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May 31, 2023

Estabilidad dimensional y propiedades mecánicas del extruido.

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 10545 (2022) Cite este artículo 994 Accesos 3 Citas Detalles de métricas Se combinaron materiales de madera y polietileno (PE) con un tamaño de partícula de 250 µm en

Scientific Reports volumen 12, número de artículo: 10545 (2022) Citar este artículo

994 Accesos

3 citas

Detalles de métricas

Se combinaron materiales de madera y polietileno (PE) con un tamaño de partícula de 250 µm en proporciones de mezcla de 60/40, 70/30 y 80/20 (con un aumento de polímero para disminuir el contenido de madera) y se extruyeron usando una extrusora de un solo tornillo a un rango de temperatura de 110 a 135 °C. Las partículas de Gmelina Arborea, Tectona grandis, Cordia milleni y Nauclea diderichii con polietileno reciclado se combinaron y comprimieron a 175 N/mm para producir compuestos de biopolímeros. Los compuestos de biopolímero se sometieron a una prueba de estabilidad dimensional a las 24 h del método de remojo en agua y se investigó la capacidad para soportar la capacidad de carga. El resultado de los resultados muestra que los compuestos de biopolímeros extruidos-compresivos tenían valores que oscilaban entre 0,06 y 1,43 g/cm3, 0,38 y 3,41% y 0,82 y 6,85% para la densidad observada, la absorción de agua y el hinchamiento del espesor a las 24 h de un remojo en agua. prueba. Los valores de las propiedades mecánicas oscilaron entre 0,28 Nmm-2 y 21,35 Nmm-2 y 0,44-550,06 Nmm-2 para el módulo de flexión y la resistencia; y 191,43 Nmm-2–1857,24 Nmm-2 y 0,35 Nmm-2–243,75 Nmm-2 para el módulo de tracción y la resistencia, respectivamente. Se observó que la absorción de humedad y la resistencia mostrada por los compuestos varían en consecuencia en los valores obtenidos para las especies de madera en diferentes proporciones de mezcla. Como se observa, cuanto más contenido de polietileno se agrega a la madera, mejores son su estabilidad dimensional y sus propiedades de flexión y tracción. Las partículas de madera de Cordia milleni compuestas en una proporción de 60 a 40 (polietileno/madera) obtuvieron los mejores resultados en cuanto a estabilidad dimensional y capacidad de carga. Este estudio confirmó el efecto de los métodos sobre especies de madera y PE reciclado para la fabricación de compuestos a base de polímeros de madera para aplicaciones en interiores y exteriores.

Desde principios del siglo XX, el sector de los polímeros ha ido en expansión; Varios productores de resinas y empresas químicas de todo el mundo contribuyen principalmente al volumen de productos plásticos producidos anualmente, que supera los 200 millones de toneladas1,2. Esto permite que la industria de procesamiento de polímeros en todo el mundo se expanda a partir de decenas de miles de pequeñas y medianas empresas. La mayoría de los fabricantes de polímeros utilizan diferentes máquinas para su funcionamiento; la mayoría utiliza extrusoras y máquinas de moldeo por inyección. La primera operación de producción de polímero es a través de la matriz de granulación mientras que la segunda es para la conformación final (Vlachopoulos y Wagner, 2001). Las dos operaciones implican calentar y fundir el polímero, bombeando el polímero fundido a la unidad de conformación para darle la forma y dimensiones requeridas, después de enfriarlo para solidificarlo. La combinación de polímeros y otras partículas como la madera se realiza normalmente mediante extrusoras de tornillo bajo calor y presión específicos. El material compuesto se puede prensar o moldear para obtener un producto final o formar gránulos para su posterior procesamiento en una máquina de moldeo por inyección. Los productos poliméricos se pueden fabricar mediante extrusión de láminas o perfiles, moldeo por inyección, calandrado, termoformado o moldeo por compresión4.

