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ES2363076A1 - COMPOSITE MATERIAL. - Google Patents

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ES2363076A1
ES2363076A1 ES200931306A ES200931306A ES2363076A1 ES 2363076 A1 ES2363076 A1 ES 2363076A1 ES 200931306 A ES200931306 A ES 200931306A ES 200931306 A ES200931306 A ES 200931306A ES 2363076 A1 ES2363076 A1 ES 2363076A1
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ES
Spain
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polymer
fibers
composite material
biomass
alloy
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ES200931306A
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Spanish (es)
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Elena Rodriguez Senin
Pablo Manuel Romero Romero
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Asociacion de Investigacion Metalurgica del Noroeste AIMEN
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Asociacion de Investigacion Metalurgica del Noroeste AIMEN
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    • B29B13/00Conditioning or physical treatment of the material to be shaped
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
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    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08L23/00Compositions of homopolymers or copolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond; Compositions of derivatives of such polymers
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
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    • C08L67/00Compositions of polyesters obtained by reactions forming a carboxylic ester link in the main chain; Compositions of derivatives of such polymers
    • C08L67/04Polyesters derived from hydroxycarboxylic acids, e.g. lactones

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Abstract

La presente invención describe un material composite formado por un polímero plástico y nanopartículas de biomasa que actúan como refuerzo. Estas nanopartículas de biomasa están aleadas con dicho polímero plástico, lo que permite un porcentaje en peso de dichas nanopartículas de biomasa superior a los alcanzados en la técnica.La invención también comprende el procedimiento de obtención de dicho composite por un proceso de criomolienda sólida, que evita el estado fundido del polímero y con ello los problemas de aglomeración de las partículas durante la mezcla. El conformado posterior del material se realiza mediante los procesos convencionales de transformación de plásticos.The present invention describes a composite material formed by a plastic polymer and biomass nanoparticles that act as reinforcement. These biomass nanoparticles are alloyed with said plastic polymer, which allows a percentage by weight of said biomass nanoparticles higher than those achieved in the technique. The invention also includes the procedure for obtaining said composite by a solid cryo-milling process, which it avoids the molten state of the polymer and with it the problems of agglomeration of the particles during the mixing. The subsequent shaping of the material is carried out using conventional plastic transformation processes.

Description

Material composite.Composite material.

Sector técnicoTechnical sector

La presente invención refiere a un material composite de matriz polimérica con un alto porcentaje de nanopartículas de biomasa. El resultado es un material termoplástico fuertemente reforzado con aplicación en la construcción, en la industria de automoción generalmente para piezas de interiores y en la fabricación de muebles.The present invention relates to a material polymer matrix composite with a high percentage of biomass nanoparticles The result is a thermoplastic material. strongly reinforced with application in construction, in automotive industry generally for interior parts and in Furniture manufacturing.

Estado de la técnica anteriorPrior art

Un material compuesto es aquel que combina dos o más materiales para conformar un nuevo producto en el que se pueden distinguir dichos materiales originales. En general, se denomina matriz al material base y mayoritario que se desea transformar con la adición de cargas o refuerzos, que son minoritarios, que modifican y mejoran sus propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, de desgaste, etc.A composite material is one that combines two or more materials to form a new product in which you can distinguish said original materials. In general, it is called matrix to the base and majority material that you want to transform with the addition of charges or reinforcements, which are minority, that modify and improve its mechanical, thermal, electrical properties, wear, etc.

Un tipo de materiales compuestos o composites son los de matriz polimérica, ya sea termoplástica o termoestable, a la que se le añaden refuerzos de diferente tipo que pueden ser continuos (tejidos o no tejidos) o discontinuos, de tamaños y morfologías variables. Los refuerzos normalmente son menos maleables y proporcionan al composite mayor resistencia en comparación con la matriz. La matriz actúa como transferidora de cargas a través de las diferentes fibras y capas del material reforzado. Los más establecidos en la industria desde hace mucho tiempo son los materiales compuestos de fibra de vidrio y fibra de carbono. Más recientemente se han incorporado también las fibras poliméricas sintéticas como aramidas (kevlar), fibras de poliéster, etc. Los procesos de fabricación de estos materiales se clasifican en base al tipo de polímero empleado. Para los composites termoestables, cuyos monómeros normalmente se encuentran en estado líquido antes de polimerizar y endurecer, se emplean técnicas de molde abierto en los que las fibras tejidas o discontinuas se impregnan de la resina bien por spray o manualmente con rodillo, o técnicas de molde cerrado como son la transfusión de resina (RTM, Resin Transfer Molding) o técnicas de infusión mediante bolsa de vacío. En el caso de los composites termoplásticos, se debe realizar, en primer lugar, la mezcla del polímero con el refuerzo mediante métodos que impliquen una buena dispersión y homogenización, siendo el más empleado la extrusión de doble husillo. La mezcla compuesta del polímero con refuerzos es moldeada a continuación por métodos conocidos en la técnica para los termoplásticos, como inyección, blow-molding, extrusión, etc.A type of composite materials or composites they are those of polymeric matrix, either thermoplastic or thermosetting, to which are added reinforcements of different types that can be continuous (woven or nonwoven) or discontinuous, of sizes and variable morphologies. Reinforcements are usually less malleable and provide the composite with greater strength compared to the matrix. The matrix acts as a load transfer through the Different fibers and layers of reinforced material. The best established in the industry for a long time are the fiberglass and carbon fiber composites. Plus recently polymeric fibers have also been incorporated Synthetics such as aramid (kevlar), polyester fibers, etc. The manufacturing processes of these materials are classified based on type of polymer used. For thermostable composites, whose monomers are normally in a liquid state before polymerize and harden, open mold techniques are used in that woven or discontinuous fibers are impregnated with resin well by spray or manually with roller, or closed mold techniques such as resin transfusion (RTM, Resin Transfer Molding) or Infusion techniques by vacuum bag. In the case of thermoplastic composites, first of all, the mixing the polymer with the reinforcement by methods that involve a good dispersion and homogenization, being the most used the twin screw extrusion. The composite polymer blend with reinforcements is then molded by methods known in the technique for thermoplastics, such as injection, blow-molding, extrusion, etc.

