Introducción

Actualmente, los altos niveles de contaminación del planeta han provocado la necesidad de crear tratamientos amigables de desechos, buscando alternativas de re aprovechamiento de estos para la obtención de materias primas de bajo impacto ambiental. Como resultado de esta búsqueda, destacan los productos provenientes de fuentes biomásicas, los cuales son un objeto importante de estudio en la ciencia e innovación tecnológica, debido a sus diferentes propiedades, pues se pueden emplear como fuente energía renovable por medio de procesos como la pirolisis o gasificación (Thinkohkaew et al., 2020)[1], otro tipo de propiedades presentes en fuentes biomásicas consisten en la capacidad de actuar como aislantes térmicos o aislantes sónicos (Muthuraj et al., 2019)[2]. La fibra de coco es un ejemplo de estos, al ser un material renovable y abundante, el cual está compuesto en su mayoría por lignina y celulosa (Rincón et al., 2016)[3].

En Costa Rica se pueden encontrar palmeras de coco alrededor de todas las zonas costeras del país, esta es una fruta utilizada como alimento y de manera medicinal, haciendo que la industria cocotera sea importante en del desarrollo de la economía local (Farley, 2019).[4] La recolección de la fruta se realiza diariamente a lo largo de toda la zona costera del país, y es transportada hasta depósitos donde se extraen sus productos. No obstante, la cáscara sobrante es depositada en un vertedero o basurero no autorizado, y este tipo de residuos al no recibir un tratamiento adecuado termina provocando exceso de contaminación (Alvarado Chacón et al., 2018)[5].

El cultivo de la planta ha aumentado a nivel mundial, principalmente en los países asiáticos (Alvarado Chacón et al., 2018)[5]. La popularidad de este producto se ha basado en versatilidad para la confección de productos cosméticos, artesanales, así como combustible alternativo por su alta capacidad calorífica; de igual forma, se utiliza como carbón activado para la absorción en el tratamiento de agua (Anuar et al., 2018)[6]. En el mundo se da una producción aproximada de 50 mil millones de cocos cultivados, del cual el 85% en la actualidad contribuyen a un aumento en la contaminación (Cimons, 2014).[7] Resulta evidente la falta de centros de tratamiento de este tipo desechos a nivel mundial, y Costa Rica no es la excepción.

Según una investigación del Ministerio de Salud de Costa Rica (2008)[8], el país reporta dentro de la evaluación de los impactos ambientales generados por sitios de disposición final de residuos sólidos, únicamente el Vertedero de Cartagena, en la zona del Caribe costarricense, como centro de recolección de cultivos de pipa, coco y otros desechos orgánicos; sin embargo, se ha dado inicio a la implementación de políticas públicas sostenibles para la planificación y manejo de recursos para la recolección, disposición y tratamiento de los residuos sólidos (Campos Rodríguez y Soto Córdoba, 2014).[9]

Por otro lado, se han realizado investigaciones para la utilización de la fibra de coco como aislante térmico en diferentes áreas. Por ejemplo, se han obtenido placas de fibras de coco y bagazo como recubrimiento de techos en Tailandia (Panyakaew y Fotios, 2011).[10] De igual forma, Ellison (2013)[11] ha profundizado el estudio de las biomimesis, donde se da un análisis de la importancia de los materiales fibrosos en el desarrollo tecnológico e ingenieril. Navacerrada et al. (2016)[12] efectuaron una caracterización acústica y térmica de no tejidos basados en fibras de coco y fique, donde por medio de un ligante (látex) formaron placas no tejidas. A las cuales les determinaron la conductividad térmica con un medidor de flujo de calor.

Es por ello que esta investigación se plantea determinar la capacidad de aislamiento térmico de las fibras de coco y su resistencia a la tracción mediante la adición de ácido poliláctico como aglutinante, aprovechando la abundancia de esta materia prima en la Zona Caribe costarricense.

Metodología

En la figura 1 se muestra un diagrama resumen de la metodología empleada para la elaboración de placas de aislamiento térmico a partir de fibra de coco empleando ácido poliláctico (PLA) como aglutinante.

Procesamiento de la muestra

Se realizó la recolección de la muestra en la zona de Batán, Limón, Costa Rica. Posteriormente se efectuó un pretratamiento, que consistió en un proceso de secado en un horno a 100°C durante 2 horas. Finalmente se sometió la cáscara de coco a una molienda empleando mallas de 1.5mm y 4mm.

