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Subjects:
Agriculture, Dairy & Animal Science
Las fibras naturales son filamentos flexibles extraídos de fuentes renovables, con propiedades complejas debido a las amplias variaciones en la composición química y estructural de celulosa, lignina, hemicelulosa, ácidos grasos, pectinas y otras estructuras unidas por enlaces de hidrógeno intermoleculares y fuerzas de Van der Waals. formando microfibrillas con disposición paralela.
- natural fibers
- biocomposites
- polymer
1. Fibras naturales como alternativa sostenible para reforzar los polímeros residuales
Las fibras naturales son filamentos flexibles extraídos de fuentes renovables, con propiedades complejas debido a las amplias variaciones en la composición química y estructural de celulosa, lignina, hemicelulosa, ácidos grasos, pectinas y otras estructuras unidas por enlaces de hidrógeno intermoleculares y fuerzas de Van der Waals. formando microfibrillas con disposición paralela. Se utilizan en diferentes campos de la ingeniería como elementos de refuerzo que proporcionan resistencia a la tensión y flexión, rigidez y módulo de elasticidad [ 13 , 32 , 33] formando un material de bioingeniería notable que es de interés por sus múltiples usos y aplicaciones en una amplia gama de productos con un valor agradable; se diferencian de los materiales iniciales, lo que se relaciona con la naturaleza de las fibras, cristalinidad e insolubilidad; sin embargo, la elaboración de estos materiales compuestos en el proceso de fusión puede presentar inconvenientes como la viscosidad, que puede llegar a ser muy elevada, especialmente cuando el contenido de fibra es superior al 50% en peso; Mazzanti y col. [ 34 ] declararon en su investigación que si el capilar es demasiado estrecho, la presión puede volverse demasiado alta y el uso de lubricantes promueve el deslizamiento de la pared, lo que puede alterar las mediciones de viscosidad si los investigadores no tienen en cuenta el deslizamiento de la pared de manera adecuada [ 35] , 36].
En las fibras naturales, los compuestos en su conjunto se mantienen unidos por la función colectiva de celulosa, hemicelulosas, lignina y pectina como matriz; en promedio, las fibras se componen principalmente de celulosa (60 a 80%), lignina (5 a 20%) y alrededor del 20% de humedad [ 9 ]; estos porcentajes pueden variar según el tipo y origen de las fibras [ 32 ]. A continuación, se analiza la composición química de las fibras naturales en la Tabla 2 utilizando datos de diferentes investigaciones ya que su comprensión nos permite predecir e inferir su desempeño térmico y mecánico [ 33 ], sumado a los problemas económicos y ambientales que se pueden resolver con esta alternativa. cuando están vinculados a nuevos compuestos de base biológica.
Tabla 2. Composición química de algunas fibras naturales.
| Fibras naturales | Nombre científico | Celulosa (%) | Hemicelulosa (%) | Lignina (%) | Extractivo (%) | Cenizas (%) | Autor, año |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Caña de azúcar | Saccharum officinarum | 46,6–45,1 | 25,5-25,0 | 20,7–14,1 | 29,4-2,7 | 8.0-2.6 | [ 13 , 39 ] |
| Piña | Ananas comosus | 81,2–45,0 | 50,0-12,3 | 30,0-3,4 | _ | _ | [ 2 , 40 ] |
| Banana | Musa paradisiaca | 60,0-10,0 | 19,0-16,0 | 19,0–5,0 | 9,6-2,0 | 11,0-1,2 | [ 40 , 41 ] |
| Cáñamo | Cannabis sativa | 72,0–68,0 | 15.0–10.0 | 10.0–3.0 | _ | 5,8–2,3 | [ 11 , 42 ] |
| Coco | Cocos nucifera | 53,0–43,0 | 14,7-1,0 | 45,0–38,4 | _ | _ | [ 42 , 43 , 44 ] |
| Yute | Corchorus capsularis | 72,0–60,0 | 22,1-13,0 | 15.9-13.0 | _ | 3,0-2,5 | [ 11 , 42 ] |
| Aceite de palma | Elaeis guineensis | 45,0-28,2 | 18,8-12,7 | 49,5–9,4 | 7,13–2,0 | [ 45 , 46 ] | |
| Trigo | Triticum | 43,2–60,5 | 34,1-20,8 | 22,0–9,0 | _ | 5,7–5,6 | [ 14 , 42 ] |
| Kenaf | Cannabinus de hibisco | 65,7–63,5 | 17,6-15,3 | 21,6-12,7 | 4.0–2.0 | 2.2-1.0 | [ 13 , 47 ] |
| Linaza | Linum usitatissimum | 81,0–70,0 | 20,6-16,7 | 10.0–3.0 | _ | _ | [ 11 , 43 ] |
| Ramina | Boehmeria nivea | 73,0–69,8 | 14.0–9.6 | 3,9–1,6 | _ | _ | [ 44 , 47 , 48 ] |
| Sisal | Agave sisalana | 75,0–65,0 | 13,9-10,0 | 10.0–7.6 | _ | 1.0–0.4 | [ 42 , 49 , 50 ] |
1.1. Celulosa
La celulosa es el principal componente estructural de las fibras naturales. Es un biopolímero lineal compuesto exclusivamente por moléculas de β-glucosa unidas entre sí por enlaces 1,4 que imparten buena resistencia, rigidez, estabilidad estructural, porosidad y elasticidad a la fibra [ 9 ]. Este polisacárido está compuesto de microfibrillas cristalinas y amorfas alineadas helicoidalmente a lo largo de la fibra [ 11 ] y es resistente a la hidrólisis y agentes oxidantes, que pueden degradarse parcialmente en medios catalizados por ácidos fuertes [ 37 ].
