Las características que describen a una fibra son su longitud, su diámetro y su aspecto o esbeltez, que es la relación entre la longitud y el diámetro. Las fibras vegetales están constituidas por ligamentos fibrosos, que a su vez se componen de microfibrillas dispuestas en agrupación con diferentes espesores y ángulos de orientación, las cuales son ricas en celulosa. Las diversas células que componen una fibra se encuentran aglomeradas por la mela intercelular, compuesta por hemicelulosa, peptina y principalmente lignina. La región central de la fibra también puede presentar una cavidad denominada lacuna. Las lacunas y los lúmenes son responsables de la gran incidencia de poros permeables en las fibras, ya que absorben una elevada cantidad de agua. A continuación, se describen las características de las fibras empleadas; fibra de lirio acuático, agave lechuguilla, zacate y coco.
2.5.1. Lirio Acuático
Eichhornia crassipes es una planta macófita de la familia de las monocotiledóneas. Es conocida como Lirio Acuático, Jacinto de Agua ó Buchón de Agua. Está constituida por un tejido de polisacáridos estructurales de celulosa y hemicelulosa, además de lignina, un polímero aromático, heterogéneo e insoluble en ácidos. E. crassipes es considerada una maleza acuática que aparece en lagunas, ríos y embalses en todo el mundo. Su capacidad de invasión afecta los ecosistemas acuáticos debido a su alto ritmo de multiplicación. Actualmente, se utilizan métodos mecánicos para contener su crecimiento, con equipos que la recolectan y luego la desechan en las orillas. Su distribución en México es sumamente amplia, ya que crece en una gran diversidad de hábitats dulce - acuícolas localizados desde el nivel del mar hasta los 2250 m de altitud. Los únicos lugares donde no se ha registrado son los estados de Baja California Sur, Chihuahua, Zacatecas, Tlaxcala y Yucatán (Miranda A., M. y Lot H., A., 1999).
Figura 14. Planta Eichhornia crassipes
2.5.2. Zacate
El maíz (Zea mays) es una planta herbácea anual, perteneciente a la familia de las gramíneas, catalogada dentro del grupo de los cereales. El maíz es un forraje de verano que en pocos meses proporciona una elevada cantidad de materia seca. Es nativa del hemisferio norte, originaria de México desde hace unos 10 mil años y que se cultiva en todo el mundo. Representa una de las principales fuentes de alimentación para casi todas las comunidades de México. Las regiones ganaderas de Jalisco, Guanajuato, Querétaro, Michoacán, Aguascalientes, Hidalgo, la región lagunera y otras, cada año destinan más maíz para la alimentación animal, ya sea para ensilaje o como forraje seco.
Figura 15. Planta Zea mays
2.5.3. Agave lechuguilla
La lechuguilla (Agave lechuguilla Torr., 1859) es una especie de planta de la familia Agavaceae, ahora subfamilia Agavoideae. Está distribuido ampliamente en el noreste de México, en los estados de San Luis Potosí, Zacatecas, Coahuila, Nuevo León, y Tamaulipas. La fibra de sus cogollos llamada ixtle es utilizada en la elaboración de objetos de jarcería, cestería y cordelería.
Los agaves de hojas delgadas presentan fibras más gruesas, consistentes y muy resistentes. Tienen significativas propiedades físico mecánicas y resistencia a la tensión.
La lechuguilla es una fuente excelente de fibra dura, de alta resistencia y durabilidad, es altamente resistente a solventes químicos, calor, ácidos y productos abrasivos como ácidos diluidos y concentrados, alcoholes, destilados de petróleo, es resistente en agua a altas temperaturas (en una exposición continua de hasta 150°C); tiene una alta retención de líquidos.
Figura 16. Planta Agave Lechuguilla
2.5.4. Coco
El coco está constituido por una parte blanda interior y un líquido, a los cuales se les realizan procesos industriales para la obtención de grasas, aceites comestibles, etc.; sin embargo, también
está constituido por la estopa o mesocarpio, que se encuentra entre el exocarpio duro o cubierta externa, y el endocarpio o envoltura dura, que encierra la semilla; el valor de ésta estriba en su contenido de fibra (fibra bonote), de la cual se pueden distinguir tres tipos principales: una larga y fina, una tosca y una más corta, material que se puede convertir en una alternativa de utilización de materia prima fibrosa como agregado liviano, en la industria del concreto aligerado, con un doble fin: disminuir el peso de las estructuras y proporcionar un grado aceptable de resistencia.
2.6 Investigaciones relacionadas
Se han encontrado estudios de obtención de nanofibras de celulosa mediante tratamiento químico y mecánico, a partir de tubérculos como la rutabaga (Bhatnagar y Sain, 2005), otras materias primas como la soya (Bei y Sain, 2007), cáñamo (Moran y col., 2008), yute, lino, madera (Bhatnagar y Sain 2005), maíz (Suhara y Sain, 2007), residuos de trigo (Ayse y Sain, 2007), agave sisalana (J. Morgan et al., 2008), Bamboo (Yu et al., 2012) y agave angustifolia (Rosli et al., 2013), y de banano (David E., 2014).