Recientemente se han incorporado al mercado composites que emplean refuerzos procedentes de biomasa. El principal interés de estos materiales es que, proporcionando similares propiedades que los composites tradicionales, son más baratos y medioambientalmente más respetuosos. Las fibras naturales como cáñamo, lino, algodón, sisal, bambú, madera o yute se están convirtiendo en una alternativa a las fibras convencionales de vidrio, carbono o aramidas en el uso como refuerzo de materiales termoplásticos. El rápido crecimiento del mercado de este tipo de compuestos se justifica por las ventajas que aportan; por ejemplo, un coste menor de las partículas de carga que otras más tradicionales como la fibra de vidrio, menor densidad y reducción significativa del peso, buenas propiedades de insonorización y aislamiento térmico y aspectos medioambientales ya que los materiales naturales empleados representan una fuente renovable y son biodegradables.They have recently joined the market composites that use biomass reinforcements. He main interest of these materials is that, providing similar properties than traditional composites are more Cheap and environmentally more respectful. Natural fibers such as hemp, linen, cotton, sisal, bamboo, wood or jute are becoming an alternative to conventional fibers of glass, carbon or aramid in use as reinforcement of materials thermoplastics The rapid market growth of this type of Compounds are justified by the advantages they provide; for example, a lower cost of charge particles than others traditional like fiberglass, lower density and reduction significant weight, good soundproofing properties and thermal insulation and environmental aspects since the Natural materials used represent a renewable source and They are biodegradable.

La naturaleza de las matrices poliméricas más empleadas para obtención de materiales compuestos con fibras naturales son los termoplásticos como el polietileno (PE), polipropileno (PP), policloruro de vinilo (PVC), etc, conformados fundamentalmente por moldeo por compresión y, minoritariamente, moldeo por inyección.The nature of polymer matrices more used to obtain composite materials with fibers natural are thermoplastics such as polyethylene (PE), polypropylene (PP), polyvinyl chloride (PVC), etc., shaped mainly by compression molding and, minority, injection molding.

Los procesos de fabricación empleados para los materiales compuestos con refuerzos de origen natural son, en principio, los mismos que para los refuerzos no procedentes de biomasa. En el caso de los composites termoplásticos, y especialmente cuando se trata de refuerzos de pequeño tamaño, es muy difícil obtener una buena dispersión en el polímero fundido, ya que se producen aglomeraciones de las partículas. Esto se debe fundamentalmente al carácter hidrófobo del polímero e hidrófilo del refuerzo, con tendencia a captar humedad. Existen en la técnica varios procesos para la producción de composites en general:The manufacturing processes used for Composite materials with reinforcements of natural origin are, in principle, the same as for reinforcements not coming from biomass In the case of thermoplastic composites, and especially when it comes to small reinforcements, it is very difficult to obtain a good dispersion in the molten polymer, since particle agglomerations occur. This is because fundamentally to the hydrophobic character of the polymer and hydrophilic of reinforcement, with a tendency to capture moisture. They exist in the technique several processes for the production of composites in general:

Molienda de baja energía para reducción de tamaño de polímeros empleando temperaturas criogénicasLow energy grinding for polymer size reduction using cryogenic temperatures

El empleo de temperaturas criogénicas en la trituración o molienda de polímeros es habitual ya que, a temperaturas inferiores a su temperatura de transición vítrea (Tg) la fase amorfa se encuentra en estado cristalino o vítreo, es decir, son frágiles. La molienda criogénica se emplea para desarrollar plástico ultrafino, especialmente para aquellos que funden o reblandecen a bajas temperaturas, utilizando mayoritariamente nitrógeno líquido. (Xing, L et al. "Research on cryogenic grinding of plastics with air turbine refrigeration system", 2008, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, part E: Journal of process mechanical engineering, vol. 222, iss. 2, pp. 93-101). Esta técnica ofrece una disminución en el tamaño de partículas y una distribución homogénea, así como morfologías que permite el desarrollo de nuevos procesos de fabricación que disminuyen la generación de burbujas y porosidad en los productos finales. La principal característica de emplear temperatura criogénica es la eliminación de generación de calor, por lo que es una vía útil para estudiar las propiedades de los polímeros en la producción de nuevos materiales y modificación de éstos, así como para el reciclaje de plásticos y elastómeros (Sadadinovi\acute{c}, J.; Ili\check{c}kovi\acute{c}, Z. "Polyurethane recycling. Journal of chemists and chemical engineers", 2002, vol. 51, iss. 10, pp. 431-436).The use of cryogenic temperatures in the crushing or grinding of polymers is common since, at temperatures below its glass transition temperature (Tg) the amorphous phase is in a crystalline or vitreous state, that is, they are fragile. Cryogenic grinding is used to develop ultra-thin plastic, especially for those that melt or soften at low temperatures, using mostly liquid nitrogen. (Xing, L et al . "Research on cryogenic grinding of plastics with air turbine refrigeration system", 2008, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, part E: Journal of process mechanical engineering, vol. 222, iss. 2, pp. 93-101). This technique offers a decrease in particle size and a homogeneous distribution, as well as morphologies that allow the development of new manufacturing processes that reduce the generation of bubbles and porosity in the final products. The main feature of using cryogenic temperature is the elimination of heat generation, so it is a useful way to study the properties of polymers in the production of new materials and their modification, as well as for the recycling of plastics and elastomers ( Sadadinovi \ acute {c}, J .; Ili \ check {c} kovi \ acute {c}, Z. "Polyurethane recycling. Journal of chemists and chemical engineers", 2002, vol. 51, iss. 10, pp. 431 -436).

