La urgente necesidad de reducir el deterioro del medio ambiente ha llevado a la búsqueda de materiales menos contaminantes. La obtención de estos nuevos materiales compuestos degradables o biodegradables en aplicaciones de ingeniería, representa retos tecnológicos. En este artículo científico, se presenta una descripción, en términos generales, de algunos materiales compuestos elaborados con fibras naturales y con material particulado, haciendo énfasis en el endocarpio de coco, la parte interna más dura de este fruto, así como también se describen aspectos generales del sector que involucra su producción en Colombia.
Presentación
“El coco, recurso renovable para el diseño de materiales verdes” es un artículo científico elaborado por Luz Stella Arias Maya y Ana Fernanda Trujillo Sánchez de la Universidad Católica de Pereira (Colombia), publicado en el año 2013 en la revista científica “Entre Ciencia e Ingeniería”, el cual presenta el endocarpio del coco como un material natural alternativo para la fabricación de materiales compuestos, explicando sus características y comparándolo con otras fibras naturales y otros materiales empleados en Colombia.
Los materiales compuestos (MCs) están formados básicamente por una matriz y un refuerzo. Tanto la matriz como el refuerzo cumplen una función y tienen unas propiedades individuales que se complementan en el material que conforman. La explotación, obtención y disposición final de los materiales sintéticos que son usados como constituyentes en materiales compuestos, generalmente causan un impacto negativo sobre el medio ambiente, por lo que se busca sustituirlos por materiales naturales. Estos últimos, son biodegradables, fáciles de manipular y menos tóxicos. Así, se hace uso de una fuente renovable como el fruto de la palma de coco que puede favorecer el entorno social y ambiental.
Colombia cuenta con un amplio territorio apto para el cultivo de diferentes especies vegetales fundamentales en la industria de alimentos. De éstas, se pueden aprovechar diferentes partes en la ingeniería, como es el caso de la palma de coco, que se podría dar apropiadamente en cerca de 70.000 hectáreas del territorio colombiano, y de cuyo fruto pueden aprovecharse todas sus partes. El coco consta de tres partes principales: endocarpio, mesocarpio y endospermo. De las tres, el endocarpio es la parte más dura, similar a una madera y es aprovechado principalmente en la elaboración de artesanías y como combustible, pero generalmente es desechado. No obstante, por esta característica, es apto para ser usado como refuerzo en materiales compuestos.
El endocarpio de coco sigue considerándose un desecho que podría aprovecharse a mayor escala para obtener un beneficio ambiental y económico. Esta parte del fruto de la palma de coco ha sido empleada como refuerzo en materiales compuestos con resultados satisfactorios en otros países. Sin embargo, en Colombia no se han desarrollado ecocompuestos o biocompuestos reforzados con endocarpio de coco, por lo que se desconocen sus propiedades.
Este artículo, en realidad forma parte de un estudio mayor hecho en la Universidad Tecnológica de Pereira (Colombia) por las mismas autoras, donde se obtuvieron las propiedades de dos clases de matrices de origen polimérico reforzadas con endocarpio de coco y cuyos resultados fueron publicados en otro artículo. En este caso, se muestra una revisión de aspectos técnicos y científicos sobre el coco como material de refuerzo en matrices sintéticas. Además, se dan algunos aspectos generales de los eco-compuestos o compuestos verdes, y, de igual manera, se describen aspectos generales del sector que involucra la producción de este fruto en Colombia.
Estudio del endocarpio de coco como material de refuerzo en matrices sintéticas
A continuación, se explican las propiedades del coco que lo hacen adecuado como material de refuerzo para materiales compuestos, su cultivo en Colombia, y cómo se puede agregar el endocarpio de coco a otras matrices sintéticas.