1.2. Hemicelulosa
La hemicelulosa es una estructura de cadenas lineales ramificadas compuestas por los diversos polisacáridos más abundantes de menor peso molecular que forman una cadena ramificada, incluyendo β-glucosa, manosa, galactosa o xilosa, y los grupos acetilo que contienen grupos laterales, dando lugar a a su naturaleza no cristalina, con un grado medio de polimerización por enlace covalente de estos compuestos y por interacciones iónicas e hidrófilas; es responsable de la degradación térmica y biológica de la fibra por absorción de humedad [ 38 ], que puede ser fácilmente hidrolizada por ácidos y bases diluidos [ 11 ].
1.3. Lignina
La lignina es un componente clave en la estructura de la fibra debido a la complejidad de su estructura molecular. Es un polímero tridimensional amorfo y reticulado que actúa como un aglutinante natural de las fibras individuales, llenando los espacios entre la pectina, la hemicelulosa y la celulosa [ 13 , 51 ], compuesto por una matriz irregular de hidroxi y metoxi unidos. unidades de fenilpropano sustituido [ 9 ], que es responsable de la rigidez, produciendo una estructura resistente al impacto y la tensión [ 42 ]. Es hidrófobo, resiste la hidrólisis ácida, es soluble en álcali caliente, se oxida fácilmente y es responsable de la degradación por radiación a pesar de ser térmicamente estable.
1.4. Pectina
La pectina es un complejo polisacárido aniónico que proporciona flexibilidad a las fibras ya que su estructura es muy ramificada [ 37 ]; es un heteropolisacárido ácido estructural que se compone de ácido glucurónico modificado y residuos de ramnosa. La integridad estructural de la planta se ve reforzada por las cadenas de pectina que a menudo se entrecruzan con los iones de calcio [ 9 ].
Finalmente, se encuentran los extractivos y las cenizas en menor proporción, con gran influencia en las propiedades y procesamiento de las fibras naturales, ya que actúan como protectores; inhibir el ataque de ácidos; y pertenecen a diferentes clases de compuestos químicos orgánicos e inorgánicos, respectivamente, que se extraen lavando las fibras con agua o disolventes orgánicos antes de su unión en el biocompuesto polimérico.
2. Propiedades de las fibras naturales y su amplio potencial como refuerzos en polímeros residuales
Las fibras naturales tienen una serie de propiedades físicas y químicas dependiendo del contenido de celulosa, lignina, hemicelulosa y pectina, lo que las convierte en excelentes materiales junto con su renovabilidad y biodegradabilidad, siendo una práctica común eliminar la lignina y la pectina para mejorar el efecto reforzante. de fibras naturales en biocomposites [ 52 ].
Las fibras naturales cuando se utilizan como refuerzos en biocomposites, además de representar beneficios ambientales, reducción del consumo de energía, propiedades de aislamiento y absorción acústica [ 53 , 54 ], también tienen propiedades mecánicas esenciales, como se evidencia en la Tabla 3 , con variaciones promedio que van desde 1.25 –1,5 g / cm 3 para densidad, 320–520 Mpa para resistencia a la tracción, 22–48 Gpa para módulo de tracción y 7–25% para elongación antes de la rotura; además, las investigaciones de Nurazzi et al. [ 10 ], Nagaraj y col. [ 55 ], y otros relacionados con la resistencia a la flexión, el módulo de elasticidad, el hinchamiento del espesor y la absorción de agua como propiedades importantes al evaluarlos como refuerzos poliméricos.
Tabla 3. Propiedades físicas y mecánicas de algunas fibras naturales.
| Fibras naturales | Densidad (g / cm 3 ) | Tracción de resistencia (Mpa) | Módulo de tensión (Gpa) | Alargamiento a la rotura (%) | Autor, año |
|---|---|---|---|---|---|
| Madera | 0,50–1,4 | 130–64 | 70–7 | _ | [ 56 , 57 ] |
| Linaza | 1,5–1,4 | 650–250 | 70-27 | 3.2–2.3 | [ 6 , 8 , 10 , 56 ] |
| Cáñamo | 1.6–1.4 | 690–630 | 70,0–45 | 3,0-1,6 | [ 43 , 58 , 59 ] |
| Yute | 1,5–1,3 | 773–325 | 55-26 | 2,5–1,5 | [ 8 , 56 , 60 ] |
| Coco | 1,5–1,2 | 180-146 | 6–3 | 30,0-27,5 | [ 6 , 43 , 56 ] |
| Algodón | 1.6–1.5 | 310-191 | 12–5 | 8.0–7.0 | [ 8 , 56 , 59 ] |
| Sisal | 1.2–1.5 | 430–335 | 22–9 | 8.0-2.5 | [ 6 , 10 , 59 ] |
| Kenaf | 1,5–1,4 | 930–641 | 53–36 | 1,6–3,5 | [ 55 , 61 , 62 ] |
| Bambú | 1.1–0.6 | 140–600 | 89–48 | _ | [ 8 , 61 , 63 ] |
Las propiedades mecánicas de las fibras naturales son menores que las de las sintéticas; se pueden mejorar o igualar mediante técnicas de modificación de superficies [ 1 ] (como se presenta a continuación), además de la baja densidad, que es una de las propiedades que las hace más atractivas para diferentes propósitos y aplicaciones de ingeniería, como en construcción, aeronáutica y automóviles [ 64 , 65 ]. Por otro lado, cabe señalar que la resistencia de la fibra depende de la carga impuesta a la fibra, la relación en peso de la fibra, el proceso de cultivo, el proceso de fabricación o modificación y los métodos de fabricación de las matrices poliméricas reforzadas. [ 66 ].
This entry is adapted from the peer-reviewed paper 10.3390/polym13213612
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