Rev. Peru. Investig. Agropecu. 2(1), e33
e-ISSN: 2955-831X
DOI: 10.56926/repia.v2i1.33
©Universidad Nacional Autónoma de Alto Amazonas
Artículo Original / Original Article
Recibido: 09/01/2023
Aceptado: 17/03/2023
Publicado: 20/04/2023
*Edgard David Mollehuanca-Caballero - emollehuanca@unsa.edu.pe (autor de correspondencia)
Los autores. Este es un artículo de acceso abierto,
distribuido bajo los términos de la Licencia Creative
Commons Atribución 4.0 Internacional
Caracterización térmica, química y mecánica de un
compuesto flexible elaborado a partir de viruta wet
blue de la industria del curtido
Thermal, chemical and mechanical characterization of a flexible
compound made from wet blue shavings from the tanning industry
Edgard David Mollehuanca-Caballero1,2* ; José Alberto Aguilar-Franco3 ; Saúl Pérez-Montaño1,2
1Arrhenius Research Institute, Arequipa, Perú
2Universidad Nacional de San Agustin, Arequipa, Perú
3Universidad Católica San Pablo, Arequipa, Perú
RESUMEN
El objetivo del presente estudio fue emplear la viruta de cuero wet blue como material de refuerzo para la elaboración de
un material compuesto de matriz polimérica de comportamiento termoplástico, el cual fue caracterizado térmica, química
y mecánicamente. Se midieron seis variables: tamaño de viruta, relación viruta/resina, porcentaje de agua, temperatura de
la resina, la presión y tiempo de presión, para evaluar la resistencia a la tracción. Se aplicó un diseño factorial fraccionado
y se elaboraron planchas de cuero empleando desechos de viruta wet blue, resina termoplástica Vinnapas ®400 y agua
destilada. La variable principal sobre la resistencia máxima de tracción está dada por la relación Viruta/Resina en su valor
mínimo, seguida por la variable tamaño de viruta en su valor máximo. El mayor valor de resistencia a la tracción fue de
2.657 MPa. El módulo de Young indicó que el mayor valor corresponde a la combinación #10 donde se obtuvo 28.17 MPa.
La técnica de TGA demuestra que el nuevo material muestra hasta un 10% de presencia del material reciclado. Los
resultados indican que se pueden obtener nuevos materiales a partir de productos de desecho industrial, que con el
tratamiento adecuado podrían ser usados con diferentes fines industriales.
Palabras clave: ensayo de tracción; material compuesto; matriz termoplástica; reciclaje; viruta wet blue
ABSTRACT
The objective of the work was to use the wet blue leather shaving as a reinforcing material for the elaboration of a
thermoplastic behavior polymer matrix composite material, which was thermally, chemically, and mechanically
characterized. Six variables were measured: chip size, chip/resin ratio, percentage of water, resin temperature, pressure, and
pressure time, to evaluate the tensile strength. A fractional factorial design was applied and leather sheets were made using
wet blue-chip waste, Vinnapas ®400 thermoplastic resin, and distilled water. The main variable on the maximum tensile
strength is given by the Chip/Resin ratio at its minimum value, followed by the chip size variable at its maximum value. The
highest tensile strength value was 2,657 MPa. Young's modulus indicated that the highest value corresponds to
combination #10 where 28.17 MPa were obtained. The TGA technique shows that the new material shows up to 10%
presence of recycled material. The results indicate that new materials can be obtained from industrial waste products, which
with proper treatment could be used for different industrial purposes.
Keywords: recycling wet blue-chip; thermoplastic matrix; tensile test; composite material
Cómo citar / Citation: Mollehuanca-Caballero, E. D., Aguilar-Franco, J. A. & Pérez-Montaño, S. (2023). Caracterización térmica, química y
mecánica de un compuesto flexible elaborado a partir de viruta wet blue de la industria del curtido.
