Compuestos plásticos estructurales reforzados con microfibrillas de celulosa obtenidas a partir de residuos agrícolas: Innovación clave hacia el Net-Zero 2050.

Dr. Florentino Soriano Corral¹ (florentino.soriano@ciqa.edu.mx)

Dra. Gabriela Yolotzín Romero Zúñiga¹ (romero.gabriela.pd@ciqa.edu.mx)

¹Departamento de Procesos de Transformación de Plásticos del CIQA

Centro de Investigación en Química Aplicada

En los últimos años, las crecientes exigencias ambientales han transformado la manera en que se diseñan y se seleccionan los materiales para sus aplicaciones industriales. El proceso de descarbonización redefinirá los criterios de selección de materiales y de sus propiedades. Por ejemplo, en algunas aplicaciones se requiere de un mayor desempeño estructural, mayor eficiencia energética y el uso de materiales renovables. Alcanzar la neutralidad de carbono requiere considerar la manera en que se produce la energía, se realiza el transporte, se construye infraestructura y se fabrican bienes de consumo.

En este contexto, los compuestos plásticos estructurales (CPE) son materiales estratégicos, ya que reducir emisiones no depende únicamente de sustituir combustibles fósiles, sino también de diseñar estructuras más ligeras, eficientes y sostenibles. Aquí es donde los CPE se posicionan como una solución tecnológica con alto potencial para acelerar la transición hacia una economía baja en carbono.

Pero ¿Qué son exactamente los compuestos plásticos estructurales y por qué resultan tan relevantes?

Más que plásticos: materiales diseñados para resistir y optimizar recursos

Un compuesto plástico es un material formado por la integración de dos o más materiales con funciones diferentes. Uno de ellos actúa como la base que mantiene todo unido y le da forma al producto final, mientras que el otro funciona como refuerzo para hacerlo más resistente o darle propiedades especiales. Este refuerzo puede estar formado por fibras naturales, materiales celulósicos, partículas de origen biológico, metálicas o incluso estructuras muy pequeñas llamadas nanoestructuras [1, 2]. Esta combinación permite diseñar materiales con mejores propiedades mecánicas y térmicas; pueden ser tenaces, ligeros y resistentes y, en ciertas aplicaciones y condiciones de uso, ofrecen una vida útil comparable o incluso superior a la de materiales tradicionales como el aluminio o el concreto. Además, cuando se desarrollan bajo principios de sostenibilidad, generan un menor impacto ambiental [3].

Cuando hablamos de compuestos plásticos estructurales (CPE), nos referimos a aquellos capaces de soportar cargas mecánicas importantes, como paneles de automóviles (puerta, tapas de maletero, techo, etc.), componentes aeronáuticos o perfiles para construcción [4, 5]. La principal ventaja de los CPE es que combinan alta rigidez y resistencia con una reducción significativa de peso, lo que resulta en menor consumo energético durante la vida útil de los productos en los que se integran.

¿Y por qué los CPE son importantes para la meta Net-Zero 2050?

Porque cada kilogramo de reducción de peso en un vehículo o en una estructura, implica menor demanda energética durante su uso. En el sector transporte, por ejemplo, disminuir peso puede representar menor consumo de combustible o mayor eficiencia en vehículos eléctricos. Según el Departamento de Energía de Estados Unidos, una reducción del 10 % en el peso puede mejorar la economía de combustible entre un 6 % y un 8 % [6], lo que significa una menor quema de combustibles fósiles y, por lo tanto, menores emisiones de dióxido de carbono. En construcción, estructuras más ligeras optimizan el uso de recursos, reducen costos de transporte e instalación, y contribuyen a disminuir la huella de carbono asociada a materiales convencionales.

El potencial técnico de la biomasa: El caso del pseudotallo de plátano

En el Departamento de Procesos de Transformación de Plásticos del Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA), se trabaja en la revalorización de residuos agroindustriales para el desarrollo de compuestos plásticos estructurales de alto desempeño. Uno de estos residuos es el pseudotallo de plátano, un subproducto agrícola con alto contenido de celulosa y que actualmente se considera de bajo valor agregado.

Mediante un método de extracción asistido por microondas, basado en principios de química verde, se obtienen microfibrillas de celulosa con una cristalinidad del 95 % y una estabilidad térmica superior a los 349 °C. Estas microfibrillas actúan como refuerzo estructural y se integran en una matriz epóxica mediante el proceso de Moldeo por Transferencia de Resina Asistido por Vacío (VARTM, por sus siglas en inglés), técnica que utiliza vacío para garantizar un material compacto y libre de burbujas [7]; logrando compuestos estructurales con un contenido de carga de hasta 60 % en peso, sin presentar aglomeraciones ni defectos estructurales significativos [8].

