Densidad de los compuestos

La Figura 2 muestra la densidad del polímero y los compuestos madera plástico espumado. Los resultados del análisis de varianza indican que el modelo fue significativo (P < 0.05).

La densidad del polímero virgen con 1 y 3 % de espumante disminuyó 39 y 20 %, respectivamente, con relación al control. La densidad del polímero reciclado con 1 y 3 % de espumante disminuyó 18 y 23 %, respectivamente. En el presente estudio se esperaba que al aumentar la concentración de espumante se generaran más burbujas y, por ende, la densidad disminuyera en mayor medida, pero la situación fue diferente, posiblemente a causa de la pérdida de agente espumante al medio ambiente durante la extrusión de los polímeros.

En los compuestos espumados en condición virgen 80/20 con 1 % (tratamiento 11) y 3 % (tratamiento 12) de espumante, la densidad disminuyó 7 y 8 %, respectivamente, con relación al control (5 % de agente acoplante, 1 % de agente lubricante y sin espumante; tratamiento 8), el cual mostró una densidad de 934 kg^.m^-3 (Figura 2a). Una situación similar se presentó en los compuestos 70/30 en condición virgen (tratamiento 17-18) respecto al control con 5 % de agente acoplante, 1 % de lubricante y sin espumante (tratamiento 14; 951 kg^.m^-3).

En el caso de los compuestos espumados en condición reciclado 80/20 con 1 y 3 % de espumante, la densidad disminuyó 7 % (tratamiento 23) y 8 % (tratamiento 24), respectivamente, con relación al control (5 % de agente acoplante, 1 % de lubricante y sin espumante; tratamiento 20), el cual tuvo una densidad de 939 kg^.m^-3 (Figura 2b). La situación fue similar en los compuestos 70/30 en condición reciclada (tratamiento 29-30) respecto al control (tratamiento 26; 950 kg^.m^-3). La reducción de la densidad fue inferior a 10 % en los compuestos espumados; estos resultados son similares a los encontrados por ^{Bledzki y Faruk (2006)}.

Figura 2 Densidad del polímero virgen (HDPEv: Polietileno de alta densidad virgen), polímero reciclado (HDPEr: Polietileno de alta densidad reciclado) y compuestos madera plástico (WPC) espumado en proporciones 80/20 y 70/30 en condición virgen (v, 2a) y reciclado (r, 2b). AE: agente espumante, AA: Agente acoplante, AL: Agente lubricante. Los compuestos espumados fueron similares estadísticamente (DMS, P = 0.05). Las barras verticales representan el error estándar de las medias. 

En la Figura 2 se puede observar que la densidad tiende a ser mayor con el aumento de la concentración de fibra de madera y con la presencia del agente acoplante (WPCv y WPCr proporción 70/30 con 1 y 3 % AE + 5 % AA + 1 % AL). El incremento de la cantidad de fibra genera mayor densificación del compuesto, debido a que ésta colapsa plásticamente por las altas presiones y temperaturas al interior del barril de la extrusora. Además, la fibra no experimenta espumación, de tal modo que el incremento de la cantidad de madera en el compuesto disminuye necesariamente la fracción total de espacios vacíos aumentando la densidad. Por esta razón, se puede apreciar mayor densidad en los WPC en comparación con los polímeros termoplásticos.

La Figura 3 muestra imágenes seleccionadas del SEM, donde se puede observar que el espumado en el polímero virgen fue casi uniforme en las direcciones longitudinal (Figura 3a) y transversal (Figura 3b). En la dirección longitudinal, las células tuvieron formas elípticas similares, generalmente del tipo cerradas, predominando las burbujas en dirección al flujo del perfil extruido. En la dirección transversal, las burbujas no presentaron la morfología elíptica.