Los productos poliméricos tienen propiedades únicas que incluyen fácil fabricación, bajas densidades, resistencia a la corrosión, aislamiento eléctrico y térmico y, a menudo, rigidez y tenacidad favorables por unidad de peso3. Debido a estas propiedades mostradas, la industria de los polímeros ha seguido creciendo en los países en desarrollo, donde sus necesidades en transporte, envasado de alimentos, vivienda y electrodomésticos son muy importantes. El interés en agregar fibra de madera como refuerzo al polímero ha crecido a lo largo de los años debido a las excelentes propiedades y desempeño de los productos5. Se sabe que el compuesto de polímero de madera es un bioproducto alternativo a los tableros de partículas aglomerados orgánicos con características mejoradas para adaptarse a diferentes aplicaciones4. La combinación de madera y polímero ha mostrado productos mecánicamente mejorados en comparación con otros productos de paneles a base de madera y productos plásticos6. La extrusión directa es la técnica más común utilizada en la fabricación de compuestos de biopolímeros. Esta técnica permite que las materias primas se combinen en estado fundido y se extruyan en un perfil continuo forzando el material fundido a través del troquel en el mismo paso del proceso7. La técnica de extrusión indirecta puede ser tanto en perfiles como en láminas de materiales para moldeo por compresión a fabricar. Este estudio adopta ambas técnicas para la producción de biopolímero a partir de especies de madera seleccionadas cultivadas en Nigeria; El objetivo era investigar su efecto sobre propiedades específicas como la estabilidad mecánica y dimensional del producto. Se han investigado muchas partículas de especies de madera de regiones templadas y tropicales. Especies como el pino, el arce y el roble se utilizan comúnmente para la producción de productos comerciales de compuestos de madera y plástico en la región templada8. Investigaciones anteriores han demostrado que las especies de madera afectan las propiedades mecánicas de los WPC, y que las partículas de madera dura superan a las harinas de madera blanda en términos de propiedades de tracción y temperatura de deflexión del calor5,9. La mayoría de los fabricantes de compuestos de madera y plástico se encuentran en países desarrollados del mundo con tecnologías mejoradas y avanzadas, ya que la tecnología está mejorando y la demanda de marketing también está creciendo. A medida que la industria crece en los países desarrollados, a los países en desarrollo todavía les resulta difícil alinearse con las tecnologías a pesar de su enorme generación de desechos de madera provenientes de las numerosas industrias madereras10,11. Los residuos de madera generados por las industrias madereras podrían tener un uso industrial importante para la producción de WPC en lugar de ser utilizados en vertederos o quemados12. Hay un aumento gradual en la tendencia de investigación sobre WPC en Nigeria con la evaluación del uso de diferentes aglutinantes plásticos y especies de madera. También se ha investigado el efecto de algunas especies de madera tropical sobre las propiedades de resistencia de los WPC13,14. Se investigó la posibilidad y el potencial de especies de madera tropical y residuos agrícolas para la producción de WPC en Nigeria, utilizando una extrusora de tornillo y una máquina de prensado en caliente para compuestos fabricada manualmente. Vale la pena señalar que especies de madera dura cultivadas en Nigeria, como Ceiba pentandra, Triplochiton scleroxylon, Entandrophragma cylindricum, Cordia alliodora, Funtumia Elastica, Brachystegia Kennedy, khaya ivorensis, Tectona grandis, Terminalia Superba y Milicia excelsa, se han utilizado para producir WPC sin agentes de acoplamiento utilizando un extrusor de un solo tornillo y/o moldeado por compresión5,15,16,17,18. Estos estudios revelaron productos de resistencia mejorada con propiedades de baja sorción que pueden usarse para aplicaciones en interiores con bajo estrés17. Todas estas especies de madera se encuentran regularmente en el proceso diario de conversión de la madera en las industrias de molienda de madera de Nigeria con fines estructurales. Recientemente, a medida que aumenta la investigación sobre los WPC, también es necesario investigar cada vez más especies de madera cultivadas en Nigeria. Entre las especies de madera investigadas previamente se encuentran Gmelina Arborea y Tectona grandis, que tienen densidades específicas de 0,42 a 0,64 y 0,61 a 0,73. Estas especies de madera son comunes en los aserraderos nigerianos debido a los valores de mercado de alta demanda para la exportación; la especie de madera es útil para la fabricación de papel, moldeo de muebles, carpintería de interiores, construcción naval y contrachapado, postes de madera, tableros de partículas, enchapados y algunas otras estructuras19,20. Estas especies de madera se utilizan en este estudio para compararlas con nuevas especies como Cordia milleni y Nauclea diderichii que aún no se han investigado. Estas especies de madera son bosques semicaducifolios con densidades específicas de 0,41 a 0,50 y de 0,56 a 0,63 para Cordia milleni y Nauclea diderichii. Ambas especies de madera tienen gravedades específicas más bajas que Gmelina Arborea y Tectona grandis; también tienen buenas características que las hacen útiles para la construcción general y productos de paneles a base de madera; Específicamente, Nauclea diderichii resulta muy útil para fines al aire libre como traviesas de ferrocarril, construcción pesada, obras hidráulicas en contacto con agua dulce o de mar21,22. Se prevé que el uso de partículas de madera en la industria del plástico aumentará a medida que crezca gradualmente la demanda de productos WPC en la industria de la construcción para techos, tejas y marcos de ventanas5,23. Las aplicaciones comerciales de los WPC son muy elevadas para terrazas y revestimientos, lo que parece ser una prueba del desarrollo y crecimiento económico futuro de los países desarrollados4,24. Los WPC están extendiendo gradualmente su popularidad a países en desarrollo como Nigeria y la necesidad de una comercialización específica para mejorar las aplicaciones estructurales en los países en desarrollo requiere una investigación intensiva tanto en materiales como en tecnología.