Los resultados de las pruebas mecánicas validan este desarrollo como una alternativa técnica para la descarbonización industrial, ya que el material obtenido presenta un incremento del 63% en su rigidez (módulo de Young) y del 57% en su resistencia a la tensión en comparación con la resina epóxica sin microfibrillas de celulosa. Esta metodología demuestra que un residuo agrícola puede transformarse en un refuerzo estructural competitivo, capaz de sustituir fibras sintéticas y mejorar la eficiencia mecánica del sistema. Además, al mantener una densidad relativamente baja con respecto a compuestos con fibra de vidrio. Estos compuestos permiten optimizar la relación resistencia-peso, lo que permite visualizar su potencial aplicación en sectores como el automotriz, marino y/o de construcción.

El siguiente paso: compuestos estructurales con funciones integradas

Si bien el objetivo principal de los últimos años ha sido el desarrollo de compuestos plásticos estructurales con alto desempeño mecánico, la evolución tecnológica ya está avanzando hacia la integración de funcionalidades adicionales en estos mismos materiales. Actualmente existen desarrollos que combinan capacidad estructural con propiedades como aislamiento térmico, resistencia al fuego, conductividad eléctrica controlada, propiedades antimicrobianas, disipación o almacenamiento de energía, respuesta inteligente a estímulos o incluso capacidad de monitoreo estructural [9-11].

Esta combinación podría evitar usar diferentes materiales para cumplir distintas funciones, por lo que el desarrollo de compuestos estructurales con funcionalidades integradas que además adopten la sostenibilidad representa una línea de investigación estratégica y retadora con potencial dentro de los esfuerzos globales de descarbonización y eficiencia energética hacia la meta Net-Zero 2050.

En el CIQA, a través del Departamento de Procesos de Transformación de Plásticos, el compromiso es convertir el conocimiento científico en soluciones aplicables. Al optimizar la interacción entre refuerzos naturales y materiales plásticos, no solo desarrollamos nuevos materiales estructurales, sino que nos enfocamos en desarrollar sistemas cada vez más integrados y multifuncionales. El objetivo es claro: diseñar compuestos plásticos que fortalezcan la competitividad industrial de México en el contexto de la transición hacia sistemas productivos de bajas emisiones de carbono.

Referencias

[1] R. Rahman, S. Zhafer Firdaus Syed Putra, 5 - Tensile properties of natural and synthetic fiber-reinforced polymer composites, in: M. Jawaid, M. Thariq, N. Saba (Eds.), Mechanical and Physical Testing of Biocomposites, Fibre-Reinforced Composites and Hybrid Composites, Woodhead Publishing2019, pp. 81–102.

[2] S. Devaraju, M. Alagar, Polymer Matrix Composite Materials for Aerospace Applications, in: D. Brabazon (Ed.), Encyclopedia of Materials: Composites, Elsevier, Oxford, 2021, pp. 947–969.

[3] I.O. Oladele, V.O. Oki, T.F. Omotosho, M.B. Adebanjo, O.T. Ayanleye, S.A. Adekola, Sustainable polymer and polymer-based composite materials for extreme conditions and demanding applications – A review on pushing boundaries in materials science, Next Materials 8 (2025) 100775.

[4] H. Sharma, G. Arora, M.K. Singh, S.M. Rangappa, P. Bhowmik, R. Kumar, S. Debnath, S. Siengchin, From composition to performance: Structural insights into polymer composites, Next Materials 8 (2025) 100852.

[5] F. Lagos, B. Menacer, A. Salas, S. Narayan, C. Medina, R. Valle, C. Garrido, G. Pincheira, A. Oñate, R. Hunter-Alarcón, V. Tuninetti, Recent Advances in the Analysis of Functional and Structural Polymer Composites for Wind Turbines, Polymers, 2025, p. 2339.

[6] U.S.D.o. energy, Lightweight Materials for Cars and Trucks, 2016.

[7] R. Shen, T. Liu, H. Liu, X. Zou, Y. Gong, H. Guo, An Enhanced Vacuum-Assisted Resin Transfer Molding Process and Its Pressure Effect on Resin Infusion Behavior and Composite Material Performance, Polymers, 2024, p. 1386.

[8] G.Y. Romero-Zúñiga, F. Soriano-Corral, J. de Jesús Kú-Herrera, O. Martinez, Improved mechanical properties in laminated epoxy composites reinforced with high-content cellulose microfibrils from banana pseudostems, Bioresource Technology Reports 31 (2025) 102276.

[9] D.D.L. Chung, A review of multifunctional polymer-matrix structural composites, Composites Part B: Engineering 160 (2019) 644–660.

[10] V. Kumar, M.N. Alam, Multifunctional Polymer Composite Materials, Polymers, 2025, p. 1636.

[11] B.L. Rivas, E.D. Pereira, M. Palencia, J. Sánchez, Water-soluble functional polymers in conjunction with membranes to remove pollutant ions from aqueous solutions, Progress in Polymer Science 36(2) (2011) 294–322.