Revista Peruana de Investigación
Agropecuaria. 2
(1), e33. https://doi.org/10.56926/repia.v2i1.33
2 Revista Peruana de Investigación Agropecuaria
Rev. Peru. Investig. Agropecu. 2(1): e33; (ene-jun, 2023). e-ISSN: 2955-831X
1. INTRODUCCIÓN
Las curtiembres producen impactos ambientales significativos a lo largo de su ciclo productivo, entre
estos se identifican los desechos sólidos, aguas residuales y liberación de gases contaminantes. Los
desechos sólidos de las diferentes empresas en el rubro de curtido de pieles de la región Arequipa,
no pasan por un tratamiento previo y son depositadas directamente en el vertedero municipal.
Cosavalente en su estudio realizado en el 2019, elaboró un informe en el cual daba a conocer que la
región Arequipa estaba ubicada en el tercer lugar de producción de cuero a nivel nacional, la
producción estimada reportada indica un valor de 3.8% a nivel nacional, generándose virutas wet
blue del proceso de curtido.
Diferentes investigaciones, han establecido que el cambio de factores como el pH, la humedad, el
tamaño de partículas, entre otros, son fundamentales para la producción de nuevos materiales a
partir de viruta wet blue con diferentes usos, por ejemplo, como material reforzante para la
fabricación de materiales compuestos. Jacob Moses et al. (2014), obtuvieron planchas de cuero
reconstituidas a partir de las virutas wet blue combinadas con una matriz plástica a partir de las
botellas de HDPE, el análisis mecánico del material presentó propiedades mecánicas superiores al
material original, con un potencial alternativa en el reemplazo de materiales que asemejen al cuero
curtido.
El análisis de las propiedades térmicas caracterizadas por TGA, demostró que la resina epóxica pura
exhibe una estabilidad térmica más baja que las planchas compuestas reforzadas con cuero (Kale &
Jadhav, 2019). Otro estudio que usó una matriz polimérica (resina PVA - 1799) concluyó que el nuevo
material compuesto exhibía mejoras en sus propiedades mecánicas, además de una mejor
estabilidad térmica y resistencia al contacto con el agua que el PVA (alcohol polivinílico), dando así
una alternativa de tecnología rentable y sin impactos significativos hacia el medio ambiente (Liu et
al., 2016). Por su parte, Senthil et al., (2015) evaluaron la influencia en la mejora de las propiedades
mecánicas con relación al incremento en el grosor y la cantidad de viruta wet blue empleada para la
elaboración del material compuesto, debido a que, con el aumento de la carga de viruta wet blue se
incrementa también el área que entra en contacto entre los reforzantes de viruta y la matriz de
carácter polimérico.
La presente investigación tuvo como objetivo la reutilización de la viruta de cuero wet blue
aplicándolas como material de refuerzo para la elaboración de un material compuesto de matriz
polimérica de comportamiento termoplástico, el cual fue caracterizado térmica, química y
mecánicamente.
2. MATERIALES Y MÉTODOS
Los desechos de viruta wet blue se obtuvieron de la empresa de curtiembre Pieles del Sur de la
ciudad de Arequipa. Antes de elaborar el material compuesto, la viruta fue tratada químicamente
con bicarbonato de sodio hasta conseguir un pH neutro.
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Figura 1.
Viruta de cuero wet blue obtenido de la empresa de curtiembre Pieles del Sur (Arequipa),
que fue utilizado como materia prima para la fabricación del compuesto de matriz polimérica de
comportamiento termoplástico
La resina termoplástica a base de poli vinil alcohol estabilizado con vinil acetato etileno (VAE),
comercialmente denominado Vinnapas 400® y es distribuido por la compañía Wacker Chemie AG®.
Preparación de la muestra
La preparación se llevó a cabo primero pesando los componentes de la mezcla de acuerdo a los
valores propuestos de 20, 25 y 30% relación peso/peso (Tabla 1).
Tabla 1.