Molienda de alta energía para disminución de tamaños o aleación poliméricaHigh energy grinding for size reduction or alloy polymeric

La molienda de alta energía, aleado mecánico o molienda reactiva, se emplea habitualmente en la tecnología pulvimetalúrgica para la aleación mecánica de polvos y la obtención de materiales compuestos en los que dentro de una misma partícula existen al menos dos tipos de estructuras diferentes. Para este proceso de aleación mecánica se emplean atmósferas inertes que impiden la reacción de las nuevas especies y controlan la temperatura del proceso. Esta técnica se ha incorporado muy recientemente para la modificación de las propiedades de los polímeros al disminuir su tamaño de partícula, o bien para la obtención de aleaciones de polímeros. Se ha estudiado recientemente la molienda mecánica criogénica en varios homopolímeros, como polietileno de alta densidad, polipropileno isotáctico, fluoruro de polivinilideno, poliestireno sindiotáctico, en baño de nitrógeno líquido (Stranz M. et al. "Stress induced formation of stable & metastable phases in semi-crystalline polymers during cryogenic mechanical milling", 2005, Journal of metastable and nanocrystalilne materials series, vol. 24-25, pp. 463-466; Stranz M., Koster, U. "Cryogenic mechanical milling of syndiotactic polystyrene (sPS)", 2005, Journal of metastable and nanocrystalilne materials series, vol. 20-21, pp. 281-286). Los polímeros pulverizados resultantes muestran transformaciones en las fases cristalinas que influyen en sus propiedades térmicas. Por otro lado, esta técnica se ha incorporado a las líneas de investigación para la aleación polimérica (o blends), de modo que gracias a los impactos producidos entre partículas a temperaturas criogénicas que evitan que funda el material se produce la aleación mecánica entre los distintos polímeros. Este proceso ha demostrado la viabilidad para producir aleaciones de polímeros que normalmente son incompatibles (Smith, A.P et al. "Temperature-induced morphological evolution in polymer blends produced by cryogenic mechanical alloying", 2000, Macromolecular materials and engineering, vol. 274, iss. 1, pp. 1-12).High energy grinding, mechanical alloy or reactive grinding, is commonly used in powder metallurgical technology for the mechanical alloy of powders and to obtain composite materials in which within the same particle there are at least two different types of structures. Inert atmospheres are used for this mechanical alloy process that prevent the reaction of new species and control the process temperature. This technique has been incorporated very recently for the modification of the properties of the polymers by decreasing their particle size, or for obtaining polymer alloys. Recently, cryogenic mechanical milling has been studied in several homopolymers, such as high density polyethylene, isotactic polypropylene, polyvinylidene fluoride, syndiotactic polystyrene, in a liquid nitrogen bath (Stranz M. et al . "Stress induced formation of stable & metastable phases in semi-crystalline polymers during cryogenic mechanical milling ", 2005, Journal of metastable and nanocrystalilne materials series, vol. 24-25, pp. 463-466; Stranz M., Koster, U." Cryogenic mechanical milling of syndiotactic polystyrene (sPS) ", 2005, Journal of metastable and nanocrystalilne materials series, vol. 20-21, pp. 281-286). The resulting pulverized polymers show transformations in the crystalline phases that influence their thermal properties. On the other hand, this technique has been incorporated into the research lines for the polymer alloy (or blends), so that thanks to the impacts produced between particles at cryogenic temperatures that prevent the material from melting, the mechanical alloy is produced between the different polymers This process has demonstrated the feasibility to produce polymer alloys that are normally incompatible (Smith, AP et al . "Temperature-induced morphological evolution in polymer blends produced by cryogenic mechanical alloying", 2000, Macromolecular materials and engineering, vol. 274, iss .1, pp. 1-12).

