Al igual que en muchos ámbitos productivos, la fabricación aditiva -más conocida como impresión 3D- enfrenta el desafío de trabajar con materiales más sostenibles y reducir su huella ambiental.
Un paso importante en ese sentido ha sido la incorporación de polímeros biodegradables como alternativas a los plásticos de origen fósil en la fabricación de los filamentos para las impresoras.
Entre ellos destaca el ácido poliláctico (APL en inglés), un polímero natural, biodegradable, que se obtiene del almidón de maíz, caña de azúcar o remolacha que, si bien ofrece un buen desempeño general, requiere aún mejoras en sus propiedades mecánicas.
Un estudio realizado en la Facultad de Ingeniería de la UdeC -cuyos resultados fueron publicados en la revista Polymers– abordó este reto, explorando la adición de fibras de cáñamo tratadas químicamente para mejorar la adhesión interfacial y la resistencia del material.
“Este trabajo nació de la inquietud por contar con materiales sostenibles en impresión 3D, mezclando el PLA, que es un material amigable con el medio ambiente, y el cáñamo, que es una fibra natural, para dar mayor resistencia al filamento”, contó la académica del Departamento de Ingeniería Mecánica, Dra. Meylí Valin Fernández.
Y aunque el objetivo de aumentar la resistencia del filamento no logró del todo, sí hubo progresos en torno a la adhesión interfacial; es decir, en la integración de la fibra (de cáñamo) en la matriz (el PLA).
“Uno de los problemas en la construcción de cualquier compuesto es cómo se establece la unión entre los materiales”, comentó la Dra. Valin.
Dos tratamientos
En el estudio, la adhesión interfacial se optimizó a través de dos tratamientos: la cationización con cloruro de trimetilamonio (EPTA) y la funcionalización con metacrilato de glicidilo (GMA).
En ambos casos se genera una modificación de la superficie de las fibras que, como explicó la especialista en materiales compuestos, fueron trabajadas a escala de micrones (una millónesima de milímetro).
En la cationización se introduce cargas positivas en las partículas de cáñamo, mientras que en la funcionalización el tratamiento consiste en “abrir los poros del material”, todo con la idea de facilitar la interacción y compatibilidad matriz-fibra.
En paralelo se realizaron ensayos con PLA reforzado con fibras sin tratar que mostraron una adhesión deficiente, ya que se genera microvacíos entre la matriz y las partículas de cáñamo.
En este caso, explicó la Dra. Valin, hubo una reducción de la resistencia a la tracción comparado con el PLA puro (punto de referencia del estudio).
En oposición, el material compuesto de PLA y fibras tratadas químicamente tienen un mejor desempeño en la adhesión.
Más resistencia
En los tratamientos con EPTA, la resistencia mecánica del material compuesto se acercó nuevamente a los valores del PLA de referencia. Esto quiere decir que “el proceso de cationización no deterioró la integridad estructural del polímero y permitió recuperar la cohesión entre la fibra y la matriz”, indicó la investigadora.
Algo similar ocurrió con el material reforzado con fibras funcionalizadas mediante GMA, donde además se observó un incremento de la ductilidad y una distribución interna más homogénea de las fibras.
“Una mayor ductilidad significa que el material puede deformarse más antes de fracturarse, haciéndolo menos frágil y más resistente a condiciones de flexión o impacto”, comentó.
Los análisis de microscopía reflejan una mejor distribución interna de la fibra, quedando más dispersas y ancladas de manera uniforme dentro de la matriz polimérica, evitando aglomeraciones y zonas débiles.
“Esto no solo mejora la transferencia de esfuerzos entre fibra y PLA, sino que también facilita el uso del material en aplicaciones reales, ya que se obtiene un biocompuesto más estable, más predecible en su comportamiento mecánico y más adecuado para procesos de fabricación como la impresión 3D, donde la homogeneidad interna es clave para asegurar calidad dimensional y resistencia en todas las direcciones”, puntualizó.
