Cómo mejorar los coches con fibras de plátano y nanotubos de carbono

Investigadores de la Universidad de Johannesburgo (Sudáfrica) demuestran que un tipo de plátano con almidón, combinado con nanotubos de carbono, puede ser una fuente prometedora para un tipo emergente de materiales compuestos de uso en la industria automotriz.

Mundo Geo

un tipo de plátano con almidón podría ser una fuente prometedora para nuevos materiales compuestos de uso en la industria automotriz. iStock
un tipo de plátano con almidón podría ser una fuente prometedora para nuevos materiales compuestos de uso en la industria automotriz. iStock

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 sedanes y cupés de alta gama los utilizan en materiales compuestos para paneles de puertas interiores; motor, aislamiento interior y acústico; y cubiertas internas del motor, entre otros usos.

A diferencia de los aceros o el aluminio, los compuestos de fibra natural no se oxidan ni corroen. También pueden ser duraderos y fáciles de moldear

Los mayores beneficios que los compuestos de polímeros reforzados con fibra aportan a los automóviles son un peso ligero, unas buenas propiedades de choque y unas extraordinarias características de reducción de ruido y vibraciones.

Pero, hoy día, fabricar más partes de un vehículo a partir de fuentes renovables es un desafío. Los compuestos de polímero de fibra natural pueden agrietarse, romperse y doblarse como consecuencia de su resistencia a la tracción o a la flexión.

Sin embargo, investigadores de la Universidad de Johannesburgo acaban de demostrar que un tipo de plátano con almidón podría ser una fuente prometedora para nuevos materiales compuestos de uso en la industria automotriz. Las fibras de plátano natural se combinarían con nanotubos de carbono y resina epoxi, un polímero termoestable endurecido con un catalizador usado para todo tipo de reparaciones, para formar un material híbrido nanocompuesto de polímero reforzado con fibra natural.

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 el peso total de la resina epoxi-plátano combinada.

El nanocompuesto de plátano resultante fue mucho más fuerte y rígido que la resina epoxi por sí sola

El material compuesto resultante tenía un 31% más de resistencia a la tracción y un 34% más de resistencia a la flexión que la resina epoxi. El nanocompuesto también tenía un módulo de tracción 52% mayor y un módulo de flexión 29% mayor.

"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 automóviles", declaraba en un comunicado el profesor Tien-Chien Jen, investigador principal del estudio y el Jefe del Departamento de Ciencias de la Ingeniería Mecánica de la Universidad de Johannesburgo.

La investigación fue apoyada por fondos del Comité de Investigación de la Universidad de Johannesburgo y la Fundación Nacional de Investigación de Sudáfrica.

Fibras naturales vs metales

"La producción de piezas de automóviles a partir de fuentes renovables tiene múltiples beneficios", declara en el mismo comunicado de prensa 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 vehículos. La razón es que los compuestos de fibras naturales son renovables, de bajo costo y tienen baja densidad. Tienen una alta resistencia y rigidez específica. Los procesos de fabricación son relativamente seguros", asegura.

"El uso de piezas de automóviles hechas de 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 se corroerán como los metales. Además, pueden ser rígidos, duraderos y fácilmente moldeables", añade en el comunicado.

Sin embargo, no todo son alegrías. Algunos compuestos de polímeros reforzados con fibra natural presentan importantes desventajas como la absorción de agua, la baja resistencia al impacto y la baja resistencia al calor. Los propietarios de automóviles pueden notar defectos como el agrietamiento, la flexión o la deformación de una parte del automóvil, asegura Imoisili.

El compuesto  también mostró una notable mejora en la microdureza, resistencia al impacto y conductividad térmica en comparación con la resina epoxi.

Moldear un nanocompuesto a partir de fibras naturales

Los investigadores moldearon por compresión un 'objeto de prueba de esfuerzo'. Utilizaron 1 parte de fibras de plátano no comestibles, 4 partes de resina epoxi y nanotubos de carbono de paredes múltiples. Tanto la resina epoxi como los nanotubos provenían de proveedores comerciales. El epoxi era similar a las resinas que los fabricantes de automóviles usan en ciertas piezas de automóviles.

Los materiales nanocompuestos pueden reducir la masa de un vehículo y mejorar la eficiencia del combustible. Universidad de Johannesburgo.
Los materiales nanocompuestos pueden reducir la masa de un vehículo y mejorar la eficiencia del combustible. Universidad de Johannesburgo.

Las fibras de plátano provenían de los 'troncos' o pseudo-tallos, de plantas de plátano en la región suroeste de Nigeria. Los pseudo-tallos consisten en hojas superpuestas y muy compactadas.

Los investigadores trataron las fibras con varios procesos. En primer lugar aplicaron un método antiguo, llamado extracción de agua, con el que separar las fibras vegetales de los tallos. En el segundo proceso las fibras se remojaron en una solución de sosa cáustica al 3% durante 4 horas. Después del secado, las fibras se trataron con radiación de microondas de alta frecuencia de 2,45 GHz a 550 W durante 2 minutos.

Los tratamientos con sosa cáustica y microondas mejoraron la unión entre las fibras de plátano y la resina epoxi en el nanocompuesto

Luego, los investigadores dispersaron los nanotubos en etanol para evitar el "agrupamiento" de los tubos en el material compuesto. Después de eso, todos los materiales se combinaron dentro de un molde. El molde se comprimió luego con una carga durante 24 horas a temperatura ambiente.

Problemas de seguridad alimentaria 

El plátano se cultiva en regiones de México, Florida y Texas en América del Norte; Brasil, Honduras y Guatemala en América del Sur y Central; India, China y el Sudeste Asiático.

En África occidental y central, los agricultores lo cultivan en Camerún, Ghana, Uganda, Ruanda, Nigeria, Costa de Marfil y Benin.

El uso de biomasa de los principales cultivos alimentarios básicos puede crear problemas en la seguridad alimentaria para las personas con 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 esta fruta, las tensiones potenciales entre la seguridad alimentaria y los usos industriales de los materiales compuestos son bajas. Esto se debe a que los productores de plátano descartan los seudo tallos como residuos agrícolas después de la cosecha.

Fuente: Eurekaalert