5.
Morfología y SEM
El análisis de la fibra muestra que tiene 3 cuerpos unidos, los cuales de por si funcionan cómo un material compuesto. La fibra mostró una estructura de fibras tubulares distribuidas longitudinalmente recubiertas de 2 capas protectoras permitiéndola actuar mecánicamente en conjunto cómo se muestra en la Figura 6a y 6b, respectivamente.
El SEM reveló que la composición de los recubrimientos es aglomerada a la vez que por éstos pasan las fibras tubulares cómo se muestra en la Figura 7a, en tanto que la Figura 7b se puede apreciar que el cuerpo tubular es uniforme.
Resistencia a la tensión
Después de realizar las pruebas a la tensión en la fibra simple, se encontró que esta puede soportar un esfuerzo a la ruptura con valores mínimo y máximo de 20,65 MPa y 35,46 MPa, respectivamente. La Figura 8 muestra una gráfica comparativa con otras fibras, donde se denota un esfuerzo a la ruptura promedio de 28,21 MPa por la fibra de mocora.
Figura 8. Resistencia a la tensión (Bledzki & Gassan, 1999; Chokshi et al., 2020; Faruk et al., 2012)
La Figura 9 muestra una comparativa de los porcentajes de elongación porcentual de algunas fibras, donde la fibra de mocora alcanza un porcentaje de elongación máximo de 2,2%.
Figura 9. Elongación porcentual de fibras (Djafari Petroudy, 2017; Ku et al., 2011)
Resultados análisis termogravimétrico
En la Figura 10, se muestra la degradación de la fibra en función de la variación de temperatura, en esta gráfica se puede observar puntos de inflexión alrededor de los 100 ℃, 250 ℃, 300 ℃ y cerca de los 425 ℃.
Por otro lado, se determinó que la mocora pierde 20% de su masa a la temperatura de 332 ℃.
Se puede ver que la resina sufrió fragmentaciones en su cuerpo, pero la fibra no, los puntos de fraccionamiento de la resina son distintos a los del recubrimiento de la fibra, mismo que está separado de los cuerpos tubulares.
DISCUSIÓN DE RESULTADOS
Morfología y SEM
La configuración presentada en la fibra de mocora es bastante ventajosa, ya que puede constituir un refuerzo longitudinal en las matrices que, como lo demostró la investigación de Herrera-Franco & Valadez-González (2004), son mucho más resistentes que los refuerzos transversales en materiales compuestos, y presentan mejores valores tanto de resistencia a la tracción, módulo de tracción, resistencia a la flexión y módulo de flexión.
De acuerdo con lo observado en el SEM, y en una comparación con los hallazgos sobre el lino reportados por Baiardo et al. (2004), quienes encontraron que este material presentaba puntos débiles en los pliegues de las bandas, las cuales trabajaban con concentradores de esfuerzos, y permitían la transferencia de sustancias químicas entre células, convirtiéndose en puntos de falla más probables, la mocora demuestra una diferencia. En efecto, se nota que la mocora presenta a lo largo de su longitud una muy buena uniformidad, característica que también fue observada por Thygesen et al. (2006), en la fibra de cáñamo; sin embargo, advierten que pueden darse estos pliegues o dislocaciones debido a cambios de humedad en la fibra.
Resistencia a la tensión
En comparación con varios estudios realizados, la fibra de mocora no es tan resistente cómo otras, en este sentido el cáñamo es la más fuerte con una resistencia mínima a los esfuerzos de tracción de 690 Mpa (Faruk et al., 2012), mientras otras fibras cómo el lino, yute y ramina tienen una resistencia mínima a la tracción entre 300 MPa - 400 MPa que aún es algo considerable (Bledzki & Gassan, 1999), en tanto que una fibra de menor resistencia cómo el coco tiene una resistencia de 83 MPa, lo cual es relativamente bajo pero aún sigue siendo mejor que la mocora (Chokshi et al., 2020).
