El continuo crecimiento de la aplicación de materiales compuestos de madera y plástico es una tendencia inevitable.

El continuo crecimiento de la aplicación de compuesto de madera y plástico los materiales son una tendencia inevitable

La demanda de madera aumenta debido al desarrollo social, y la velocidad de crecimiento de los bosques ya no puede satisfacer la demanda, lo que obliga a la industria maderera a innovar y explorar.

Recientemente, el equipo de polímeros de base biológica del Instituto de Tecnología e Ingeniería de Materiales de Ningbo de la Academia China de Ciencias (en adelante, Instituto de Materiales de Ningbo) ha preparado compuestos similares a la madera utilizando paja vegetal y otros compuestos de fibras. El jefe del equipo e investigador del Instituto de Materiales de Ningbo, Zhu Jin, declaró al China Science Daily: "Hemos colaborado con empresas para desarrollar un proceso que no sólo resuelve el problema de la quema a gran escala de la paja rural, sino que también espera convertir los residuos agrícolas y forestales en un tesoro".

Buscando alternativas a la madera

En la actualidad, la cantidad de madera en rollo obtenida mediante la deforestación está disminuyendo, lo que ha propiciado la aparición de tableros artificiales en la industria maderera. El llamado tablero artificial se fabrica a partir de árboles de crecimiento rápido como el álamo, el eucalipto y otros árboles con ciclos de crecimiento cortos, que se cortan en chapa de madera o se convierten en fibras de madera a partir de madera rota como materia prima. A continuación, se unen en tableros mediante adhesivos.

El método de fabricación del tablero artificial es flexible y rentable, lo que casi puede satisfacer las necesidades diarias de las personas. Según las estadísticas del Centro de Información de la Asociación de Distribución de Madera y Productos de Madera de China, en 2017, China produjo más de 300 millones de metros cúbicos de tableros artificiales al año.

Sin embargo, los tableros artificiales suelen liberar formaldehído debido a la presencia de adhesivos orgánicos. Actualmente, la contaminación por formaldehído se ha convertido en un foco de preocupación social.

"Aunque el tablero artificial tiene una mayor flexibilidad de procesamiento en comparación con la madera en rollo, su proceso de moldeo se limita a producir componentes simples y no puede producir componentes complejos como el plástico". Zhu Jin descubrió que los científicos especializados en polímeros habían obtenido anteriormente un nuevo tipo de material compuesto de madera y plástico rellenando plástico con polvo de madera. En los últimos 20 años, los materiales compuestos de madera y plástico se han desarrollado rápidamente por sus ventajas en el procesado del plástico y la belleza de la madera.

También han surgido nuevos problemas. "Los materiales compuestos de madera y plástico están rellenos de polvo de madera, con una cantidad de relleno generalmente inferior a 60%. Sus propiedades mecánicas no cumplen los requisitos de la madera y son propensos a graves problemas como el alabeo y la deformación". Según Zhu Jin, los materiales compuestos de madera y plástico no pueden satisfacer realmente las necesidades de la madera ni alcanzar el objetivo de sustituirla.

Estructuralmente hablando, la microestructura de la madera es un tipo de material compuesto de fibras. La historia de los materiales compuestos de fibra en nuestro país se remonta incluso a la antigüedad. Los antiguos utilizaban paja de arroz o paja de trigo para reforzar la arcilla con la que construían sus casas, lo que constituye una utilización de materiales compuestos de fibra. Zhu Jin dijo: "La paja de arroz o de trigo es difícil de recoger y tratar, es propensa al deterioro, la combustión y la absorción de agua, por lo que es difícil volver a ver su presencia en los materiales compuestos modernos."

"Basándonos en la estructura de la textura de la madera, ¿podemos desarrollar un nuevo tipo de material compuesto similar a la madera que pueda sustituirla realmente?". Zhu Jin dirigió un equipo de polímeros de base biológica para iniciar un nuevo intento.

Superar los retos de la tecnología de materiales

Tanto el tablero artificial como el compuesto de madera y plástico requieren la madera como materia prima. "En 2017, la dependencia de China de las importaciones de madera había alcanzado más de 60%". Al equipo de Zhu Jin se le ocurrió la idea de utilizar fibras de plantas herbáceas anuales, como fibras de cáñamo, fibras de bambú, etc., como estructuras de fibra para combinarlas con plásticos y crear materiales compuestos similares a la madera con estructuras de fibra. "Esto resolverá por completo la dependencia de la humanidad de la madera".

"Debido a los precios más bajos de diversas fibras vegetales en comparación con las resinas poliméricas, el coste de estos materiales compuestos también será inferior al de las resinas plásticas actuales. Sin embargo, la investigación de Zhu Jin ha descubierto que, para desarrollar y utilizar materiales de fibras vegetales a gran escala, es necesario superar los retos capa por capa de la tecnología de materiales".

