Fabricación y análisis mecánico de compuestos de bambú Guadua angustifolia Kunth

1. Introducción

Hoy en día se evidencia un aumento en el uso de materiales compuestos de origen vegetal [1], [2], industrias fabricantes de compuestos a partir de fibras naturales tienen sus productos entre los más populares debido a su gran aplicabilidad y versatilidad. Estos materiales se están utilizando en interesantes aplicaciones de diferentes ramas de la ingeniería [3], [4]. Dichas aplicaciones varían desde elementos convencionales como pisos y paredes, paneles de techo, separadores de oficinas, tableros de anuncios, gabinetes, muebles, mostradores y escritorios hasta aplicaciones en industrias automotores y aeroespaciales [4], [5], [6].

La demanda creciente de estos compuestos que generalmente se fabrican a partir de harina de madera, ha obligado a la búsqueda de nuevas fuentes vegetales de materia prima para su desarrollo [7]. En este contexto, los residuos agrícolas y otras especies vegetales podrían desempeñar un papel importante [8]. Dentro de las especies vegetales con uso potencial en la fabricación de este tipo de materiales compuestos se encuentran los bambúes [9].

El bambú es una interesante especie vegetal no maderable y leñosa de rápido crecimiento que no necesita semilla para su reproducción [10], [11]. Debido a lo anterior, se considera al bambú como un recurso renovable con interesantes características de sostenibilidad. Además, esta gramínea, y dependiendo de la especie, puede tener tiempos de cosecha de entre 3 a 4 años [12]. Esta especie vegetal durante décadas ha sido utilizada en el campo de la construcción de viviendas y artesanías; actualmente ha venido siendo usada en la fabricación de mobiliario [13]. Asimismo, su uso se ha extendido a la fabricación de telas, alfombras y pisos y como materia prima en la industria del papel [14].

En territorio asiático el bambú ha sido fuente de importantes investigaciones las cuales se han transformado en interesantes productos como contrachapados, laminados y tableros de partículas [15], [16]. Además, las fibras de bambú se han usado como refuerzo de polímeros en diferentes aplicaciones [17], [18]. La característica principal encontrada en los productos elaborados en base a bambú, es que sus propiedades mecánicas son altamente competitivas con las de productos símiles comerciales [19], [20].

Diferentes tipos de bambúes han sido estudiados y usados para la fabricación de materiales compuestos, en especial tableros de partículas conocidos comercialmente como particle board. Especies de bambu asiáticas y europeas, han sido usadas en la fabricación de estos materiales [21], [22]. El aglomerante común mente utilizado son las resinas poliméricas termoestables en base a formaldehido, las cuales, son resinas mayormente usadas en la industria de particle board [23], [24], [25]. Estos estudios muestran que los tableros en base a partículas de bambú tienen propiedades físico-mecánicas competitivas comparadas con las propiedades de los tableros comerciales [21], [24], [26].

En Colombia crece de forma natural una especie de bambú gigante llamada Guadua angustifolia Kunth, la cual se ubica en mayor densidad a lo largo de la región de la cordillera central [27] con un alto contenido de biomasa tanto por unidad como por hectárea cultivada [28]. Es un bambú que ha sido catalogado como uno de los bambúes con mejores propiedades mecánicas, y ha sido usado ampliamente en el campo de la construcción civil como elemento estructural [29], [30], [31]. La Guadua angustifolia Kunth presenta haces vasculares también llamados de doble roto (Figura 1), la distribución de fibras va en aumento desde la parte media de la pared hasta la corteza. Este aumento en concentración de fibras concede propiedades mecánicas únicas en este tipo de bambúes. Dentro de la caracterización anatómica de las especies de bambú, la guadua está catalogada como tipo IV o Double-broken debido a la distribución de haces vasculares [32]. De acuerdo a lo anterior, la Guadua angustifolia Kunth podría ampliar sus usos en la fabricación de nuevos productos de alto impacto económico como lo son los compuestos de partículas de bambú.

El objetivo de esta investigación fue fabricar materiales compuestos a partir de partículas de Guadua angustifolia

Kunth (500 µm de abertura de malla (US standard mesh N° 35) y 300 µm de abertura de malla (US standard mesh N° 50)), encoladas con urea formaldehido. Además, se evaluaron las propiedades físico-mecánicas en tracción, flexión, dureza, absorción de agua y térmicas del compuesto en base a partículas de Guadua angustifolia Kunth y fueron comparados con los resultados obtenidos en compuestos comerciales.