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Criomolienda de alta energía para composites poliméricos reforzados con partículas metálicas o cerámicasHigh energy cryololienda for polymer composites reinforced with metallic or ceramic particles

La molienda mecánica de alta energía es un método alternativo para la preparación de materiales nanocompuestos. Se logra un alto grado de dispersión de nanopartículas en una matriz polimérica gracias a la transferencia de energía entre las esferas muy duras de molienda y la mezcla de materiales a alear. Cabe mencionar la aparición de los primeros trabajos que emplean esta técnica de molienda de alta energía para la fabricación de nanocomposites, con polímeros como ABS, PAÑI o PET con nanopartículas de Fe, SiO_{2} o Al_{2}O_{3}. Estos trabajos muestran los buenos resultados en cuanto a la buena dispersión y homogenización de las mezclas, evitándose la aglomeración de las partículas de pequeño tamaño (Zhu, Y. et al. "Electromagnetic nanocomposites prepared by cryomilling of polyaniline and Fe nanoparticles", 2008, Journal of polymer science, part B: polymer physics, vol. 46, iss. 15, pp. 1571-1576).High energy mechanical grinding is an alternative method for the preparation of nanocomposite materials. A high degree of dispersion of nanoparticles in a polymer matrix is achieved thanks to the transfer of energy between the very hard grinding spheres and the mixture of alloyed materials. It is worth mentioning the appearance of the first works that employ this high energy grinding technique for the manufacture of nanocomposites, with polymers such as ABS, PAÑI or PET with Fe nanoparticles, SiO2 or Al2O3. These works show the good results regarding the good dispersion and homogenization of the mixtures, avoiding the agglomeration of small particles (Zhu, Y. et al . "Electromagnetic nanocomposites prepared by cryomilling of polyaniline and Fe nanoparticles", 2008, Journal of polymer science, part B: polymer physics, vol. 46, iss. 15, pp. 1571-1576).

Con respecto a este proceso, la peculiaridad de la presente invención de criomolienda de polímeros radica en el particular comportamiento de los materiales termoplásticos con la temperatura. Para que mantengan su estado cristalino y ocurra la aleación mecánica tienen que encontrarse por debajo de su Tg. Durante el ciclo de criomolienda deben aplicarse así rampas de calentamiento-enfriamiento en función de la etapa del proceso para que se produzca primero la aleación del polímero con las fibras y en segundo lugar la posterior aleación entre partículas de polímero ya reforzadas, y dar lugar a partículas de mayor tamaño que se puedan procesar. Por tanto la fabricación del producto objeto de la invención requiere de una evolución controlada de la energía de molienda y la temperatura para cubrir las sucesivas etapas de mezcla y carga del polímero matriz, a diferencia de los procesos convencionales de mezcla por molienda que son más continuos.With regard to this process, the peculiarity of The present invention of polymer cryololienda lies in the particular behavior of thermoplastic materials with the temperature. So that they maintain their crystalline state and the Mechanical alloy must be below its Tg. During the cryololienda cycle, ramps must be applied heating-cooling depending on the stage of the process so that the polymer alloy is produced first with the fibers and secondly the subsequent alloy between already reinforced polymer particles, and give rise to particles of larger size that can be processed. Therefore the manufacture of product object of the invention requires a controlled evolution of grinding energy and temperature to cover successive mixing and loading stages of the matrix polymer, unlike the conventional grinding mixing processes that are more continuous

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Fabricación de materiales compuestos de matriz polimérica reforzados con fibras de origen natural (biomasa)Manufacture of polymer matrix composite materials reinforced with fibers of natural origin (biomass)

Se entiende por bio-composites aquellos composites que emplean materias procedentes de la biomasa. En la actualidad la producción de bio-composites se realiza mediante procesos donde el polímero se encuentra en estado líquido, en el caso de polímeros termoestables, o en estado fundido o reblandecido para polímeros termoplásticos. En el caso de polímeros termoplásticos el proceso previo de mezcla se realiza con equipos mezcladores como extrusoras de doble husillo que ejercen el esfuerzo de cizalla adecuado. Sin embargo, existe un problema muy importante cuando se usan fibras, que es la pobre adhesión entre la fibra natural y la matriz polimérica debido a su baja interacción. Por ello, la superficie de la fibra debe ser modificada para reducir su polaridad y mejorar la compatibilidad en la interfase. Algunos de los métodos de modificación utilizados son tratamientos alcalinos, o adición de agentes acoplantes con copolímero anhídrido maleico y silanos (P. Threepopnatkul et al. "Effect of surface treatment on performance of pineapple leaf fiber-polycarbonate composites", 2009, Composites: Part B -In Press-; S. Alix et al. "Biocomposite materials from flax plants: Preparation and properties", 2008, Composites: Part A, vol. 39, pp. 1793-1801). Esta preparación previa complica el proceso de fabricación de los procesos.Bio-composites are those composites that use materials from biomass. Currently, the production of bio-composites is carried out by processes where the polymer is in a liquid state, in the case of thermosetting polymers, or in a molten or softened state for thermoplastic polymers. In the case of thermoplastic polymers, the previous mixing process is carried out with mixing equipment such as twin-screw extruders that exert the appropriate shear stress. However, there is a very important problem when using fibers, which is the poor adhesion between the natural fiber and the polymer matrix due to its low interaction. Therefore, the fiber surface must be modified to reduce its polarity and improve interface compatibility. Some of the modification methods used are alkaline treatments, or the addition of coupling agents with maleic anhydride copolymer and silanes (P. Threepopnatkul et al . "Effect of surface treatment on performance of pineapple leaf fiber-polycarbonate composites", 2009, Composites: Part B -In Press-; S. Alix et al . "Biocomposite materials from flax plants: Preparation and properties", 2008, Composites: Part A, vol. 39, pp. 1793-1801). This previous preparation complicates the process of manufacturing the processes.

