Estabilidad dimensional y propiedades mecánicas del extruido.

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

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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 biopolímero. 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 de soportar la capacidad de carga. El resultado de los resultados muestra que los compuestos de biopolímero de compresión extruida tenían valores que oscilaban entre 0,06 y 1,43 g/cm3, entre 0,38 y 3,41 % y entre 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 entre 0,44 y 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 que muestran los compuestos varían en consecuencia en los valores obtenidos para las especies de madera en diferentes proporciones de mezcla. Como se observó, cuanto más contenido de polietileno se combina con la madera, mejor es 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) se desempeñaron mejor en estabilidad dimensional y capacidad de carga. Este estudio confirmó el efecto de los métodos en especies de madera y PE reciclado para la fabricación de compuestos a base de polímeros de madera para aplicaciones tanto en interiores como en exteriores.

Desde principios del siglo XX, el sector de los polímeros se ha ido expandiendo; 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 operar; la mayoría utiliza extrusoras y máquinas de moldeo por inyección. La primera operación de producción de polímeros 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 el calentamiento y la fusión del polímero, mediante el bombeo del polímero fundido a la unidad de conformación para darle la forma y las dimensiones requeridas, después de enfriarlo para que se solidifique. La composición de polímeros y otras partículas como la madera generalmente se realiza utilizando extrusoras de tornillo bajo calor y presión específicos. El material compuesto puede prensarse o moldearse en un producto final o formarse en 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 moldeado por compresión4.

Los productos de polímero 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 de transporte, envasado de alimentos, vivienda y electrodomésticos son primordiales. 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 aglomeradas orgánicas 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 mezclen por fusión y se extruyan en un perfil continuo forzando el material fundido a través de la matriz en el mismo paso del proceso7. La técnica de extrusión indirecta puede ser tanto en perfiles como en láminas de materiales para su fabricación por moldeo por compresión. Este estudio adopta ambas técnicas para la producción de biopolímeros 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 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, con partículas de madera dura que superan a las harinas de madera blanda en términos de propiedades de tracción y temperatura de deflexión térmica5,9. 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 está creciendo 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 de las numerosas industrias madereras10,11. Los desechos 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. Se está evaluando un aumento gradual en la tendencia de la investigación sobre WPC en Nigeria con el 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. Investigó la posibilidad y el potencial de las especies de madera tropical y los 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 las 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 una extrusora de un solo tornillo y/o moldeada por compresión5,15,16,17,18. Estos estudios revelaron productos de resistencia mejorada con propiedades de baja sorción que se pueden usar para aplicaciones en interiores de bajo estrés17. Todas estas especies de madera se encuentran regularmente en el proceso diario de conversión de madera en las industrias de molienda de madera de Nigeria para fines estructurales. Recientemente, a medida que crece la investigación sobre WPC, también se requiere investigar más y más especies de madera cultivadas en Nigeria. Entre las especies de madera investigadas anteriormente se encuentran Gmelina Arborea y Tectona grandis, que cae a las gravedades específicas de 0,42 a 0,64 y 0,61 a 0,73. Estas especies de madera son comunes en los aserraderos de Nigeria debido a la alta demanda de valores de mercado para la exportación. La especie de madera es útil para la fabricación de papel, moldeado de muebles, carpintería interior, construcción naval y madera contrachapada, madera para postes, tableros de partículas, chapas y algunas otras estructuras19,20. Estas especies de madera se utilizan en este estudio para compararlas con las nuevas especies como Cordia milleni y Nauclea diderichii que aún no se han investigado. Estas especies de madera son maderas de bosques semicaducifolios con gravedades específicas de 0,41–0,50 y 0,56–0,63 para Cordia milleni y Nauclea diderichii. Se encontró que ambas especies de madera tienen gravedades específicas más bajas que Gmelina Arborea y Tectona grandis, también tienen buenas características que las hicieron útiles para la construcción en general y productos de paneles a base de madera; en concreto, se ha encontrado que Nauclea diderichii es muy útil para aplicaciones al aire libre, como traviesas de ferrocarril, construcción pesada, obras hidráulicas en contacto con agua dulce o de mar21,22. Se prevé que aumente el uso de partículas de madera en la industria del plástico a medida que crezca gradualmente la demanda de productos de WPC en la industria de la construcción para techos, tejas y marcos de ventanas5,23. Las aplicaciones comerciales de WPC son muy altas para cubiertas y revestimientos, lo que parece ser una prueba del futuro desarrollo y crecimiento económico 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 maquinaria para la molienda, el procesamiento y la producción. A pesar de tener las mismas técnicas que la industria de polímeros, a la mayoría de los fabricantes de compuestos de polímeros les resulta difícil permitir que sus máquinas se utilicen para la investigación de WPC. La mayoría de los productos poliméricos se utilizan para envases y usos domésticos, la tasa de consumo es alta, y los usados ​​se encuentran diariamente y regularmente tirando basura a las calles25. Los estudios han demostrado que se pueden utilizar plásticos reciclados26,27. En Europa occidental, casi el 40 % de todos los productos de plástico reciclado 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 contaminantes ambientales serios que requieren atención urgente en la mayoría de los países en desarrollo del mundo. El reciclaje de plástico y aserrín servirá como posibles materias primas para la producción de compuestos de biopolímeros que pueden servir como una solución para combatir la contaminación ambiental y 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-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 hacer las muestras en esta investigación provinieron de una variedad de 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 en plástico de desecho fueron suministradas por la fábrica de envasado de agua de DFRIN Consultancy Company en el 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 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 envasadas se lavaron a fondo para eliminar las manchas y las partículas no deseadas, como la 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 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 tiene una tolva para alimentar 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 barril tiene un tornillo diseñado para mezclar, mezclar y empujar el material fundido a través de la matriz (Fig. 2). Los materiales fundidos se inyectaron en un molde de metal de tamaño dimensional 6 cm × 6 cm × 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 desmoldaron y se cortaron en especímenes de prueba según 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 secados al horno. La densidad es la relación entre la masa de una probeta y su volumen, calculada con una aproximación de 0,01 g/cm3 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 temperatura de 20 °C ± 2 °C.