Por otro lado, el porcentaje de elongación de la mocora en comparación con el máximo de otras fibras naturales es aún menor, donde el lino y sisal presentan 3%, sin embargo, en comparación a la fibra de carbono si es superior (Djafari Petroudy, 2017). De igual manera, la fibra de mocora en sus aplicaciones artesanales es trenzada manualmente, en este sentido, tiene una elasticidad porcentual máxima de 28,91% lo cual es muy bueno comparado con otras, la única fibra que lo supera en este aspecto es la fibra de coco con un 30% (Ku et al., 2011), por lo que la fibra de coco verde con látex se emplea en asientos camiones y vehículos clase A de Mercedes Benz (Salazar et al., 2011); en Fiat ha sido utilizado en revestimientos de puertas, revestimientos de respaldo y piso, paneles, fondos de asientos, y reposacabezas. Mientras que Ford Motors lo ha usado como parte de material compuesto (30 % de refuerzo de fibra de coco, 37% de polipropileno y 3% de injerto de anhídrido maleico) (Ayrilmis et al., 2011) en contenedores de interiores, piso de carga, techo interior (Bajwa & Bhattacharjee, 2016) y panelearía por sus buenos resultados. De acuerdo con lo mencionado anteriormente, y la similitud entre fibra de coco y de mocora se podría suponer el potencial de la mocora en el sector automotriz. Por otro lado, es importante mencionar que los refuerzos de materiales compuestos mejoran su durabilidad y propiedades estructurales cuando la fibra se encuentra en un estado trenzado, anudado o tejido (Arumugam et al., 2022). Esto indica que la fibra de mocora trenzada es una forma óptima de aprovechar sus propiedades estructurales de la mejor manera.
Resultados análisis termogravimétrico
Con respecto a los cambios en la degradación de la fibra de mocora en función de la temperatura, esta mostró un comportamiento similar al observado en la planta Potus, un fenómeno que fue explicado por Maheshwaran et al. (2018), donde la degradación de la mencionada planta se produjo durante 4 fases, la primera ocurrió entre temperatura ambiente hasta 110 ℃ donde hubo pérdida de humedad por evaporación. Luego, hasta los 240 ℃ se dio la degradación de la hemicelulosa, la tercera fase sucedió hasta los 380 ℃ dónde se observó la degradación de la celulosa con una pérdida de 61,33% de peso y la cuarta fase hasta los 600 ℃, donde, a los 491 ℃ se dio un pico que se presume es debido a la despolimerización de cera.
Por otro lado, la mocora en comparación con el bambú es térmicamente más resistente, ya que esta última pierde el 20% de masa a los 307 ℃. Cercanamente, se tiene el cáñamo que lo pierde a los 312 ℃, mientras que la resistencia al calor del lino es mayor, puesto que requiere alcanzar 335 ℃ para perder 20% de masa (Dorez et al., 2013). Comparativamente con la fibra de mocora, se puede observar que en esta temperatura el lino se encuentra en un punto de caída de degradación similar. También se ha observado que, en el sisal, que es otra fibra de uso industrial, la pirolisis activa, se da desde los 222 ℃ hasta los 415 ℃ provocando una pérdida de 72% de peso (Martin et al., 2010), mientras que la mocora llega a perder esa cantidad de peso a los 527 ℃, haciéndola claramente más resistente en este sentido. De igual manera, es importante destacar esta propiedad, debido a que a temperaturas mayores los compuestos naturales cómo la celulosa, hemicelulosa y lignina empiezan una degradación que afecta sus propiedades térmicas, lo que hace a la fibra estudiada apta para procesos exotérmicos en curado de polímeros termoestables (Arumugam et al., 2022).