La fabricación de nano-composites en los que el refuerzo es nano-fibra de origen natural se basan en composites de "nano-whiskers". Los refuerzos nanométricos (<100 nm) derivados de materiales celulósicos se obtienen en la actualidad por varios métodos, incluyendo tratamientos físicos por cizalla o alta presión, tratamientos biológicos por hidrólisis enzimática, y químicos por hidrólisis ácida. Este último es el más usado para eliminar las regiones amorfas y obtener celulosa cristalina, o whiskers. Los procesos convencionales para reforzar una matriz polimérica con nano-whiskers vía polímero fundido conlleva muchos problemas debido a la tendencia de estas partículas de aglomerarse y no alcanzar una buena dispersión. Este proceso alcanza como máxima carga de refuerzo un 10% en peso, lo que limita las mejoras producidas por las nanopartículas en el material compuesto (Yun Chen et al, "Bionanocomposites based on pea starch and cellulose nanowhiskers hydrolyzed from pea hull fibre: Effect of hydrolysis time", 2009, Carbohydrate Polymers 76, pp. 607-615). El procedimiento de la invención sin embargo, al eliminar tratamientos químicos de adaptación de las nanofibras orgánicas y conseguirlo por su aleación con el polímero, resulta en un porcentaje de hasta el 20%, lo que incrementa mucho sus propiedades con respecto a la técnica.The manufacture of nano-composites in which the reinforcement is nano-fiber of natural origin are based on composites of "nano-whiskers". Nanometric reinforcements (<100 nm) derived from cellulosic materials are currently obtained by various methods, including physical treatments by shear or high pressure, biological treatments by enzymatic hydrolysis, and chemical treatments by acid hydrolysis. The latter is the most used to eliminate amorphous regions and obtain crystalline cellulose, or whiskers. Conventional processes to reinforce a polymer matrix with nano-whiskers via molten polymer leads to many problems due to the tendency of these particles to agglomerate and not achieve a good dispersion. This process reaches a maximum reinforcement load of 10% by weight, which limits the improvements produced by nanoparticles in the composite material (Yun Chen et al , "Bionanocomposites based on pea starch and cellulose nanowhiskers hydrolyzed from pea hull fiber: Effect of hydrolysis time ", 2009, Carbohydrate Polymers 76, pp. 607-615). The process of the invention, however, by eliminating chemical treatments of adaptation of organic nanofibers and achieving it by their alloy with the polymer, results in a percentage of up to 20%, which greatly increases their properties with respect to the technique.

La solicitud internacional WO2009058426 se considera que es el documento más cercano de la técnica. Describe la fabricación de un bio-composite por proceso de molienda criogénica, aunque describe dicha criomolienda simplemente como método para acondicionar el plástico pulverizándolo y no como método de mezcla o aleación. Simplemente se trata de un proceso de incorporación de material biológico que es procesado previamente mediante trituración criogénica. La mezcla posterior se realiza en estado fundido y no mediante aleación mecánica, por lo que se obtienen las mismas limitaciones técnicas descritas en cuanto a carga máxima admitida en la matriz polimérica y a dispersión de la misma. En este caso, esas limitaciones no son un problema mayor porque la funcionalidad que aporta la biomasa al polímero es de tipo químico para la adsorción y control de olores. Se menciona la capacidad de añadir una molienda criogénica para mejorar la capacidad de combinación del material biológico mediante activación mecánica, pero no como un proceso inmediato sino posterior y por lote, con lo que esta activación no se aprovecha en toda su
capacidad.
International application WO2009058426 is considered to be the closest document in the art. It describes the manufacture of a bio-composite by cryogenic grinding process, although it describes said cryolomienda simply as a method to condition the plastic by spraying it and not as a method of mixing or alloy. It is simply a process of incorporation of biological material that is previously processed by cryogenic crushing. The subsequent mixing is carried out in a molten state and not by mechanical alloy, so that the same technical limitations described in terms of maximum load admitted in the polymer matrix and dispersion thereof are obtained. In this case, these limitations are not a major problem because the functionality that biomass brings to the polymer is chemical for adsorption and odor control. The ability to add a cryogenic grind to improve the ability to combine the biological material by mechanical activation is mentioned, but not as an immediate process, but later and by batch, so that this activation is not used in all its
capacity.

En lugar de una preparación previa seguida de una mezcla posterior, el proceso objeto de la presente invención combina ambas etapas en una única que comprende activación y aleación, seguidas de aglomeración, mezcla y dispersión, todo ello por vía mecánica y mediante la evolución adecuada de temperatura y energía del proceso de criomolienda. El resultado es una proporción sorprendentemente incrementada de fibra en el composite final.Instead of a previous preparation followed by a subsequent mixture, the process object of the present invention combines both stages into a single one that includes activation and alloy, followed by agglomeration, mixing and dispersion, all mechanically and by the appropriate evolution of temperature and Cryomolienda process energy. The result is a proportion surprisingly increased fiber in the final composite.

El problema planteado por la técnica es, pues, la necesidad de encontrar un material nano-composite con propiedades físico-químicas aptas para la industria, más barato que los actuales. La solución que aporta la presente invención es un material nano-composite con nanopartículas de biomasa en proporción superior al 10% en peso gracias al método de fabricación de la criomolienda.The problem posed by the technique is therefore the need to find a nano-composite material with physicochemical properties suitable for industry, cheaper than the current ones. The solution provided by the Present invention is a nano-composite material with biomass nanoparticles in proportion greater than 10% by weight thanks to the method of manufacturing the cryololienda.

