jueves, 20 de septiembre de 2012

Compuestos de madera y plástico

Introducción
Los materiales compuestos de madera y plástico (WPC: del inglés Wood plastic composite) son materiales formados básicamente de dos fases, una plástica continua denominada matriz (incluye PE, PP, PVC, etc.) y otra de refuerzo o relleno constituida de fibra o polvo de madera. Además de fibras de madera y plástico, el WPC también puede contener otros materiales de relleno (ligno-celulósico y/o inorgánico). Los WPC son un subconjunto de una categoría más amplia de materiales llamados compuestos plásticos de fibras naturales (NFPC: natural fiber plastic composite), que pueden contener también rellenos a base de fibras, tales como fibras de celulosa, cáscara de maní, bambú, paja, etc.
Compuestos de madera y plástico
Historia
La bakelita inventada en 1909 por Leo H. Baekeland, es uno de los primeros compuestos de madera-plástico al estar formada por finas partículas de madera a las que se añaden resinas de fenol y formaldehido. La gran mayoría de los productos de madera-plástico que se fabrican actualmente incorporan los mismos productos: por un lado materiales plásticos, en este caso termoplásticos, como ser polietilenos de alta densidad (HDPE) y cloruros de polivinilo (PVC) y por otro, madera en forma de polvo. Esta combinación que no parecía muy prometedora, ya que por un lado las fibras de madera son muy cortas, absorben mucha humedad y son menos resistentes que las fibras de vidrio o de carbono; y por otro lado los materiales termoplásticos son más débiles que los termoendurecibles (reblandecen con el calor y se deforman ante los esfuerzos). Sin embargo, los resultados de la combinación han sido sorprendentes. Estos compuestos, pese a que utilizan materias primas muy baratas y su proceso de fabricación es de bajo nivel tecnológico, tienen un precio final en el mercado superior al de la madera tratada con productos químicos (sin considerar el ciclo de vida, y su durabilidad mayor). El producto se empezó a usar para terrazas exteriores, pero se ha ido abriendo paso en vallas, barandillas, pasamanos y elementos de fachadas.
Los compuestos de madera y plástico se vieron por primera vez en Estados Unidos durante los años 1960, principalmente en aplicaciones de marcos de ventanas y puertas. La industria de las ventanas y puertas, que tiene experiencia con materiales de madera, plástico y aluminio, buscó la forma de utilizar materiales más económicos, de allí que el aserrín parecía un material tanto ligero como barato.
El país con mayor producción de este material es Estados Unidos de América, aunque en Europa su investigación y desarrollo ha aumentado en los últimos años, debido a que el uso de este tipo de materiales puede disminuir costos ya que se aprovecha todo el desperdicio de madera y plástico reciclado. La densidad del material se puede controlar por medio de espumantes o por el tipo de proceso.
El principal problema de estos compuestos es la temperatura de proceso que, en general, no debe sobrepasar los 190°C. Otro problema es la humedad de la madera, la cual no es compatible con la mayoría de polímeros y en algunos casos puede originar degradación y pérdida de propiedades físicas por despolimerización.
Los equipos utilizados para extruir este material están comúnmente equipados con husillos dobles para extrusión. Para inyección generalmente la tecnología tiene pocos desarrollos aunque existen procesos altamente tecnificados de extrusión-inyección (Injeccion molding composite) capaces de combinar la etapa de compounder e inyección en un solo proceso. Otros procesos son compresión y termoformado.
El color de la pieza final depende en gran medida del color de la madera y del polímero. El color del compuesto se puede modificar después del proceso con una laca o durante el procesamiento con un concentrado de color que, si es bien diseñado, puede presentar líneas de flujo que asemejan las vetas normales de la madera.

