Evaluación de las propiedades mecánicas y micromecánicas de los materiales compuestos de polipropileno reforzado con fibras residuales provenientes del reciclado de recortes en la industria textil

Resumen

Cada año, la industria textil genera grandes cantidades de residuos celulósicos durante las etapas de producción y fabricación de tejidos. Este residuo se compone de fibras con longitudes inferiores a 10 mm que impiden su reintroducción en el proceso de la fabricación textil y terminan en vertederos o en incineradoras. En esta tesis doctoral, se han obtenido materiales compuestos de polipropileno reforzado con residuos celulósicos provenientes de la industria textil, con el fin de darles un valor añadido y reducir su impacto ambiental. El residuo celulósico que se ha utilizado es la borra de algodón, dado que el algodón es la fibra natural que más se utiliza en la confección de vestidos y, por lo tanto, es donde se genera la mayor cantidad de estos residuos. Para la obtención de un material compuesto de PP reforzado con fibras naturales es necesaria la utilización de un agente de acoplamiento para garantizar una buena interfase entre ellas. En este caso, al partir de una fibra celulósica teñida, se ha aprovechado para estudiar qué efecto tiene el tinte sobre la interfase del material compuesto. Durante este estudio se ha encontrado que los tintes orgánicos presentes en la borra de algodón afectan a la calidad de la interfase de dos maneras distintas. Por un lado, aumentan la afinidad entre las fibras de algodón y la matriz debido a que aumentan el carácter hidrofóbico de las fibras y, en consecuencia, aumentan su compatibilidad química con la matriz. Por otro lado, limitan el efecto de los agentes de acoplamiento debido a la dificultad que tiene el agente de acoplamiento para reaccionar con los grupos hidroxilos superficiales de la fibra a causa de la presencia del tinte. Se han analizado las propiedades mecánicas de los diferentes materiales compuestos producidos con diferentes cantidades de refuerzo y de agente de acoplamiento (MAPP). Los resultados de los ensayos a tracción, han mostrado un incremento notable de la resistencia a tracción de la matriz. Sin embargo, los compuestos formulados con MAPP han mostrado una resistencia a tracción significativamente más alta que los compuestos formulados sin este agente de acoplamiento. En cuanto a la rigidez, se ha observado una evolución lineal de los valores del Módulo de Young de los compuestos directamente proporcional al contenido de refuerzo aplicado. Por el contrario, se ha constatado que la pendiente de la ecuación de ajuste lineal obtenida a través de la representación gráfica mencionada anteriormente, es inferior al de otros compuestos de polipropileno reforzados con fibras naturales. Si nos centramos al análisis de flexión y al análisis de impacto de los especímenes, los materiales obtenidos han mostrado propiedades prometedoras que muestran su capacidad para reemplazar compuestos reforzados con fibra de vidrio, siendo este último el refuerzo más utilizado en los materiales compuestos comerciales. También hay que tener en cuenta el estudio de absorción de agua a través del cual se podido observar el comportamiento que tienen los compuestos de PP reforzados con fibras de algodón teñidas en medios con elevado porcentaje de humedad. Aunque las fibras estaban recubiertas superficialmente de tinte, esto no ha sido un impedimento para la absorción de agua en su interior. Paralelamente al estudio de las propiedades mecánicas, se ha evaluado la interfase de los compuestos y se han calculado las propiedades intrínsecas de las fibras. Para llevar a cabo esta evaluación, se ha utilizado el modelo Kelly y Tyson, basado en la regla de mezclas modificadas. Con el fin de resolver la ecuación de cuatro incógnitas asociada al modelo lineal de Kelly y Tyson, se toma como referencia el modelo de Bowyer y Bader que nos permite a través de una serie de suposiciones la obtención de una ecuación con una sola incógnita. En el caso del módulo de Young y del módulo a flexión, se han utilizado el modelo Hirsch y el de Tsai y Pagano que tiene en cuenta la morfología de las fibras, para calcular los módulos intrínsecos de las fibras. La obtención de estos módulos intrínsecos ha permitido evaluar el efecto de la inclusión explícita de la morfología de la fibra en los resultados. Finalmente, se ha utilizado una regla modificada de mezclas para obtener el factor de eficiencia de las fibras y los factores de orientación y longitud.