^{Moreno et al. (2013)} encontraron un patrón similar y señalaron que este comportamiento se debe a las condiciones de extrusión e inyección. De igual manera, la falta de control de la densidad en el proceso de extrusión está asociada a la cantidad de espacios o burbujas y se relaciona con el escape del gas producido por el agente espumante, lo que genera además una morfología no homogénea. ^{Gosselin et al. (2006)} trabajaron en la morfología de WPC reciclado por moldeo en inyección y mencionan que al aumentar la concentración de fibra se puede aumentar la viscosidad de la mezcla fundida y la rigidez de la matriz, provocando una reducción en el tamaño promedio de células o burbujas.

En la Figura 3 se muestran también los WPC 80/20 en condición virgen espumado. Se observa que en la dirección longitudinal (Figura 3c), las fibras de madera tienden a orientarse en el sentido del flujo; en la dirección transversal (Figura 3d), las fibras y espumas también son expuestas en el sentido del flujo.

Figura 3 Micrografías de polietileno virgen y reciclado con y sin fibra de madera obtenidas por un microscopio electrónico de barrido. a) HDPE (polietileno de alta densidad) virgen extruido en dirección longitudinal. b) HDPE virgen extruido en dirección transversal. c) Compuesto madera plástico virgen espumado (80/20) en dirección longitudinal; las flechas indican el sentido de orientación de las partículas de madera y las formas de las burbujas. d) Compuesto madera plástico virgen espumado (80/20) dirección transversal; las flechas indican la fractura de partículas observando buena adhesión interfacial, la forma y sección transversal de la burbuja. 

La Figura 4 muestra la fracción de vacío de los tratamientos espumados. La fracción de espacios vacíos en el polímero virgen con 1 % (tratamiento 2) y 3 % (tratamiento 3) de agente espumante fue de 37.7 y 18.7 %, respectivamente. En el polímero reciclado con 1 % (tratamiento 5) y 3 % (tratamiento 6) de espumante, las fracciones de espacios vacíos fueron 18.1 y 23.5 %, respectivamente. En los tratamientos espumados, los resultados del análisis de varianza indican que existen diferencias significativas (P < 0.05) en la fracción de vacío al variar la concentración del agente espumante y la proporción plástico/madera. De acuerdo con la prueba DMS (P = 0.05), la fracción de vacío fue mayor en los tratamientos con 3 % de espumante y proporción plástico/madera 80/20. Se esperaba que, a mayor concentración de agente espumante, la fracción de espacios vacíos aumentara, tendencia que para el polímero virgen con 3 % de agente espumante no se cumplió. Esto puede estar asociado a la pérdida del gas al medio externo, producto del agrietamiento mayor en los extremos del perfil a la salida del cabezal, formándose sharkskin (piel de tiburón).

Con relación a los compuestos madera plástico espumado, y considerando todos los tratamientos, la fracción de espacios vacíos disminuyó de 1.9 % hasta un máximo de 7.7 %, obteniéndose mayor fracción de espacios vacíos en las formulaciones con 3 % de agente espumante.

Debido a que la fibra de madera incrementa la rigidez de la matriz, el incremento del contenido de fibra junto con la baja solubilidad del gas y su alta difusividad inhibe el crecimiento de burbujas y los compuestos con alta fracción de espacios vacíos no pueden ser producidos. Los trabajos de ^{Matuana, Park, y Balatinecz (1997)}, ^{Li y Matuana (2003)}, y ^{Rachtanapun et al. (2004)} respaldan esta teoría. Dichos autores trabajaron en extrusión de compuestos madera plástico con polietileno de alta densidad en estado virgen.

Figura 4 Fracción de vacío en el polímero virgen (polietileno de alta densidad: HDPEv), polímero reciclado (HDPEr) y los compuestos madera plástico (WPC) espumados. Los tratamientos espumados pueden consultarse en el Cuadro 1. Las barras verticales representan el error estándar de la media. 

