Un automóvil de lujo no es realmente un lugar para buscar algo como sisal, cáñamo, o madera. Sin embargo, los fabricantes de automóviles han estado utilizando fibras naturales durante décadas. Algunos sedán y cupés de alta gama los utilizan en materiales compuestos para paneles de puertas interiores, para motor, aislamiento interior y acústico, y cubiertas internas del motor, entre otros usos.

A diferencia del acero o el aluminio, Los compuestos de fibras naturales no se oxidan ni corroen. También pueden ser duraderos y fáciles de moldear. Las mayores ventajas de los compuestos poliméricos reforzados con fibra para automóviles son el peso ligero, buenas propiedades de choque, y características de reducción de ruido y vibraciones. Pero fabricar más partes de un vehículo a partir de fuentes renovables es un desafío. Los compuestos de polímero de fibra natural pueden agrietarse, romper y doblar. Las razones incluyen baja resistencia a la tracción, Resistencia a la flexión y al impacto en el material compuesto.

Investigadores de la Universidad de Johannesburgo han demostrado ahora que el plátano, un tipo de plátano con almidón, es una fuente prometedora de un tipo emergente de material compuesto para la industria automotriz. Las fibras de plátano natural se combinan con nanotubos de carbono y resina epoxi para formar un material nanocompuesto híbrido de polímero reforzado con fibra natural. El plátano es un cultivo alimenticio básico durante todo el año en las regiones tropicales de África, Asia y América del Sur. Muchos tipos de plátano se comen cocidos.

Los investigadores moldearon un material compuesto de resina epoxi, fibras de plátano tratadas y nanotubos de carbono. La cantidad óptima de nanotubos fue del 1% en peso de la resina epoxi de plátano combinada. El nanocompuesto de plátano resultante era mucho más fuerte y rígido que la resina epoxi por sí sola. El material compuesto tenía un 31% más de resistencia a la tracción y un 34% más de resistencia a la flexión que la resina epoxi sola. El nanocompuesto también tenía un módulo de tracción un 52% más alto y un módulo de flexión un 29% más alto que la resina epoxi sola.

"La hibridación de plátano con nanotubos de carbono de paredes múltiples aumenta la resistencia mecánica y térmica del compuesto. Estos aumentos hacen que el compuesto híbrido sea un material competitivo y alternativo para ciertas piezas de automóvil, "dice el profesor Tien-Chien Jen, el investigador principal del estudio y el director del Departamento de Ciencias de la Ingeniería Mecánica de la Universidad de Johannesburgo.

Fibras naturales vs metales

La producción de piezas de automóvil a partir de fuentes renovables tiene varios beneficios, dice el Dr. Patrick Ehi Imoisili, investigador postdoctoral en el Departamento de Ciencias de la Ingeniería Mecánica de la Universidad de Johannesburgo. "Existe una tendencia a utilizar fibra natural en los vehículos. La razón es que los compuestos de fibras naturales son renovables, de bajo costo y baja densidad. Tienen una alta resistencia y rigidez específicas. Los procesos de fabricación son relativamente seguros, ", dice Imoisili." Utilizando piezas de automóvil fabricadas con estos compuestos, puede reducir la masa de un vehículo. Eso puede resultar en una mejor eficiencia de combustible y seguridad. Estos componentes no se oxidarán ni corroerán como los metales. También, pueden estar rígidos, duradero y fácil de moldear ".

Sin embargo, Algunos compuestos poliméricos reforzados con fibras naturales tienen actualmente desventajas como la absorción de agua, baja resistencia al impacto y baja resistencia al calor, provocando efectos como el agrietamiento, doblar o deformar una pieza de automóvil, dice Imoisili.

Los investigadores sometieron el nanocompuesto de plátano a una serie de pruebas industriales estandarizadas. Estos incluyeron los métodos de prueba ASTM D638 y D790, pruebas de impacto según la norma ASTM A-370, y ASTM D-2240. Las pruebas mostraron que un compuesto con 1% de nanotubos tenía la mejor resistencia y rigidez en comparación con la resina epoxi sola. El nanocompuesto de plátano también mostró una marcada mejora en la microdureza, Resistencia al impacto y conductividad térmica en comparación con la resina epoxi sola.

Moldear un nanocompuesto a partir de fibras naturales

Los investigadores fabricaron un objeto de prueba de esfuerzo moldeado por compresión. Usaron una parte de fibras de plátano no comestibles, cuatro partes de resina epoxi y nanotubos de carbono de paredes múltiples. La resina epoxi y los nanotubos provienen de proveedores comerciales. El epoxi era similar a las resinas que los fabricantes de automóviles utilizan en ciertas piezas de automóviles. Las fibras de plátano provienen de los "troncos" o pseudo-tallos, de plantas de plátano en la región suroeste de Nigeria. Los pseudo-tallos consisten en hojas muy superpuestas.

Los investigadores trataron las fibras de plátano con varios procesos. El primer proceso es un método antiguo llamado retrete con agua para separar las fibras vegetales de los tallos. En el segundo proceso, las fibras se remojaron en una solución de sosa cáustica al 3% durante cuatro horas. Después de secar, las fibras se trataron con radiación de microondas de alta frecuencia de 2,45 GHz a 550 W durante dos minutos. Los tratamientos con sosa cáustica y microondas mejoraron la unión entre las fibras de plátano y la resina epoxi en el nanocompuesto.

Próximo, los investigadores dispersaron los nanotubos en etanol para evitar que los tubos se amontonaran en el compuesto. Después, las fibras de plátano, Se combinaron nanotubos y resina epoxi dentro de un molde. A continuación, se comprimió el molde con una carga durante 24 horas a temperatura ambiente.

Cultivo alimentario frente a materia prima industrial

El plátano se cultiva en regiones tropicales de todo el mundo. Esto incluye a México, Florida y Texas en América del Norte; Brasil, Honduras, Guatemala en América del Sur y Central; India, Porcelana, y el sudeste de Asia. En África occidental y central, los agricultores cultivan plátano en Camerún, Ghana, Uganda, Ruanda, Nigeria, Costa de Marfil, y Benin.

El uso de biomasa de los principales cultivos alimentarios básicos puede crear problemas de seguridad alimentaria para las personas de bajos ingresos. Además, la industria del automóvil necesitará acceso a fuentes confiables de fibras naturales para aumentar el uso de compuestos de fibras naturales. En el caso de los plátanos, Las tensiones potenciales entre la seguridad alimentaria y los usos industriales de los materiales compuestos son bajas. Esto se debe a que los agricultores de plátano descartan los pseudo-tallos como residuos agrícolas después de la cosecha.