Artículos

 

Propiedades físico-mecánicas de la fibra de Agave lechuguilla Torr. de cinco procedencias bajo plantaciones

 

Physical and mechanical properties of Agave lechuguilla Torr. fiber under plantations of five provenances

 

David Castillo Quiroz¹, J. Trinidad Sáenz Reyes², Mariano Narcia Velasco¹ y José Antonio Vázquez Ramos¹

 

¹Campo Experimental Saltillo. CIR-Noreste, INIFAP. Correo-e: castillo.david@inifap.gob.mx

²Campo Experimental Uruapan. CIR-Pacífico Centro, INIFAP.

 

Fecha de recepción: 1 de junio de 2012;
Fecha de aceptación: 20 de agosto de 2013.

 

RESUMEN

La lechuguilla (Agave lechuguilla) es una especie de las zonas áridas y semiáridas de México, donde ocupa una superficie aproximada de 20 millones de hectáreas, en los estados de Coahuila, Chihuahua, Nuevo León, Durango, San Luis Potosí, Tamaulipas y Zacatecas. Su fibra se utiliza en diversos productos de la industria cepillera. La producción de este material en poblaciones naturales se ha reducido por la falta de mano de obra, la sobreexplotación del recurso y las condiciones climáticas irregulares que alargan su turno técnico. Una opción para incrementarla son las plantaciones comerciales. El objetivo del presente estudio fue determinar el efecto de plantación con riego y fertilización de cinco procedencias de lechuguilla en las propiedades físicas y mecánicas de la fibra. En estas plantas el diámetro mayor es un criterio de medición de interés que corresponde a la base del cogollo, y disminuye gradualmente hasta la punta. Los resultados indican que las localidades sobresalientes en este sentido son el ejido Marte y el ejido Independencia, municipio Jaumave con 0.45 y 0.39 mm, respectivamente. La densidad linear varía de 10.74 (ejido Marte) a 5.97 Decitex. En resistencia a la tensión, la carga máxima que soportaron las procedencias evaluadas en la plantación fue de 19.67 y 22.84 Newton. La prueba de elongación máxima tuvo un intervalo de 7.97 a 12.46%. Se concluye que las propiedades físico-mecánicas de la fibra de la lechuguilla no se alteran al someterla a cultivo.

Palabras clave: Agave lechuguilla Torr., fertilización, fibras, plantaciones, propiedades físico-mecánicas, riego.

 

ABSTRACT

Lechuguilla (Agave lechuguilla) is a species of arid and semiarid regions of Mexico, where it covers an approximate area of 20 million hectares in the states of Coahuila, Chihuahua, Nuevo Leon, Durango, San Luis Potosi, Tamaulipas and Zacatecas. Its fiber is used in various products of the brush industry. The production of this material in natural populations has been reduced by the lack of labor, the over- exploitation of the resource and irregular weather conditions which extend the technical turn. An option to increase it are commercial plantations. The aim of this study was to determine the effect of planting with irrigation and fertilization of five provenances of Lechuguilla upon the physical and mechanical properties of its fiber. In these plants, the major diameter is a measurement criterion of interest corresponding to the heart base, and tapering towards the tip. Results indicate that the outstanding localities in this regard are the Ejido Marte and Ejido Independencia, Jaumave with 0.45 and 0.39 mm, respectively. Linear density varies from 10.74 (Ejido Marte) to 5.97 decitex. In tensile strength, maximum load withstood the sources evaluated in the plantation was 19.67 and 22.84 Newton. Maximum elongation testing had a range of 7.97 to 12.46%. It was concluded that the physical-mechanical properties of the fiber of Lechuguilla not altered when plants are subjected to cultivation.

Key words: Agave lechuguilla Torr., fertilizer, fibers, plantations, physical and mechanical properties, irrigation.

 

INTRODUCCIÓN

En el mundo se producen fibras naturales de origen vegetal o biofibras, y en ese contexto México destaca porque posee una gran diversidad de especies productoras de dicho material que proceden, principalmente, de la familia Agavaceae, a la que pertenece la lechuguilla (Agave lechuguilla Torr.), taxón nativo de las zonas áridas y semiáridas del sur de los Estados Unidos de América y de México (Castillo et al., 2011). Su área de distribución nacional cubre una superficie aproximada a los 20 millones de hectáreas, que corresponden a 10% del territorio; comprende los estados de Coahuila, Chihuahua, Nuevo León, Durango, San Luis Potosí, Tamaulipas y Zacatecas (Castillo et al., 2011). Esta planta aporta importantes beneficios socioeconómicos a los pobladores del área rural, debido a que la extracción de su fibra ha constituido una actividad de subsistencia familiar por generaciones (más de 70 años) y representa empleos directos; además de, las ventajas que significa la comercialización de la materia prima que de ella se obtiene (Castillo et al., 2011) y que es transformada para elaborar diversos productos que, eventualmente, se convertirán en bienes de consumo.