Composición
Las fibras de madera se distribuyen de forma aleatoria dentro de la matriz de materiales plásticos. El porcentaje de fibras de madera varía en función del producto, desde un 70% e incluso porcentaje mayores, hasta llegar a los productos de plástico reciclados que no contienen fibras de madera.
- Materiales plásticos: Se pueden utilizar los termoplásticos (que se reblandecen cuando se les aplica calor) o los termoedurecibles (que no se reblandecen con calor una vez que han fraguado).
Dentro del grupo de los termoplásticos se encuentran los polietilenos y polipropilenos que se utilizan en multitud de aplicaciones no estructurales, como botellas o contenedores; y en el grupo de los termoendurecibles las resinas estructurales de poliéster y epoxi. Los residuos plásticos se pueden reforzar o aumentar de tamaño con fibras naturales, fibras de vidrio y otros materiales como el caucho.
- Madera: El porcentaje de madera, tanto en forma de polvo como de fibras cortas (inferiores a 5 mm), varía normalmente desde el 50 hasta el 80 %. La harina de madera se utiliza para dar cuerpo al producto, pero tiene una misión diferente al de las cargas que se utilizan en los adhesivos ya que en este caso su misión es de armado. Se desaconseja la utilización de polvo de madera o de otros materiales por el riesgo de explosión.
- Aditivos: Los aditivos más frecuentes son los lubricantes, retardadores del fuego, productos que mejoran a unión madera - plástico, estabilizadores de rayos ultravioleta, pigmentos, etc.
La mezcla de materias primas se realiza por lotes o por procesos continuos y se fuerza su paso por una laminadora o por una extrusora o para inyectarse en los moldes correspondientes. La gran mayoría de los productos de madera y plástico son perfiles extruidos, macizos o huecos.

Ejemplo de composición típica de un WPC

Propiedades y características
Las propiedades a evaluar dependen de su uso en exterior o en interior, pero todavía no existe norma de especificaciones, aunque hay un primer borrador de las normas de ensayo para comprobar las siguientes propiedades:
- Físicas: densidad, contenido de humedad, etc.
- Mecánicas: resistencia al impacto, tracción, etc.
- Durabilidad: envejecimiento artificial, hinchazón y absorción, etc.
- Térmicas: dilatación lineal, conductividad térmica, acción del calor.
- Fuego: límite de oxígeno, reacción al fuego.
- Otras propiedades

Propiedades mecánicas
Los productos de madera-plástico son menos rígidos que la madera, su resistencia también es menor, se deforman cuando están sometidos a cargas, se reblandecen bajo la acción del calor y son quebradizos a bajas temperaturas. Sus resistencias a la tracción y a la compresión son similares a la de la madera de coníferas, pero en la mayoría de las aplicaciones estas propiedades no son relevantes. En aquellas aplicaciones que requieran unas mayores rigideces, como por ejemplo en los suelos de terrazas exteriores, la solución es aumentar su sección transversal o su espesor o reducir la distancia entre apoyos.

Estabilidad dimensional
Aunque no se producen alabeos y la absorción de humedad es inferior a la de la madera maciza, en cualquier caso es necesario dejar juntas para absorber los cambios dimensionales originados por sus mayores coeficientes de dilatación (parecidos a los del aluminio).

Durabilidad y envejecimiento
La acción del sol tiende a oscurecerla motivo por el cual suele ser de color gris claro. Tiene elevadas resistencias frente al ataque de hongos, insectos xilófagos de ciclo larvario, termitas y xilófagos marinos. Algunos productos incorporan protectores para prevenir la aparición de mohos y el crecimiento de hongos aunque en los primeros prototipos para suelos se producían pudriciones cubicas, pudriciones blandas, fendas, deshilachados y meteorizaciones. Posteriormente se perfeccionaron los productos en este sentido.

Otras propiedades
- Su resistencia al deslizamiento es mayor que la de la madera natural.
- En ocasiones se pueden producir descargas de electricidad estática.
- Se pueden reciclar.
- Están considerados como productos compuestos ecológicos.
- Son más caros que la madera natural y tratada, pero al considerar su ciclo de vida y su ausencia de mantenimiento mantenimiento su coste final saldría mejorado.

Producción
Los WPC son producidos mezclando completamente partículas de madera y de resina termoplástica calentada. El método más común de producción es extruir el material en la forma deseada, aunque también se utiliza moldeo por inyección. El WPC puede ser producido a partir de termoplásticos vírgenes o reciclados, incluyendo HDPE, LDPE, PVC, PP, ABS, PS y PLA. El WPC a base de polietileno es, por mucho, el más común. Aditivos tales como colorantes, agentes de acoplamiento, estabilizadores de UV, agentes de soplado, agentes espumantes, y lubricantes ayudan a adaptar el producto final al objetivo de aplicación. Los WPC extruidos se pueden formar en perfiles macizos y huecos. Una gran variedad de piezas moldeadas por inyección también se producen, desde paneles de puerta de automóvil hasta cubiertas del teléfono celular.
En algunas instalaciones de fabricación, los componentes se combinan y se procesan en una extrusora de peletización, que produce gránulos del material. Los pellets se vuelven a fundir y se conforman en la forma final.
Pellets de WPC
Otros fabricantes conforman la pieza acabada en un solo paso de mezclado y extrusión/inyección (IMC: injection molding composite) sin pasar por el peletizado.