La presente invención supone una novedad en la preparación de nanopartículas celulosas por molienda de alta energía, un método más rápido y de mayor rendimiento que los actuales, facilitado por la disponibilidad de molinos de bolas de rotor horizontal con cámara cerámica, las tecnologías de control de energía invertir para el control de la energía de molienda, y la combinación de camisa refrigerada con el lecho de nitrógeno líquido para control de temperatura. El procedimiento de la invención evita el proceso de mezcla en estado fundido al realizar dicha mezcla en estado sólido, por lo que la aglomeración y dificultad de dispersión representan un problema resuelto.The present invention is a novelty in the Preparation of cellulose nanoparticles by high grinding energy, a faster and more efficient method than current, facilitated by the availability of ball mills horizontal rotor with ceramic chamber, control technologies energy invest for grinding energy control, and the combination of cooled jacket with liquid nitrogen bed for temperature control. The process of the invention avoids the process of mixing in the molten state when performing said mixing in solid state, so the agglomeration and dispersion difficulty They represent a problem solved.

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Descripción de la invenciónDescription of the invention

La presente invención se refiere a un nuevo material compuesto de matriz polimérica con nano-refuerzos de naturaleza fibrosa procedentes de biomasa. Es un material composite que comprende al menos un polímero termoplástico que actúa como matriz y nanopartículas en aleación con dicho polímero, dichas nanopartículas de biomasa en un porcentaje superior al 10% en peso respecto al peso total. Una realización preferente es que el porcentaje de las partículas de biomasa sea superior al 12%, más preferentemente superior al 15% en peso, y más preferentemente aún superior al 20% en peso.The present invention relates to a new polymer matrix composite material with nano-reinforcements of fibrous nature from biomass It is a composite material that comprises at least one polymer thermoplastic that acts as a matrix and nanoparticles in alloy with said polymer, said biomass nanoparticles in a percentage greater than 10% by weight with respect to the total weight. One realization it is preferred that the percentage of the biomass particles be greater than 12%, more preferably greater than 15% by weight, and more preferably even more than 20% by weight.

Una realización preferente es que la matriz polimérica de dicho polímero termoplástico sea una poliolefina, preferentemente polietileno y/o polipropileno, y más preferentemente polietileno de alta densidad.A preferred embodiment is that the matrix polymer of said thermoplastic polymer is a polyolefin, preferably polyethylene and / or polypropylene, and more preferably high density polyethylene.

Otra realización preferente es que la matriz polimérica sea un biopolímero termoplástico que puede presentar características biodegradables, preferentemente un biopolímero procedente de almidones vegetales, y más preferentemente una Poli-L-Lactida (PLLA).Another preferred embodiment is that the matrix polymeric be a thermoplastic biopolymer that can present biodegradable characteristics, preferably a biopolymer from vegetable starches, and more preferably a Poly-L-Lactide (PLLA).

Otra realización más es que las nanopartículas que proceden de biomasa sean fibras naturales, y preferentemente seleccionadas del grupo compuesto por fibras de cáñamo, fibras de lino, fibras de sisal y fibras procedentes de
algas.
Another embodiment is that the nanoparticles that come from biomass are natural fibers, and preferably selected from the group consisting of hemp fibers, flax fibers, sisal fibers and fibers from
algae.

El procedimiento de obtención del material composite también es objeto de la presente invención, de forma que otra realización es un procedimiento de obtención de un material composite que comprende la criomolienda en nitrógeno líquido de partículas de biomasa en forma de fibras y polímero plástico en estado criogénico. Se obtiene así la aleación de todas las partículas que constituye dicho material composite. Este procedimiento evita el estado fundido del polímero y con ello los problemas de aglomeración de las partículas durante la primera mezcla. El conformado posterior del material resultante se realizará mediante los procesos convencionales de transformación de
plásticos.
The process for obtaining the composite material is also the subject of the present invention, so that another embodiment is a process for obtaining a composite material comprising the liquid nitrogen cryololdering of biomass particles in the form of fibers and plastic polymer in cryogenic state. . Thus, the alloy of all the particles constituting said composite material is obtained. This procedure avoids the molten state of the polymer and thereby the problems of particle agglomeration during the first mixing. The subsequent shaping of the resulting material will be carried out through the conventional processes of transformation of
plastics

El procedimiento de la invención puede incluir la activación previa de dichas partículas de biomasa y la micronización de dicho polímero. En la presente solicitud se entiende por "activación de las fibras" a aquel proceso que consigue que las fibras alcancen tamaños submicrométricos y estén en situación de interaccionar físico-químicamente con la matriz polimérica y poder alearse con el polímero al tener un área superficial específica suficiente, muy elevada, y numerosos radicales libres.The process of the invention may include the previous activation of said biomass particles and the micronization of said polymer. In this application, means "activation of the fibers" to that process that get the fibers to reach submicron sizes and be in situation of interacting physically and chemically with the polymeric matrix and can be alloyed with the polymer by having a specific surface area sufficient, very high, and numerous free radicals.

