En este trabajo se presenta una breve reseña del proceso de rotomoldeo, su impacto en el mundo y en el mercado mexicano. Además, se presenta la posibilidad de utilizar fibras naturales además de Polietileno (material compuesto) como materia prima en el proceso de rotomoldeo para mejorar las propiedades mecánicas de los productos finales.
Palabras clave: Rotomoldeo, materiales compuestos, fibras naturales
In this work we present a short review of the rotomolding process, its impact in the world and in the mexican market. Also, we present the possibility to use natural fibers plus polyetilene (composite material) as raw material in the rotomolding process to improve the mechanical properties of the final products.
Keywords: Rotomolding, composite materials, natural fibers
El proceso de rotomoldeo, también llamado moldeo rotacional, se utiliza para la fabricación de piezas tan grandes como tanques para uso agrícola de 100,000 litros o tan pequeñas como el ojo de una muñeca o una pelota de ping-pong [1, 2]. Existen otros procesos para crear partes huecas como el moldeo por soplado, el de inyección y el termoformado, sin embargo, el moldeo rotacional ofrece algunas ventajas sobre tales procesos como la formación de piezas sin costura y libres de esfuerzos residuales.
En este proceso, cada ciclo de producción consta de cuatro etapas: (1) carga del material: se coloca la materia prima dentro del molde, en este caso, polímero en forma de polvo; (2) calentamiento: en esta etapa el molde esta rotando de manera biaxial mientras una fuente de calor incide sobre el mismo; (3) enfriamiento: aquí se ha retirado la fuente de calor mientras que el molde se mantiene en giro biaxial; en esta etapa el molde se puede enfriar de forma natural o por convección forzada por medio de ventiladores o al incidir algún fluido directamente sobre el molde; y (4) descarga: esta es la etapa final donde se abre el molde y se retira el producto terminado.
Una de las mayores ventajas del rotomoldeo cuando se compara con otros procesos es la capacidad de crear piezas más grandes y de gran calidad en equipos que requieren una inversión económica relativamente baja. Además, debido a que el proceso de rotomoldeo se realiza a presión atmosférica, los moldes pueden ser simples y baratos. Una importante ventaja, es que este proceso permite cambiar el color o la materia prima en cada corrida, debido a que la carga del material se hace de forma separada en cada molde. Este hecho también proporciona una ventaja única cuando se tienen corridas de producción cortas. Estas ventajas han sido reconocidas por los diseñadores de nuevos productos, con base en plásticos, y es por esto que el moldeo rotacional es uno de los campos de la industria del plástico que más ha crecido en los últimos años con tasas que van del 10 al 20% por año [3].
En el 2007, el rotomoldeo representó poco más del 1% del consumo de plástico en México (55 mil toneladas de Polietileno (PE) más 11 mil de PVC) donde participaron más de 50 empresas. Si se compara el mercado de México que genera 0.6 kg per cápita con el de Estados Unidos que registra un consumo de 2.5 kg per cápita es fácil percibir que se puede crecer hasta cuatro veces sin mucho esfuerzo. Un dato relevante es que el mercado en nuestro país crece a un ritmo de entre 10 y 15% anualmente, impulsado mayormente por la fabricación de tinacos residenciales y contenedores para uso agrícola.
De todos los grupos de materiales disponibles para los procesos de moldeo de plásticos, hay un rango estrecho de aquellos que pueden ser fácilmente procesados en el moldeo rotacional. Por su parte, el PE es un termoplástico que actualmente es el material que prevalece como materia prima en la industria del rotomoldeo por varias razones: ofrece una combinación atractiva de fácil procesamiento, bajo costo, resistencia a los rayos UV, estabilidad química y térmica. Estas características son de suma importancia para los contenedores de gran volumen que suelen estar expuestos a la intemperie. Sin embargo, comparado con otros materiales, el PE exhibe propiedades mecánicas modestas, lo cual limita su uso en algunas aplicaciones donde son requeridas mejores propiedades mecánicas [3]. Para modificar las propiedades físico-mecánicas y mejorar la calidad estética de las piezas se han incorporado materiales, tales como fibras naturales, a las piezas creadas por rotomoldeo [4-7].