La fibra de lechuguilla (ixtle) o Tampico fiber, como se conoce a nivel internacional, tiene una excelente calidad por su dureza, alta resistencia y durabilidad; por lo que se utiliza en la fabricación de diferentes utensilios domésticos (sogas, estropajos para el baño personal, cepillos y brochas para maquillaje) y dada su alta capacidad de absorción de agua (65%) y su resistencia a solventes químicos, calor, ácidos diluidos y concentrados, productos abrasivos, destilados del petróleo, alcoholes y aceites vegetales es empleada como sustituto de las cerdas en la fabricación de cepillos industriales, para la limpieza y la construcción (Lawrence Long Ltd., 2004; Fibras Saltillo, 2005).

Las perspectivas actuales de comercialización de la fibra de lechuguilla son alentadoras, debido a la presencia de un mercado nacional e internacional bien establecido con tendencias a una mayor demanda de fibras naturales, en los que 93% de la producción nacional se destina a la exportación, lo que genera una fuente de ingreso de divisas para el país. Cabe señalar que es la única nación exportadora. Entre 2003 y 2007 se registraron ventas de 350 mil dólares (Castillo et al., 2011; Semarnat, 2010).

Al igual que muchos de los taxa vegetales de importancia económica de las zonas áridas y semiáridas, la lechuguilla ha estado sometida a una sobreexplotación, lo que ha provocado que sus poblaciones disminuyan, a tal grado que, cada vez es más difícil obtener la materia prima de poblaciones naturales y que además, se haya generado deterioro en los ecosistemas donde habita. Con la finalidad de contribuir a resolver esa problemática, se han realizado acciones para lograr un mejor aprovechamiento con técnicas que involucran desde metodologías para la evaluación y manejo de las poblaciones naturales (Berlanga et al., 1991), hasta su domesticación y cultivo, a través de técnicas para el establecimiento y manejo agronómico de plantaciones comerciales bajo condiciones de temporal (Berlanga et al., 1992a; Berlanga et al., 1992b) y con la utilización de fertilización y riego (Castillo et al., 2008; 2012). Sin embargo, como la mayor parte de la fibra se destina al mercado internacional, es de gran importancia conocer si la producida bajo cultivo y con un manejo intensivo presenta cambios importantes en sus características físicas y mecánicas.

Dentro de los métodos de evaluación de las fibras de origen vegetal o biofibras, están las pruebas físicas y mecánicas, que toman en cuenta el diámetro, que se refiere al grosor de una fibra expresado en milímetros; la densidad lineal o fineza, que se define como la relación entre el peso y la longitud de la fibra, es decir, a unidades de masa entre unidades de superficie y se expresa en unidades de masa sobre longitud (g cm^-1); el módulo de elasticidad longitudinal, que es un parámetro que caracteriza el comportamiento de un material; la resistencia a la tensión o elongación máxima, expresado en porcentaje (%), cuando un material es sometido a una fuerza tanto si es de comprensión, como de estiramiento (tensión o elongación) se produce una deformación. Todos los materiales tienden a soportar dicha fuerza de deformación hasta una cierta intensidad o grado, la cual puede ser de manera elástica o reversible, ya que al suprimir la tensión el material vuelve a su estado original (Belmares, 1979; Cazaurang, 1991; Aguilar, 2000; Juárez et al., 2003).

En la Norma Mexicana NMX-FF-113-SCFI-2009 sobre los productos de origen vegetal-fibra (ixtle) 100% de Agave de lechuguilla (Agave lechuguilla) (Secretaría de Economía, 2009) se mencionan diferentes pruebas físico-mecánicas, entre ellas: Resistencia a la rotura (N), Elongación (%), Regain (%) que se refiere al contenido de humedad en la fibra, el color y longitud de la fibra y el peine, el cual es la parte de la fibra constituida por la base, de consistencia dura. En la literatura no existen estudios relacionados con la determinación de estas propiedades en plantas bajo cultivo; solo hay registros de algunas pruebas de fibra obtenida de poblaciones naturales como son los de Belmares (1979), Juárez et al. (2003) y Mayorga et al. (2004), además de informes de pruebas en otras especies de la familia Agavaceae como el henequén (Agave fourcroydes Lem.) y el sisal (Agave sisalana Perrine) (Cazaurang, 1991). Este autor señala que las propiedades físicas y mecánicas de las fibras son uniformes en la sección media y que la morfología de la fibra de henequén es similar a la de otras fibras duras naturales entre ellas el sisal, yute (Corchorus capsularis L., o C. olitorius L.) y abacá (Musa textilis Nee).