Otra realización más de la invención es que dicho procedimiento comprenda la etapa posterior de disminuir la energía de dicha criomolienda para obtener la aglomeración de dicha aleación. Dicha disminución de energía se puede llevar a cabo disminuyendo el aporte criogénico al proceso de la criomolienda, es decir abriendo a temperatura creciente. En la presente solicitud se entiende por "temperatura creciente" a un incremento de temperaturas desde -80ºC hasta 20ºC en un periodo de tiempo comprendido entre 40 y 60 min.Another embodiment of the invention is that said procedure comprises the subsequent stage of decreasing the energy of said cryololienda to obtain the agglomeration of said alloy. Said energy decrease can be carried out. decreasing the cryogenic contribution to the cryololienda process, it is say opening at rising temperature. In this application, means "rising temperature" to an increase of temperatures from -80ºC to 20ºC in a period of time between 40 and 60 min.

Finalmente el procedimiento también comprende la dispersión final de nanofibras en la matriz polimérica por molienda a temperatura ambiente y energía moderada. En la presente solicitud se entiende por "energía moderada" la energía cinética suficiente que permite una agregación mecánica en estado plástico del polímero matriz, lo cual requiere menor energía que la necesaria para la aleación mecánica en estado criogénico, que a su vez se entiende como "alta energía".Finally, the procedure also includes the final dispersion of nanofibers in the polymer matrix by grinding at room temperature and moderate energy. In this application "moderate energy" means kinetic energy enough that it allows a mechanical aggregation in plastic state of the matrix polymer, which requires less energy than necessary for the mechanical alloy in cryogenic state, which in turn understood as "high energy".

Por ofrecer una visión general, el proceso completo comprende en primer lugar el preacondicionamiento de las fibras y la matriz plástica según procedimientos convencionales. El preacondicionamiento de las fibras puede comprender su lavado en solución básica y filtrado. El acondicionamiento de la matriz plástica puede comprender la pulverización del polímero en estado de suministro. La mezcla de fibras y polímero preacondicionados son a continuación sometidos al proceso de la invención, que comprende molienda criogénica de alta energía en varias etapas.By offering an overview, the process complete includes first the preconditioning of the fibers and the plastic matrix according to conventional procedures. He fiber preconditioning can include washing in Basic and filtered solution. The conditioning of the matrix plastic can comprise spraying the polymer in a state of supply. The mixture of preconditioned fibers and polymer are a then subjected to the process of the invention, which comprises Multi-stage high energy cryogenic grinding.

En una primera etapa, la molienda se realiza a niveles de energía creciente en un lecho de nitrógeno líquido, en que se fuerzan procesos de micronización de las partículas poliméricas y activación de las fibras naturales. La mezcla del polímero y fibras con el lecho de nitrógeno líquido resulta en un lodo o slurry criogénico dentro del cual sucederán las reacciones posteriores. A continuación se mantiene la molienda a muy alta energía resultando en la aleación mecánica de las partículas poliméricas con las fibras naturales, ciclo que debe someterse a temperaturas inferiores a la Tg del polímero para que éste se encuentre en estado cristalino. El siguiente ciclo se realiza a temperatura superior a la Tg pero inferior a la temperatura de fusión del polímero para que esté en un estado plástico, de modo que los choques entre partículas de polímero den lugar al crecimiento de partículas. Las partículas resultantes deben ser aglomeradas o paletizadas para su posterior conformado en producto final, aglomeración que puede ser realizada por fusión-extrusión-trituración, o mediante moldeo por compresión. Los pellets o lentejas resultantes pueden ser usados para la extrusión, inyección o cualquier otra vía habitual de procesado de termoplásticos.In a first stage, the grinding is done at increased energy levels in a bed of liquid nitrogen, in that micronization processes of the particles are forced polymeric and activation of natural fibers. The mixture of polymer and fibers with the liquid nitrogen bed results in a sludry or cryogenic slurry within which reactions will occur later. Then the grinding is kept very high energy resulting in the mechanical alloy of the particles polymeric with natural fibers, a cycle that must undergo temperatures below the Tg of the polymer so that it find in crystalline state. The next cycle is performed at temperature higher than Tg but lower than the temperature of fusion of the polymer so that it is in a plastic state, so that collisions between polymer particles lead to the growth of particles The resulting particles must be agglomerated or palletized for later forming into final product, agglomeration that can be performed by fusion-extrusion-crushing, or by compression molding. The resulting pellets or lentils can be used for extrusion, injection or any other route usual thermoplastic processing.

El polímero resultante obtiene ventajas de las propiedades emergentes de las nanopartículas en concentraciones elevadas, en especial una durabilidad prolongada, resistencia al desgaste y abrasión, así como resistencia mecánica incrementada sin pérdida de elasticidad.The resulting polymer obtains advantages from emerging properties of nanoparticles in concentrations high, especially prolonged durability, resistance to wear and abrasion, as well as increased mechanical strength without loss of elasticity

En el proceso de la presente invención es imprescindible un control riguroso de la temperatura durante la molienda realizada en las distintas etapas.In the process of the present invention it is A rigorous temperature control is essential during grinding carried out in the different stages.

Con la intención de mostrar la presente invención de un modo ilustrativo aunque en ningún modo limitante, se aportan los siguientes ejemplos.With the intention of showing this invention in an illustrative way although in no way limiting, They provide the following examples.