El desafío actual de la investigación y el desarrollo de WPC en Nigeria puede estar relacionado con la disponibilidad de maquinarias para molienda, procesamiento y producción. A pesar de contar con las mismas técnicas que la industria de los polímeros, a la mayoría de los fabricantes de compuestos poliméricos les resulta difícil permitir que sus máquinas se utilicen para la investigación de WPC. La mayoría de los productos poliméricos se utilizan para embalaje y uso doméstico, la tasa de consumo es alta y los productos usados ​​se encuentran a diario y regularmente ensuciando las calles25. Los estudios han demostrado que se pueden utilizar plásticos reciclados26,27. En Europa occidental, casi el 40% de todos los productos plásticos reciclados se utilizaron en productos de distribución como películas y bolsas, mientras que el 30% se utilizó en aplicaciones de construcción como tuberías, ventanas y tejas28. Los plásticos reciclados tienen un enorme potencial para producir WPC a costos más bajos y con mejores cualidades que los plásticos vírgenes. El aserrín de los aserraderos y los desechos de polímeros son graves contaminantes ambientales que requieren atención urgente en la mayoría de los países en desarrollo del mundo. El reciclaje de plástico y aserrín servirá como posible materia prima para la producción de compuestos de biopolímeros que pueden servir como solución para combatir la contaminación ambiental y también evitar desastres.

Como resultado de este desafío ambiental, este estudio busca proporcionar información sobre la estabilidad dimensional y las propiedades mecánicas de los WPC extruidos y comprimidos reforzados con partículas de madera de cuatro especies de madera cultivadas en Nigeria. Este estudio consideró factores como el tamaño de partícula específico, la temperatura de procesamiento y la presión como una constante frente a factores variables como la relación plástico/madera y diferentes especies de madera autóctonas en una máquina extrusora de un solo tornillo fabricada localmente en Nigeria.

Las especies de madera utilizadas para fabricar las muestras en esta investigación provienen de diversas fuentes, que incluyen Gmelina Arborea, Tectona grandis, Cordia milleni y Nauclea diderichii. La rama de aserraderos del Departamento de Desarrollo y Utilización de Productos Forestales del Instituto de Investigación Forestal de Nigeria, Ibadan, estado de Oyo, recolectó partículas de madera de estas especies de madera. Las bolsas de agua envasadas con plástico de desecho fueron suministradas por la fábrica de envasado de agua de la empresa consultora DFRIN del Instituto de Investigación Forestal de Nigeria. Todos los métodos se realizaron de acuerdo con las directrices y regulaciones pertinentes.

Partículas de madera fresca derivadas de madera aserrada de Gmelina Arborea; Tectona grandis, Cordia milleni y Nauclea diderichii se tamizaron minuciosamente con una malla de alambre de 0,25 mm (250 µm) de tamaño para obtener polvo de madera. El polvo de madera tamizado homogéneamente de cada especie de madera se secó en horno a 103 ± 2 °C durante 24 h para alcanzar un contenido de humedad del 4%. Las bolsas de agua empaquetadas se lavaron minuciosamente para eliminar manchas y partículas no deseadas como arena. Se secó y se molió en partículas utilizando un molino de martillos industrial de 50 hp (fabricado por la empresa de ingeniería Lucas, Lagos, Nigeria) disponible en el Departamento de Desarrollo y Utilización de Productos Forestales y se tamizó minuciosamente con una malla de alambre de tamaño 0,25 mm (250 µm). ). Cada proporción de madera y PE reciclado requerida para las muestras se mezcló minuciosamente a mano y se introdujo en una extrusora de un solo tornillo (fabricada por la empresa de ingeniería Lucas, Lagos, Nigeria), también disponible en el Departamento de Desarrollo y Utilización de Productos Forestales (Fig. 1). La extrusora dispone de una tolva para la alimentación de materiales a la máquina; estos materiales se mezclaron previamente y se les permitió viajar a través del barril a una temperatura controlada proporcionada por los calentadores; el cilindro tiene un tornillo diseñado para mezclar, mezclar y empujar el material fundido a través del troquel (Fig. 2). Los materiales fundidos se inyectaron en un molde de metal de un tamaño dimensional de 6 cm x 6 cm x 12 cm y se comprimieron para producir placas planas bajo una prensa hidráulica de 175 N/mm durante 45 min. Después de eso, las tablas se abrieron del molde y se cortaron en muestras de prueba de acuerdo con 29,30 para determinar las propiedades dimensionales y mecánicas.

