Análisis estadístico

El modelo estadístico utilizado fue un diseño de bloques completamente al azar (DBCA), con un arreglo factorial de 2 × 2 (tamaño de partículas de bambú y proporción bambú/polipropileno), con siete repeticiones para los ensayos de pérdida de peso, densidad anhidra, absorción, hinchamiento, tensión y flexión estática; y 20 para impacto. El diseño fue el siguiente:

Donde:

µ = Media general

αi = Efecto debido al i-ésimo nivel del factor tamaño de partícula (40/60 y 60/80)

βj= Efecto debido al j-ésimo nivel del factor proporción de mezcla bambú/ polipropileno (50/50 y 70/30)

γk = Bloque (dos tipos de hongos)

αβij= Efecto de interacción en la combinación ij

εijk = Error aleatorio que supone sigue una distribución con media cero y varianza constante σ² y son independientes entre sí

Se aplicó un análisis de varianza con el programa Statistical Analysis System versión 9.2 (^{SAS, 2008}). Cuando se observaron diferencias entre tratamientos (p<0.05) se aplicó la prueba de comparación de medias de Tukey.

Biodegradación de los compuestos bambú-polipropileno

En la Figura 2 se muestra la pérdida de peso del testigo de bambú y del compuesto bambú-polipropileno expuestos a Pycnoporus sanguineus y Rhodonia placenta. Los valores de pérdida de peso del compuesto bambú-polipropileno variaron entre 3.3 y 4.9 % para P. sanguineus y de 2.3 a 3.4 % para R. placenta. La mayor pérdida de peso se registró en los compuestos con más proporción de partículas de bambú (50/50) y tamaño de partícula más pequeño (-60/+80). Asimismo, para el testigo de caña de bambú y el material compuesto bambú-polipropileno se observó una pérdida de peso superior, ante la presencia de P. sanguineus.

Figura 2 Biodegradación del compuesto bambú- polipropileno. 

Respecto a la proporción (P) se observó que la pérdida de peso causada por ambas especies fúngicas aumentó con el incremento de la proporción de partículas de bambú en el compuesto, debido a que hay una mayor disponibilidad del material orgánico para la colonización y desarrollo de los hongos. Dichos resultados concuerdan, ampliamente, con lo citado en diversos estudios (^{Pendleton et al., 2002}; ^{Lomelí et al., 2009}; ^{Kartal et al., 2013}; ^{Candelier et al., 2018}).

En cuanto a la variable tamaño de partícula (T), se registró una posible mayor pérdida de peso causada por P. sanguineus en los compuestos con menor tamaño de partícula de bambú, lo cual podría apoyarse en lo documentado por ^{Kartal et al. (2013)} y se sustenta en el estudio de ^{Lomelí et al. (2009)}, quienes afirman que las partículas más pequeñas tienen un mejor grado de distribución y aumentan la superficie específica susceptible de ser infestada por hongos.

Estos resultados indican que las partículas de bambú no están completamente encapsuladas por la matriz polimérica, lo cual repercute en la biodegradación del material; hecho que concuerda con ^{Klyosov (2007)}, respecto a que cuando los materiales compuestos contienen una cantidad significativa de celulosa, hay suficientes partículas para formar cadenas extendidas y en contacto, a lo largo de las cuales el agua puede penetrar en la mayor parte del material, y como resultado existe contaminación microbiana del material en los poros y conductos de la matriz, así como degradación del material celulósico.