El objetivo del estudio que se documenta fue determinar el efecto de plantación, con riego y fertilización en las propiedades físicas y mecánicas de la fibra en cinco procedencias de lechuguilla.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

La fibra se recolectó de una plantación experimental de dos años de edad establecida en el rancho "La Gloria" municipio General Cepeda, Coahuila, ubicado a 25° 23’ latitud norte y 101°26’ longitud oeste y a 1 258 msnm, con un tipo de clima BS_o h x’, semiseco con lluvias escasas todo el año, una temperatura media anual de 19 °C y precipitación promedio anual de 313 mm. A las plantas de las que se extrajo la fibra se les habían aplicado de 100 y 200 kg de nitrógeno ha-¹ y riego mensual. Las cinco procedencias fueron: 1) Área Experimental "La Sauceda" y 2) ejido Paredón, municipio Ramos Arizpe, Coahuila; 3) ejido Marte y 4) rancho La Gloria, municipio General Cepeda, Coahuila; y 5) ejido Independencia, municipio Jaumave, Tamaulipas.

Los resultados de la aplicación de fertilización y riego en la plantación indican que no hubo diferencia estadísticamente significativa entre tratamientos (Castillo et al., 2008), por lo que la fibra fue seleccionada mediante un muestreo al azar en las parcelas experimentales, y se obtuvo del cogollo, el cual lo integran las hojas más tiernas de la planta, que están agrupadas al centro de esta y que contiene menos lignina que las hojas laterales. El desfibrado se hizo mediante tallado a mano, una de las dos técnicas tradicionales utilizadas para la extracción de la fibra, debido a que con este método se generan menos daños y se produce una cantidad menor de restos de materia orgánica.

Todas las pruebas en las fibras se realizaron a una temperatura de 20 ºC y 60% de humedad relativa, en el Laboratorio de Metal Mecánica del Instituto Tecnológico de Saltillo.

 

Pruebas físicas

Las pruebas físicas evaluadas fueron el diámetro promedio y la densidad lineal; en las propiedades mecánicas, la resistencia, el esfuerzo último a la tensión y la elongación máxima a la ruptura; todas las variables se realizaron con un diseño experimental completamente al azar, y la comparación de medias con la prueba de rangos múltiples de Duncan, por medio del software Statistical Analysis System^© versión 9.1 (SAS, 2003).

Para la determinación del diámetro, se tomaron al azar lotes de 80 filamentos de cada una de las cinco procedencias. Se hicieron tres lecturas a lo largo de la fibra, del diámetro de la base, de la parte media y en la punta; las medidas se efectuaron con la ayuda de un calibrador digital vernier (lcd Truper) de 0.01 mm de precisión.

En el caso de la densidad lineal (unidades de masa entre unidades de superficie), se tomaron al azar 100 muestras (filamentos) de cada uno de las procedencias; posteriormente se realizó un corte a la parte basal y apical de la fibra hasta una distancia de 50 mm; se midió la longitud de la misma con una regla graduada (a 1 mm) y se determinó el peso de filamento mediante una balanza analítica digital marca Scientelh con precisión de 0.001 g.

La densidad lineal se calculó con la ecuación de György (1986):

Donde:

D = Densidad lineal (Decitex)
P = Peso de la muestra (g)
L = longitud de la muestra (m); se expresa en unidades de masa sobre longitud (g cm^-1)

 

Pruebas mecánicas

Consistieron en la determinación de la resistencia a la tensión y elongación máxima de la fibra.

En la primera se seleccionaron por procedencia 20 muestras (filamentos) al azar; en cada una se midieron segmentos de 100 mm de longitud de la parte media de la fibra, los cuales se ensamblaron en una máquina de esfuerzos Instron, que se calibró a una velocidad de 50 mm min^-1. La fuerza de la tensión sobre la carga, así como la deformación quedó representada sobre el papel continuo procedente del registrador de la máquina. Así se determinó la carga máxima soportada por la fibra expresada en Newton.

