Optimización del desgaste por abrasión en composites epoxi sostenibles reforzados con MCC y fibras de cáñamo y bambú para aplicaciones tribológicas

Por qué importan materiales más verdes y resistentes

Desde piezas de automóviles hasta palas de aerogeneradores, muchos de los elementos en movimiento de nuestro entorno se desgastan lentamente a medida que sus superficies se rozan entre sí. Los plásticos tradicionales reforzados con fibras sintéticas como el nylon o el carbono resisten este desgaste, pero conllevan costes medioambientales, desde un alto consumo energético hasta residuos persistentes. Este estudio explora una alternativa más sostenible: composites fabricados con fibras de cáñamo y bambú en una matriz epoxi, reforzados con un relleno de origen vegetal llamado celulosa microcristalina (MCC). El objetivo es crear materiales más ecológicos capaces de soportar frotamientos y rayaduras severas sin degradarse prematuramente.

Construir un material a partir de fibras y polvo

Los investigadores partieron de tejidos trenzados de fibras de cáñamo y bambú, que se limpiaron con un tratamiento alcalino suave para mejorar su adhesión con la resina epoxi. Estos tejidos se apilaron e impregnaron con epoxi que contenía diferentes cantidades de polvo de MCC, una celulosa fina y biodegradable derivada de materia vegetal. Manteniendo constante el contenido total de fibra y solo variando la cantidad de MCC, pudieron aislar el efecto de este relleno de origen biológico. La mezcla se prensó en placas sólidas y se curó, produciendo paneles híbridos destinados a imitar piezas estructurales en sectores como el automotriz, aeroespacial y la construcción.

Ensayos de fricción que imitan el desgaste real

Para evaluar cómo resistían estos paneles la abrasión, el equipo utilizó una máquina pin‑on‑disk: pequeños bloques del composite se presionaron contra un disco giratorio cubierto con papel de lija. Variaron cuatro factores clave: contenido de MCC, la rugosidad del papel abrasivo, la carga que presionaba el bloque sobre el disco y la distancia de deslizamiento. En cada prueba midieron la pérdida de masa de la muestra, la fricción generada y la rugosidad de la superficie desgastada. En lugar de cambiar un factor a la vez, emplearon una estrategia estadística llamada metodología de superficie de respuesta Box–Behnken, que permite mapear cómo los cuatro factores y sus interacciones afectan conjuntamente al comportamiento, minimizando el número de experimentos.

Qué controla realmente el desgaste, la fricción y la suavidad

El análisis reveló que no todos los parámetros son igual de relevantes. La agresividad del papel abrasivo y la distancia total de deslizamiento fueron los principales determinantes de la pérdida de material: papeles más gruesos y recorridos más largos provocaron un corte y rayado mucho más intenso. En cambio, el relleno de MCC controló de forma notable la fricción y la suavidad final de la superficie. Con la carga adecuada, el MCC endureció la superficie y favoreció la formación de una película protectora compacta —llamada tribo‑capa— entre el composite y el abrasivo. Esta capa redujo el microcorte y estabilizó la fricción. Sin embargo, un exceso de MCC provocó la aglomeración de partículas; estos aglomerados podían desprenderse y comportarse como grano adicional, aumentando el desgaste incluso si la superficie parecía más lisa.

Observar el desgaste al microscopio

Las imágenes microscópicas de las superficies desgastadas confirmaron estas tendencias. Los composites sin MCC mostraron surcos profundos, resina desgarrada y fibras arrancadas de la superficie —signos de un arado severo y de una adhesión inestable entre fibra y matriz. Con alrededor del 3% de MCC en peso, los surcos se hicieron más superficiales, los detritos estaban más compactados y una película más continua cubría la superficie, coherente con la reducción observada en desgaste y fricción. Con un 6% de MCC, la superficie era aún más lisa y la fricción menor, pero las fisuras alrededor de partículas aglomeradas y fragmentos de relleno desprendidos indicaron que el desgaste empezaba a aumentar de nuevo. Estas imágenes ayudaron a vincular los resultados numéricos de los modelos estadísticos con los patrones de daño físico a escala microscópica.

Encontrar el punto óptimo para piezas más verdes y duraderas

Combinando los modelos estadísticos con las mediciones de desgaste y fricción, el equipo buscó una configuración que mantuviera baja simultáneamente la pérdida por desgaste, la fricción y la rugosidad de la superficie. El mejor compromiso resultó ser aproximadamente un 3% de MCC, condiciones abrasivas relativamente finas, carga moderada y una distancia de deslizamiento moderada. En estas condiciones, el material perdió poca masa, deslizó con resistencia moderada y mantuvo una superficie relativamente lisa. Para el público general, el mensaje clave es que las fibras y rellenos de origen vegetal pueden ajustarse con gran precisión para equilibrar durabilidad y sostenibilidad. Con una optimización cuidadosa, los composites epoxi de cáñamo–bambú–MCC podrían ayudar a sustituir materiales más contaminantes en componentes que deben soportar rozamientos constantes, reduciendo tanto los costes de mantenimiento como el impacto ambiental.

Cita: Gowda, H.D.S., Hemaraju, Kumar, V.G.P. et al. Optimizing abrasive wear in sustainable MCC reinforced hemp bamboo epoxy composites for tribological applications. Sci Rep 16, 12990 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43505-9

Palabras clave: composites de fibra natural, desgaste por abrasión, cáñamo bambú epoxi, celulosa microcristalina, tribología