Estudio sobre compuestos microporosos de madera y plástico a base de polipropileno

Actualmente, los compuestos de madera y plástico (WPC, por sus siglas en inglés), gracias a su alta dureza, resistencia al agua y a las termitas, y su capacidad de reprocesamiento, se utilizan ampliamente en la decoración de interiores, la renovación de edificios, el embalaje, el transporte y el equipamiento deportivo. Su coste relativamente bajo y su elevado consumo contribuyen a reducir el agotamiento de los recursos forestales y a mitigar los riesgos ambientales derivados de los residuos plásticos. Sin embargo, la alta densidad y la escasa tenacidad de los WPC los hacen propensos a la fractura frágil en aplicaciones de carga, lo que limita su capacidad para proporcionar efectos de advertencia de deformación mediante la fluencia molecular, como sí lo hacen los materiales poliméricos convencionales.

Dado que las técnicas de espumado tradicionales son insuficientes para mejorar la fragilidad de los WPC, Investigadores nacionales e internacionales han propuesto el concepto de espumado microporoso basado en el principio de endurecimiento de nanopartículas inorgánicas. Durante el proceso de carga de los compuestos de madera y plástico microporosos, las grietas por impacto se propagan principalmente a través de los poros o a lo largo de sus paredes, mientras que la deformación plástica de los poros absorbe una cantidad significativa de energía, lo que reduce la punta de la grieta e inhibe su propagación. Esta técnica mejora el rendimiento mecánico de los compuestos de madera y plástico, impulsa sus aplicaciones de alto rendimiento y conserva ventajas como la ligereza, la eficiencia del material, el aislamiento acústico y el aislamiento térmico.

En el proceso de extrusión de compuestos de madera y plástico (WPC), la formación de estructuras microporosas internas depende principalmente de la sensibilidad de la solubilidad del gas en el fundido a los campos térmicos y de flujo, lográndose la generación de gas mediante la reducción de presión o el calentamiento. La estructura microporosa se forma a través de tres etapas: nucleación, crecimiento y estabilización. El gas espumante se produce principalmente por descomposición térmica de agentes espumantes químicos o por volatilización de agentes espumantes físicos. El método de generación no solo determina la formación de la estructura de poros interna, sino que también influye directamente en la morfología y el tamaño de los poros.

En consecuencia, se utilizaron compuestos de madera y plástico (WPC) a base de polipropileno como objeto de estudio, empleando azodicarbonamida (AC) y bicarbonato de sodio (NaHCO3) como agentes espumantes químicos. Se analizaron comparativamente sus comportamientos de descomposición térmica y sus efectos sobre la morfología de los poros de las muestras de WPC. Además, se exploraron los efectos de los agentes espumantes compuestos y de las diferentes concentraciones de estos agentes sobre las propiedades mecánicas de las muestras de WPC bajo distintas cantidades de generación de gas, con el fin de proporcionar una guía teórica para la posterior optimización del proceso y el desarrollo del producto. Los resultados muestran:

1. El agente espumante compuesto de AC/óxido de zinc puede controlar la temperatura de liberación de gas durante la descomposición térmica a unos 173 °C, evitando eficazmente la degradación de la harina de madera causada por la descomposición a alta temperatura. En comparación con el sistema AC/óxido de zinc, el concentrado espumante de NaHCO3, con menor producción de gas y un rango de temperatura de descomposición más amplio, desencadena fácilmente múltiples eventos de nucleación, lo que da lugar a una distribución bimodal del tamaño de los poros.

2. En comparación con el concentrado maestro de NaHCO3 y el agente espumante compuesto de ambos, el sistema compuesto de AC/óxido de zinc produce más fácilmente una estructura microporosa "pequeña y densa", logrando un rendimiento de muestra con una resistencia al impacto de 6 kJ/m², una resistencia a la tracción de 8 MPa y una resistencia a la flexión de 16,6 MPa.

3. Cuando se utiliza el compuesto de AC/óxido de zinc en una proporción de 1:1, el gas espumante dentro del material compuesto puede quedar completamente encapsulado por la masa fundida, evitando su escape, a la vez que se logra una rápida sobresaturación que acelera la velocidad de nucleación y mejora su calidad. Esto da como resultado una estructura microporosa con un tamaño de poro promedio de 71 μm y una densidad de distribución de 2,7 × 10⁴ poros/cm³, lo que proporciona una capacidad de carga superior.