La segunda prueba consistió en la elongación máxima que experimenta la fibra durante el ensayo de tensión, que se expresa como porcentaje de elongación, en la cual se registró el deslizamiento máximo de la fibra hasta el punto de ruptura al aplicar una carga constante; se calculó con la siguiente ecuación:

Donde:

L₀ = longitud inicial (marca de la calibración de la mordaza antes del ensayo)
l = Longitud final

 

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Diámetro de fibra

Los análisis de varianza (ANOVA) y la comparación de medias con la prueba de rango múltiple de Duncan (RMD), de las variables diámetro basal, medio y apical de la fibra de lechuguilla indican que existe diferencia estadística altamente significativa entre las procedencias, con 99% de probabilidad. En todas las mediciones (diámetro basal, medio y apical), el ejido Marte fue el mejor para el primero, le sigue el ejido Independencia y en tercer lugar el resto de las localidades. En diámetro medio, el segundo lugar corresponde al ejido Paredón; en tercer lugar La Sauceda y finalmente, el rancho La Gloria y ejido Independencia. En diámetro apical el segundo lugar correspondió al ejido Paredón (cuadros 1 al 6).(2, 3, 4, 5)

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El diámetro mayor corresponde a la base del cogollo y disminuye gradualmente hasta la punta; para el diámetro basal se obtuvieron valores entre 0.33 a 0.45 mm, para el segmento medio con 0.25 a 0.33 mm y para el último, de 0.20 a 0.27 mm. Las localidades que sobresalen en diámetro basal son el ejido Marte y el ejido Independencia con 0.45 y 0.39 mm, y los de menor diámetro para La Sauceda, ejido Paredón y rancho La Gloria con 0.33, 0.35 mm y .35 mm, respectivamente. Respecto a la parte media, los diámetros son más homogéneos entre 0.25 y 0.33 mm, y destacan además del ejido Marte, el Paredón y La Sauceda, con 0.33 y 0.29 mm, seguido por rancho La Gloria y ejido Independencia de Jaumave con 0.27 y 0.25 mm de diámetro. En la parte apical de la fibra, el ejido Independencia, rancho La Gloria y ejido Marte obtuvieron 0.27 mm, y 0.21 y 0.20 para ejido Paredón y la Sauceda. Los resultados en relación con el diámetro de la fibra son muy similares a los determinados por Juárez et al., (2003) en diámetros de las fibras de lechuguilla de poblaciones naturales, con un promedio máximo de 0.26 mm y mínimo de 0.16 mm. (Cuadro 7, Figura 1).

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Lo anterior demostró que la fibra de la lechuguilla cultivada, al igual que otras fibras naturales como el henequén (Cazaurang, 1991) (Juárez et al., 2003) presentan una variación del diámetro a lo largo de la fibra desde su parte basal y apical, en cuya parte inferior de la fibra presenta el mayor diámetro, la sección media es más homogénea, la cual se reduce notablemente conforme se aproxima a la parte apical, en la que se registran los valores más bajos. Los resultados de las pruebas en fibras sometidas al cultivo (plantación con fertilización y riego) comparados con las de poblaciones naturales (Juárez et al., 2003) no presentaron variaciones sustanciales en relación con el diámetro en los tres segmentos de la misma.

 

Densidad lineal

El ANOVA y la comparación de medias con RMD de la variable densidad lineal evidencian la existencia de diferencias estadísticas altamente significativas entre las procedencias con 99% de probabilidad (cuadros 8 y 9). Se tienen variaciones de 10.74 a 5.97 Decitex (g m^-1); la procedencia ejido Marte obtuvo la mayor respuesta con un valor de 10.74, con una desviación estándar de 2.10, seguida por el ejido Paredón con 10.55, una desviación estándar de 3.35; rancho La Gloria reflejó la menor densidad lineal con 5.97 y una desviación estándar de 1.18 (Cuadro 10).

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Los valores promedio con la misma letra indican que son estadísticamente iguales (p<0.01).

Al hacer un análisis sobre la calidad de la fibra de A. lechuguilla obtenida de poblaciones naturales, Mayorga et al. (2004) compararon el desfibrado manual y el mecánico; sus resultados indican que la densidad lineal para el tallado a mano fue menor, con 949.53 g m^-1, pues el hecho a máquina fue de 1 352.54 g m^-1; diferencia que se atribuye a que la fibra es más burda por la gran cantidad de residuo adherido que contiene. Estos valores son muy similares a los registrados en este estudio (602.71 a 1 084.91 Decitex), y el contraste entre ellos puede explicarse porque la fibra se recolectó en plantaciones experimentales con fertilización y riego; además, la fibra se obtuvo con el tallado a mano, y en esta modalidad el peso y el diámetro de dicha fibra fueron distintos a partir de cada localidad o procedencia.