Características del coco
El coco es el fruto de la palma de coco o cocotero (Cocos nucifera L.), la cual es una planta monocotiledónea que pertenece a la familia Palmae, originaria de la zona insular asiático-pacífica que se distribuyó por el Caribe, el noroeste de América del sur y Brasil, durante el descubrimiento del nuevo mundo en el siglo XVI. Las variedades más destacadas, son los cocoteros altos y los enanos, pero han sido reconocidas sesenta variedades. Presenta un buen desarrollo en regiones cuya altitud está por debajo de los 250 msnm, en un rango de temperatura promedio entre 28 y 35°C. El suelo apropiado deber ser arenoso o fango-arenoso, que permita un buen drenaje del agua, por lo que se cultiva sobre todo en costas.
Por su parte, el fruto de la palma de coco es una drupa monosperma. Se compone de un exocarpio, mesocarpio, endosperma, agua de coco y endocarpio. El fruto completo puede llegar a pesar de 1 a 1,5kg en su etapa madura y las proporciones aproximadas de sus partes son las siguientes: Mesocarpio 35%, Endocarpio 12%, Endosperma 28% y Agua de coco 25%.
El endocarpio es la capa dura de color marrón, que, en algunos casos, sirve como combustible por su alto contenido de lignina. Este material seco, está compuesto principalmente por celulosa, hemicelulosa y lignina, en proporciones tales que se asemeja a una madera dura. La celulosa es un homopolisacárido y la materia orgánica más abundante en el mundo. Desde 1889 ha sido una opción en la fabricación de fibras destinadas a sustituir la seda natural. Esta aplicación tuvo acogida un tiempo, hasta que fueron sintetizados polímeros como el poliéster y diferentes tipos de poliamidas, que reemplazaron las fibras naturales. Por su parte, la lignina es la segunda materia biológica más abundante en el mundo. Es un polímero conformado por unidades de fenilpropano y es considerada como una de las moléculas responsables de otorgar mayor dureza a las maderas.
El endocarpio de coco ofrece buenas características como materia prima para obtener carbón activado para filtros, y puede servir, además, de componente en tableros aglomerados o para elaborar implementos caseros, como tazas o platos. El endocarpio en polvo, ha sido usado como un abrasivo suave para la limpieza de pistones y como carga de resinas, por dar mejores acabados superficiales, sin embargo, estas dos últimas aplicaciones se han hecho de manera empírica.
En Colombia no hay documentación sobre el uso del endocarpio de coco en un material de ingeniería. En contraste, se registra que una pequeña fracción de este material es utilizado en aplicaciones artesanales y para la agricultura, pero la mayor parte es desechada. En este trabajo se ha visto que este presenta propiedades mecánicas y físicas que validan su uso en otras aplicaciones diferentes a las acabadas de mencionar.
La composición química del endocarpio de coco, como en cualquier otra fibra o corteza, depende de diferentes factores como la edad de la planta, las condiciones climáticas específicas de la zona donde se cultivó la planta y el proceso de degradación que se haya presentado hasta su recolección o análisis. En la siguiente tabla 1 se presentan algunos datos comparativos de la principal composición química del endocarpio de coco, la cáscara de cebada y una madera blanda. Asumiendo que el endocarpio es el más duro, seguido de la cáscara de la cebada y, por último, la madera blanda, se puede inferir que, al disminuir el contenido de celulosa, aumenta la dureza, pero no hay un marcado efecto de la concentración de lignina, en dicha propiedad, como se observa en la tabla.
Por otra parte, en esta otra tabla 2 se puede observar que, en algunas fibras vegetales, el mayor contenido de celulosa parece estar asociado con una mayor resistencia a la tracción.
Cultivo del coco en Colombia
Colombia cuenta con las condiciones geográficas apropiadas para el cultivo de la palma de coco, y contribuye con un 0,23% a la producción mundial de su fruto. Se estima que cerca de 70.000 hectáreas de tierras colombianas son aptas para el cultivo del coco, destacándose en el Litoral Atlántico las regiones de Santa Marta, Dibulla, Urabá e Islas de San Andrés y Providencia; y en el Litoral Pacífico, los departamentos de Nariño y Cauca.