Extrusora de un solo tornillo.

Extrusora de premezcla.

Antes de la prueba de inmersión en agua, la densidad del compuesto se calculó utilizando el peso y el volumen secado al horno. La densidad es la relación entre la masa de una probeta y su volumen, calculada al 0,01 g/cm3 más cercano de acuerdo con 31, y calculada con D = m/v, donde D es la densidad en (g/cm3), m es la masa en (g), y V es el volumen en (cm3). Las piezas de prueba eran cuadradas con lados que medían 100 mm. la muestra se acondicionó a masa constante en una atmósfera de humedad relativa de 65 ± 5% y una temperatura de 20 °C ± 2 °C.

Se midió un tamaño de muestra de 76,2 mm × 25,4 mm × 6,4 mm en cada WPC y se sometió a un tratamiento de inmersión en agua durante 24 h de acuerdo con29, a una temperatura ambiente de 26 ± 1 °C, esto es para observar la reacción de las muestras de WPC. a la exposición al agua. Las medidas como el peso, la longitud y el espesor de cada muestra se tomaron después de retirarlas del agua en un período estipulado y de limpiar toda el agua superficial con un paño seco. Estas pruebas se calcularon usando Absorción de agua (%) = Wt−Wo/Wo × 100%, donde Wo y Wt son la masa secada al horno (g) y la masa (g) después del tiempo t, en la prueba de inmersión en agua, respectivamente. . El espesor de cada muestra compuesta se midió durante la prueba de inmersión en agua para determinar el hinchamiento del espesor (TS) usando la siguiente ecuación: Hinchazón del espesor (%) = Tt−To/To × 100%, donde To y Tt son el espesor del panel ( mm) antes y después de la inmersión en agua, respectivamente.

Se realizaron pruebas de flexión de tres puntos en muestras de resistencia a la flexión con dimensiones de 123,5 mm × 12,7 mm × 6,4 mm (espesor) utilizando una máquina de prueba universal estándar del modelo WDW (Jinan Hensgrand Instrument Co., Ltd., Jinan, China). De conformidad con 30, se utilizó un bastidor de carga 858 con una celda de carga de 50 kN y una velocidad de cruceta de 2,8 mm/min. Las pruebas de flexión también se repitieron tres veces para cada formulación compuesta a temperaturas ambiente de 23,2 °C y 50,5% de humedad relativa. La resistencia a la flexión (MOR) se calculó para la curva carga-deflexión usando S = 3PL/2bh2, donde S es el esfuerzo de flexión máximo, P es la carga en un punto dado de la curva carga-deflexión, en (N); L es la luz de soporte, en (mm); b es el ancho de la viga ensayada, en (mm); y h es el canto de la viga ensayada, (mm). De acuerdo con 30, que describe la determinación del módulo de elasticidad (MOE) o módulo de flexión, que es la relación entre la tensión y la deformación correspondiente. Se calcula trazando una tangente a la porción de línea recta inicial más pronunciada de la curva carga-deflexión, que es esencialmente una carga en la que la muestra se desvía 1 (mm). El módulo de elasticidad a flexión (MOE) en los ensayos de flexión se calcula dentro del límite lineal utilizando E = PL3/4bh3D, donde E es el módulo de elasticidad (módulo de flexión) en flexión, en (N/mm2); P es la carga en la porción rectilínea inicial más pronunciada de la curva carga-deflexión, en (N); L es la luz de soporte, en (mm); b es el ancho de la viga ensayada, en (mm); h es la profundidad de la viga ensayada, pulgadas (mm); y D es la deflexión bajo la carga P en (mm).

Se utilizó una máquina de prueba universal para probar muestras de barras de tracción tipo I con dimensiones de 165 mm × 19 mm × 6,4 mm (espesor) del marco de carga modelo WDW (Jinan Hensgrand Instrument Co., Ltd., Jinan, China) 810 con 50 kN. celda de carga a una velocidad de cruceta de 2,8 mm/min y soporte inferior de 100 mm. Se utilizó un extensómetro para medir el alargamiento (deformación) de la muestra a lo largo de una longitud de calibre de 25 mm. Los ensayos de tracción se realizaron de acuerdo con32. Para cada formulación compuesta, todas las mediciones se realizaron a temperatura ambiente (23 ± 2 °C y 50% RH durante al menos 40 h) y se reprodujeron cinco veces. La carga máxima en Newton se dividió por el área de la sección transversal mínima original de la muestra en metros cuadrados para calcular la resistencia a la tracción. El módulo de elasticidad de Young (MOE) se calculó utilizando la parte lineal inicial de las curvas carga-alargamiento. El MOE se calcula dividiendo el aumento de la tensión a lo largo de este período lineal por el aumento de la deformación.