Se midió el tamaño de la 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 tales como el peso, la longitud y el espesor de cada muestra se tomaron después de retirarlas del agua en un período estipulado y se limpió toda el agua de la superficie con un paño seco. Estas pruebas se calcularon usando Absorción de agua (%) = Wt−Wo/Wo × 100%, donde Wo y Wt son la masa seca 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) utilizando la siguiente ecuación: hinchamiento 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 ensayos 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 ensayo universal estándar del modelo WDW (Jinan Hensgrand Instrument Co., Ltd., Jinan, China). De acuerdo con 30, se utilizó un marco 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 de carga-deflexión utilizando S = 3PL/2bh2, donde S es el esfuerzo máximo de flexión, P es la carga en un punto dado de la curva de carga-deflexión, en (N); L es el tramo de apoyo, en (mm); b es el ancho de la viga ensayada, en (mm).; y h es la profundidad 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 el estrés y la deformación correspondiente. Se calcula trazando una tangente a la parte recta inicial más empinada de la curva de carga-deflexión, que es esencialmente una carga a la que la muestra se desvía 1 (mm). El módulo de flexión de la elasticidad (MOE) en los ensayos de flexión se calcula dentro del límite lineal usando E = PL3/4bh3D, donde E es el módulo de elasticidad (módulo de flexión) en flexión, en (N/mm2); P es la carga en la parte recta inicial más empinada de la curva carga-deflexión, en (N); L es el tramo de apoyo, en (mm); b es el ancho de la viga ensayada, en (mm); h es la profundidad de la viga probada, pulg. (mm); y D es la deflexión en la carga P en (mm).