Debido a la fuerte hidrofilia de las fibras vegetales, su compatibilidad con las resinas poliméricas hidrófobas es escasa, lo que hace que el material compuesto final presente una fragilidad significativa.

El plan de respuesta del equipo de polímeros de base biológica consiste en utilizar aditivos compatibles. Pueden mejorar eficazmente la compatibilidad entre las fibras vegetales hidrófilas y las resinas poliméricas hidrófobas seleccionando aditivos compatibles y, en última instancia, preparar compuestos poliméricos reforzados con fibras vegetales de alta resistencia y alto módulo.

Sin embargo, con el aumento del contenido de fibra vegetal, se forman fácilmente varios defectos en la superficie de los compuestos de polímero de fibra vegetal. Por ejemplo, en la producción por extrusión, si la fluidez es deficiente, pueden producirse problemas como la incapacidad de extrusión continua y la forma inestable tras la extrusión. La solución del equipo de Zhu Jin consiste en utilizar un sistema de lubricante compuesto de "lubricación interna" y "lubricación externa" para preparar piezas de automoción de aspecto complejo y requisitos de fluidez especialmente elevados, además de lograr con éxito la extrusión continua de láminas metálicas.

Además, tanto las fibras vegetales como los plásticos comunes son materiales inflamables, por lo que el problema actual de la retardancia de llama de los materiales compuestos de fibras vegetales es también un reto importante.

"Otros equipos de investigación han conseguido la ignifugación tratando las fibras con disolventes orgánicos o soluciones alcalinas. Sin embargo, esta vía no sólo requiere mucho tiempo y trabajo en términos de tratamiento medioambiental, sino que además añade muchos costes adicionales." Zhu Jin presentó el esquema ignífugo paso a paso de su equipo de polímeros de base biológica que utiliza fibras vegetales y matriz de resina: el tratamiento ignífugo se realiza por separado para ambas. Gracias a la evaluación científica del material ignífugo, el material compuesto de fibras vegetales de alto relleno ha alcanzado el nivel V0 de capacidad ignífuga.

Transformación y preparación de materiales similares a la madera

La preparación y el procesamiento actuales de las fibras vegetales también se enfrentan a tres retos: cómo recogerlas de forma centralizada, cómo triturarlas de forma eficiente y cómo mezclarlas uniformemente con la matriz de resina. Tomando la paja como ejemplo, Zhu Jin dijo que el coste de recogida de la paja es alto, hay muchas impurezas, y la utilización integral final también es relativamente difícil. La maquinaria y los equipos agrícolas pueden triturar preliminarmente este tipo de paja, pero su delicadeza está aún lejos de la preparación de materiales compuestos.

El equipo dirigido por Zhu Jin descubrió a través de la investigación que para resolver los problemas anteriores se necesita, en primer lugar, un equipo miniaturizado, que pueda producirse en múltiples ubicaciones dentro de un cierto rango geográfico para lograr el procesamiento de fibras e incluso la preparación de materiales compuestos; en segundo lugar, debe haber un método eficiente de trituración de fibras para separar las microfibras de paja o fibras de cáñamo del tallo principal a través del proceso de trituración; por último, el equipo requiere un par de mezcla y agitación muy fuerte para mezclar completamente fibras vegetales de alto contenido con resinas plásticas.

Con este fin, el Instituto de Materiales de Ningbo ha colaborado con Weifang Yunding New Materials Technology Co., Ltd. para desarrollar un equipo de mezcla de alta velocidad que puede resolver los problemas anteriores en un solo paso del proceso. Zhu Jin afirmó: "Este equipo puede preparar con éxito materiales compuestos termoplásticos con un contenido de relleno de hasta 80% de fibras vegetales. Las partículas de material compuesto formadas por la mezcla de materias primas y el corte automático pueden producirse mediante procesos convencionales de moldeo de plástico."

El alto contenido de fibras vegetales garantiza la alta resistencia de los materiales compuestos, que es similar a la de la madera. Por lo tanto, los materiales polímeros con alto contenido de fibras vegetales también son conocidos como materiales compuestos similares a la madera. Este tipo de material compuesto similar a la madera tiene un mejor rendimiento integral que la madera, el tablero artificial, el plástico simple y el plástico de madera tradicional.

Zhu Jin declaró que, con la profundización de la investigación y la comercialización, los productos de imitación de madera pronto entrarán en el mercado y llegarán a miles de hogares. De este modo, el desarrollo de la madera ha alcanzado una era que va de los troncos a las tablas artificiales, y luego a las plantas herbáceas anuales que imitan la madera, liberando a la humanidad de la dependencia de la madera y logrando un desarrollo sostenible de la madera.