Detalle del Diseño Experimental Factorial Fraccionado empleado en el presente estudio
Escenario
#
Tamaño
de Viruta
Viruta/Resina
% P/P
% Agua
Destilada
Temperatura
de la Resina
Presión
Tiempo de
Presionado
1
2.54
25
20
35
400
10
2
5.08
25
20
35
1200
10
3
2.54
35
20
35
1200
20
4
5.08
35
20
35
400
20
5
2.54
25
30
35
1200
20
6
5.08
25
30
35
400
20
7
2.54
35
30
35
400
10
8
5.08
35
30
35
1200
10
9
2.54
25
20
65
400
20
10
5.08
25
20
65
1200
20
11
2.54
35
20
65
1200
10
12
5.08
35
20
65
400
10
13
2.54
25
30
65
1200
10
14
5.08
25
30
65
400
10
15
2.54
35
30
65
400
20
16
5.08
35
30
65
1200
20
17
3.81
30
25
50
800
15
18
3.81
30
25
50
800
15
19
3.81
30
25
50
800
15
Fuente
: Laboratorio LENA – UNALM
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La resina fue calentada previamente hasta los valores propuestos en el diseño experimental. Se
midieron las revoluciones con las que se llevaron a cabo las mezclas; para ello fue necesario el uso
de un tacómetro. El valor dado fue de 1000 rpm aproximadamente, el cual se mantuvo por un tiempo
de cinco minutos. La mezcla se preparó mediante el empleo de un rotor con control acondicionado
con tal fin y un eje de tipo mariposa de acero inoxidable acoplado.
Finalizado el proceso, la mezcla se colocó en un molde cuyas dimensiones fueron de 210 mm x 150
mm x 6 mm, y mediante presión manual se dio la formación de la plancha. Posteriormente, la plancha
fue transportada a un molde de vidrio para llevar a cabo el proceso de secado bajos condiciones de
ambiente. Culminado el secado de las planchas, se guardaron en bolsas con doble cierre hermético
y fueron rotuladas con el número de escenario correspondiente.
Preparación de la muestra
El ensayo mecánico de tracción se llevó a cabo en una máquina de tracción universal MTS – Landmark
a una carga de 10 kN y a una velocidad de 5 mm/min. Se elaboraron muestras rectangulares de 13
cm de largo x 2.5 cm de ancho y con un espesor promedio de 6 mm.
Figura 2.
Máquina de Ensayo de Tracción MTS-Landmark utilizado en el estudio
Análisis FTIR
El análisis de espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier fue llevado a cabo en el
espectrómetro de la marca bruker, modelo invenio X, con ATR de diamante, a un rango de análisis
de 400-4400 cm-1 con una resolución de 1 cm-1.
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Figura 3.
Espectrómetro FT-IR Bruker Optics Análisis TGA utilizado en el estudio
El análisis termogravimétrico se realizó en el equipo simultáneo DSC-TGA Q600 bajo una atmósfera
de nitrógeno entre 10 °C y 350 °C con una rampa de calentamiento de 10 °C.
Figura 4.
Equipo Simultáneo DSC - TGA Q600 utilizado en el estudio
Análisis SEM
El análisis de microscopía electrónica de barrido fue llevado a cabo en un Microscopio Electrónico
Dual Beam (FIB-SEM) de la marca Zeiss modelo Auriga. Las muestras fueron observadas por su parte
superficial y en su sección transversal bajo un potencial de aceleración de 5kV.
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Figura 5.
Microscopio Electrónico Dual Beam (FIB-SEM) utilizado en el estudio
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Espectroscopía infrarroja con transformada de Fourier
El análisis FTIR- ATR de las muestras de cuero, denotan que en la región de alrededor de los 3100 a
los 4250 cm−1 se ubica la amina A, mientras que la amina B está ubicada por los 3075 cm−1, ambos
forman parte del colágeno y la proteína, se confirma por la presencia de los picos presentados
alrededor de 1645 y 1535 cm−1. Los grupos hidroxilo que se originan a partir de la estructura poli
vinil alcohol forman una banda ancha dada entre los 2800 y 3615 cm−1. La presencia de materia
orgánica que proviene de los cueros, ácidos grasos y el colágeno se observan en la interacción C-C
que está entre los 2915 y 1760 cm−1. En la región de alrededor de los 2300 cm−1 está el pico notorio
para el CO2, el pico alrededor de 1740 y 1615 cm−1 muestra al grupo C=O el cual corresponde al
grupo carboxilo.