Sobre el tipo de hongo (H), se evidenció que P. sanguineus (pudrición blanca) causó más biodegradación que R. placenta (pudrición café). Esto se debe a la capacidad que tiene P. sanguineus para degradar los principales componentes de la pared celular, como lo señalan ^{Encinas y Mora (2003)}, autores que describen los patrones de degradación de los hongos de pudrición blanca Trametes versicolor (L ex Fr) Pilat. y P. sanguineus en maderas de pino caribe, en el que registran un ataque simultáneo sobre los componentes principales de la pared celular: celulosa, hemicelulosa y lignina. Asimismo, ^{Catto et al. (2016)} indican que los hongos de pudrición blanca contienen enzimas como la peroxidasa de lignina, lacasa y la peroxidasa de manganeso que catalizan el deterioro, a través de la difusión de agentes oxidantes o mediadores específicos, los cuales degradan preferentemente la lignina y en otros casos, de manera simultánea la lignina y la celulosa.

Los hongos de pudrición café, según lo citado por ^{Mankowski y Morrell (2000)}, ^{Fabiyi et al. (2011)}, ^{Ibach (2013)} y ^{Candelier et al. (2018)} contienen endoglucanasas que tienden a degradar, fundamentalmente, la celulosa y la hemicelulosa; por lo que se nota una limitada disminución del contenido de lignina, y se observa una mayor eficiencia en la degradación, preferentemente, de los carbohidratos en las coníferas (^{Irbe et al., 2006}).

El análisis estadístico de variancia (ANOVA) demostró que las variables tipo de hongo (H) y proporción (P) resultaron altamente significativas (p-valor de 0.0002 y 0.0011, respectivamente); y la variable tamaño de partícula (T) también resultó significativa (p-valor de 0.0176).

Propiedades físicas de los compuestos bambú-plástico expuestos a biodegradación

Densidad

En la Figura 3 se muestra la densidad del compuesto bambú - polipropileno; en los expuestos a los hongos se observa que el menor valor (0.65 g.cm^-3) correspondió a P. sanguineus, con tamaño de partícula 40/60 y proporción bambú/polipropileno 50/50; lo que concuerda con su mayor degradación. Respecto a R. placenta, el valor más alto fue de 0.89 g.cm^-3, tamaño de partícula 60/80 y proporción bambú/polipropileno 30/70. Asimismo, se observa que los resultados de los compuestos bambú-polipropileno con exposición a hongos fueron menores a los del testigo; lo cual demuestra que la biodegradación por hongos en los materiales compuestos afectó la densidad del compuesto.

Figura 3 Densidad del compuesto bambú - polipropileno expuesto a hongos de pudrición. 

Los resultados evidenciaron que los compuesto bambú - polipropileno con exposición a hongos de pudrición y menor tamaño de partículas presentaron los mayores valores de densidad, debido a que las partículas más pequeñas tienen un mejor grado de distribución y encapsulamiento en la matriz polimérica, lo que causa menos porosidad y hace que aumente la densidad (^{Verhey y Laks, 2002}; ^{Klyosov, 2007}). Asimismo, al incrementarse el contenido de partículas de bambú en dichos compuestos, la porosidad aumenta; y con ello, disminuye su densidad (^{Lomeli et al. 2009}, ^{Lázaro et al., 2016a}; ^{Córdova et al., 2020}).

Con base en la Figura 3, las densidades registradas con la proporción bambú/polipropileno 50/50 (<0.84 g.cm^-3) son más bajos a los documentados por ^{Schirp y Wolcott (2005)}, con 1.05 g.cm^-3; ^{Cárdenas (2012)}, con 1.06 g.cm^-3; y ^{Kartal et al. (2013)}, con 1.08 g.cm^-3 en probetas sin exposición a hongos. Lo anterior demuestra que los compuestos en estudio presentaron mayor porosidad, lo que incidió en los menores valores de densidad, posiblemente, porque en la presente investigación se realizaron por extrusión y compresión; mientras que en los estudios citados el proceso final fue por inyección.

El análisis estadístico de variancia (ANOVA) demostró que las variables tamaño de partícula (T) y proporción (P) fueron altamente significativas (p-valor < 0.0001).