Tratamientos

Se efectuaron dos tratamientos. El primero consistió en realizar un lavado con acetona en donde se utilizó una relación masa volumen de 18g de fibra de coco en 300mL del disolvente, a una temperatura de 50°C por un tiempo de 30 min.; finalizado dicho tiempo se decantó la muestra y se secó la fibra a 65°C por 1h, permitiendo remover impurezas como grasas vegetales y contaminantes presentes en la fibra de coco. De esta manera, se puede analizar su influencia en la conductividad térmica del material. El otro tratamiento empleado fue el acetosol, proceso que se llevó a cabo mediante la adición de ácido acético al 50 %, con adición ácido clorhídrico al 0,3 %; la mezcla se mantuvo en ebullición durante 1 hora, posteriormente se decantó y se secó en un horno a 65 °C por 24 horas (Hernández Hernández et al., 2016)[13]. De tal forma que se puede estudiar la influencia de la lignina sobre la conductividad térmica del material.

Caracterización química o composición

La determinación de la composición se efectuó con base en la norma TAPPI: T280 pm-99 (TAPPI, 1999)[14], así como en los reportes técnicos: NREL/TP-510-42620 (Hames et al., 2008)[15], NREL/TP-510-42618 (Sluiter et al., 2012).[16]

Elaboración de placa

Para la elaboración y moldeado de las placas se utilizó una prensa hidráulica que trabajó a una temperatura de 145°C y 34,3 KPa. Se trabajó con las dimensiones las placas de 120x120mm. A las placas confeccionadas no se les adicionó ningún tipo de aglutinante.

Conductividad

Se determinó mediante el equipo de conductividad térmica PASCO TD-8561 y la caldera TD.8556, los cuales permiten determinar la conductividad térmica de un material de manera experimental por medio de la taza de fusión de un hielo cilíndrico, la disminución de diámetro y diferencia de peso.

Elaboración de placas con aglutinante

Se realizó un diseño factorial 22 en donde se evaluaron dos concentraciones diferentes de PLA (25,29 % y 30,85 %), así como dos tamaños de fibra de coco (1,5 y 4mm). El proceso de prensando se realiza en condiciones de (186-190) °C y (9,8-14,7) KPa, durante 7 minutos, empleando como variable respuesta la resistencia a la tracción. Para realizar estas pruebas se determinaron condiciones de trabajo y diseño, como: una temperatura de confección de la placa de 185°C, pues esta temperatura no degrada la fibra y permite la fusión del PLA sin quemar el material. Además, se definió el prensado a 9,8 KN como mínimo, 14,7 KPa como máximo, debido a que, con valores menores al mínimo, no se da una correcta distribución y fusión del ácido poliláctico y a valores mayores a 14,7 KPa, no existe diferencia e implica mayor energía.

Resistencia (condiciones y diseño)

Los ensayos de tracción se realizaron bajo la norma: “ASTM D4595-17 Standard Test Method for Tensile Properties of Geotextiles by The Wide width Strip” (ASTM International, 2017).[17] Para la prueba se determinaron condiciones de trabajo como una velocidad de 3 mm/min y una fuerza de tracción de 178,8 (±71,2) N.

Resultados y discusión

En la primera parte de la investigación se caracterizó la fibra de coco sin ningún tratamiento, como aquellas con los dos tratamientos descritos anteriormente. Esto permitió medir la celulosa, hemicelulosa, lignina, ceniza y extractivos liposolubles. En la tabla 1 se reportan los datos promedio recopilados en la caracterización.

En un estudio de Rincón et al. (2016)[3] se caracterizó fisicoquímicamente y funcionalmente la fibra de coco sin tratamientos en el Estado de Nayarit, México, y se reportó que la fibra de coco se encuentra compuesta aproximadamente por 35,9 % de celulosa, 18,56 % de hemicelulosa y 19,38 % de lignina, las cuales se determinaron por el método de la Association of Official Analytixal Chemist de 1984. Por su parte, Panyakaew y Fotios (2010)[10], caracterización la fibra de coco en Tailandia por el método de CAPPIT222-cm-98, reportando que el mesocarpio está compuesto por un 36,73 % de lignina. Por último, Samanta et al. (2018)[18] por medio de un tensioactivo no iónico (2 %) eliminaron las impurezas adheridas a la superficie y algunos materiales cerosos y por medio de una caracterización reportaron que la fibra de coco posee 38,9 % de celulosa, 32,6 % de lignina y 24,2 % de hemicelulosa.