El análisis IR identificó a las aminas A y B las cuales corresponden al colágeno, que es un componente
principal de la viruta de cuero. Se debe tener en cuenta que hay cromo que proviene de la etapa de
curtido, dando paso así a las reacciones de entrecruzamiento entre las moléculas activas y el polivinil
alcohol.
Figura 6.
Espectroscopía FTIR - ATR de muestra de cuero wet blue
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Análisis Termogravimétrico
Las curvas termogravimétricas para la muestra analizada son mostradas en la Figura 7. La
degradación de la muestra se dio en tres partes, la primera degradación se produjo en el rango de
55 °C y 145 °C. Esta pérdida correspondería a la eliminación del agua por evaporación absorbida en
el proceso de elaboración de la plancha y a la desintegración de los aminoácidos que están presentes
en el colágeno de la viruta wet blue. El mayor porcentaje de pérdida de peso se produjo en el rango
de 275 °C y 335 °C, aquí se da la degradación de la resina utilizada para aglomerar las virutas wet
blue y por último se produce la carbonización de la muestra en el rango de 395 °C y 510 °C,
aproximadamente. En cuanto a la desintegración de la muestra, se puede ver que a los 695 °C la
muestra de cuero tiene un porcentaje inferior al 10% de su peso inicial.
Figura 7.
Análisis TGA para la muestra de cuero wet blue
Microscopía Electrónica de Barrido
La Figura 8 pertenece a la muestra elaborada de acuerdo a los parámetros que corresponden al
escenario #10 del diseño experimental, cuyo porcentaje de combinación concierne a 25% P/P y un
tamaño de viruta de 5.08 mm, el cual se obtuvo previamente tratando la viruta con bicarbonato hasta
obtener un pH neutro, facilitando la formación del enlace crosslinking entre la matriz y las virutas de
cuero. El tiempo de presión fue de 20 minutos bajo una presión de 1200 psi y la temperatura previa
de calentamiento de la resina fue de 65 °C, parámetros que influyeron en las propiedades mecánicas
del compósito obtenido, siendo el escenario #10 el que obtuvo el mayor valor en cuanto a la
resistencia de tracción.
Se observa una clara adhesión entre la resina vinnapas y la viruta wet blue, debido a la acción del
reforzante y los enlaces de hidrógeno que se presentan en las moléculas de colágeno conjuntamente
con la resina termoplástica. La fotografía también muestra espacios donde se observan microporos
(Zonas A) entre las interfaces de la fibra de cuero y la resina, estos espacios son los responsables de
la baja resistencia mecánica del material obtenido debido a la nula interacción entre la fibra de la
viruta y la matriz polimérica.
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Figura 8.
Análisis SEM de la muestra de cuero wet blue
La diferencia en el comportamiento mecánico se explica cuando se compara la micrografía obtenida
del cuero curtido (Figura 9), donde se aprecia a las fibras ocupando todos los espacios en la plancha
sin presentar poros o cavidades a diferencia de las señaladas en la plancha elaborada cuando se
combinan el cuero con la matriz polimérica (Figura 8).
Figura 9.
Análisis SEM de la muestra de cuero curtido
Propiedades Mecánicas
Las probetas elaboradas con las medidas de 13 cm x 2.5 cm x 6 mm aproximadamente, fueron
insertadas en las mordazas de la máquina de tracción MTS Landmark. Por cada escenario elaborado,
se realizaron al menos 6 repeticiones del ensayo. Los resultados se muestran en la Tabla 2.
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Tabla 2.