De acuerdo con la Figura 5, la densidad celular del polímero virgen se ubicó en el intervalo de 2.2 x 10² a 2.8 x 10² células·cm^-3; para el polímero reciclado de 1.3 x 10² a 2.1 x 10² células·cm^-3; y en los compuestos espumados varió de 3.8 x 10³ a 6.2 x 10³ células·cm^-3.

La concentración más alta de espumante (3 %) generó mayor formación de células en los polímeros espumados y en los compuestos madera plástico espumado. La matriz plástica es ablandada a altas temperaturas ofreciendo menor resistencia contra el crecimiento de las células. Cuando las células expandidas entran en contacto con otras, inicialmente, comparten una pared en común y el espesor de la pared va disminuyendo a medida que la fracción de espacios vacíos aumenta y entonces las células tienden a colapsar. Lo descrito anteriormente podría originarse si la energía libre total se reduce como producto de la coalescencia de las células, ocasionando que la densidad celular se vea deteriorada (debido al aumento del tamaño de las células). Estos planteamientos son respaldados por ^{Baldwin, Park, y Suh (1996)}, ^{Matuana et al. (1997)} y ^{Park, Behravesh, y Venter (1996)}. Tal situación se comprobó en este estudio para los polímeros virgen y reciclado, cuyos valores de densidad celular fueron inferiores a los compuestos espumados, debido a que el diámetro de las células de los polímeros fue mayor. Las imágenes SEM de los compuestos analizados en esta investigación muestran el efecto descrito por los autores mencionados; al utilizar 3 % de espumante, se observaron burbujas colapsadas y alta coalescencia dando lugar a burbujas irregulares y de gran tamaño.

Por otra parte, es importante resaltar que dentro del proceso de fabricación de los perfiles no se utilizó un sistema de enfriamiento. Inicialmente se fabricó un sistema por aire y no funcionó, ya que formaba una superficie irregular, produciendo un perfil ondulado con variación en el espesor. Una situación similar ocurrió cuando se agregó agua atomizada, tratamiento que torció y onduló el perfil durante el enfriamiento. Finalmente, se decidió enfriar el perfil a temperatura ambiente. La fracción de espacios vacíos y densidad celular pudieron ser afectados por la ausencia de un sistema de enfriamiento después de la salida del perfil del cabezal de la extrusora. Dicho cabezal permitiría que las capas externas se enfriaran con mayor rapidez y se produjera mayor número y tamaño uniforme de burbujas en el centro del perfil, manteniendo así la estabilidad en el crecimiento de las células.

Figura 5 Densidad celular en función del contenido de agente espumante en el polímero virgen (polietileno de alta densidad: HDPEv), polímero reciclado (HDPEr) y los compuestos madera plástico (WPC) espumados. Los tratamientos espumados pueden consultarse en el Cuadro 1. Las barras verticales representan el error estándar de la media.  

En la Figura 6 se observa que el tamaño celular del HDPE virgen y reciclado varió de 461 a 660 µm en la dirección longitudinal y de 323 a 653 µm en la dirección transversal. En los compuestos madera plástico espumado, el tamaño fue menor, situándose en el intervalo 84 a 127 µm en la dirección longitudinal y entre 90 a 137 µm en la dirección transversal. En el HDPE virgen y reciclado, el incremento en el tamaño podría estar relacionado con la expansión de células causada por la difusión del gas del polímero fundido en las células nucleadas. ^{Matuana y Mengeloglu (2001)} y ^{Gosselin et al. (2006)} manifiestan que el aumento del contenido de madera limita el desarrollo de áreas espumadas por disminución de la difusión de gas, así como también el crecimiento de células.

Figura 6 Diámetro de células en el polímero virgen (polietileno de alta densidad: HDPEv), polímero reciclado (HDPEr) y compuestos madera plástico espumados (WPC) en dirección longitudinal (DL) y transversal (DT). Los tratamientos espumados pueden consultarse en el Cuadro 1. Las barras verticales representan el error estándar de la media.