3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Adhesivos a base de proteína de soja, urea formaldehido y nanoarcillas para la formulación de tableros de partículas

Alejandro Bacigalupe 1,2*, Mariela Fernández 3,4, Patricia Eisenberg 1,2, Mariano M. Escobar 1,4 1: Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI). 2: Instituto de Investigación e Ingeniería Ambiental (UNSAM-3iA).

3: Centro de Tecnología de Recursos Minerales y Cerámica (CETMIC). 4: Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET). •abacigalupe@inti.gob.ar

1. INTRODUCCIÓN Los adhesivos a base de petróleo, como la urea formaldehido (UF), son ampliamente utilizados en la producción de tableros de aglomerados debido a su alta adhesión y bajo costo. Sin embargo, durante su utilización y post producción, se emite formaldehido. Por otra parte, la futura escases del petróleo hace suponer un aumento en los costos y una disminución en la disponibilidad de las materias primas (He et al., 2014). Los materiales a base de proteína de soja (SP) no emiten compuestos orgánicos volátiles (VOCs). Sin embargo, las propiedades adhesivas de estos productos deben ser mejoradas para alcanzar los valores de los adhesivos convencionales. En el presente trabajo se estudió la incorporación de arcillas del tipo montmorillonita (Mt) a una suspensión mezcla de UF y SP en una relación 9:1 en seco. 2. MATERIALES Y MÉTODOS Se incorporaron arcillas Mt a una suspensión UF/SP. Las muestras fueron identificadas como Mt-0, Mt-1, Mt-3 y Mt-5, en relación al contenido de Mt de cada uno (0, 1, 3 y 5% respectivamente). Se estudiaron las propiedades reológicas en un reómetro oscilatorio (Anton Paar MCR301). Se obtuvieron películas en estufa a 70 ° C durante 24 h, y se estudiaron por microscopía electrónica de barrido (MEB) en un microscopio FEI QUANTA FEG 250, y difracción de rayos X (DRX) en un difractómetro Philips PW 1710. Por último, se formularon tableros de partículas como se indica en la Figura 1 y se realizaron ensayos siguiendo los lineamiento de la norma ASTM D1037.

4. CONCLUSIONES • Se lograron adhesivos a base de UF/SP/Mt que pueden ser aplicados por spray. • La incorporación de Mt genera un aumento del módulo y del yield point de las suspensiones. • DRX y MEB confirman buena compatibilidad entre matriz y refuerzo. • Se observa una disminución en el hinchamiento en los tableros de partículas con Mt en su formulación. • La presencia de Mt en la formulación genera un aumento del MOR y el MOE.

5. AGRADECIMIENTOS Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCyT) PICT 2015: 3026 6. REFERENCIAS Chen P. y Zhang L., Biomacromolecules. 7, 1700-1706, 2006. He Z. et al., Ind Crop Prod. 61, 398-402, 2014. Zeng Q. et al., ‎J. Nanosci. Nanotechnol. 5, 1574–1592, 2005.

3.1. REOLOGÍA DE SUSPENSIONES UF/SP/Mt

3.2. INTERACCIÓN UF/SP/Mt

3.3. CARACTERIZACIÓN DE TABLEROS DE PARTÍCULAS

Fig. 3. Estructura química de la montmorillonita y posibles morfologías de los nanocompuestos.

0,1 1 10 100

100

1000

10000

UF

Mt-0

Mt-1

Mt-3

Mt-5

Shear

Vis

cosity (

mP

a.s

)

Shear Rate (1/s)

0,1 1 10 10010

100

1000

Mt-0

Mt-0

Mt-1

Mt-1

Mt-3

Mt-3

Mt-5

Mt-5

G' (P

a)

G''

(Pa

)

Shear stress (Pa)

G'

G''

Fig. 2. Reología de los adhesivos estudiados. (A) Curva de viscosidad en función de la velocidad de corte y (B) Módulo de almacenamiento (G’) y módulo de perdida (G’’) en función de la tensión de corte.

A B

Fig. 1. Formulación y caracterización de los tableros de partículas.

En las curvas de viscosidad (Fig. 2A) se observa el comportamiento newtoniano de la resina UF, con una viscosidad constante de 120 cP. Las mezclas UF/SPC (Mt-0) presenta comportamiento pseudoplástico debido a la presencia de moléculas de gran peso molecular. Sin embargo, a velocidades de corte similares a aspersión por spray, la viscosidad de las mezclas decae a valores comparables con la resina UF. La incorporación de arcillas incrementa el carácter pseudoplástico de las suspensiones debido a la capacidad de las laminillas de inmovilizar a las cadenas del polímero. Este fenómeno se hace más evidente a bajos valores de velocidad ( Zeng et al., 2005). El efecto de las arcillas en la reología del sistema también puede verse por ensayos a deformación controlada (Fig. 2B). La presencia de las nanopartículas genera un aumento de los módulos. Por otra parte, se observa también un aumento del yield point, proporcional a la concentración de arcilla en el sistema. Estos resultados indican una buena dispersión de las nanopartículas en la suspensión.

3 4 5 6 7 8 9 10

Mt-5

Mt-3

Mt-1

Mt-0

UF

Re

lative

In

ten

sity

2

Mt

Fig. 4. Patrones de DRX de las muestras estudiadas.

UF Mt 0

Mt 1 Mt 3 Mt 5

100 μm 100 μm

100 μm 100 μm 100 μm

Fig. 5. Imágenes de MEB de las superficies de fractura.

Al incorporar arcillas a una matriz polimérica, se pueden lograr diferentes grados de interacción (Fig. 3). En la Fig. 4 se presentan los patrones de DRX de la arcilla utilizada, y de los adhesivos estudiados. La arcilla presenta un pico de difracción de 2 en 7,5°, que está relacionado con la distancia interlaminar d001. Por otra parte, los nanocompuestos no presentan picos de difracción en el rango estudiado, indicando un buen grado de intercalación/exfoliación de la arcilla en la matriz (Chen y Zhang, 2006). La compatibilidad entre polímero y refuerzo también puede estudiarse por MEB (Fig. 5). La muestra UF presenta una fractura lisa y homogénea, mientras que se observa un aumento en la rugosidad proporcional a la concentración de Mt. La modificación de la rugosidad de la superficie de fractura se podría atribuir a fuertes interacciones entre proteínas y nanopartículas.

Muestra Densidad

(kg/m3)

Hinchamiento

2h (%)

Hinchamiento

24h (%) MOR (MPa) MOE (MPa)

UF 626 41 17,34 2,55 37,04 2,05 11,80 1,10 1393 183

Mt-0 689 21 20,27 3,03 33,03 1,75 10,6 0 1,45 1382 223

Mt-1 671 51 8,27 3,66 15,71 2,76 16,77 2,15 2337 302

Mt-3 675 57 7,19 1,77 17,12 2,34 12,02 4,18 2227 522

Mt-5 762 95 13,57 3,25 25,48 3,66 12,19 5,23 2138 837

Tabla 1. Propiedades físico-mecánicas de los tableros de partículas.

Los tableros de partículas que contienen Mt en su formulación presentan una significativa disminución en el hinchamiento a 2h y 24h (Tabla 1). Por otra parte, se observa un aumento del módulo de rotura (MOR) y del módulo aparente de elasticidad (MOE), en especial para la muestra con 1% de arcilla. Finalmente, se puede observar que los tableros a base de UF, SPC y Mt presentan mejores propiedades mecánicas y de resistencia al agua que los alcanzados con la resina comercial (UF), utilizada actualmente por la industria maderera.