Se utilizaron análisis gráficos y análisis de varianza para procesar los datos de prueba recopilados para la evaluación de las variables de estudio utilizadas en este estudio. El análisis gráfico simplifica la visualización de la tendencia de cualquier posible relación entre la variable de estudio y un determinado atributo del tablero. Se adoptaron diseños factoriales 3 por 4 en diseño completamente al azar para determinar el nivel de significancia del efecto principal e interactuante que podría surgir. Este estudio empleó el paquete SPSS (Statistical Package for the Social Sciences) versión 20.0 para análisis de varianza (ANOVA). Para evaluar la diferencia entre las medias e identificar la combinación de tratamientos óptima a partir de los criterios considerados, se utilizó la Prueba de Rangos Múltiples de Duncan (DMRT) para separar las medias de los tratamientos. El ANOVA se utilizó para determinar la importancia relativa de numerosas fuentes de variación en la densidad del tablero, la absorción de agua, el hinchamiento del espesor, el módulo de ruptura y la elasticidad en aplicaciones de flexión y tracción. Las diferencias en las especies de madera y la proporción proporcional fueron los principales efectos estudiados. También se consideraron los efectos de interacción entre los componentes primarios. Los WPC se produjeron en tres niveles proporcionales de PE/madera de 60/40, 70/30 y 80/20 en especies de madera de Gmelina Arborea, Tectona grandis, Cordia milleni y Naudea diderichii.

Los valores medios para todas las propiedades se presentan en la Tabla 1. Muestra que los valores observados de densidad, absorción de agua y dilatación del espesor obtenidos en esta investigación oscilaron entre 0,06 g/cm3 y 1,43 g/cm3, 0,38% y 3,41%, y 0,82% y 6,85%, respectivamente. Como se presenta en la Tabla 1, la densidad observada para los compuestos varía según las diferentes especies de madera. De manera similar, en la Tabla 1, la densidad observada también varía según las diferentes proporciones de mezcla. Cordia milleni tuvo la mayor densidad de especies de madera utilizadas en el estudio, en comparación con las otras especies de madera. En la proporción de mezcla, 70/30 (PE/madera) tiene la densidad más alta observada con 0,38 g/cm3, seguida de 60/40 y 80/20 (PE/madera) con 0,20 g/cm3 y 0,20 g/cm3. Sin embargo, en absorción de agua e hinchamiento de espesor, la Tabla 1 muestra que los valores de absorción de agua obtenidos para cada especie de madera fueron 0.84%, 1.37%, 1.49% y 0.68% para Gmelina Arborea, Cordia milleni, Nauclea diderichii y Tectona grandis, respectivamente. Los valores de hinchamiento del espesor obtenidos para cada especie de madera fueron 1,77%, 2,13%, 2,93% y 4,82% para Gmelina Arborea, Cordia milleni, Nauclea diderichii y Tectona grandis, respectivamente (Tabla 1). Entre las proporciones de mezcla empleadas en el estudio, el valor obtenido varió de manera diferente para la absorción de agua y el hinchamiento del espesor y resultó ser 0,85%, 0,62%, 1,82% y 4,28%, 2,25%, 2,20% para proporciones de mezcla 60/40, 70/30 y 80/20 respectivamente (Tabla 1). Como se ilustra en las Figs. 3, 4, todas las propiedades físicas muestran una tendencia similar para la densidad observada, la absorción de agua y el hinchamiento del espesor; los valores obtenidos disminuyen a medida que disminuye la proporción de madera con respecto al contenido de plástico. Las propiedades físicas observadas en los compuestos mostraron que los valores observados de densidad, absorción de agua y dilatación del espesor obtenidos para cada especie de madera varían de manera diferente entre sí (Fig. 3, 4). La reacción de los composites a la prueba de remojo en agua reveló que los tableros se comportan de manera similar al plástico porque tiene más plástico como matriz, lo que encapsula la fibra y evita que absorba humedad, dándole así una alta estabilidad dimensional. Esto implica que a medida que aumenta la proporción de plástico, los valores de absorción de agua y de hinchamiento del espesor de la composición disminuyen (Figs. 3 y 4). La absorción de humedad por los tableros de diferentes tipos de madera también varía según las proporciones de mezcla utilizadas para la producción. Los valores obtenidos en este estudio concuerdan con otros valores obtenidos en estudios previos8,14,26,33. El resultado también concuerda con las observaciones encontradas en estudios previos de26; Mostró una disminución en las propiedades dimensionales del WPC fabricado a partir de partículas de Gmelina Arborea con polietileno altamente reciclado. El autor también confirmó que un mayor contenido de plástico reciclado en las masillas de madera proporciona una mejor estabilidad dimensional de las tablas. En este estudio también se observó una observación similar, que podría atribuirse a la relación inherente entre enlaces entre las interfaces de plástico y madera. En este estudio se encontró que la interfaz estructural del plástico con la masilla para madera era alta; los poros estaban limitados debido a la fuerza de compresión ejercida sobre la mezcla fundida, y también se encontró que los poros diminutos se encontraban en las superficies de los compuestos. El plástico que se encuentra en este compuesto impidió que la madera naturalmente hidrófila absorbiera la humedad cuando entra en contacto con el agua. Como se informó anteriormente, la proporción de materias plásticas cuando los productos compuestos de biopolímeros se exponen al contacto con la humedad; un mayor contenido de plástico que de madera reduce los sitios de residencia de agua para la absorción de agua en el compuesto. El resultado del análisis de varianza para la densidad observada, la absorción de agua y el hinchamiento del espesor se presentan en la Tabla 2. Como se muestra en la Tabla 2, todos los factores (principal y la interacción de dos factores) fueron significativos con un nivel de probabilidad del 5% para la densidad observada, aunque no significativos. en la absorción de agua. En el hinchamiento del espesor, sólo los factores principales son significativos con un nivel de probabilidad del 5%.