2. Metodología

2.1. Materiales

Los culmos de Guadua angustifolia Kunth usados en la fabricación de compuestos fueron recolectados en los bambusales de la granja de la universidad del Quindío ubicada en el municipio de Filandia, a los 04º 40´ 48" de latitud norte y a los 75º 39´48" de longitud oeste, en la cordillera central de Colombia, a una altura de 1900 metros sobre el nivel del mar. El aglomerante usado fue la resina urea formaldehido UREQUIM 65 de Aserquim, Colombia; esta resina es comúnmente utilizada en la fabricación de compuestos comerciales de partículas de madera. La resina tiene un contenido de solidos del 63 %, tiempo de gelación de 40 s a 60 s y pH de 9,0 a 25 °C. Como catalizador fue usado el producto 1050 también de Aserquim, Colombia. Los compuestos fueron fabricados en el laboratorio de Fibras Naturales y Aglomerados, Instituto Interdisciplinario de las Ciencias de la Universidad del Quindío, Colombia.

2.2. Métodos

2.2.1. Tratamiento de la Guadua

Para el corte fueron seleccionadas guaduas maduras (3 a 5 años de edad) con diámetro promedio de 20 cm. El diámetro de los tallos fue medido aproximadamente a 1 m desde la unión del rizoma y el culmo. La guadua cortada fue dejada en el guadual por un espacio de tiempo de 30 días para un proceso de curado natural denominado avinagrado [26]. El proceso de avinagrado consiste en que los fluidos propios de la guadua escurren en el guadual lo que provoca un proceso de inmunizado natural.

Luego del proceso de curado natural, la guadua fue cortada en varios tramos (cada 2 nudos) y luego llevada a secado en horno por 24 horas a 70 °C. El material seco fue sometido a proceso de molienda en molino convencional de cuchillas buscando la reducción del material hasta tamaños de 500 µm de abertura de malla (US standard mesh N° 35) y 300 µm de abertura de malla (US standard mesh N° 50)

Se obtuvieron imágenes de las partículas de guadua usando el equipo estereoscopio NIKON SMZ800 (Figura 2). El producto de la molienda fue tamizado en un tamiz rotatorio RO-TAP de W.S Tyler en donde las partículas de bambú fueron escogidas usando zarandas de 500 µm y 300 µm. En las partículas de guadua se realizaron mediciones de humedad en balanza de humedad Mettler Toledo HB 43 verificando que el porcentaje de humedad contenido fuese del 3 %.

2.2.2. Fabricación de los compuestos de Guadua angustifolia Kunth

La mezcla de las partículas de guadua y resina urea formaldehido se hizo en mezcladora tipo tambor con aspersión por 7 min, el contenido de resina fue del 13 % mas 5 % de catalizador con respecto al peso seco del material particulado [33], [34]. La mezcla fue vaciada en platos de acero inoxidable diseñados para tal fin y luego llevada a moldeo en equipo de planchas térmicas Dicson. Se usó una temperatura promedio de moldeo de 160 °C y presión de carga de 738 KPa por 10 min [35]. Se obtuvieron platos cuadrados con medidas de 10 cm x 10 cm de lado y 0,5 cm de espesor.

2.2.3. Pruebas mecánicas y físicas en los compuestos

Se realizaron ensayos mecánicos de tracción, flexión y de dureza a la penetración de acuerdo a las normas ASTM D1037 [36] en maquina universal servo hidráulica serie UMIB- 600 de Ibertest. Se obtuvo el módulo elástico MOE, resistencia a la tracción, módulo de ruptura MOR y el diámetro y profundidad de huella en dureza a la penetración. Además, se hicieron ensayos de absorción de agua y variación de espesor por inmersión de 2 h y 24 h en agua según norma ASTM D1037 [36]. Adicionalmente, se hicieron análisis termográficos para analizar la capacidad de aislamiento térmico de los compuestos según la norma ISO 10878 [37]. En la prueba se expusieron los compuestos sobre un montaje de hornilla por 10 min, controlando la temperatura del ambiente y el porcentaje de humedad del laboratorio. Se tomaron datos de temperatura alcanzada en la cara posterior a la hornilla usando un termómetro IR Fluke.

Las pruebas anteriormente descritas fueron también realizadas en compuestos comerciales, denominados paneles de partículas de madera aglomerada de madera sin laminar fabricados por Tablemac, Colombia. Estos compuestos poseen similitud en características de tamaño de grano a los fabricados para esta investigación (US standard mesh N° 35). Además, estos compuestos son fabricados usando partículas de madera de Pino radiata y urea formaldehido.