Absorción

En la Figura 4 se observa que la absorción atribuida al incremento de peso del compuesto bambú - polipropileno. A los compuestos bambú - polipropileno con exposición fúngica de menor tamaño de partícula 60/80, proporción bambú/polipropileno 30/70 y expuesto a R. placenta les correspondió el menor valor (7.4 %); mientras que, el valor más alto (29.3 %) se registró en los compuestos con el mayor tamaño de partícula 40/60, proporción bambú/polipropileno 50/50 y expuesto a P. sanguineus. Resultados que respaldan la mayor influencia del hongo de pudrición blanca en la propiedad física de absorción, debido a que la biodegradación fue más alta (^{Cárdenas, 2012}).También, se evidencia que la absorción de agua en los compuestos bambú - polipropileno sin exposición (testigo) fue inferior, con respecto a los compuestos en presencia de las dos especies de hongos, ya que la penetración de los estos provocó el aumento de la absorción de agua, a causa de las grietas o mayores espacios vacíos por la desunión del bambú con el plástico (^{Steckel et al., 2006}; ^{Klyosov, 2007}).

Figura 4 Absorción del compuesto bambú- polipropileno expuesto a hongos de pudrición. 

Además, los compuesto bambú - polipropileno con tamaño de partículas más grande y expuestos a los hongos de pudrición presentaron los valores superiores de absorción de agua; lo anterior, favorecido por la mayor área hidrofílica expuesta a la humedad (Figura 5) (^{Verhey y Laks, 2002}; ^{Bouafif et al., 2009}; ^{Lázaro et al., 2016a}). Por otro lado, las partículas pequeñas se encapsulan de manera más efectiva en la matriz polimérica, ello causa la existencia de menos espacios vacíos por donde circule el agua, lo que reduce la absorción de agua (^{Stark, 2001}; ^{Wang y Morrel, 2004}).

Tamaño de partícula 60/80 (izquierda) y 40/60 (derecha)

Figura 5 Muestras sometidas a absorción luego de exposición a Rhodonia placenta (Fr.) Niemelä K.H. Larss. & Schigel, de proporción bambú/polipropileno 30/70. 

Los compuesto bambú - polipropileno con exposición a hongos de pudrición con mayor contenido de partículas de bambú presentaron valores de absorción de agua más altos, debido al aumento de sus grupos hidroxílicos y por su naturaleza hidrofílica (^{Westman et al., 2010}; ^{Ibach, 2013}); además, se generó una incompatibilidad entre las partículas y la matriz polimérica que originó espacios vacíos y grietas por los que penetró el agua, lo anterior concuerda con lo señalado por ^{Klyosov (2007)} y ^{Bouafif et al. (2009)}. Es decir, el incremento de partículas de bambú en los materiales compuestos bambú - polipropileno aumentó los valores de la absorción de agua (^{Mankowski y Morrell, 2000}; ^{Verhey y Laks, 2002}; ^{Barton et al., 2017}; ^{Candelier et al., 2018}).

Los valores de absorción determinados para la proporción bambú/polipropileno 50/50 (>17.9 %) para los dos tamaños de partícula, expuestos a pudrición blanca y café fueron superiores a los consignados por ^{Hosseinihashemi et al. (2011)}, con 9.1 y 10.0 %; ^{Kartal et al. (2013)}, con 16.6 %; y ^{Cárdenas (2012)}, con 5.1%; autores que trabajaron con proporciones y tamaños de partículas similares, pero con métodos de fabricación diferentes.

El análisis estadístico de variancia (ANOVA) demostró que las variables tamaño de partícula (T) y proporción (P) resultaron altamente significativas (p-valor < 0.0001 para ambas).