Densidad observada en compuestos de biopolímeros extruidos y comprimidos.

Estabilidad dimensional observada en compuestos de biopolímeros extruidos y comprimidos. Absorción de agua WA, hinchamiento de espesor TS, polietileno PE, madera WD.

La Tabla 1 muestra las características de flexión media de los compuestos de biopolímeros generados a partir de diversas especies de madera y fracciones de mezcla. Como se presenta en la Tabla 3, los valores obtenidos para la resistencia a la flexión y el módulo oscilaron entre 8,34 Nmm-2 y 21,35 Nmm-2 y 185,05 Nmm-2 y 550,8 Nmm-2, respectivamente. Como se presenta en la Tabla 1, los valores de resistencia a la flexión y módulo obtenidos entre las especies de madera fueron 14,79 Nmm-2, 19,69 Nmm-2, 12,52 Nmm-2, 12,90 Nmm-2, 341,99 Nmm-2, 494,97 Nmm-2, 350,52 Nmm. −2 y 353,81 Nmm−2 para Gmelina Arborea, Cordia milleni, Tectona grandis y Nauclea diderichii respectivamente. Mientras que entre la proporción de mezcla, el módulo de flexión y la resistencia obtenidos fueron 17,52 Nmm-2, 11,97 Nmm-2, 15,43 Nmm-2 y 457,30 Nmm-2, 302,04 Nmm-2, 396,62 Nmm-2 para 60/40, 70/ 30, 80/20, respectivamente (Tabla 1). Como se ilustra en las Figs. 5, 6, el módulo de flexión y la resistencia enfrentan la misma tendencia. A medida que disminuye la proporción de fibras de madera, también disminuyen los valores de flexión obtenidos.

Módulo de flexión de compuestos de biopolímeros extruidos-comprimidos.

Resistencia a la flexión de compuestos de biopolímeros extruidos y comprimidos.

Además, la resistencia a la flexión y el módulo encontrados en los compuestos de biopolímeros varían de manera diferente en cada especie de madera (Figs. 5, 6). La Tabla 2 muestra el resultado del análisis de propiedades de flexión de los datos de varianza. Como se presenta en la Tabla 2, solo el factor de especie de madera fue significativo para el módulo de flexión, mientras que el factor de proporción de mezcla también fue significativo con un nivel de probabilidad del 5% para la resistencia a la flexión. El resultado de estos resultados implica que las especies de madera influyen en el módulo de flexión de los compuestos de biopolímeros, mientras que la proporción de mezcla de PE/madera también influye en las propiedades de resistencia de los compuestos de biopolímeros. La Tabla 3 muestra los resultados de la prueba de rangos múltiples de Duncan (DMRT) realizada al nivel de significancia; Los resultados se presentaron en valores medios con letras alfabéticas que muestran el nivel de significancia entre los principales factores considerados en este estudio, los compuestos de biopolímeros hechos de partículas de Nauclea diderichii, Tectona grandis y Gmelina Arborea no fueron diferentes entre sí en el módulo de flexión. y resistencia, pero significativa para los compuestos de biopolímeros fabricados a partir de Cordia milleni. La prueba de seguimiento también confirmó que los compuestos de biopolímero fabricados con 70/30 y 80/20 no eran significativos entre sí, pero sí con los fabricados con 60/40 (PE/madera).

La Tabla 1 muestra los valores medios de las características de tracción obtenidos en esta investigación para compuestos de biopolímeros fabricados a partir de varias especies de madera en diversas proporciones de mezcla. Como se presenta en la Tabla 1, los valores obtenidos para la resistencia a la tracción y el módulo oscilaron entre 1015,00 Nmm-2 y 1885,72 Nmm-2 y.

