Estudio de la reciclabilidad de materiales compuestos poliméricos con carga de caña común (Arundo donax L.)

Abstract

El creciente reconocimiento a nivel mundial sobre el proceso de cambio climático y la degradación del medio ambiente demanda la exploración urgente de materiales alternativos que minimicen la huella ecológica, garanticen la sostenibilidad del consumo de los recursos naturales y, al mismo tiempo, cumplan los requisitos industriales. Un aspecto fundamental de esta investigación es entender que la transición hacia materiales más sostenibles implica un cambio de paradigma, no solo en la elección de las materias primas, sino también en las metodologías que se utilizan para evaluar su rendimiento a lo largo de su ciclo de vida. La hipótesis planteada en este compendio de investigación se enfocó hacia la exploración exhaustiva de los materiales compuestos de base natural y, particularmente, de los compuestos termoplásticos que incorporan refuerzos lignocelulósicos procedentes de la especie vegetal Arundo donax L., conocida como caña común. Mediante la determinación de sus propiedades, comportamiento y aplicaciones prácticas, esta tesis pretende abordar las lagunas críticas de la literatura existente en relación con la sostenibilidad de los compuestos de fibras naturales, centrándose en el estudio de la biomasa de caña común para la obtención de recursos sostenibles de alto valor añadido. La literatura indica que, si bien numerosos estudios alaban las ventajas de los materiales compuestos de origen natural, avaladas por sus propiedades físico-químicas, su rendimiento mecánico, sus características de aislamiento térmico y acústico, o consideraciones económicas, entre otras, a menudo descuidan evaluaciones esenciales relativas a sus escenarios de fin de vida útil, en particular en lo que respecta a la reciclabilidad y la biodegradabilidad de los mismos. Esta investigación tiene como objetivo abordar un vacío importante proporcionando un análisis empírico sólido que ponga de relieve no sólo las ventajas de estos materiales, sino también los retos que plantean en un contexto de sostenibilidad. Para comprender la relevancia de este trabajo de investigación es fundamental situar los compuestos biobasados dentro del panorama más amplio de la ciencia de los materiales. Los materiales compuestos se caracterizan por ofrecer unas propiedades mejoradas gracias a la combinación sinérgica de dos o más materiales de distinta naturaleza, físicamente diferenciables y mecánicamente separables. Los materiales compuestos o composites habitualmente están constituidos por una fase continua o matriz, que actúa como aglutinante, y una fase dispersa o discontinua, que se incorpora a la misma como refuerzo o relleno; de esta forma, cada una de las fases aporta sus propiedades para crear un material final con características únicas y superiores. Sin embargo, las implicaciones medioambientales de los materiales sintéticos tradicionales, empleados como matriz o como refuerzo, han impulsado un cambio hacia el desarrollo de materiales compuestos basados en recursos renovables: biopolímeros y fibras naturales, entre otros. Esta transición se alinea con los Objetivos de Desarrollo Sostenible en lo relativo a la conservación de los recursos y reducción de los residuos. RESUMEN II Desde la declaración del 2009 como "Año Internacional de las Fibras Naturales" por la FAO, ha habido un creciente interés en el uso de las fibras naturales como refuerzo de materiales compuestos en múltiples sectores, incluidas las industrias del transporte y la construcción. Los estudios evidencian, cada vez más, la importancia de desarrollar materiales biodegradables y considerar la viabilidad del reciclaje como alternativas para una producción y consumo más sostenibles. Además, la investigación se está dirigiendo hacia fibras vegetales menos convencionales, que no compitan con la producción alimentaria en términos de consumo de recursos (agua y suelo) y que sean más accesibles y rentables. En este sentido, la caña común (Arundo donax L.) emerge como una opción prometedora en regiones como las Islas Canarias, donde está considerada como especie vegetal invasora, no solo por su rápido crecimiento y disponibilidad, sino también como un recurso valioso para la biorrefinería y la remediación de suelos, potenciando así su uso en un contexto productivo más sostenible. Teniendo en cuenta los antecedentes y la hipótesis de trabajo presentados, el objetivo principal de esta tesis doctoral fue determinar el potencial de utilización de la biomasa de Arundo donax L. para la obtención de fibras naturales y su posterior incorporación como fase dispersa en la producción de materiales compuestos de matriz polimérica. Se emplearon procesos de compounding, mediante extrusión de doble husillo, y moldeo por inyección, compresión y rotomoldeo, para la obtención de muestras y piezas finales con objeto de abordar su caracterización. En la investigación se consideró la utilización de diferentes matrices termoplásticas, como polietileno de alta densidad (HDPE) o ácido poliláctico (PLA), para determinar sus propiedades y procesabilidad mediante la incorporación de diferentes proporciones de material vegetal de caña. A continuación, se analizó la capacidad de reprocesado de los compuestos basados en matriz de origen fósil, y se realizaron pruebas de biodegradabilidad para determinar su efecto sobre aquellos producidos con termoplástico biobasado. Para alcanzar los objetivos planteados, se planificaron varias etapas: • Preparación del material vegetal. Se evaluó la necesidad de extracción de fibras, procedentes de las partes aéreas de los especímenes de caña (tallos y hojas), y la posibilidad de utilización de todo el material vegetal (plantas enteras). Se realizaron pruebas de extracción de fibras, siguiendo procesos de degradación natural mediante enriado y procesamiento mecánico, y aprovechamiento integral mediante el triturado de toda la biomasa. Se llevaron a cabo ensayos de caracterización de los materiales lignocelulósicos obtenidos, determinando sus constituyentes principales (celulosa, hemicelulosa y lignina), su estabilidad térmica, su morfología, resistencia mecánica y características físico-químicas. • Obtención de materiales compuestos utilizando matrices termoplásticas con diferentes proporciones del material vegetal. Se produjeron composites con hasta un 40 % (en peso) de Arundo donax, mediante procesos de extrusión, inyección, moldeo por compresión y rotomoldeo. El objetivo fue determinar la procesabilidad de los compuestos a base de caña mediante diferentes técnicas de transformación y caracterizarlos con el fin de encontrar posibles aplicaciones para dichos biocomposites. RESUMEN III • Evaluación de la biodegradación y reciclabilidad de los materiales compuestos. Los compuestos de caña con matriz de polietileno fueron reprocesados varias veces con el fin de determinar su potencial reciclabilidad, mientras que los basados en ácido poliláctico fueron sometidos a ensayos de biodesintegración y degradación en agua, con el fin de determinar el efecto de la biomasa sobre la durabilidad y rendimiento de los materiales a lo largo de su vida útil. Además de varias comunicaciones en congresos internacionales de reconocido prestigio, esta tesis doctoral ha dado lugar a dos artículos de revisión y ocho trabajos de investigación, publicados en revistas científicas de alto impacto, que abordan diferentes aspectos sobre el aprovechamiento de la caña común y su utilización para la elaboración de materiales compuestos. En el primer artículo de revisión se analiza la especie vegetal Arundo donax L. y su interés para la explotación en biorrefinerías, mientras que el segundo se centra en el uso de la caña común para la producción de compuestos poliméricos. Los artículos de revisión producidos durante la fase inicial de la investigación doctoral son: 1. A review on the use of giant reed (Arundo donax L.) in the biorefineries context. Reviews in Chemical Engineering, 40(3), 2024. DOI: 10.1515/revce-2022-0069 2. Use of giant reed (Arundo donax L.) for polymer composites obtaining: a mapping review. Cellulose, 30, 2023. DOI: 10.1007/s10570-023-05176-x A continuación, se analizó, en otra publicación, la caracterización de la planta en términos de su composición y procesado para la obtención de fibras a partir de los tallos y las hojas, así como su aprovechamiento integral. También se incluyó allí la caracterización de los materiales lignocelulósicos obtenidos en términos de comportamiento mecánico, estabilidad térmica, composición, índice de cristalinidad y características físicas. Los datos del citado artículo son los siguientes: 3. Giant Reed (Arundo donax L.) Fibre Extraction and Characterization for Its Use in Polymer Composites. Journal of Natural Fibres, 20:1, 2023. DOI: 10.1080/15440478.2022.2131687 Una vez obtenidas y analizadas las fibras y materiales lignocelulósicos de caña común, se prepararon materiales compuestos con diferentes matrices poliméricas (polietileno de alta densidad, HDPE; ácido poliláctico, PLA) bajo diferentes tecnologías de procesado, a saber, extrusión, inyección, rotomoldeo y moldeo por compresión. Los materiales compuestos se caracterizaron para determinar sus propiedades físico-químicas, reológicas y termomecánicas. También se evaluó la influencia de la longitud de la fibra durante la alimentación, la elaboración del compound, el proceso de inyección y el reprocesado de las piezas moldeadas, analizando el cambio en los parámetros morfológicos (diámetro y longitud) de las partículas de relleno que determinan las propiedades finales de los composites. Por último, también se evaluó el comportamiento de desintegración de los compuestos basados en PLA, así como el efecto de la degradación en agua sobre el comportamiento de los mismos. Las publicaciones derivadas de la investigación sobre los materiales compuestos de Arundo donax son: RESUMEN IV 4. A New Image Analysis Assisted Semi-Automatic Geometrical Measurement of Fibres in Thermoplastic Composites: A Case Study on Giant Reed Fibres. Journal of Composites