Hinchamiento

En los compuestos bambú - polipropileno con exposición se observó que el menor valor de 0.9 % correspondió al de tamaño de partícula más pequeño (60/80), proporción bambú/polipropileno 30/70 y expuesto a R. placenta (Figura 6); el mayor valor de 2.9 %, se registró para los mismos tamaño de partícula y especie fúngica, pero con proporción bambú/polipropileno de 50/50 (Figura 6). Asimismo, el hinchamiento de los compuestos bambú - polipropileno en el testigo fue inferior con respecto a los compuestos con exposición (Figura 6), esto debido a que la penetración de los hongos de pudrición provocó una mayor absorción de agua, a causa de las grietas o mayores espacios vacíos por la desunión del bambú con el plástico (^{Steckel et al., 2006}; ^{Klyosov, 2007}).

Figura 6 Hinchamiento del compuesto bambú- polipropileno expuesto a hongos de pudrición. 

Los resultados de la Figura 6 muestran que los compuesto bambú - polipropileno con más contenido de partículas de bambú, después de la exposición a hongos de pudrición registraron los valores más altos de hinchamiento, en respuesta al aumento de los grupos hidroxilo del bambú y por su naturaleza hidrofílica; esto concuerda con lo indicado por diversos autores (^{Westman et al., 2010}; ^{Mankowski y Morrell, 2000}; ^{Verhey y Laks, 2002}). Al hincharse las partículas de bambú, se generaron microgrietas entre las partículas y la matriz polimerica que originaron porosidad y fisuras por donde penetró el agua (^{Bouafif et al., 2009}).

Dado que se utilizaron tanto una proporción, como un tamaño de partículas más grandes, esto generó una mayor superficie hidrofílica expuesta a la humedad, y con ello aumentó el hinchamiento. Lo contrario ocurrió con menores porcentajes y tamaños de partículas (Figura 7) (^{Verhey y Laks, 2002}; ^{Wang y Morrel, 2004}; ^{Bouafif et al., 2009}). Así el grado de degradación por los hongos depende del contenido de bambú en los compuestos; es decir en los compuestos con más cantidad de partículas de bambú hubo una mayor penetración de los hongos, lo cual favoreció la desunión entre el bambú y el plástico, que a su vez causó una mayor porosidad o fisuras (^{Steckel et al., 2006}; ^{Klyosov, 2007}) y generó que el hinchamiento en los compuestos se incrementara.

Proporción bambú/polipropileno de 50/50 (izquierda) y 30/70 (derecha)

Figura 7 Muestras sometidas a hinchamiento posterior a su exposición a Pycnoporus sanguineus (L.) Murrill., con tamaño de partícula 60/80. 

Los valores de hinchamiento para la proporción bambú/polipropileno 50/50 (<2.9 %) y los dos tamaños de partícula expuestos a los hongos de pudrición (Figura 6) fueron inferiores a los documentados por ^{Kartal et al. (2013)}, de 9.4 % y 9.7 %; así como los citados por ^{Cárdenas (2012)} de 10.0 %; ambos autores trabajaron con proporciones y tamaños de partículas similares y la exposición a hongos de pudrición blanca y café fue por 16 semanas; esta diferencia de valores se debe a que el tiempo de inmersión de las probetas en el presente estudio fue de 24 horas, en cambio en los estudios mencionados fue más prolongado (30 y 200 días, respectivamente).No obstante, los resultados que aquí se documentan son cercanos a los indicados por ^{Hosseinihashemi et al. (2011)} de 3.6 % y 4.1 %, cuyo tiempo de inmersión de las probetas fue también de 24 horas.

El análisis estadístico de variancia (ANOVA) demostró que la variable proporción (P) resultó altamente significativa (p-valor < 0.0001), y las dobles interacciones entre tipo de hongo y proporción (H*P), así como entre tamaño de partícula y proporción (T*P) fueron significativas (p-valor de 0.0411 y 0.034, respectivamente).