2.2.4. Análisis estadístico

Las propiedades mecánicas del material se analizaron por medio de un diseño factorial general con un factor, dos niveles y tres variables de respuesta: MOR, MOE y Resistencia a la tracción. Los datos experimentales fueron tratados usando el software statgraphics Centurion versión 16. El estudio se hizo por triplicado. Se realizó un análisis de varianza (ANOVA) con un nivel de confianza del 95 % (∝ = 0.05).

3. Resultados y discusión

3.1. Pruebas mecánicas

La tabla 1, muestra los resultados obtenidos en pruebas mecánicas de flexión y tracción en compuestos de guadua y comercial. En los resultados se puede observar que existe una diferencia en el módulo de ruptura, modulo elástico y tracción de los compuestos de guadua con respecto al comercial.

Los valores de módulo de resistencia a la ruptura (Tabla 1.) obtenidos en compuestos de partículas de Guadua tamaños 500 µm y 300 µm (23,04 kg/cm2 y 18,35 kg/cm2), son competitivos frente a los mostrados por el compuesto comercial (18,72 kg/cm2). Sin embargo, se observa que el tamaño de partícula en el compuesto de guadua presenta diferencias. Con tamaños de partículas de 500 µm los compuestos de guadua mostraron mayor resistencia a esfuerzos de flexión, esto puede tener explicación en que con este tamaño de partícula se obtuvo una adhesión mayor. Por otro lado, los compuestos comerciales y guadua 300 µm no mostraron diferencias significativas ante esfuerzos de flexión, arrojando similitud en valores de módulo de resistencia a la ruptura. Los compuestos de guadua 500 µm mostraron hasta 23% de mayor resistencia ante esfuerzos de flexión frente al compuesto comercial.

Los módulos de elasticidad en tracción (Tabla 1.), son mayores en compuestos de partículas de Guadua 500 µm y 300 µm (50,98 kg/cm2 y 30,59 kg/cm2) con respecto al compuesto comercial (20,39 kg/cm2). Esto indica que los compuestos de guadua presentan mayor rigidez. Lo anterior tiene concordancia con lo publicado por Trujillo et al. [38], en donde evidencia que el bambú en la fabricación de materiales compuestos presenta mejores características mecánicas, en comparación con compuestos fabricados con otras fibras naturales incluida la madera. Asimismo, los compuestos Guadua 500 µm presentan mayor módulo elástico en comparación a los compuestos de guadua 300 µm. Sin embargo, los compuestos comerciales presentan menor módulo elástico hasta en un 150% comparado con compuestos guadua 500 µm y del 50 % frente a los compuestos de Guadua 300 µm. Esto puede deberse a que la guadua seca puede llegar a ser más rígida que la madera, motivo por el que se la ha nombrado como acero natural [39].

Resultados similares mostraron en resistencia a la tracción, en donde los compuestos de partículas de Guadua 500 µm y 300 µm evidenciaron mayor capacidad de resistir esfuerzos de tracción (0,69 kg/cm2 y 0,58 kg/cm2) en comparación al compuesto comercial (0,44 kg/cm2). Es decir, compuestos guadua 500 µm mostraron mayor resitencia ante esfuerzos de tracción hasta del 57% y compuestos guadua 300 µm hasta un 32% frente a compuesto comercial. El comportamiento mecánico observado puede tener explicación, en que la fibra de bambú es una estructura más porosa que la de la madera lo que produce mayor penetración de la resina y por consiguiente mayor adherencia como lo reporta Anwar et al. [40].

La resistencia a la penetración de compuestos de partículas de Guadua 500 µm y 300 µm y compuesto comercial se muestran en la Tabla 2. Se observa que los compuestos de Guadua tienen mayor resistencia a la penetración frente a los compuestos comerciales. La huella marcada en diámetro y profundidad en compuestos de Guadua 500 µm y 300 µm (Tabla 2.), representa el comportamiento que ha presentado este compuesto en pruebas mecánicas. Es decir, el compuesto Guadua 500 µm se muestra más resistente que su símil Guadua 300 µm. Sin embargo, el compuesto comercial permite una penetración significativamente mayor que la observada en compuestos de Guadua. Lo que puede entenderse como se explicó líneas atrás, que la fibra de bambú es más porosa que la de la madera permitiendo mayor penetración de la resina y por consiguiente mayor adherencia [40].

3.2. Absorción de agua

La Tabla 3, muestra los resultados obtenidos en pruebas de absorción de agua e incremento de espesor por hinchazón en compuestos de Guadua (partículas 500 µm y 300 µm) y compuestos comerciales.