Como se logra observar, los datos obtenidos se encuentran dentro del rango con los mostrados en las otras investigaciones previas. No obstante, el porcentaje de celulosa y lignina es alto en el mesocarpio de coco, exceptuando la investigación de Rincón et al. (2016).[3] Es importante observar que la fibra caracterizada muestra un aumento aún mayor en cuanto al porcentaje de lignina y reducción de celulosa en su composición. Estos resultados se asocian directamente con las características físicas de la cáscara como la rigidez, la capacidad de retener líquido y absorber agua.

Por otro lado, Hernández Hernández et al. (2016)[13] utilizaron el método de acetosol en fibras de residuos de hojas de agave para cambiar la topografía de la superficie de la fibra y provocar su deslignificación.

En este trabajó se utilizó el procedimiento para analizar los cambios en la rigidez de la fibra de coco y su efecto en la conductividad térmica a la hora de reducir el porcentaje de lignina. Además, como se puede observar en la tabla 1, el tratamiento de acetosol en efecto resultó en la reducción de lignina en la fibra en comparación, tanto con el tratamiento de acetosol y la fibra sin tratar. Además, del proceso se obtuvo una reducción de los extractivos liposolubles.

El tratamiento con acetona se utilizó para eliminar impurezas adheridas a la superficie de la fibra, grasas vegetales, materiales cerosos, reducción de los extractivos liposolubles y analizar los cambios en la conductividad térmica de la fibra al no contar con las impurezas para realizar una comparación entre las distintas configuraciones o tratamientos con los que se trabajó la fibra (TAPPI, 1999).[14] En este caso, según la tabla 1, la fibra tratada con acetona no llevó a efecto ningún cambio que se pueda denotar de forma cuantitativa, dado que su composición es similar a la de la fibra sin tratamientos.

Una vez aplicados los tratamientos, se formaron placas de fibra sin aglutinante de las cuales se observó que las placas más rígidas son las que se realizaron con el tratamiento de acetona. Esto dado su alto porcentaje de lignina. No obstante, las placas perdían su forma, ya que no tenían la capacidad de entrelazar las fibras por medio de calor y prensado, obteniendo placas no homogéneas, sin rigidez ni resistencia a la tracción.

Por último, las placas a las que se aplicó acetosol presentaron una coloración marrón como se muestra en la figura 2; producto del proceso de deslignificación ácida, su rigidez y resistencia a la tracción fueron casi inexistentes, ya que las placas perdían su forma con mayor facilidad y en menor tiempo, como se observa en la figura 3. Por esta razón, se planteó la posibilidad de añadir un aglutinante en pruebas posteriores.

Los datos de conductividad térmica de las placas de fibra de coco confeccionadas sin aglutinantes de los tres tratamientos se muestran en la tabla 2. En la tabla 3 se encuentran los valores del análisis estadístico de los resultados de conductividad térmica, los cuales indican que los tratamientos son significativamente diferentes, además los datos se reportan con un 95 % de confianza.

Según los datos presentados en la tabla 3, al realizar la deslignificación de la fibra de coco hay un aumento en la capacidad de conducción de calor. Por su parte, con la aplicación del tratamiento con acetona, nuevamente se presenta un aumento del coeficiente de conductividad térmica en comparación a la fibra de coco sin tratar. Las mediciones realizadas permiten diferenciar que el método más práctico para la elaboración de las placas de aislamiento térmico es la utilización de la fibra de coco sin tratamientos, ya que posee un coeficiente de conductividad menor. Esto quiere decir que la transferencia de la energía cinética a través de las placas como resultado de un gradiente de temperatura se dará con mayor dificultad, lo cual le otorga al material la cualidad de ser aislante térmico.

Según un estudio en el que realizó una caracterización fisicoquímica y térmica de la lignina de la médula de coco, se observó que reducir la lignina disminuye la estabilidad térmica del material (Asoka Panamgama y Peramune, 2018)[19].

Por otro lado, en una investigación en la que se elaboraron paneles de aislamiento térmico a partir de fibra de coco sin el uso de aditivos y sin tratamientos a las fibras, se reportó que la fibra de coco posee aproximadamente una conductividad térmica de (0,046-0,068) W°C-1m-1 y una composición de 36,73 % de lignina (Panyakaew y Fotios, 2011)[10]. Se logra observar una variación en los datos obtenidos en comparación con las fuentes consultadas, ya que se cuenta con el aumento en la composición de lignina y una reducción en el coeficiente de conductividad térmica.

En la tabla 4 se presenta una comparación de la conductividad térmica de la fibra de coco con los distintos tratamientos y otros materiales comerciales. Se observa un incremento en la conductividad térmica de la fibra de coco sin tratar con la adición de ácido poliláctico (PLA) como aglutinante.