La máquina de ensayo universal se utilizó para ensayar probetas de barra de tracción tipo I con dimensiones de 165 mm × 19 mm × 6,4 mm (espesor) del modelo WDW (Jinan Hensgrand Instrument Co., Ltd., Jinan, China) 810 marco de carga con 50 kN celda de carga a una velocidad de cruceta de 2,8 mm/min y apoyo inferior de 100 mm. Se usó un extensómetro para medir el alargamiento (deformación) del espécimen a lo largo de una longitud de referencia de 25 mm. Los ensayos de tracción se realizaron de acuerdo con 32. Para cada formulación compuesta, todas las mediciones se realizaron a temperatura ambiente (23 2 °C y 50 % de HR durante al menos 40 h) y se reprodujeron cinco veces. La carga máxima en Newton se dividió por el área 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 de 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 ver 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 significación del efecto principal e interactivo 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 óptima de tratamientos a partir de los criterios considerados, se utilizó el Test de Rangos Múltiples de Duncan (DMRT) para separar las medias de los tratamientos. El ANOVA se usó para determinar la importancia relativa de numerosas fuentes de variación en la densidad del tablero, la absorción de agua, la expansión del espesor, el módulo de ruptura y la elasticidad en aplicaciones de flexión y tracción. Las diferencias en las especies de madera y la relación 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 e hinchamiento en espesor obtenidos en esta investigación variaron de 0,06 g/cm3 a 1,43 g/cm3, 0,38 % a 3,41 % y 0,82% a 6,85%, respectivamente. Como se presenta en la Tabla 1, la densidad observada para los compuestos varía según las diferentes especies de madera. Asimismo, en la Tabla 1, la densidad observada también varía según las diferentes proporciones de mezcla. Cordia milleni tuvo la densidad más alta de las especies de madera utilizadas en el estudio, en comparación con las otras especies de madera. En la relación de mezcla, 70/30 (PE/madera) tiene la densidad más alta observada con 0,38 g/cm3, seguido de 60/40 y 80/20 (PE/madera) con 0,20 g/cm3 y 0,20 g/cm3. Sin embargo, en la absorción de agua y el hinchamiento del 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 en 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 (Cuadro 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 la densidad observada, la absorción de agua y los valores de hinchamiento del espesor obtenidos para cada especie de madera varían de manera diferente entre sí (Figs. 3, 4). La reacción de los compuestos 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, lo que le otorga una alta estabilidad dimensional. Esto implica que a medida que aumenta la proporción de plástico, disminuyen los valores de absorción de agua y de hinchamiento del espesor de la composición (Figs. 3 y 4). La absorción de humedad por los tableros hechos de diferentes especies de madera también varía con las proporciones de mezcla empleadas 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 por26; 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 los rellenos de madera da una mejor estabilidad dimensional a los tableros. También se observó una observación similar en este estudio, que podría atribuirse a la relación de interconexión inherente entre las interfaces de plástico y madera. En este estudio se encontró que la interfaz estructural del plástico con el relleno de 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 materiales compuestos. El plástico que se encuentra en este compuesto evita que la madera naturalmente hidrofílica absorba 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; más contenido de plástico que contenido de madera reduce los sitios de residencia de agua para la absorción de agua en el material compuesto. El resultado del análisis de varianza para la densidad de absorción de agua observada y la expansión del espesor se presentan en la Tabla 2. Como se muestra en la Tabla 2, todos los factores (interacción principal y de dos factores) fueron significativos a un nivel de probabilidad del 5 % para la densidad observada, aunque no significativa. en la absorción de agua. En el hinchamiento del espesor, solo los factores principales son significativos con un nivel de probabilidad del 5%.

Densidad observada a partir de compuestos de biopolímero extruido-comprimido.

Estabilidad dimensional observada a partir de compuestos de biopolímeros extruidos-comprimidos. Absorción de agua WA, hinchamiento de espesor TS, Polietileno PE, Madera WD.

La Tabla 1 muestra las características medias de flexión de compuestos de biopolímeros generados a partir de varias 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 entre 185,05 Nmm−2 y 550,8 Nmm−2, respectivamente. Como se presenta en la Tabla 1, los valores de resistencia y módulo de flexión 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 se enfrentan a 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-comprimidos.