Science, 7(8), 2023. DOI: 10.3390/jcs7080326 5. Influence of Giant Reed (Arundo Donax L.) Culms Processing Procedure on Physicochemical, Rheological, and Thermomechanical Properties of Polyethylene Composites. Journal of Natural Fibres, 21(1), 2024. DOI: 10.1080/15440478.2023.2296909 6. Relationship Between the Shape of Giant Reed-Based Fillers and Thermal Properties of Polyethylene Composites: Structural Related Thermal Expansion and Diffusivity Studies. Waste and Biomass Valorization, 15(12), 2024. DOI: 10.1007/s12649-024-02626-w 7. Recyclability Assessment of Lignocellulosic Fibre Composites: Reprocessing of Giant Reed/HDPE Composites by Compression Molding. Lecture Notes in Mechanical Engineering IV, 3, 2024. DOI: 10.1007/978-3-031-56474-1_15 8. Recycling of HDPE-giant reed composites: Processability and performance. Green Processing and Synthesis, 14(1), 2025. DOI: 10.1515/gps-2024-0229 9. Influence of Giant Reed Fibres on Mechanical, Thermal, and Disintegration Behavior of Rotomolded PLA and PE Composites. Journal of Polymers and the Environment, 30(11), 2022. DOI: 10.1007/s10924-022-02542-x 10. Giant reed (Arundo donax L.) enhanced polylactic acid composites: processing, characterization, and performance of injection moulded and water degraded samples. Submitted to Composites Part A: Applied Science and Manufacturing (enviado el 08/07/2025; pendiente de revisión) Las publicaciones anteriormente enumeradas, se encuentran incluidas en este documento de tesis, después de tres secciones (capítulos 2, 3 y 4) en los que se resumen los métodos y conclusiones de cada trabajo y se acredita la unidad temática del trabajo de investigación. A continuación, se presenta un sumario con las conclusiones finales de la tesis para, posteriormente, concluir este resumen con una serie de potenciales líneas de investigación futura. • Esta tesis presenta el primer análisis en profundidad de materiales compuestos de Arundo donax con matrices termoplásticas de HDPE y PLA procesados mediante extrusión, moldeo por inyección, moldeo rotacional y moldeo por compresión, que incluye no sólo su análisis mecánico, térmico o reológico, sino que también analiza sus opciones de reciclabilidad y biodegradabilidad. • Arundo donax ha demostrado ser un prometedor refuerzo sostenible para la producción de compuestos poliméricos. La caña común es una fuente de biomasa de rápido crecimiento, renovable y ampliamente disponible, especialmente en climas templados y regiones áridas como las Islas Canarias, debido a sus bajos requerimientos y buena adaptabilidad. El trabajo realizado aporta nuevos datos para apoyar el uso de biomasa de plantas invasoras en un contexto de economía circular. RESUMEN V • Se ha propuesto un procedimiento específico para la obtención de fibras de buena calidad y alta relación de aspecto a partir de los tallos y hojas de caña común, basado en un procedimiento químico-mecánico. Con este proceso se obtienen fibras vegetales con un alto contenido en celulosa (hasta el 70 %), una estabilidad térmica favorable (>230 °C) y propiedades mecánicas competitivas (resistencia a la tracción ~900 MPa, módulo elástico ~45 GPa), comparables a las de otras fibras naturales comerciales como el yute o el lino. • Se ha demostrado que la morfología y el procesamiento de las fibras desempeñan un papel fundamental en el rendimiento de los materiales compuestos. El comportamiento reológico, la estabilidad térmica, la cristalinidad y la adhesión interfacial se ven influidos por el tipo y la proporción de la biomasa empleada como refuerzo o relleno. • A partir del análisis de las longitudes de las fibras desde la obtención inicial y hasta el reprocesado, se confirmó que el procesamiento mecánico (extrusión de doble husillo) reduce significativamente la longitud de las fibras, especialmente en las primeras zonas de amasado en el interior del barril de extrusión. A pesar de ello, las fibras procesadas mantienen relaciones de aspecto suficientes para actuar como refuerzos eficaces, incluso tras varios ciclos de reprocesado mediante triturado, extrusión y moldeo por inyección. • Los compuestos basados en fibras de caña superan sistemáticamente a los que utilizan material vegetal triturado de esta especie, sobre todo en rigidez y propiedades térmicas, debido a su mejor estabilidad térmica, por el menor contenido de hemicelulosa, y también a su elevada relación de aspecto (longitud/diámetro). • Los compuestos de Arundo a base de HDPE muestran mejores propiedades mecánicas y térmicas que la matriz de polietileno puro. Por ejemplo, el módulo de tracción aumentó hasta un 78 % con una proporción de fibra del 20 % (en peso). Del mismo modo, los materiales compuestos mostraron una mejor estabilidad dimensional y térmica, evidenciada por el aumento de la temperatura de deflexión térmica y la disminución de los coeficientes de expansión térmica. Estas mejoras sugieren aplicaciones en envases técnicos, interiores de automóviles y paneles estructurales. • Los compuestos Arundo-HDPE demuestran su aptitud para el reciclaje con una