Sin embargo, la situación de los productores nacionales de coco es desfavorable, puesto que el costo del producto no es competitivo frente al de países vecinos. Algunas de las causas incluyen las dificultades en el transporte y la falta de la tecnificación adecuada para el mantenimiento del cultivo. Como consecuencia, ha resultado más económico importar el fruto.
Materiales compuestos reforzados con endocarpio de coco
Un material compuesto (MC) se genera de la combinación de dos o más constituyentes, sin que se presente una reacción química entre ellos. Este material debe tener mejores propiedades que sus constituyentes aislados. Los constituyentes pueden identificarse como matriz y refuerzo, cada uno de los cuales cumple una función importante dentro del material. Así, la matriz se caracteriza por ser una fase continua que actúa como ligante y el refuerzo es la fase discontinua que generalmente aporta la resistencia a la tracción. La interfase es la zona de contacto de los dos anteriores, que tiene gran importancia debido a que allí se pueden alterar las propiedades mecánicas del material.
Existen varias clasificaciones de los MCs. Entre ellas, se diferencian los compuestos naturales, tradicionales y sintéticos. Un ejemplo claro de los naturales es la madera. Los tradicionales son aquellos que se han producido desde hace muchos años, como la paja en el barro o el hormigón. Por otra parte, los sintéticos son aquellos elaborados por el hombre.
Según el tipo de refuerzo, un MC puede clasificarse como estructural, reforzado con fibras o con partículas. Adicionalmente, los MCs se clasifican de acuerdo a la naturaleza del material de la matriz, la cual puede ser polimérica, cerámica o metálica.
Diferentes necesidades que pueden ser suplidas con el diseño y fabricación de MCs, van desde reducción de costos hasta el mejoramiento de las propiedades. Sin embargo, la tendencia actual es diseñar y elaborar materiales que no generen impactos nocivos sobre el medio ambiente, o al menos lo reduzcan, buscando aumentar la degradabilidad del material creado, aprovechando la descomposición temprana de los componentes naturales. Esto ha llevado a mezclar materiales naturales con sintéticos, sin alterar significativamente las propiedades mecánicas.
La importancia de descubrir o elaborar materiales compuestos con mayor resistencia mecánica, mayor vida útil y menor peso, se ha estudiado desde los años 60’s, y desde los 80’s se empezaron a desarrollar investigaciones encaminadas al óptimo aprovechamiento de los recursos disponibles y, desde ese momento, aparecen los biocompuestos y los ecocompuestos o compuestos verdes, tratando de proporcionar alternativas responsables con el medio ambiente. Algunas de sus aplicaciones se presentan en materiales de construcción, partes de automóviles y empaques de algunos productos.
Otros estudios han analizado materiales compuestos reforzados con endocarpio de coco y otras fibras naturales, viendo que este es estable hasta 195ºC, y una buena elongación o elasticidad y resistencia a la tracción. Aunque cabe indicar que los resultados varían un poco según la composición química del endocarpio de coco, la cual puede diferir de una región a otra.
En este trabajo, para seleccionar una matriz apropiada que pudiera ser reforzada con endocarpio de coco pulverizado, se tuvo en cuenta la naturaleza química de cada constituyente, para garantizar una buena interfase.
Como hemos visto, el endocarpio de coco está constituido mayormente por celulosa, hemicelulosa y lignina. Todos estos polímeros se caracterizan por tener anillos aromáticos y presencia del grupo hidróxilo (-OH). La celulosa es un polisacárido formado por unidades de glucosa. La hemicelulosa está formada por diferentes monómeros, entre los cuales se caracterizan la glucosa, galactosa, manosa, arabinosa y xilosa; y la lignina se destaca por la presencia de unidades de vainillina y siringilaldehído.