El porcentaje de absorción de agua en compuestos de Guadua 500 µm y 300 µm durante 2 h (58 % y 56 %) y 24 h (68 % y 66 %), fue menor que el obtenido en compuestos comerciales. El compuesto comercial evidenció el 21% de mayor absorción de agua frente al compuesto guadua 500 µm y 23 % de mayor absorción de agua frente al compuesto guadua 300 µm. Lo que podría explicarse en que las partículas de guadua lograron mayor contacto por adherencia y esto produjo menor volumen de espacios vacíos entre las partículas, por lo cual la penetración del agua pudo ser obstruida (Figura 3).

El incremento de espesor por hinchazón (Tabla 4.), evidencio que concluidas las 24 h de inmersión los compuestos de Guadua 500 µm y 300 µm tuvieron menor porcentaje de incremento de espesor en comparación al compuesto comercial. Al comparar directamente el compuesto comercial frente a compuestos guadua, se tiene que el comercial tuvo hasta un 27% de incremento de espesor por hinchazón frente al compuesto guadua 500 µm y del 45% frente al compuesto guadua 300 µm. Este menor incremento de espesor también puede tener relación con la adhesión de las partículas.

Las partículas de guadua lograron mayor acoplamiento disminuyendo áreas de vacíos entre las mismas lo que derivó en menor índice de hinchamiento del compuesto (Figura 3).

3.3. Prueba de termografía

En el análisis termográfico (Tabla 5), se observa que los compuestos en base a partículas de guadua 500 µm y 300 µm tienen mejores características de aislante térmico frente al compuesto comercial.

Los resultados obtenidos muestran que el lado posterior de los compuestos de guadua mantuvo menor temperatura frente al compuesto comercial, esto es un indicativo del paso de calor permitido por el compuesto debido a la temperatura de la hornilla. En este contexto, el compuesto guadua 500 µm mantuvo hasta un 10% de menor paso de calor frente al compuesto comercial. El compuesto guadua 300 µm por su parte, mantuvo hasta un 4% de menor paso de calor frente al compuesto comercial. Este comportamiento también soporta la tesis de la calidad de adhesión conseguida en la fabricación de los compuestos de partículas de guadua, en donde la aglomeración pudo generar menor índice de porosidades lo que permite mayor aislación térmica.

4. Conclusiones

El bambú Guadua angustifolia Kunth mostró resultados interesantes y características idóneas como materia prima de productos ingenieriles. Los compuestos en base a partículas de Guadua 500 µm y 300 µm presentaron una adecuada adhesión con la urea-formaldehido. Las propiedades mecánicas en flexión (MOR), modulo elástico en tracción (MOE) y resistencia a la tracción observados en los compuestos fabricados con partículas de guadua fueron superiores a los vistos en compuestos comerciales, atribuido al acoplamiento conseguido entre partículas y adhesivo durante el proceso de fabricación. Asimismo, los compuestos de Guadua tuvieron mayor resistencia a la penetración frente a los compuestos comerciales lo que se sustenta en la cohesión entre partícula y polímero evitando grandes porosidades.

La absorción de agua e incremento de espesor, en compuestos de Guadua angustifolia Kunth presentaron mayor resistencia a ser penetrados por el agua lo que le concede características de impermeabilidad frente a compuestos comerciales. Además, el acoplamiento por adhesión entre partículas de guadua y resina polimérica concedieron características de aislación térmica posiblemente por efecto del bajo volumen de espacios entre partículas.

Las partículas de Guadua angustifolia Kunth de acuerdo a los resultados obtenidos en pruebas físico-mecánicas para esta investigación, podría usarse como materia prima en la fabricación de materiales compuestos encolados con resinas poliméricas termoestables, que por sus características de silvicultura resulta más barato de producir y genera mayor biomasa por hectárea que la madera, lo que abarataría los costos de producción de compuestos.

Referencias

Información adicional

Como citar: A. Gaitán-Bermúdez, G. Fonthal-Rivera, “Fabricación y análisis mecánico de compuestos de bambú Guadua angustifolia Kunth,” Rev. UIS Ing.,vol. 19, no. 3, pp. 207-214, 2020. doi: https://doi.org/10.18273/revuin.v19n3-2020019

Revista UIS Ingenierías
ISSN: 1657-4583
Vol. 19
Num. 3
Año. 2020

Fabricación y análisis mecánico de compuestos de bambú Guadua angustifolia Kunth

AlexanderGerardo Gaitán-BermúdezFonthal-Rivera
Universidad del QuindíoUniversidad del Quindío,ColombiaColombia