Mejores desempeños
Pero fue en la combinación de ambos donde se alcanzaron los mejores desempeños mecánicos, con la reducción de vacíos interfaciales y una mejor impregnación de la fibra en la matriz, permitiendo una transferencia de carga más eficiente.
Esto se verificó en la morfología de la fractura (pruebas de rotura del material), donde las fibras de cáñamo tratadas con EPTA y funcionalizadas con GMA presentaron un mejor anclaje dentro de la matriz, reduciendo la propagación de defectos.
Las imágenes de microscopía SEM confirmaron que los tratamientos reducen defectos interfaciales; es decir, hay menos zonas de separación entre fibra y matriz, y por tanto un mejor anclaje de las partículas de cáñamo en el polímero.
La académica señaló que estos resultados son un punto de partida en las investigaciones de polímeros naturales reforzados para filamentos 3D, puesto que fueron ensayos muy acotados en el tiempo.
La idea es seguir afinando los tratamientos y desarrollar pruebas con porcentajes mayores de fibra, pensando también en distintas prestaciones para este tipo de materiales.
Un material estéril e higiénico
Un hallazgo adicional de este trabajo fue la constatación de que el compuesto creado para la fabricación de los filamentos presenta propiedades especiales que lo hacen compatible con ambientes que deben mantenerse estériles.
“Los tratamientos aplicados tienen químicos que favorecen la esterilidad del material, entonces se podría hablar de usos en la fabricación en elementos asociados al área médica”, aseveró.
La Dra. Valin cuenta que el compuesto de ácido poliláctico reforzado con fibra de cáñamo tratada presenta características que permiten proyectarlo hacia aplicaciones donde la higiene, la esterilidad o la fácil desinfección son relevantes.
“Aunque el artículo no evalúa directamente propiedades antimicrobianas, el tratamiento de cationización introduce grupos amonio cuaternario en la fibra. Estos grupos, en otros contextos se asocian a efectos antibacterianos y facilitan una mejor compatibilidad química entre fibra y matriz”, detalló.
Los estudios de microscopía muestran, además, que el material presenta una superficie más compacta, con menor porosidad y mejor adhesión interfacial, lo que reduce la acumulación de microorganismos y favorece la limpieza.
Por otro lado, el PLA es un polímero compatible con métodos de esterilización suaves como tratamientos UV, de óxido de etileno, peróxido de hidrógeno y desinfección química, que no afectan su integridad estructura.
Aplicaciones biomédicas
De este modo, la académica señaló que el material podría ser utilizado en aplicaciones biomédicas de baja exigencia como férulas, soportes anatómicos, organizadores o carcasas de dispositivos impresos en 3D; así como también en envases y componentes para la industria alimentaria, artículos de higiene personal, piezas para laboratorios, contenedores reutilizables y elementos de diseño interior donde se requiera un comportamiento higiénico y superficies fáciles de desinfectar.
“En conjunto, este compuesto ofrece una interesante combinación de sustentabilidad, mejor desempeño mecánico y potencial funcionalidad higiénica, que abre oportunidades para su uso en entornos donde la seguridad sanitaria es importante”, aseveró.
Los resultados de este trabajo indican que el PLA reforzado con fibras naturales es una alternativa sostenible y de bajo impacto ambiental en comparación con los plásticos convencionales derivados del petróleo.
El cáñamo tratado con EPTA y funcionalizado con GMA puede utilizarse en la impresión 3D por modelado con fusión de filamento -la más común, donde se hace pasar el filamento fundido por una boquilla fina- ofreciendo un equilibrio entre resistencia mecánica y biodegradabilidad.
Este estudio muestra cómo la química aplicada a fibras naturales puede transformar materiales ya existentes, mejorando su desempeño y sostenibilidad, ofreciendo aplicaciones en diversos ámbitos.