Según el estudio de Molina et al. (2021)[20], la conductividad térmica del PLA es de (0,13 - 0,16) W/m*ºC. Esto quiere decir que la presencia del PLA en porcentajes entre (25,29-30,85) % provoca un aumento en la conductividad térmica del material.

Cuando se aplica el prensado en caliente de la fibra de coco con los distintos tratamientos sin la implementación de aglutinantes, se obtiene una distribución de la fibra heterogénea en su totalidad y no posee elasticidad, rigidez o fuerza a la tracción. Por ello, se añadió ácido poliláctico (PLA) como aglutinante, ambos materiales se sometieron a un tamizado para alcanzar un grado de homogeneidad en las placas, que mejore sus propiedades físicas al ser unidos en un panel.

Para la fabricación de las placas se utilizó la fibra de coco sin tratar, dada su composición y capacidad como aislante térmico. Se seleccionó PLA debido a que es un termoplástico con un punto de fusión de 150-162 °C, un módulo de tracción específico (E*) de 0,28-2,80 kNm g-1, densidad de 1,21-1,25 gcm-3, es fácil de sintetizar, biodegradable, con propiedades físicas y mecánicas útiles para la elaboración de placas de aislamiento térmico que permitan su maleabilidad (DeStefano et al., 2020).[21]

Los datos correspondientes a los ensayos de tracción aplicados a las placas de fibra de coco confeccionadas con PLA como aglutinante se muestran en la tabla 5. Para el análisis estadístico de las pruebas de tracción, se utilizó la prueba de Barlett y se determinó un Xo 2 de 5.03 y un X(a,k-1) 2 de 7,815; por lo que el diseño estadístico posee una varianza constante. El mismo se reporta con un 95 % de confianza.

Los ensayos de tracción se analizaron mediante un diseño factorial 22 para el cual se tomó como parámetro el tamaño de partícula de fibra de coco y el porcentaje de PLA a lo largo de cada placa. Según los datos presentados en la tabla 5, al trabajar con un tamaño de partícula de 1,5mm y 30,85 % de PLA, hay un aumento en la capacidad resistir la fuerza en tracción antes de su fractura. Las mediciones realizadas y el análisis estadístico permiten diferenciar que el tamaño de la partícula influye en la resistencia de la placa: Un menor tamaño de partícula permite obtener una mayor homogeneidad en la confección de la placa, así como también permite una mejor distribución del PLA a lo largo de la misma; esto se debe a que cuanto mayor tamaño posea la fibra, presentará mayores imperfecciones, lo cual afecta el funcionamiento del material; además, se observó en una investigación que la vida útil de la fibra de coco es aproximadamente de 30 a 50 años (Escudero y Aristizábal, 2017)[22].

En la figura 5 se observa que no existe interacción entre los factores considerados para los ensayos de tracción, lo cual se afirma por medio del Valor p obtenido de manera experimental correspondiente a (0,746); en la figura 6 se estudia el comportamiento y la tendencia de los efectos donde nuevamente se determina que el mejor comportamiento de las placas de fibra de coco con PLA está sujeto a un tamaño de partícula de 1,5mm y un 30,85 % de ácido poliláctico.

Conclusiones

Para la realización de un material aislante a partir de mesocarpio de coco se debe emplear la fibra sin ningún tratamiento, pues los resultados obtenidos en los coeficientes de conductividad térmica demuestran que el tratamiento de deslignificación aumenta la conductividad térmica.

Es claro que los paneles aislantes sin aglutinantes fabricados con fibra de coco no son aptos para su comercialización, ya que no muestran mayores propiedades mecánicas dado que no cumplen requisitos. Una alternativa es la adición del PLA en un proceso de prensado a una temperatura entre (186-190) °C, una presión entre (9,8-14,7) KPa, durante 7 minutos y reduciendo el tamaño de la fibra a un tamizado de 1,5 mm. Es importante destacar que a las condiciones anteriores el PLA no pierde sus propiedades mecánicas, no reduce su vida útil ni se expone a una degradación térmica del material. A su vez, les otorga maleabilidad a los paneles y una resistencia a la tracción de hasta 290,33± 48,73 N.

Para introducir este tipo de aislante térmico al mercado, es necesario realizar nuevas investigaciones relacionadas con el crecimiento de hongos, control de humedad, absorción de agua y vida útil, ya que con este estudio no es posible determinar si el aglutinante al ser un plástico, otorga en su totalidad sus propiedades impermeables.

Referencias bibliográficas

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