Compuestos de caucho reforzados con celulosa nanofibrilada.

Abstract

En la industria del caucho, el negro de humo y la sílice son los reforzantes más utilizados, sin embargo, sus procesos productivos consumen grandes cantidades de energía y no son amigables con el medio ambiente. A partir de este problema, surge la necesidad de buscar nuevos reforzantes que posean características como la biodegradabilidad, fácil disponibilidad y que su producción no presente un deterioro significativo para el medio ambiente, siendo la nanocelulosa y en particular, la celulosa nanofibrilada, una llamativa alternativa como reemplazo a los reforzantes convencionales. A partir de lo anterior, el objetivo esta investigación fue estudiar el efecto de la celulosa nanofibrilada como reforzante en compuestos de caucho natural y sus propiedades físico-mecánicas, evaluando el efecto del grado de fibrilación de la celulosa nanofibrilada, como también el efecto de la concentración de esta en los compuestos de caucho, para finalmente comparar los resultados obtenidos con compuestos formulados a partir de reforzantes convencionales. Para lo anterior, se preparó celulosa nanofibrilada mediante un tratamiento mecánico-enzimático a partir de pulpa kraft blanqueada de eucalipto, de las cuales se obtuvieron nanofibras de celulosa de distintos grados de fibrilación con 0, 4 y 12 pasadas por un homogeneizador. Por otra parte, todos compuestos de celulosa nanofibrilada con caucho natural se prepararon mediante mezclado en solución y se obtuvieron coágulos de los nanocompuestos mediante coagulación con ácido acético. Para la caracterización de los compuestos se obtuvieron sus propiedades reométricas, propiedades físicas, ensayos de abrasión, ensayos de tracción-elongación, análisis de espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), microscopía electrónica de barrido (SEM) y análisis termogravimétricos (TGA). Para el efecto del grado de fibrilación de la celulosa nanofibrilada en los compuestos de caucho, se obtuvieron mejores resultados en las propiedades físico-mecánicas para el compuesto con nanofibras sin homogeneizar, traduciéndose en una ventaja desde un punto de vista energético, económico y de procesabilidad. En particular, el nanocompuesto con la nanofibra menos fibrilada logró mejorar el torque máximo al 33,5%, la dureza al 23,4%, el módulo al 300% al 93,2%, en comparación a un compuesto de caucho natural sin reforzar. En general, no se presentaron resultados significativamente mejores para los compuestos con las nanofibras de mayor grado de fibrilación, debido a una dispersión no óptima producto de la mayor interacción entre las nanofibras, por sobre la interacción entre las nanofibras y la matriz de caucho, generando posibles aglomerados y concluyendo que no es necesario refinar las nanofibras de celulosa. Para el efecto de la concentración se prepararon compuestos con 5, 10, 15 y 30 phr de celulosa nanofibrilada sin homogeneizar, solo hasta 15 phr aumentó el efecto reforzante, ya que a la mayor concentración disminuyeron las propiedades producto de la posible aglomeración de las fibras en la matriz del caucho. En particular, los compuestos con 10 y 15 phr presentaron mejores resultados. Para el compuesto con 10 phr el torque máximo aumentó el 43,1% y para la dureza el 34,4% con respecto al compuesto sin reforzar. Mientras que el compuesto con 15 phr aumentó la resistencia a la tracción al 37,6% y el módulo al 300% en 154,7% con respecto al compuesto de caucho natural sin reforzar. Por último, se compararon los compuestos con 10 y 15 phr de celulosa nanofibrilada con compuestos con 30 phr de sílice y 30 phr de negro de humo. Solo en la pérdida de volumen por abrasión el uso de nanocelulosa no presenta resultados favorables, lo que plantea como desafío mejorar sus resultados en próximos estudios, mediante una mejor compatibilidad nanofibra-caucho. Mientras que para las otras propiedades físico-mecánicas comparadas, se obtuvieron valores similares a los de los reforzantes convencionales e incluso mejores en los nanocompuestos, convirtiendo a la celulosa nanofibrilada en un prometedor e innovador reforzante para los compuestos de caucho natural.

In the rubber industry, carbon black and silica are the most used reinforcing agents; however, their production processes consume large amounts of energy and are not environmentally friendly. From this problem, the need arises to look for new reinforcing agents that have characteristics such as biodegradability, easy availability and with a production process that does not generate a significant deterioration for the environment, being the nanocellulose and in particular, the nanofibrillated cellulose, a striking alternative as a replacement for conventional reinforcing agents. Based on the above, the objective of this research was to study the effect of nanofibrillated cellulose as a reinforcing agent in natural rubber compounds and their physical-mechanical properties, evaluating the effect of the degree of fibrillation of nanofibrillated cellulose, as well as the effect of the concentration of nanofibrillated cellulose in the rubber compounds, to finally compare the results obtained with compounds formulated from conventional reinforcing agents. For this purpose, nanofibrillated cellulose was prepared by means of a mechanical-enzymatic treatment from bleached Eucalyptus kraft pulp, from which cellulose nanofibers of different degrees of refinement were obtained with 0, 4 and 12 passes through a homogenizer. On the other hand, all composites of nanofibrillated cellulose with natural rubber were prepared by mixing in solution and coagulates of the nanocomposites were obtained by coagulation with acetic acid. For the characterization of the composites, their rheometric properties, physical properties, abrasion tests, tensile-elongation tests, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis, scanning electron microscopy (SEM) and thermogravimetric analysis (TGA) were obtained. For the effect of the degree of fibrillation of nanofibrillated cellulose in rubber composites, better results in physico-mechanical properties were obtained for the composite with unrefined nanofibers, translating into an advantage from an energetic, economic and processability point of view. In particular, the nanocomposite with the less refined nanofiber achieved improved peak torque at 33.5%, hardness at 23.4%, modulus at 300% at 93.2%, compared to an unreinforced natural rubber composite. In general, the results were not significantly better for the composites with the nanofibers of higher degree of refinement, due to a non-optimal dispersion resulting from the greater interaction between the nanofibers, over the interaction between the nanofibers and the rubber matrix, generating possible agglomerates and concluding that it is not necessary to refine the cellulose nanofibers. For the effect of concentration, compounds were prepared with 5, 10, 15 and 30 phr of unrefined nanofibrillated cellulose, only up to 15 phr increased the reinforcing effect, since the higher the concentration, the properties decreased due to the agglomeration of the fibers in the rubber matrix. In particular, the compounds with 10 and 15 phr showed better results. For the compound with 10 phr the maximum torque increased by 43.1% and for the hardness by 34.4% with respect to the unreinforced compound. While the compound with 15 phr increased the tensile strength by 37.6% and the modulus at 300% to 154.7% with respect to the unreinforced natural rubber compound. Finally, the composites with 10 and 15 phr of nanofibrillated cellulose were compared with composites with 30 phr of silica and 30 phr of carbon black. Only in the loss of volume due to abrasion did the use of nanocellulose not show favorable results, which poses the challenge of improving its results in future studies, through better nanofiber-rubber compatibility. While for the other physico-mechanical properties compared, similar values were obtained to those of conventional reinforcing agents and even better in the nanocomposites, making nanofibrillated cellulose a promising and innovative reinforcing agent for natural rubber composites.