Desarrollo y optimización de mezclas de alto rendimiento medioambiental basadas en poliolefinas y cargas de origen natural

Abstract

[ES] Debido a la gran problemática que concierne el uso de plásticos, se ha incrementado la conciencia social derivada de los problemas medioambientales como la gran cantidad de desechos plásticos generados, la escasez de petróleo, el aumento de la huella de carbono y la contaminación. Como medida alternativa, aparece el uso de materiales de origen natural, consiguiendo reducir con éxito el uso de recursos no renovables y disminuir la cantidad de huella de carbono. Dentro de la industria del plástico, el polietileno de alta densidad (HDPE) es unos de los plásticos comerciales más utilizados, por lo que, el polietileno biobasado (BioHDPE), es una buena solución para reducir al máximo los problemas derivados de la utilización de recursos fósiles. El BioHDPE ofrece buena resistencia mecánica, alta ductilidad y resistencia al agua. Por otro lado, las cargas naturales se han utilizado desde hace mucho tiempo con el objeto de disminuir el coste del material. En la mayoría de los casos la introducción de estas cargas en porcentajes limitados no afecta de forma significativa a las prestaciones del material compuesto. En este trabajo de investigación, se pretende la obtención de nuevos materiales compuestos respetuosos con el medio ambiente a partir de una matriz polimérica (BioHDPE) con refuerzo de partículas de piña de pino para conseguir reducir los costes del uso del material virgen y, al mismo tiempo, mejorar sus propiedades. Debido a la naturaleza hidrofílica del HDPE, se introduce el copolímero el PE-g-MA con el fin de mejorar la interacción entre las fibras y la matriz. Obtenidas las mezclas en base a la variabilidad porcentual de carga, se realizan estudios de compatibilidad según sus propiedades a base de ensayos experimentales como mecánicos, térmicos, morfológicos, termomecánicos y tratamiento superficial con plasma atmosférico. Los resultados obtenidos permiten validar la obtención de "Wood Plastic Composites" en base a la incorporación de partículas de piña. La utilización de refuerzos de gran abundancia a un coste muy bajo como la piña de pino, ofrece la posibilidad de aumentar el rendimiento del compuesto obtenido. La utilización del compatibilizante PE-g-MA se muestra eficiente a la hora de mejorar las propiedades mecánicas dúctiles de los compuestos. La estabilidad térmica también mejora considerablemente con el uso del compatibilizante incluso con concentraciones mayores de piña. Con respecto al aspecto físico resultante de una pieza inyectada, se han obtenido muestras con un color marrón similar a la de algunas especies de madera natural. Se ha demostrado que la afinidad entre la matriz polimérica apolar y las partículas lignocelulósicas permite un incremento general de prestaciones en el compuesto resultante, lo que supone una notable reducción de coste en el producto final. Por todo ello, se demuestra que la afinidad entre la matriz polimérica apolar y las partículas lignocelulósicas permiten un incremento general de prestaciones en el compuesto.