Adherencia a la resina de poliéster
La propiedad de transferencia de esfuerzos entre distintas fases viene dada por el grado de adherencia que hay entre ellas, siendo esta necesaria para transferencia de estrés y cargas adecuada (Herrera Franco & Valadez-González, 2005). En este sentido, la falta de adhesión en la mocora se da principalmente porque naturalmente las fibras de origen vegetal son hidrofóbicas debido a que se componen principalmente de material celulítico (Herrera Franco & Valadez-González, 2005). En este sentido, se puede presumir que no hay una adhesión, sino una adherencia entre la fibra y la matriz, dado que hay una fuerza en la cual los 2 cuerpos se separan, mostrando una interfaz en el compuesto (Müssig & Graupner, 2021). Aunque la utilización de biomateriales en compuestos presenta dificultades como baja adhesión interfacial entre refuerzo y matriz, así como baja compatibilidad y alta absorción de humedad, también representan grandes oportunidades como la reducción de gases de efecto invernadero y bajo impacto de huella de carbono, por lo que es importante reportar las propiedades de estos compuestos para el desarrollo de procedimientos de modificación (Gholampour & Ozbakkaloglu, 2020), más aun destacando la propiedad de elasticidad de la fibra trenzada, ya que se considera que en general un problema con materiales compuestos a base de biomateriales son las deficiencias mecánicas relativas a fibras sintéticas (Neto et al., 2022).
Estudio en fibras emergentes
Las fibras naturales muestran beneficios mecánicos en aplicaciones estructurales que han sido aprovechados a nivel mundial, donde los compuestos de fibras naturales con polímeros destacan de manera innovativa en investigación (Kozłowski et al., 2020). Por este motivo, es importante el continuar el trabajo de caracterización de fibras naturales que permita su expansión a aplicaciones mecánicas estructurales. En Ecuador, se han encontrado varias especies de fibras útiles mecánicamente catalogándolas cómo fibras emergentes (Kozłowski et al., 2020). Si embargo, la falta de conocimiento técnico lleva a su mal uso o desperdicio, lo cual conlleva a plantearnos el objetivo de introducir estos materiales a una producción circular (San Andrés et al., 2023) mediante la caracterización mecánica. De esta manera, la presente investigación logró determinar ventajas mecánicas y térmicas en la fibra de mocora a través de una caracterización formal y normalizada. Como un limitante, se determinaron dificultades en la formación del material compuesto con la resina poliéster por falta de adhesión. Este tema está siendo ampliamente estudiado, por ejemplo, aunque la poliamida sea un material de alto desempeño cuyas fibras podrían servir para aplicaciones automovilísticas y aeroespaciales, se deben superar las limitantes de una pobre adhesión en la interfaz (Lin et al., 2020). Más importante aún, el desarrollo de un mercado comercial de mocora se ve limitado por distancias físicas e infraestructura (Kor et al., 2021). Sin embargo, la caracterización mecánica de estos materiales abre caminos hacia mejoras que puedan aprovechar la elasticidad de la fibra, desde las prácticas artesanales a través de la difusión científica. En este sentido, la presente investigación propone una metodología de caracterización de fibras ecuatorianas que permita incrementar la competitividad industrial del país a través de la innovación y las tecnologías emergentes (Orejuela-Escobar et al., 2021)
CONCLUSIONES
La morfología de la mocora tiene una gran ventaja en sus largas fibras sin concentradores de esfuerzos y con longitudes promedio de 1m. De igual manera, aunque los recubrimientos son aglomerados permiten surcos para los cuerpos tubulares.
La fibra de mocora, al ser trenzada, alcanza una gran elongación porcentual que rivaliza con la del coco, lo que la convierte en una buena candidata para aplicaciones mecánicas.
La degradación por calor la hace apta para experimentaciones con otros polímeros que requieran mayores temperaturas de curado. De igual manera, la fibra de mocora demostró superioridad en la degradación absoluta, dándole mayor seguridad a su uso.
Debido a sus propiedades intrínsecas encontradas en el presente estudio, la fibra de mocora no presentó una buena adherencia a la resina poliéster insaturada, bajo las condiciones experimentadas. Siendo esta una conjetura propia del estudio. Por este motivo se recomienda realizar estudios que permitan mejorar esta propiedad por medio de tratamientos físicos y químicos, al igual que determinar sus propiedades bajo distintas condiciones.
El estudio aporta a la comunidad científica la caracterización de una fibra que se usa de manera artesanal encontrando potencialidades de uso mecánico. De esta forma, se demuestra que las fibras emergentes ecuatorianas tienen la potencialidad de aportar a la competitividad industrial y circularidades económicas.