Propiedades mecánicas de los compuestos bambú-plástico expuestos a biodegradación

Flexión estática

En la Figura 8 se muestra la resistencia máxima en flexión estática del compuesto bambú/polipropileno sin exposición (testigo), con exposición a humedad y con exposición a dos hongos de pudrición. En los compuestos bambú/polipropileno con exposición se observó que 23.7 MPa fue el valor más alto y correspondió al compuesto con tamaño de partícula más chico (60/80), proporción bambú/polipropileno de 30/70 y exposición a R. placenta; el menor valor (10.4 MPa) se registró en el compuesto con tamaño de partícula superior (40/60), proporción bambú/polipropileno de 50/50 y en presencia de P. sanguineus.

Figura 8 Resistencia máxima en Flexión del compuesto bambú- polipropileno expuesto a dos especies fúngicas de pudrición. 

Los resultados evidenciaron que el compuesto bambú - polipropileno con exposición a hongos de pudrición son menores a los compuestos testigo y a los registros de 15 a 22.5 MPa hallados por ^{Lázaro et al. (2016b)}, quienes utilizaron los mismos tamaños de partículas y proporciones sin exposición. Esto demuestra que la exposición a los hongos de pudrición tiene una relación inversa con la resistencia máxima a la flexión; lo cual se apoya en la evaluación de las propiedades mecánicas después de la exposición a hongos de ^{Stark (2001)}, ^{Schirp y Wolcott (2005)}, ^{Ibach (2013)}; y ^{Candelier et al. (2018)}. Asimismo, los resultados de las probetas sometidas a humedad fueron cercanos a los de las probetas expuestas a hongos, lo cual indica que es posible que la humedad tenga similar influencia que la presencia de dichos organismos (Figura 9), situación que concuerda con lo citado por ^{Cárdenas (2012)}.

Figura 9 Muestras con tamaño de partícula 60/80, sometidas a la acción de humedad (izquierda) y Pycnoporus sanguineus (L.) Murrill., (derecha). 

Asimismo, se demuestra que los compuestos bambú - polipropileno con menor tamaño de partículas presentaron los mayores valores de resistencia máxima a la flexión, porque en función del tamaño de las partículas hay un grado de encapsulamiento en la matriz polimérica; es decir, las partículas pequeñas son encapsuladas de manera más efectiva (^{Verhey y Laks, 2002}).

En la Figura 8 se muestra que en los compuestos bambú - polipropileno el aumento del contenido de partículas de bambú disminuyó los valore la resistencia máxima en flexión estática, hecho que coincide con lo afirmado por ^{Schirp y Wolcott (2005)}, ^{Kartal et al. (2013)} y ^{Córdova et al. (2020)}.

El análisis estadístico de variancia (ANOVA) demostró que las variables tamaño de partícula (T) y proporción (P) resultaron altamente significativas (p-valor de 0.0001 y < 0.0001, respectivamente) y la variable tipo de hongo (H) fue significativa (p-valor de 0.0137).

Tensión

En los compuestos bambú - polipropileno con exposición, se observó que el 15.0 MPa fue el valor más alto para los compuestos que contenían menor tamaño de partícula 60/80, proporción bambú/polipropileno 30/70 y expuestos a R. placenta (Figura 10); el menor valor (7.7 MPa) se obtuvo para los compuestos con mayor tamaño de partícula 40/60, proporción bambú/polipropileno 50/50 y presencia de R. placenta (Figura 10).

Figura 10 Resistencia máxima en tensión del compuesto bambú- polipropileno expuesto a hongos de pudrición. 

Los compuesto bambú - polipropileno con exposición a hongos de pudrición tuvieron menores valores que los compuestos sin exposición (testigo); lo mismo ocurre al compararlos con los resultados de ^{Lázaro et al. (2016b)}, quienes señalan entre 16 y 17.8 MPa, con iguales tamaños de partículas y proporciones sin exposición. Esto demostraría que la exposición a los hongos de pudrición influye de manera inversa en la resistencia máxima a la tensión; lo cual se apoya en varios estudios en los cuales se registran pérdidas de las propiedades mecánicas, posterior a la exposición a hongos biodegradadores (^{Stark, 2001}; ^{Cárdenas, 2012}; ^{Ibach, 2013}; ^{Candelier et al., 2018}; ^{Teixeira et al., 2018}). Sin embargo, los valores registrados son cercanos a las probetas expuestas solo a humedad, lo cual demostró su influencia inversa en la propiedad de tensión.