Para el estudio de la extracción de celulosa a partir de fibra sisal, se basaron en tratamientos químicos usuales tales como hidrólisis ácida, cloración, extracción alcalina y decoloración. Los productos obtenidos fueron caracterizados por medio de Análisis Termogravimétrico (TGA), Espectroscopía Infrarroja (FTIR), Difracción de Rayos X (DRX) y Microscopía Electrónica de Barrido (SEM). Se obtuvo nanocelulosa mediante hidrólisis ácida, se llevó a cabo utilizando una solución de 60 % p/p de ácido sulfúrico (H2SO4) a 45 º C, con agitación continua durante 30 minutos. La nanocelulosa obtenida la emplearon como refuerzo de matrices biodegradables (J. Moran, et al., 2008).
Para la obtención de nanocristales de celulosa a partir de residuos agroindustriales de banano, se emplearon procedimientos químicos; hidrólisis ácida, cloración, extracción alcalina y blanqueamiento. Una doble hidrólisis ácida controlada ( 4N HCl y H2SO4 al 64 %) y un proceso de sonificación, para llevar a cabo la extracción. Los patrones de difracción de Rayos- X, indican una alta cristalinidad, debida a la manera eficiente de disolución de las regiones amorfas (lignina y hemicelulosa), por los tratamientos ácidos, logrando una longitud d e 200 nm a 1.3 μm para actuar como refuerzo en materiales compuestos (G.I. Bolio-López et al., 2011).
Para la producción de nanocristales de celulosa a partir de bambú implica un procedimiento químico adicional, el NaOH elimina gran parte de las impurezas de la pulpa (fibra) para eliminar los ácidos grasos, la lignina residual, y algunas otras impurezas; por ejemplo, en la extracción de nanocristales de celulosa a partir del bambú; el contenido de α-celulosa de la pulpa de bambú se incrementó de 84,2% a 93,5% debido al pretratamiento (Mengjiao, et al. 2012).
El contenido de celulosa juega un papel importante y vital en las diferentes morfologías de nanocristales de celulosa (Elazzouzi-Hafraoui et al., 2008). La etapa de pretratamiento es indispensable para la producción de celulosa nanocristalina. El efecto de la concentración de ácido
concentración de ácido sulfúrico aumenta, el color de la suspensión cambia desde el amarillo hasta el negro. La celulosa amorfa puede estar suficientemente hinchada tanto que el ácido sulfúrico posteriormente pueda penetrar fácilmente en el interior de la fibra durante el proceso de hidrólisis.
Para la obtención de nanocristales de celulosa empleando fibra de bamboo, se realizó un estudio detallado de condiciones de reacción. Al aumentar la concentración de ácido sulfúrico, el rendimiento de nanocristales disminuyó. Cuando la concentración del ácido sulfúrico era 48%, el rendimiento más alto fue 15.67 %. Sin embargo, con el aumento de la concentración del ácido sulfúrico, los rendimientos disminuyeron gradualmente y por último, un rendimiento de cero, como consecuencia de la concentración de reacción, la celulosa es totalmente degradada. Cuando el tiempo de reacción se aumentó, el rendimiento aumentó un poco. Cuando el tiempo de hidrólisis fue de 30 minutos, el rendimiento alcanzó un máximo de 15.67 %. Sin embargo, cuando el tiempo de hidrólisis continuó ascendiendo, el rendimiento se redujo drásticamente. Esto era debido a regiones microcristalinas irregulares de la fibra de bambú. Por lo tanto, el tiempo de hidrólisis tiene que ser controlado dentro de la gama de 20 a 30 minutos para la pulpa de bambú (Mengjiao, et al., 2012).
Los Nanocristales de celulosa a partir de fibras Agave angustifolia se obtuvieron por tratamientos alcalinos y de blanqueo seguido por hidrólisis ácida. La composición química de las fibras de Agave se determinó en diferentes etapas de tratamiento químico. El análisis estructural se llevó a cabo por una transformada de Fourier, espectroscopia de infrarrojos y difracción de rayos X . La morfología y la estabilidad térmica de las fibras de Agave en diferentes etapas de tratamiento químico fueron investigados por microscopía electrónica barrido por emisión de campo y análisis termogravimétrico, respectivamente. Los resultados indicaron que la hemicelulosa y la lignina se eliminaron ampliamente a partir de la celulosa extraída. Los datos de difracción de rayos X mostraron el enriquecimiento en la parte de celulosa cristalina de 59% a 82 % en los nanocristales de celulosa, respectivamente. El análisis termogravimétrico mostró que la estabilidad térmica mejoraba de manera significativa por varias etapas químicas. La reducción de tamaño de la celulosa Agave en partículas de tamaño nanométrico de 7 micras a 8 nm de diámetro por hidrólisis ácida se confirmó con imágenes de microscopía electrónica de transmisión (Rosli et al., 2013).
3. PARTE EXPERIMENTAL
3.1. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
En el desarrollo de este trabajo se usaron cuatro diferentes fibras lignocelulósicas: lirio acuático, zacate, agave lechuguilla y coco. Las muestras recolectadas se empaquetaron en bolsas plásticas selladas. Las fibras se pasaron a través de un tamiz para disminuir la variabilidad del tamaño.
3.2 MATERIALES
Los reactivos usados para la extracción de las nanofibras de celulosa fueron: ácido sulfúrico al 98% (J.T.Baker), hidróxido de Sodio 99.9 % (Mercker) e hipoclorito de sodio al 13 %.
Figura 18. Fibras: a) lirio acuático, b) coco, c) agave lechuguilla y d) zacate c) d)