En México existe una gran diversidad de recursos naturales de los cuales se pueden obtener fibras naturales, tal es el caso de la fibra de agave en la región tequilera de Jalisco o la fibra de coco en regiones costeras, solo por mencionar algunas. Las fibras naturales pueden ser una posibilidad real de bajo costo para los países en desarrollo, ya que están disponibles en grandes cantidades y representan una fuente renovable continua.
Una vez que una materia prima que contiene un material lignocelulósico es procesado para obtener su producto principal (es decir tequila o jugo de coco), los residuos sólidos se vuelven un problema grave de contaminación. La fibra natural es liviana, barata, no abrasiva y biodegradable. De tal manera que los millares de toneladas de material fibroso desechado cada año tienen el potencial de utilizarse como refuerzo para producir materiales compuestos de fibra natural.
Sin embargo, por tradición, este tipo de fibras son quemadas por los agricultores o simplemente se dejan al aire libre para su lenta incorporación al ambiente, lo que se vuelve un grave problema con el paso del tiempo. Lo anterior resalta la necesidad de revalorizar las fibras naturales desechadas y utilizarlas de una manera alternativa, aprovechando las ventajas antes mencionadas y minimizando los efectos negativos en el medio ambiente. Esto mismo ha propiciado la incorporación de las fibras en los materiales compuestos.
En la búsqueda de mejores propiedades físico-mecánicas y menor costo de los materiales plásticos se han logrado desarrollar los materiales compuestos o composites. De manera general, un composite consta de una matriz y de un refuerzo (o carga). Tradicionalmente los composites se obtenían utilizando como refuerzo fibras no naturales como pueden ser la fibra de vidrio o la fibra de carbono. Sin embargo, la necesidad en los últimos años de crear materiales con un menor perjuicio ambiental a un bajo costo, ha conducido al desarrollo de los llamados termoplásticos reforzados con fibras naturales o NFRTP (por sus siglas en inglés natural fiber reinforced termoplastics).
Existen varias razones para procesar NFRTP: a) la fibra natural hace que el material se vuelva parcialmente biodegradable; b) los NFRTP son más baratos, de menor densidad y menos abrasivos cuando se comparan con los materiales que utilizan cargas inorgánicas como refuerzo tales como la fibra de vidrio; y c) debido a que la fibra natural se utiliza y no se quema o se tira se tiene un impacto ambiental menor. Por lo que, los NFRTP son atractivos debido a que combinan las propiedades de sus componentes de maneras no encontradas en la naturaleza.
A pesar de todo lo antes mencionado, son pocos los trabajos hechos en rotomoldeo con materiales compuestos a base de fibras naturales [5-8]. En la mayoría de los estudios realizados con composites se han utilizado técnicas de procesamiento tradicionales como la extrusión e inyección. Por lo que, el desarrollo de un proyecto de investigación en torno a este tema hará posible aumentar el conocimiento del comportamiento de estos materiales con vías a aumentar la aplicación a productos de la vida cotidiana.
Las propiedades de estos materiales compuestos están determinadas por la matriz y las fibras utilizadas y requieren una correcta unión entre los refuerzos y la matriz (interfaz fibra – matriz) de manera que su resistencia y rigidez sean transmitidas al material compuesto. La incorporación de fibras naturales a una matriz polimérica permite incrementar la rigidez del material. No obstante, hace al material sensible a altas temperaturas y a la absorción de humedad, lo cual puede disminuir su estabilidad dimensional en ciertas situaciones. Esto dificulta su procesamiento, especialmente en los procesos de inyección, extrusión y compresión. Existe una gran cantidad de estudios relacionados con NFRTP en la literatura, sin embargo, dichos estudios en rotomoldeo son escasos debido a la pobre adhesión entre matriz y fibra ocasionada por la diferente naturaleza de ambos componentes [8]. Una interface débil resultará en un material con baja rigidez y resistencia. De forma contraria, cuando la interfaz es compatible se encontrarán materiales con alta rigidez y resistencia, pero susceptible a la fractura. Además, surgen otros problemas específicos tales como la segregación y/o la aglomeración de la fibra [6-8]. Por lo tanto, para tratar de obtener productos rotomoldeados más resistentes y rígidos, es preciso que se desarrolle un estudio eficiente de la incorporación de de estos refuerzos [8].