[CA] A causa de la gran problemàtica que concerneix l'ús de plàstics, s'ha incrementat la consciència social derivada dels problemes mediambientals com la gran quantitat de deixalles plàstiques generades, l'escassetat del petroli, l'augmentant l'empremta de carboni i la contaminació. Com a mesura alternativa, apareix l'ús de material de base biològica, aconseguint reduir amb èxit l'ús de recursos no renovables i disminuir la quantitat d'emprempta de carboni. Dins la industria del plàstic, el polietilè d'alta densitat (HDPE) és un dels plàstics comercials més utilitzats, per la qual cosa, el politilè de base biològica (BioHDPE) és una bona solució per a reduir al màxim els problemes derivats de la utilització de recursos fòssils. El BioHPDE té bona resistencia mecànica, alta ductilitat i resistencia a l'aigua. D'altra banda, les càrregues naturals s'han utilitzat des de fa molt de temps per tal de disminuir el cost del material. En la majoria dels casos, la introducció d'aquestes càrregues en percentatges limitats no afecta de manera significativa a les prestacions del material compost. En aquest treball de'investigació, es pretén obtener nous materials compostos respectuosos amb el medi ambient a partir d'una matriu polimérica (BioHDPE) amb reforç de partícules de pinya de pi per aconseguir reduir els costos de l'ús del material verge i, al mateix temps, millorar les propietats. A causa de la naturalesa hidrofílica del HDPE, s'introduiex el copolímer PE-g-MA per a millorar la interacción entre les fibres i la matriu. Obtingudes les mescles en base a la variabilitat percentual de càrrega, es realitzen estudis de compatibilitat segons les seues propietats a base d'assajos experimentals com els mecànics, tèrmics, morfològics, termomecànics i tractament superficial amb plasma atmosfèric. Els resultats obtinguts permeten validar l'obtenció de "Wood Plastic Composites" en base a la incorporació de particules de pinya. La utilització de reforços de gran abundancia a un cost molt baix com la pinya de pi ofereix la possibilitat d'augmentar el rendiment del compost obtingut. La utilització del compatibilitzant PE-g-MA es mostra eficient a l'hora de millorar les propietats mecàniques dúctils dels compostos. L'estabilitat tèrmica també millora considerablement amb l'ús del compatibilitzant fins i tot amb concentracions més grans de pinya. Pel que fa a l'aspecte físic resultant d'una peça injectada, s'han obtingut mostres amb un color marró semblant a algunes espècies de fusta natural. S'ha demostrat que l'afinitat entre la matriu polimèrica apolar i les partícules lignocel.lulòsiques permet un increment general de prestacions en el compost resultant, fet que suposa una notable reducció de cost en el producte final. Per tot això, es demostra que l'afinitat entre la matriu polimérica apolar i les partícules lignocel.lulòsiques permeten un increment general de prestacions en el compost.

[EN] Due to the great problem that concerns the use of plastics, there has been an increase in social awareness derived from environmental problems based on the large amount of plastic waste generated, the scarcity of oil, the increasing the carbon footprint and the pollution. As an alternative measure, the use of bio-based materials appears, successfully reducing the use of non-renewable resources and reducing the amount of carbon footprint. Within the plastics industry, high-density polyethylene (HDPE) is one of the most widely used commercial plastics. Therefore, bio-based polyethylene (BioHDPE) is a good solution to minimize the problems derived from it of the use of fossil resources. BioHDPE has good mechanical, strength, high ductility and water resistance. On the other hand, natural fillers have been used for a long time in order to reduce the cost of the material. In most cases, the introduction of these loads in limited percentages does not significantly affect the performance of the composite material. In this research work, the aim is to obtain new environmentally friendly composite materials from a polymer matrix (BioHPDE) with reinforcement of pine cone particles to reduce the costs of using the virgin material and improve its properties. Due to the hydrophilic nature of HDPE, the PE-g-MA copolymer is introduced in order to improve the interaction between the fibers and the matrix. Once the mixtures are obtained based on the percentage variability of load, compatibility studies are carried out according to their properties based on experimental tests such as mechanical, thermal, morphological, thermomechanical and surface treatment with atmospheric plasma. The results obtained allow us to validate the production of Wood Plastic Composites based on the incorporation of pine particles. The use of highly abundant reinforcements at a very low cost, such a pine cone, offers the possibility of increasing the performance of the compound obtained. The use of PE-g-MA compatibilizer is shown to be efficient in improving the ductile mechanical properties of the compounds. The thermal stability also improves considerably with the use of the compatibilizer even with higher concentrations of pine. Regarding the resulting physical appearance injected piece, samples have been obtained with a brown color similar to that some species of natural wood. It has been shown that the affinity between the nonpolar polymeric matrix and the lignocellulosic particles allows a general increase in performance in the resulting composite, which represents a notable cost reduction in the final product. For all this, it is demonstrated that the affinity between the nonpolar polymer matrix and the lignocellulosic particles allows a general increase in performance in the composite.