Valores de resistencia máxima de tracción de las muestras wet blue
Escenario
#
Esfuerzo Máximo (MPA)
Promedio de
esfuerzos máximos
1
1.855
1.629
2.003
1.845
2.27
1.914
1.688
1.975
1.522
1.856
2
1.782
1.644
1.428
1.683
1.476
1.538
0.978
1.371
1.366
1.474
3
0.1
0.092
0.078
0.134
0.12
0.144
0.172
0.162
0.161
0.129
4
0.657
0.49
0.607
0.478
0.478
0.406
0.299
0.427
0.394
0.471
5
1.157
1.379
1.076
1.031
1.255
1.394
0.747
0.724
0.79
1.061
6
1.299
1.305
1.128
1.137
1.014
1.161
1.056
1.164
1.046
1.146
7
0.13
0.138
0.128
0.151
0.11
0.189
0.156
0.173
0.147
8
0.492
0.546
0.461
0.076
0.181
0.188
0.311
0.288
0.328
0.319
9
1.097
1.474
1.427
1.054
1.426
1.308
0.858
1.413
0.731
1.199
10
2.257
1.706
1.637
2.657
2.161
1.996
2.002
1.821
1.506
1.971
11
0.132
0.13
0.122
0.014
0.079
0.103
0.169
0.156
0.203
0.123
12
0.484
0.323
0.383
0.334
0.337
0.376
0.373
13
0.45
0.539
0.465
0.264
0.567
0.786
0.184
0.247
0.231
0.415
14
1.428
1.79
1.249
1.19
1.158
1.132
1.535
1.592
1.765
1.427
15
0.182
0.17
0.122
0.136
0.172
0.186
0.215
0.163
0.203
0.172
16
0.281
0.257
0.256
0.161
0.166
0.21
0.373
0.227
0.242
0.241
17
1.251
1.139
0.829
1.267
0.98
1.25
1.137
1.334
1.296
1.165
18
1.182
1.386
1.201
1.055
1.087
1.182
1.085
0.974
1.045
1.133
19
0.866
1.218
1.073
0.781
0.652
0.692
0.766
0.86
0.676
0.843
Mediante el programa Statgraphics® se realizó el análisis de varianza. La variable independiente con
mayor influencia corresponde a la relación Viruta/Resina (p < 0.05) sobre la variable dependiente, es
decir, el esfuerzo máximo de tracción.
En el diagrama de Pareto se aprecia la clara incidencia que presenta la variable relación Viruta/Resina
en la resistencia máxima de tracción. Según el orden, la siguiente variable con más incidencia es el
%Agua Destilada.
Figura 10.
Diagrama de Pareto (Statgraphics) para determinar las variables de incidencia en la
resistencia máxima de tracción
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Ensayo de Tracción
Cuando se aplica una fuerza a un material, se desarrolla una tensión dentro del material que genera
una tensión, que provoca un cambio dimensional en la probeta, dado que pueden producirse
mecanismos de daño compuesto en la matriz, interfaz y refuerzo en materiales compuestos, puede
ocurrir una amplia gama de modos de daño complejos en dichos materiales bajo carga monotónica.
Los datos de extensión de fuerza obtenidos de una prueba de tracción pueden trazarse en forma de
esfuerzo y deformación para dar una curva de deformación nominal, en la cual el esfuerzo nominal,
es igual a:
𝜎 = 𝐹
𝐴
Dónde: F es la fuerza y A es el área de sección transversal original de la pieza de prueba. La máxima
resistencia a la tracción para las muestras ensayadas, los datos fueron obtenidos gráficamente, del
total de las muestras ensayadas, la muestra del escenario #10 fue la que obtuvo la mayor resistencia
con un valor de 2.66 MPa. La gráfica se muestra a continuación:
Figura 11.
Curva esfuerzo - deformación de la muestra de wet blue (Escenario #10)
Módulo de Young
El módulo de Young hace referencia a la rigidez de un material y son directamente proporcionales,
es decir, a mayor rigidez del material mayor módulo de Young tendrá la muestra ensayada.
Gráficamente el módulo de Young viene a estar dado por la pendiente de la parte lineal de la curva
Esfuerzo - Deformación siempre y cuando el valor de 𝑅2 sea igual o mayor a 0.95. Para el total de las
muestras analizadas el mayor valor obtenido del módulo de Young fue de 28.17 MPa que
correspondió a la probeta elaborada bajo las condiciones del escenario #10 del diseño experimental.
La gráfica con los valores indicados se muestra a continuación:
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Figura 12.