11,43 Nmm-2 a 24,38 Nmm-2 respectivamente. Como se presenta en la Tabla 1, los valores de módulo de tracción y resistencia obtenidos entre las especies de madera fueron 18,83 Nmm-2, 18,84 Nmm-2, 19,04 Nmm-2, 17,35 Nmm-2 y 1541,01 Nmm-2, 1404,21 Nmm-2, 1273,25 Nmm. −2, 1346,75 Nmm−2 para Gmelina Arborea, Cordia milleni, Nauclea diderichii y Tectona grandis respectivamente. Al mismo tiempo, los valores obtenidos para las proporciones de mezcla para el módulo de tracción y la resistencia fueron 1481,87 Nmm-2, 1398,59 Nmm-2, 1294,76 Nmm-2 y 20,79 Nmm-2, 17,02 Nmm-2, 17,73 Nmm-2 para 60/ 40, 70/30, 80/20 respectivamente (Tabla 3). Como se ilustra en las figuras 7 y 8, el módulo de tracción y la resistencia tuvieron la misma tendencia; a medida que disminuye la proporción de madera, los valores obtenidos para la tracción disminuyen.

Módulo de tracción de compuestos de biopolímeros extruidos-comprimidos.

Resistencia a la tracción de compuestos de biopolímeros extruidos-comprimidos.

Además, los valores de resistencia a la tracción y módulo obtenidos varían según la especie de madera (como se ve en las Figs. 7 y 8). Como se muestra en la Tabla 2, con un nivel de probabilidad del 5%, el análisis de varianza demuestra que tanto las especies de madera como la fracción de mezcla son significativas. La prueba de seguimiento muestra que el módulo de tracción para compuestos de biopolímeros elaborados a partir de Nauclea diderichii, Tectona grandis y Cordia milleni no fue significativo entre sí, pero sí significativo para Gmelina Arborea. En la proporción de mezcla, los compuestos de biopolímeros de 80/20 y 70/30 no fueron significativos entre sí, pero sí significativos para 60/40 (PE/madera). Al contrario del informe del módulo, la resistencia fue diferente; Todos los compuestos de biopolímeros elaborados a partir de Gmelina Arborea, Nauclea diderichii, Tectona grandis y Cordia milleni no fueron significativos entre sí. Pero se observó el mismo patrón con el módulo en la proporción de mezcla para la resistencia, y los compuestos de biopolímero fueron 70/30 y 80/20, no significativos entre sí pero sí significativos en 60/40 (Tabla 3). Este estudio observó que a medida que aumenta la proporción de plástico con respecto a la madera, las propiedades de tracción y flexión disminuyen (Figs. 5, 6, 7, 8).

Los valores de los módulos de flexión y tracción obtenidos en este estudio concuerdan con el estudio realizado por34,35. Como se ve en la Tabla 3, los valores obtenidos por los compuestos biopolímeros para las propiedades de resistencia podrían atribuirse a la incompatibilidad entre las partículas de madera utilizadas y la matriz polimérica. Se ha observado que la adhesión interfacial entre los materiales de dos componentes proporciona mejores propiedades mecánicas al compuesto36. También podría atribuirse a la unión interestructural de la disposición de fibra a fibra (entretejida), que se superpone para aumentar la concentración de tensiones, lo que lleva a una mayor resistencia12. También informó que el menor MOE de los compuestos podría atribuirse principalmente a la interacción interfacial insuficiente entre la matriz polimérica. y partículas de madera, que pueden no permitir una transferencia eficiente de tensiones entre las dos fases del material que dependen de la proporción utilizada. Hubo variación en la resistencia y el módulo de los compuestos fabricados a partir de diferentes especies de madera. Esto podría deberse a la interacción de la resistencia o densidad de cada especie de madera con el polímero, que determina las propiedades mecánicas de los compuestos. En un estudio realizado por 34, se descubrió que las partículas de madera dura superan a la harina de madera blanda en términos de características de tracción y temperatura de deflexión del calor (la temperatura a la que una muestra de polímero o plástico se deforma bajo una carga particular). Sin embargo, esto significa que algunas partículas de especies de madera tendrán mayores mejoras en las propiedades mecánicas que otras especies. En este estudio se observó que las partículas de Cordia Milleni y Gmelina Arborea tuvieron mejores resultados en propiedades de flexión y tracción que otras especies de madera. Este estudio observó además que a medida que el contenido de plástico aumentaba hasta el contenido de madera, los compuestos hechos con Tectonia Grandis y Nauclea diderichii tienen propiedades de tracción más altas que las especies de madera de menor densidad como Cordia milleni y Gmelina Arborea (Figs. 7 y 8). Esta observación colaboró ​​con el informe de 34, pero se consideró precisa con la proporción de 80/20 de contenido de plástico a contenido de madera. Esta observación fue diferente en las propiedades de flexión de los compuestos de biopolímeros, como se ve en las Figs. 5 y 6, partículas de especies de madera de menor densidad (Cordia milleni mantuvo el liderazgo en propiedades de flexión que otros en toda la proporción proporcional, implica que un menor contenido de partículas de madera en la matriz polimérica, los compuestos de biopolímero hechos de Cordia milleni tendrán una alta mejora de la flexión Esto podría atribuirse a la naturaleza y porcentaje de la composición química encontrada en Cordia milleni37 informó que la presencia de celulosa, hemicelulosas, lignina y otros componentes encontrados en Cordia milleni en las proporciones adecuadas confirmaron que la madera es muy eficaz para diversas obras de construcción. Estos atributos demuestran que Cordia milleni es una materia prima ideal para la industria lignoquímica que puede sustituir a la industria petroquímica para la producción de plástico y también ayudar en la producción de todo tipo de productos químicos para alimentos y productos textiles.37 Es posible que este particular El componente químico de Cordia milleni podría haber mejorado el soporte de la matriz existente a la fibra de madera, dando así enlaces interestructurales más fuertes que aumentaron la transferencia de tensión y la concentración de tensión en los compuestos para brindar propiedades de mayor resistencia y mejores estabilidades dimensionales.

