Cinética de descomposición y estimación de vida en servicio de materiales compuestos termoplásticos reforzados con fibras naturales

Abstract

El presente estudio pretende analizar la influencia del tipo de fibra natural y del tratamiento superficial de plasma de baja presión, sobre la cinética de descomposición de materiales compuestos de matriz termoplástica, así como estimar su vida en servicio. Para ello se compararon dos modelos cinéticos, Kissinger y Model Free Kinetics.

Los materiales se prepararon utilizando LDPE como matriz y fibras naturales de lino y coco, tratadas con plasma y sin tratar y a un 20 y un 30% en peso, como refuerzo. Se fabricaron empleando una mezcladora de rotores y una prensa de platos calientes. Posteriormente, para cada material, se llevaron a cabo los ensayos termogravimétricos a seis velocidades diferentes y mediante un espectrómetro de masas se identificaron los elementos desprendidos durante el proceso y la temperatura a la cual lo hacían. A partir de las energías de activación del proceso de descomposición y mediante la ecuación de Toop, se estimó la vida en servicio de cada uno de los nueve materiales objeto de estudio.

Se ha demostrado que el tratamiento de plasma no tiene una influencia notable en la cinética de descomposición de los materiales, si bien, tiende a aumentar ligeramente la vida en servicio en todos ellos. La variable decisiva a este respecto es la composición de las fibras naturales, aumentando de manera significativa la vida útil de los materiales cuanto mayor es el contenido de celulosa de las fibras de refuerzo

Through this study two different natural fibres composites were characterized from the point of view of decomposition kinetics comparing two kinetics models, Kissinger and Model Free Kinetics in order to estimate the lifetime of the composites. Composite materials were prepared with low density polyethylene as matrix and as reinforcements, plasma treated and untreated natural fibres with 20 and 30 wt.% of fibre content. Composites were manufactured using a rotor mixer and a hot plates press. Afterwards, thermogravimetric analysis was carried out for each material at six different rates with a coupled Mass Spectrometry device to identify detached elements in a specific temperature range. The influence of the low pressure plasma treatment, as well as the fibre type, was taken into account to evaluate the activation energy of the decomposition processes of each material. Besides, lifetime was estimated from the obtained decomposition energies and the Toop equation. It was found that plasma treatment does not have a meaningful influence on decomposition kinetics but, the main composition of the natural fibres is decisive in this aspect, giving rise to much longer lifetimes when the cellulose content of the fibre is higher