Gráfico de la pendiente de la muestra del escenario #10
La Figura 11 demuestra la resistencia a la tracción del compuesto y como este se va relacionando
con la composición porcentual de la mezcla (ver Tabla 2) en el cual el porcentaje de viruta tiene una
influencia importante, debido a que se da una adhesión importante a la mezcla, este
comportamiento observado también en trabajos previos (Kale & Jadhav, 2019; Urrego Yepes et al.,
2019). Para explicar este comportamiento hay que considerar el rol que juega la fibra de la viruta de
cuero, a la cual se sometió a un tratamiento químico para activar las cargas para que los puentes
hidrógeno se puedan formar, fortaleciendo el enlace
crosslinking
.
Nuestros resultados son consistentes con el trabajo de otros autores. Según Kale & Jadhav (2019)
obtuvieron que la variable con mayor influencia sobre el módulo de Young correspondía a la variable
de relación viruta/resina. Asimismo, Urrego Yepes et al. (2019) comprobaron que el módulo de
Young variaba al aumentar los desechos de cuero en la composición. En ambas investigaciones se
aprecia que la variable más significativa sobre las propiedades mecánicas viene a estar dado por la
relación viruta/resina en la composición de la mezcla al igual que en esta investigación. La Figura 12
del módulo de Young también ofrece similar comportamiento a la resistencia a la tracción,
evidenciando que el comportamiento mecánico está en directa relación al comportamiento
superficial químico de la viruta y en la forma de interactuar con la matriz polimérica. En nuestro
trabajo se trabajó con dimensiones definidas para evitar errores al momento de realizar los ensayos
mecánicos.
CONCLUSIONES
Se obtuvo un nuevo material flexible, a partir de viruta de cuero wet blue, resaltando los valores en
cuanto a las propiedades mecánicas obtenidas de la muestra elaborada bajo las condiciones del
escenario #10 donde se destaca la relación empleada de viruta/resina que es de 25% P/P y tamaño
de viruta de 5.08 mm, mostrando un valor máximo de resistencia a la tracción de 2.657 MPa y el
valor máximo del módulo de Young de 28.17 MPa.
Mediante el análisis de espectroscopía infrarroja se verificó que la formación de enlaces químicos
(crosslinking) de las virutas recicladas de wet blue combinado con la matriz polimérica. El análisis
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SEM confirma la existencia de una interacción intramolecular entre las fibras de la viruta y la matriz
mostrando una mejora en la adhesión a nivel superficial e interno del material obtenido.
La caracterización térmica a través del análisis termogravimétrico demostró que el residuo
carbonizado final de la muestra se encontraba por debajo del 10% de su peso inicial. La extensión
del ciclo de vida de la viruta de cuero wet blue, tiene un aspecto importante para el medio ambiente
reduciendo el impacto de su eliminación y permitiendo su tratamiento para su disposición final.
AGRADECIMIENTO
A la Universidad de Ingeniería y Tecnología de la ciudad de Lima donde se llevó a cabo el ensayo de
tracción a las probetas de cuero reconstituido. A la Profesora Erika Salas Arias por sus comentarios
al presente manuscrito.
FINANCIAMIENTO
El presente trabajo fue financiado por el Instituto de Medio Ambiente de la UCSP y Arrhenius
Research Institute.
CONFLICTO DE INTERESES
No existe ningún tipo de conflicto de interés relacionado con la materia del trabajo.
CONTRIBUCIÓN DE AUTORÍA
Conceptualización: Mollehuanca-Caballero, E. D., Aguilar-Franco, J. A. y Pérez-Montaño, S.
Curación de datos: Aguilar-Franco, J. A. y Pérez-Montaño, S.
Análisis formal: Mollehuanca-Caballero, E. D. y Aguilar-Franco, J. A.
Investigación: Mollehuanca-Caballero, E. D., Aguilar-Franco, J. A. y Pérez-Montaño, S.
Metodología: Mollehuanca-Caballero, E. D. y Pérez-Montaño, S.
Supervisión: Aguilar-Franco, J. A. y Pérez-Montaño, S.
Redacción-borrador original: Mollehuanca-Caballero, E., Aguilar-Franco, J. A. y Pérez-Montaño, S.
Redacción-revisión y edición: Mollehuanca-Caballero, E., Aguilar-Franco, J. A. y Pérez-Montaño, S.
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