Procesado
Extrusión

La extrusión de estos compuestos es la técnica más utilizada para fabricar perfiles de este material, pero también es utilizada para realizar el compuesto, esto sucede por medio de una mezcla física, que en combinación con agentes de acoplamiento puede formar algunos enlaces químicos o formar emulsiones de forma que el material sea estable y posteriormente pueda ser inyectado o moldeado por compresión.
La extrusión de los compuestos de madera y plástico presenta algunos desafíos tecnológicos respecto de la extrusión tradicional. El primer problema presente es la alimentación del material en la tolva, el polvo de madera y gránulos de material plástico son alimentados en la tolva, sin embargo el polvo fino de madera tiende a conglomerarse en la boca de la tolva, que por acción del calor y de la humedad se pega y no entra al cañón y no tiene contacto con el husillo.
La extrusión puede ocurrir en un equipo de:
- Doble husillo
- Husillo sencillo
El material debe ser secado previamente a la inyección y preferentemente dosificado por robots, para asegurar la homogeneidad durante la extrusión.
La rapidez con que el husillo gira determina la tasa de material extruido por minuto, sin embargo debe tomarse en cuenta que esta tasa puede tener un máximo y una rapidez mayor solo consumiría más energía sin proveer beneficios en la cantidad de material por unidad de tiempo.
La tasa de material extruido por minuto puede incrementarse con agentes de flujo, agentes de acoplamiento y espumantes.
Línea de extrusión de laminas/tableros de WPC
Inyección
La inyección de compuestos de madera y plástico obedece en general la misma técnica utilizada en el moldeo por inyección, sin embargo es necesario tomar en cuenta algunos puntos técnicos importantes como lo es la temperatura de degradación del compuesto, pues temperaturas mayores de 205°C pueden causar problemas de degradación y temperaturas demasiado bajas impedirían una mezcla adecuada de los materiales.
La temperatura del molde puede mantenerse un poco más elevada que en la inyección tradicional debido a que la madera en el compuesto permite una estabilidad dimensional mejor que el polímero solo, por ello un enfriamiento menos intensivo resulta en un ahorro de tiempo y costos.
El flujo del compuesto en la cavidad del molde ocurre con mayor rapidez cuando la temperatura del molde es alta.
Pieza de madera y plástico en un molde de inyección

Moldeo por compresión
El moldeo por compresión es el método más difundido para la producción de compuestos de madera y plástico, múltiples piezas automotrices internas (piezas que no están expuestas a la vista tanto en interiores como exteriores del automóvil) son hechas de este compuesto y moldeadas por compresión, en esta técnica son utilizadas comúnmente fibras naturales (como jute o henequén) además de la harina de madera.
Prensa para WPC

Mecanizado
Se pueden emplear las mismas maquinas que se utilizan para trabajar la madera. No presenta problemas en el clavado y atornillado. Los productos que contienen pocas fibras pueden soldarse entre sí. Algunos tipos de productos pueden pintarse, barnizarse o sellarse con silicona o productos acrílicos. Los perfiles extruidos se obtienen en una sola operación y no requieren ni pueden hacérseles mecanizaciones posteriores.