Además, la resistencia a la flexión y el módulo que se encuentran 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 las 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 a 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 rango múltiple de Duncan (DMRT) realizada al nivel de significación; los resultados se presentaron en valores medios con letras alfabéticas que muestran el nivel de significación 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 significativo para los compuestos de biopolímeros hechos 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 resistencia y módulo de tracción 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 módulo de tracción y 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 la especie de madera como la fracción de mezcla son significativas. La prueba de seguimiento muestra que el módulo de tracción para los compuestos de biopolímero hechos de Nauclea diderichii, Tectona grandis y Cordia milleni no fue significativo entre sí, pero sí significativo para Gmelina Arborea. En 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). Contrariamente al informe del módulo, la fuerza fue diferente; todos los compuestos de biopolímeros hechos 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 resistencia, y los compuestos de biopolímero fueron 70/30 y 80/20, no significativos entre sí pero significativos en 60/40 (Tabla 3). Este estudio observó que a medida que aumenta la proporción de plástico a madera, disminuyen las propiedades de tracción y flexión (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 observa en la Tabla 3, los valores obtenidos por los compuestos biopoliméricos 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 otorga mejores propiedades mecánicas al compuesto36. También podría atribuirse a la unión interestructural de la disposición fibra a fibra (entretejida), que se superpone para aumentar la concentración de tensión, lo que conduce a una mayor resistencia12 también informó que el MOE más bajo 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 de tensión eficiente entre las dos fases del material que depende de la proporción utilizada. Hubo variación en la resistencia y el módulo de los compuestos hechos 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 determinaba las propiedades mecánicas de los compuestos. En un estudio realizado por34, 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 térmica (la temperatura a la que una muestra de polímero o plástico se deforma bajo una carga particular). Sin embargo, 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 se desempeñaron mejor en las propiedades de flexión y tracción que otras especies de madera. Este estudio observó además que a medida que el contenido de plástico aumentaba a contenido de madera, los compuestos fabricados 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 de34 pero se consideró precisa con la proporción de 80/20 de contenido de plástico con respecto al 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 otras en toda la relación proporcional, lo que implica que un contenido reducido de partículas de madera en la matriz polimérica, los compuestos de biopolímero hechos de Cordia milleni tendrán una mejora de flexión alta Esto podría atribuirse a la naturaleza y porcentaje de composición química encontrada en Cordia milleni37 informaron 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 muestran que Cordia milleni es una materia prima ideal para la industria lignoquímica que puede reemplazar 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 para la fibra de madera, lo que brinda enlaces interestructurales más fuertes que aumentan 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 tenían 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 contenido de madera tenían las mejores propiedades mecánicas en términos de capacidad de carga y rigidez, y aun así mantenían una alta estabilidad dimensional. Por lo tanto, se concluye en este estudio que los compuestos de biopolímero hechos de 60/40 (PE/madera) se desempeñaron mejor en las propiedades de utilización para la producción de productos como baldosas 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 pueden usar para productos de biopolímeros para aplicaciones exteriores, interiores y de carga.

El resultado de esta investigación de 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 de PE/madera juega un papel crucial 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 compuestos de 80/20 muestran el mejor desempeño sobresaliente 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 en interiores y exteriores. Por el contrario, Gmelina arborea, Nauclea diderichii y Tectona grandis se pueden usar en un ambiente húmedo.

Se debe realizar más investigación sobre varias especies autóctonas de madera y no madera como materias primas para fabricar productos compuestos de biopolímeros. Además, también se debe estudiar su composición química, ya que ésta también puede ser un factor que influya en el comportamiento de estas especies de madera.

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Departamento de Ingeniería Civil, Universidad Landmark, Omu-Aran, Nigeria

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 extruidos por compresión hechos de especies de madera cultivadas en Nigeria seleccionadas en proporciones variables. Informe científico 12, 10545 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-14691-z

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Recibido: 16 diciembre 2021

Aceptado: 10 junio 2022

Publicado: 22 junio 2022

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

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