Las anteriores lignocelulosas tienen anillos relativamente neutros y estables. Sin embargo, la presencia de los grupos aldehído (-CHO), hidróxilo (-OH) y éter (-O-) dentro del anillo, les otorga un carácter “polar”. Por lo tanto, el endocarpio puede formar una buena interfase con un polímero que posea una estructura química semejante, de modo que los “polos” positivos del refuerzo interactúen con los “polos” negativos de la matriz y viceversa. Por esta razón, se seleccionaron el poliuretano y el almidón para ser reforzados con endocarpio de coco pulverizado.
Poliuretano
El poliuretano (PU) es un polímero formado por los monómeros di o poli-isocianato y un di o poli-ol. El grupo carbamidato (R–NH–C (=O)–O–R’) o uretano en el poliuretano, acentúa la presencia de “polos”, favoreciendo la interfase o interacción con material de origen vegetal. La forma más conocida del PU en el mercado, es como espuma, pero existen otras, como microespumas, elastómeros y poliuretanos termoplásticos.
El PU elastomérico es un material característico por soportar alta presión, cargas, impactos y desgaste. Es resistente a la corrosión, tiene alta elasticidad y amortiguamiento, sin embargo, no soporta grandes temperaturas y es costoso. El PU se caracteriza también por tener buena adherencia a otros materiales; así como es un material biocompatible, cuya principal aplicación es en la biomedicina, para la elaboración, por ejemplo, de catéteres cardiovasculares.
Según estudios, el PU es un material que presenta una mejor interacción con fibras naturales que otras resinas, debido a la interacción del grupo isocianato (presente en el PU) con el grupo hidroxilo (presente en fibras naturales). Por tanto, la posibilidad de adicionar partículas naturales como el endocarpio de coco pulverizado al PU, contribuiría a disminuir los volúmenes de este polímero arrojados al medio ambiente a la hora de ser desechado.
Almidón de yuca
El almidón es un polisacárido constituido básicamente por la mezcla de amilosa y amilopectina, dos polisacáridos conformados por unidades de glucosa, de la misma naturaleza del endocarpio de coco; con la ventaja de que se degrada por la acción enzimática de microorganismos. La amilosa es un polímero lineal, mientras que la amilopectina es ramificado, por lo que, la primera es más biodegradable que la segunda.
El almidón se encuentra en varios alimentos. Entre ellos, el almidón de yuca ha presentado mejores propiedades de flexibilidad y permeabilidad al vapor de agua.
Uno de los atractivos de los almidones es su gelatinización con la que se obtienen lo que hoy se conoce como biopolímeros, polímeros degradables por ser elaborados con materias primas animales o vegetales. La gelatinización es la transición más aprovechada industrialmente de los almidones.
Conclusión
El endocarpio de coco sigue considerándose un desecho que podría aprovecharse a mayor escala para obtener un beneficio ambiental y económico. Esta parte del fruto de la palma de coco ha sido empleada como refuerzo en materiales compuestos con resultados satisfactorios en otros países. Sin embargo, en Colombia no se han desarrollado ecocompuestos o biocompuestos reforzados con endocarpio de coco, por lo que, hasta ahora se desconocían sus propiedades.
Como se ha visto, el endocarpio de coco es un material muy recomendable para ser agregado a poliuretano o almidón de yuca y así formar nuevos materiales compuestos ecológicos.
Se recomienda continuar con la investigación para comprobar el efecto que la composición química del endocarpio recolectado en Colombia y su concentración en el compuesto (masa de endocarpio / masa total), tienen sobre las propiedades mecánicas finales; así como integrar otras áreas del conocimiento para comprobar el aporte que la adición del endocarpio de coco, tiene sobre la degradabilidad de los materiales obtenidos.
Fuente de este artículo
Este artículo fue publicado originalmente en la revista “Entre Ciencia e Ingeniería”, bajo la referencia: Arias Maya, L.S. y Trujillo Sánchez, A. F. (2013) “El coco, recurso renovable para el diseño de materiales verdes”, Entre Ciencia e Ingieniería, ISNN 1909-8367 Año 7. No. 14- Segundo semestre de 2013, página 93-100; el cual está disponible con acceso libre en dicha revista de la Universidad Católica de Pereira.