pérdida de rendimiento mínima. Los compuestos fibrosos de HDPE conservaron más del 80 % de su resistencia original a la tracción tras múltiples ciclos de reciclado. Mostraron una mayor rigidez y mantuvieron la estabilidad térmica tras cinco ciclos de reprocesado. El uso de Arundo puede aportar propiedades antioxidantes, mejorando la resistencia a la oxidación y en escenarios de reciclaje en circuito cerrado. • Los compuestos Arundo-PLA ofrecen alternativas totalmente biodegradables y de base biológica. Los materiales compuestos moldeados por inyección con un contenido de fibra de entre el 10 y el 20 % mostraron un equilibrio óptimo entre rigidez y tenacidad. RESUMEN VI • La biodesintegración de los materiales compuestos de caña común en condiciones de compostaje fue más rápida y eficaz que la del PLA puro, especialmente en condiciones de compostaje doméstico, debido a la mayor absorción de agua de los biocomposites, que favorece la ruta de degradación hidrolítica del biopolímero. • La absorción de agua es mayor en los compuestos de PLA reforzados con fibras de caña, debido a la mayor superficie de las fibras en comparación con las partículas de Arundo triturado. La absorción de agua provoca una reducción del rendimiento mecánico, aunque éste puede recuperarse parcialmente tras el resecado. • El rendimiento de los composites de PLA depende del tipo de relleno (fibras o material vegetal triturado), el contenido y los parámetros de procesado: los composites con fibras superan a los rellenos de partículas debido a una mayor relación de aspecto y una mejor transferencia de tensiones. • Por último, el potencial industrial de los compuestos producidos resulta evidente por el comportamiento que presentan, aunque aún es necesario realizar más estudios. Las aplicaciones podrían incluir la producción de diferentes productos en los sectores del envasado, agricultura, bienes de consumo y materiales de construcción. Como resultado del trabajo realizado hasta la fecha, surgen algunas nuevas vías de investigación que permitirían seguir contribuyendo a un mayor conocimiento de los compuestos basados en caña común, así como en el estudio de diferentes posibilidades de aprovechamiento para maximizar el uso de este recurso natural, Arundo donax L., como fuente de material sostenible. • Preparación de materiales compuestos con otras matrices de base biológica, como PHA/PHB o PBS. Debería llevarse a cabo una exploración de estos materiales en sistemas de extrusión-soplado y termoconformado, con el objetivo de producir materiales para aplicaciones de envasado. • Modificación de las fibras y de la biomasa derivada de la caña, con el fin de mejorar su compatibilidad con la matriz polimérica y obtener prestaciones mejoradas y adaptadas a diferentes aplicaciones. En este punto, es interesante aclarar que en este trabajo no se realizaron modificaciones para reducir la huella medioambiental de los composites, debido a la enorme cantidad de agua necesaria para dichas modificaciones. Sin embargo, debería realizarse un análisis de ciclo de vida (ACV) exhaustivo para establecer los beneficios reales del uso de dicha biomasa en el sector de los composites. • Completar el análisis del rendimiento de los materiales compuestos analizando sus propiedades acústicas y su comportamiento frente al fuego, factores cruciales para el uso de estos materiales en el diseño de mobiliario y la ecologización de espacios interiores, siguiendo los principios de la ingeniería Kansei. • Explorar otras alternativas al uso de la biomasa, como la separación de la lignina para producir la llamada madera transparente o aditivos retardantes del fuego. • Establecimiento de un enfoque integrado en cascada para maximizar el uso de la biomasa derivada de la caña, incluida la producción potencial de bioplásticos a partir de los carbohidratos (azúcar y almidón) presentes en la planta de forma natural. RESUMEN VII • Ampliar el alcance de los ensayos de reciclabilidad para garantizar su viabilidad en ciclos de larga duración. Esto debería incluir el estudio del comportamiento de envejecimiento de los composites en comparación con las matrices puras; la incorporación de la caña sin procesar, con extractivos y polifenoles podría proporcionar un efecto estabilizador en el material compuesto frente al reprocesado y también frente a la radiación UV. • Ensayos completos de envejecimiento de los materiales producidos, tanto con la matriz de HDPE como con la de PLA, bajo radiación UV y ciclos hidrotérmicos, con el fin de definir la durabilidad de los mismos en condiciones de servicio. De particular interés sería el análisis del comportamiento de degradación bajo atmósfera salina, así como el análisis de biodegradación de los compuestos de PLA en ambientes marinos. • Establecer una cadena de valor a través de la valorización de la biomasa derivada de Arundo, que considere los impactos ambientales, sociales y económicos de todo el procesamiento, desde la cosecha hasta el final de la vida útil de los productos, estableciendo una gama de diferentes aplicaciones.