Resistencia a la tensión

Con el ANOVA y la comparación de medias con RMD de la variable resistencia a la tensión, se detectó que no existe diferencia estadística significativa entre las procedencias (Cuadro 11). Sin embargo, los resultados señalan que la carga máxima que soportaron las procedencias evaluadas en la plantación variaron de 19.67 a 22.84 Newton (N). La mejor respuesta a la resistencia fue para el ejido Marte con 22.84 N, y una desviación estándar de 4.37, debido a que presentó mayor diámetro medio (0.33 mm); a la que siguen La Sauceda y el ejido Independencia de Jaumave con 20.62 y 20.00 N, con desviación estándar de 7.22 y 5.50; por otra parte, las menores fueron para ejido Paredón con 19.85 N y rancho La Gloria con 19.67 N, con 4.45 y 5.39 de desviación estándar (Figura 2). Los valores aquí descritos son muy semejantes a los mencionados por Mayorga et al. (2004) quienes obtuvieron promedios de 18.91 en desfibrado manual y 21.04 con tallado mecánico; cabe aclarar que dichos autores tomaron el material de poblaciones naturales y la fibra en este estudio era de plantaciones experimentales, lo cual demuestra que la fibra al ser sometida al cultivo y manejo no disminuye la resistencia a la tensión.

 

Elongación máxima

Con el ANOVA y la comparación de medias con RMD de la variable elongación máxima, se determinó que estadísticamente existe diferencia altamente significativa entre las procedencias con 99% de probabilidad (cuadros 12 y 13). Los resultados tendieron a variar en un intervalo de 7.97 a 12.46% (Figura 3) y muestran que hay una recuperación apropiada del material; además concuerdan con lo citado por Belmares et al. (1979) quienes realizaron pruebas de elongación de fibra obtenida de poblaciones naturales.

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Los valores promedio con la misma letra indican que son estadísticamente iguales (p<0.01).

Con los resultados anteriores se comprueba que la lechuguilla en plantaciones con manejo intensivo no se alteran las características mecánicas propias de su fibra en condiciones naturales, ya que tienden a su estado normal, esta respuesta es muy similar a lo que sucede con el sisal (Lock, 1969). Asimismo, Mayorga et al. (2004) afirmaron haber tenido valores de 6.42% con tratamiento manual y 7.17% de manera mecánica en la elongación con fibras de lechuguilla. De acuerdo a lo anterior se demuestra que la fibra de lechuguilla es dúctil, pudiéndose mantener permanentemente alargada, lo cual confirma las respuestas concordantes de las leyes Hooke antes de llegar al límite de rompimiento.

 

CONCLUSIONES

Las propiedades físico-mecánicas de la fibra de lechuguilla no se afectan al producir la planta en plantaciones con fertilización nitrogenada y riego.

Una baja densidad lineal (5.97 y 6.56 Decitex) en la fibra de lechuguilla refleja una fineza superior, y con una densidad lineal (8.8 a 10.74 Decitex) la fibra tiende a ser más áspera y dura, esto indica el tipo de uso que se le puede proporcionar, lo cual está relacionado con las condiciones agroclimatológicas y la genética propia de la planta.

Las procedencias de los ejidos Marte y Paredón, y La Sauceda son genotipos con características para producir fibras duras y ásperas resistentes a la tensión; la del rancho La Gloria y ejido Independencia producen fibras más finas. Esto se debe a las condiciones ecológicas de cada unas de las procedencias como altitud, temperatura y precipitación, para el caso de las tres primeras tienen registros de lluvia promedio menores a 200 mm, para el caso del rancho La Gloria es de 330 mm y para ejido Independencia es de 750 mm.

Cuando la fibra demuestra tener una menor elongación en porcentaje y baja tensión, se debe a su fineza o delicadeza, por tal razón este tipo de estudio es de gran importancia, porque de acuerdo a las características del material por cada procedencia, podría definirse su uso particular.

 

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a la Fundación Produce Coahuila, A. C. y al Fondo Sectorial CONACYT-CONAFOR (CONAFOR-2003-C03-10360) por el financiamiento otorgado para la presente investigación. De igual forma se hace un reconocimiento al Ing. Emilio Arizpe Narro (productor cooperante) por facilitar las instalaciones del rancho La Gloria, donde se llevó a cabo parte del trabajo experimental.

 

REFERENCIAS

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