Los resultados de esta investigación revelaron que la proporción de mezcla y las especies de madera tuvieron un impacto sustancial en las propiedades físicas y mecánicas de los compuestos de biopolímeros. La proporción de PE/madera y especies de madera afecta significativamente la tasa de movimiento del agua en los compuestos de biopolímeros y también puede alterar las propiedades mecánicas de los compuestos de biopolímeros. Se reveló que los compuestos de biopolímeros fabricados a partir de un contenido reducido de plástico a un contenido de madera tenían las mejores propiedades mecánicas en términos de capacidad de carga y rigidez y aún mantenían una alta estabilidad dimensional. Por lo tanto, en este estudio se concluye que los compuestos de biopolímeros elaborados a partir de 60/40 (PE/madera) obtuvieron los mejores resultados en cuanto a propiedades de utilización para la producción de productos como revestimientos para pisos y paredes. Además, entre todas las especies de madera investigadas, se consideró que Cordia milleni era la mejor madera, entre otras, que se puede utilizar para productos de biopolímeros para aplicaciones exteriores, interiores y de carga.

El resultado de esta investigación dio las siguientes recomendaciones;

Las partículas de Cordia milleni también podrían servir como materia prima para la producción de productos de biopolímeros para aplicaciones exteriores e interiores.

La relación proporcional PE/madera juega un papel decisivo en la determinación de las propiedades de utilización. Todos los compuestos de biopolímero fabricados a partir de todas las proporciones tenían valores dimensionales muy bajos. Aún así, los composites de 80/20 muestran el mejor rendimiento en estabilidad dimensional.

Las especies de madera de mayor densidad, como Nauclea diderichii y Tectona grandis, muestran un rendimiento de resistencia mejorado en 80/20 que las especies de madera de densidad media y baja (Cordia milleni y Gmelina Arborea).

En términos de capacidad de carga, las partículas de Cordia milleni se pueden utilizar para la producción de productos de biopolímeros para aplicaciones de interior y exterior. Por el contrario, Gmelina arborea, Nauclea diderichii y Tectona grandis se pueden utilizar en un ambiente húmedo.

Se deben realizar más investigaciones sobre diversas especies autóctonas de madera y no madera como materia prima para fabricar productos compuestos de biopolímeros. Además, también se debe tener en cuenta su composición química, ya que ésta también puede ser un factor que influya en el rendimiento de estas especies de madera.

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DO Oguntayo

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KSA, AOO y FZA concibieron la idea presentada. KSA y AOO desarrollaron la teoría y supervisaron la recopilación de datos. FZA y DOO verificaron los métodos analíticos y analizaron los datos. Todos los autores discutieron los resultados y contribuyeron al manuscrito final.

Correspondencia a la DO Oguntayo.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Aina, KS, Oladimeji, AO, Agboola, FZ et al. Estabilidad dimensional y propiedades mecánicas de compuestos de biopolímeros de compresión extruida fabricados a partir de especies de madera cultivadas en Nigeria seleccionadas en proporciones variables. Representante científico 12, 10545 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14691-z

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Recibido: 16 de diciembre de 2021

Aceptado: 10 de junio de 2022

Publicado: 22 de junio de 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-14691-z

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