Los compuesto bambú - polipropileno con menor tamaño de partículas presentaron la resistencia máxima en tensión superiores para ambos hongos de pudrición, ya que las partículas pequeñas son encapsuladas de manera más efectiva por la matriz polimérica (^{Verhey y Laks, 2002}); hecho que repercute en el aumento de dicha propiedad mecánica. La disminución del contenido de partículas de bambú aumenta los valores de resistencia máxima en tensión (^{Lu et al., 2005}). Por ello, los compuestos bambú - polipropileno elaborados con menores proporciones de bambú (30%) registraron mayores valores de resistencia máxima en tracción.

El análisis estadístico de variancia (ANOVA) demostró que las variables tamaño de partícula (T) y proporción (P) resultaron altamente significativas (p-valor < 0.0001 para ambas).

Impacto

En los compuestos bambú - polipropileno expuestos a las especies fúngicas se observó que el valor más alto (0.53 J) correspondió a la proporción bambú/polipropileno 30/70, para los dos tamaños de partículas y ambos hongos de pudrición (Figura 11). Los menores valores (0.33 J) se registraron para la proporción bambú/polipropileno 50/50, con el mayor tamaño de partícula 40/60 y expuestos a P. sanguineus. Lo anterior concuerda con la mayor degradación del material compuesto bambú - polipropileno. Asimismo, estos resultados fueron superiores a los de los compuestos testigo, con ello se demostró que esta propiedad mecánica no fue afectada por la biodegradación de los hongos de pudrición, en los materiales compuestos.

Figura 11 Impacto del compuesto bambú- polipropileno expuesto a hongos de pudrición. 

Los valores de los compuesto bambú - polipropileno con exposición a hongos de pudrición fueron menores a los citados por ^{Cárdenas (2012)}, cuyo registro promedio fue de 0.6 J para muestras elaboradas por extrusión e inyección y expuestas a hongos de pudrición. Asimismo, ^{Lázaro et al. (2016b)} documentaron valores entre 0.39 y 0.44 J con tamaños de partículas y proporciones similares, pero sin exposición a hongos y con el mismo método de fabricación. Esto evidencia una mayor influencia en la propiedad mecánica de impacto por el método de fabricación del material compuesto. Sin embargo, la propiedad mecánica de impacto, sí es influenciada en pruebas de exposición prolongadas, como el intemperismo (^{Fuentes et al. 2014}).

En los compuesto bambú - polipropileno, el aumento del contenido de partículas de bambú disminuyó los valores de la propiedad de impacto, ello indica que el polipropileno es el principal responsable de la resistencia al impacto. El tamaño de partícula no tuvo una influencia significativa.

El análisis estadístico de variancia (ANOVA) demostró que la variable proporción (P) resultó altamente significativa (p-valor < 0.0001).

Análisis estadístico

En el Cuadro 4 se presentan los valores obtenidos y la desviación estándar de las variables pérdida de peso, y las propiedades físicas de densidad anhidra, absorción e hinchamiento.

En el Cuadro 5 se presentan los valores y la desviación estándar de las variables correspondientes a las propiedades mecánicas.

En el Cuadro 6 se resumen los valores del análisis de variancia (ANOVA) para la durabilidad, pérdida de peso, densidad, absorción, e hinchamiento; y en el Cuadro 7 para las propiedades mecánicas de resistencia máxima en flexión estática, módulo de elasticidad en flexión estática, carga máxima en tensión e impacto de los compuestos bambú-plástico expuestos a biodegradación. Finalmente, en el Cuadro 8 se exhiben los valores de la comparación múltiple de medias por medio de la prueba de Tukey para las mismas variables.