Actualmente, los composites de fibras naturales se están convirtiendo en una alternativa realista a las maderas plásticas y al vidrio reforzado. Los NFRTP tienen el potencial para ser el nuevo material del siglo 21 y una solución parcial a muchos de los problemas ambientales globales. De aquí que la combinación de un método de procesamiento de materiales de bajo costo, como el rotomoldeo, y un material que tiene un gran potencial de aplicaciones, como los NFRTP, resulta en una conjunción que asegurará un éxito en distintos ámbitos: desde el desarrollo de investigación de los materiales compuestos una vez que se han procesado, hasta la creación de productos terminados para ser incorporados en el mercado.
A pesar de todo lo antes mencionado, son pocos los trabajos de investigación hechos en rotomoldeo con materiales compuestos a base de fibras naturales [5-8]. En la mayoría de los estudios realizados con composites se han utilizado técnicas de procesamiento tradicionales como la extrusión e inyección. Por lo que, el desarrollo de un proyecto de investigación en torno a este tema hará posible aumentar el conocimiento del comportamiento de estos materiales con vías a aumentar la aplicación a productos de la vida cotidiana.
Para finalizar, es preciso mencionar que resulta alentadora la perspectiva de la industria del moldeo rotacional de materiales compuestos en México, ya que se trata de un negocio que tiene un costo de inversión relativamente bajo, disponibilidad de materias primas, nichos de mercado vírgenes y márgenes de ganancia amplios. La demanda de los mercados donde se requieren pequeños volúmenes de piezas hace atractivo el uso del rotomoldeo y México es un buen ejemplo de ello: existen mercados locales en todas las regiones costeras del país donde hay una necesidad de productos como lanchas, boyas y flotadores que son ideales para producirse mediante moldeo rotacional. Además de estos productos, se pueden producir artículos que se ven en la vida cotidiana como cestos de basura, contenedores, maceteros, etc. Por si fuera poco, existe una nueva línea de productos para decoración de interiores. Dónde, su atractivo visual está cobrando un gran interés ya que al incorporar fibras naturales en el procesamiento de los materiales se le da un valor agregado al producto final.
[1] R. Crawford and J. Throne, Rotational Molding Technology. William Andrew Publishing, New York, 2002.
[2] G. Beall, Rotational Molding-Design, Materials, Tooling and Processing. Hanser, Munich, first ed., 1998.
[3] X. Yuan, A. Easteal, and D. Bhattacharyya, Influence of surface treatment on hybrid wollastonite-polyethylene composite resins for rotational moulding, Journal of Materials Science, 43 (18), 6057-6063, 2008.
[4] R. Crawford and A. Robert, The 3rd Asian-Australasian Conference on Composite Materials (ACCM-3), Auckland, New Zealand, p. 1, 2002.
[5] B. Wang, S. Panigrahi, L. Tabil, and W. Crerar, Pre-treatment of flax fibers for use in rotationally molded biocomposites, Journal of Reinforced Plastics and Composites, 26 (5), 447-463, 2007.
[6] K. Jayaraman, R. Lin, D. Bose, M. Maarouf Natural fibre-reinforced thermoplastics processed by rotational moulding. Advanced Materials Research 29 (30), 307–310. 2007
[7] R. H. López-Bañuelos, F. J. Moscoso, P. Ortega-Gudiño, E. Mendizabal, D. Rodrigue, R. González-Núñez. Rotational molding of polyethylene composites based on agave fibers. Polymer Engineering & Science. 52 (12), 2489-2497, 2012.
[8] W. Yan, R. Lin, D. Bhattacharyya. Particulate reinforced rotationally moulded polyethylene composites–mixing methods and mechanical properties. Composites science and technology, 66 (13), 2080–2088, 2006.
[a1] Profesor Investigador de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo
[a2] Profesor del Instituto Lumière de Ocotlán Jalisco