Ventajas y Desventajas
Los WPC no se corroen y son muy resistentes a la putrefacción, decaimiento, y el ataque del agua salada de mar, a pesar de que absorben el agua en las fibras de madera incrustadas en el material. Presentan facilidad en el mecanizado y puede ser formado usando herramientas convencionales de carpintería. Los WPC se consideran a menudo un material sostenible, ya que se pueden hacer usando plásticos reciclados y los productos de desecho de la industria de la madera. Aunque estos materiales continúan la vida útil de los materiales utilizados y desechados, y tienen su propia vida media considerable, los compuestos de madera-plástico son difíciles de reciclar de nuevo después de su uso. Una ventaja más sobre la madera es la capacidad del material para ser moldeado para satisfacer casi cualquier forma deseada. Otro punto de ventaja importante de estos materiales es su falta de necesidad de pintura. Se fabrican en una variedad de colores. A pesar de tener hasta 70 % de contenido de celulosa (aunque 50/50 es más común), el comportamiento mecánico del WPC es más similar a polímeros puros. Esto significa que tienen una menor resistencia y rigidez que la madera, y que experimentan un comportamiento dependiente del tiempo y de la temperatura. Las partículas de madera son susceptibles al ataque de hongos, aunque no tanto como la madera maciza, y el componente de polímero es vulnerable a los la degradación UV. Es posible que la resistencia y la rigidez se puedan reducir por la absorción de humedad y ciclos de congelación-descongelación, aunque las pruebas se siguen llevando a cabo en este aspecto. Algunas formulaciones de WPC son también sensibles a las manchas de una variedad de agentes.

Usos
Una de las principales aplicaciones de este tipo de materiales se encuentra en el recubrimiento de superficies que se encuentran a la intemperie, siendo ampliamente utilizados en muelles, terrazas, y otras superficies cerca de piscinas o en centros de recreación. Las ventajas inherentes para estas aplicaciones radican en una mayor resistencia a la humedad y a los insectos, unido a un bajo nivel de mantenimiento. Empresas como Louisiana Pacific Polymers y Trex en Estados Unidos son líderes en este tipo de aplicaciones, ofreciendo variedad de referencias con diferentes colores, acabados y propiedades físicas.
Otro uso común de los plásticos reforzados con madera es en la fabricación de perfiles extruidos. Estos perfiles se pueden utilizar para la fabricación de perfiles para puertas y ventanas, juegos para niños, sillas, o para reemplazar los durmientes de las vías férreas. En el caso de la fabricación de perfiles, se ha comenzado a explorar la posibilidad de hacer perfiles espumados en el interior. Aunque ya algunos fabricantes han implementado este proceso por las ventajas que presenta en el ahorro de costos de materia prima y disminución en peso, todavía es necesario profundizar más en el entendimiento del proceso de manufactura.
Por otra parte, los materiales reforzados con madera han ingresado en el campo de la fabricación de automóviles, desplazando a los plásticos reforzados con fibra de vidrio en la producción de algunas piezas. Esta tendencia comenzó en Europa, donde dichos materiales son usados para fabricar paneles interiores de puertas, espaldares de asientos, apoya-cabezas, guardafangos y bandejas para guardar objetos. La tendencia ha llegado a Estados Unidos, y el impacto ha sido tal, que grandes fabricantes de materiales reforzados con fibra de vidrio como Owens Corning han comenzado a experimentar con fibras naturales.
Los compuestos de plástico-madera también son ampliamente utilizados en la fabricación de pallets, plataformas y tacos para calzado, artículos náuticos, etc.

Piso y barandas de WPC

Perfiles varios de WPC

Pallet de WPC

Plataforma de zapato



Fuentes:
http://www.neoture.es
http://www.biostructproject.eu
http://www.entekextruders.com
http://www.interempresas.net
http://www.perthwpc.com
http://www.wpcextruder.com
http://www.4struktol.com
http://www.directindustry.es
http://www.udt.cl
http://www.alibaba.com
http://www.gabarro.com
http://www.alfavinil.com

6 comentarios:

  1. Estos materiales son la solución de muchos problemas, tanto económicos como ambientales.

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  2. Me gustaría saber mas sobre madera plástica con PVC si tuvieran mas información se los agradecería

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    1. Hola Joselyn. Puedes fijarte en los siguientes enlaces…
      http://www.chemikinternational.com/pdf/2011/04_2011/CHEMIK%202011_65_4_329-336.pdf
      http://www.healthybuilding.net/pdf/gtpl/guide_to_plastic_lumber.pdf
      http://www.workbenchmagazine.com/main/pdf/wb297-pvc.pdf
      https://extension.ucdavis.edu/unit/green_building_and_sustainability/pdf/resources/how_green.pdf
      Saludos

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  3. Hola. Quisiera informacion acerca de si puedo realizar madera plastica con polvo de MDF o HDF y poliestireno reciclado. Gracias

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