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Ejemplos Examples Ejemplo 1Example 1 En el que la matriz polimérica es polipropileno y el refuerzo de nano-fibras de lino, alcanzando un porcentaje de carga del 20%In which the polymer matrix is polypropylene and the reinforcement of linen nano-fibers, reaching a percentage of 20% charge

Las fibras de lino cortadas se introdujeron en un molino (Fritsh Pulverisette) hasta conseguir partículas finas. Luego se trataron éstas con una solución de NaOH al 4% a 80ºC durante 2 h con agitación para eliminar todos los constituyentes presentes en las fibras que no resultan válidos. A continuación, las fibras se filtraron y lavaron con agua destilada hasta eliminar completamente el álcali. Las fibras de lino tratadas se introdujeron en el molino de alta energía (modelo Simoloyer, casa ZOZ) sometiéndolas a criomolienda con bolas de acero de diámetro 3 mm para disminuir su tamaño. Este proceso se llevó a cabo durante 4 horas de molienda. Por otro lado, el polipropileno en granza se introdujo en el molino (Fritsh Pulverisette) en estado criogénico para disminuir su tamaño hasta pulverizarlo. Ambos compuestos, nano-fibras de lino tratadas y polipropileno en polvo, se introdujeron en el molino de alta energía en una proporción en peso similar a la aleación deseada. Para el material compuesto de PP reforzado con un 20% de nano-fibras de lino, se introdujeron un 20% del peso total del material en nano-fibras. Se prepararon 500 g de material reforzado introduciendo 400 g de PP en polvo y 100 g de nano-fibras junto con 5 kg de bolas de acero de 3 mm. Se comenzó el proceso de aleación criogénica, procediendo en primer lugar a la carga de nitrógeno líquido en la cámara, tras la cual se pone en movimiento el molino. En la primera etapa de micronización y activación se mantuvo un giro de 1500 rpm durante 1 h. La segunda etapa de aleación mecánica polímero + fibra se realizó a una velocidad de 1800 rpm durante un tiempo de 3 h. En la tercera etapa se mantuvo el giro a 600 rpm en la cual la energía es moderada y, por último, se realizó una última etapa de 300 rpm durante 30 min. La descarga del material aleado se realizó de forma automática a 400 rpm durante 20 min, en la cual las bolas permanecieron en la cámara. El rendimiento del proceso fue del 90%. El material obtenido en forma pulverulenta se procesó a continuación para la fabricación de pellets de tamaño de 3 mm para poder ser inyectado. Una vez pelletizado se inyectó para moldear un asiento de válvula, como pieza final. Las propiedades mecánicas de este asiento de válvula quedaron representadas en un ensayo de tracción que mostró una tensión máxima de 152 MPa, y una mejora a desgaste en ensayos de tribología del 30% con respecto al polímero sin reforzar, por lo que el material resultó apto para prolongar la vida útil de la pieza y, por lo tanto, reducir sus requisitos de mantenimiento. La resistencia obtenida es tres veces mayor que la del polímero sin carga, y representa una mejora sustancial respecto a los refuerzos con nanopartículas por debajo del 10% mediante dispersión en estado fundido (ver figura 3).The cut flax fibers were introduced in a mill (Fritsh Pulverisette) until fine particles are achieved. These were then treated with a 4% NaOH solution at 80 ° C for 2 h with stirring to remove all constituents present in fibers that are not valid. Then the fibers were filtered and washed with distilled water until removed completely alkali. The treated flax fibers were introduced in the high energy mill (Simoloyer model, ZOZ house) subjecting them to criomolienda with steel balls of diameter 3 mm To decrease its size. This process was carried out for 4 grinding hours On the other hand, polypropylene in pellets is introduced into the mill (Fritsh Pulverisette) in cryogenic state to decrease its size until pulverized. Both compounds, treated linen nano-fibers and polypropylene in powder, were introduced into the high energy mill in a weight ratio similar to the desired alloy. For the material PP compound reinforced with 20% nano-fibers of linen, 20% of the total weight of the material was introduced in nano-fibers 500 g of material were prepared reinforced by introducing 400 g of PP powder and 100 g of nano-fibers together with 5 kg of 3 steel balls mm The cryogenic alloy process was started, proceeding in first to the liquid nitrogen charge in the chamber, after the which starts the mill. In the first stage of micronization and activation a rotation of 1500 rpm was maintained for 1 h. The second stage of polymer + fiber mechanical alloy was performed at a speed of 1800 rpm for a time of 3 h. In the third stage the spin was maintained at 600 rpm in which the energy is moderate and finally, a final stage of 300 rpm was performed for 30 min. The unloading of the alloyed material was done automatically at 400 rpm for 20 min, in which the balls remained in the camera. The yield of the process was 90%. The material obtained in powder form it was then processed for manufacturing of 3 mm size pellets to be injected. One time pelletized was injected to mold a valve seat, such as final piece The mechanical properties of this valve seat they were represented in a tensile test that showed a maximum tension of 152 MPa, and an improvement to wear in tests of 30% tribology with respect to the unreinformed polymer, so the material was apt to prolong the life of the piece and, Therefore, reduce your maintenance requirements. The resistance obtained is three times greater than that of the polymer without load, and represents a substantial improvement over reinforcements with nanoparticles below 10% by state dispersion cast (see figure 3).

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Ejemplo 2Example 2 En el que la matriz polimérica es una Policaprolactona (PCL), de alta biocompatibilidad y el refuerzo consiste en nanocelulosa comercial al 15%In which the polymer matrix is a Polycaprolactone (PCL), of High biocompatibility and reinforcement consists of nanocellulose 15% commercial

Se cargaron 30 gramos de nanocelulosa y 200 gramos de PCL en estado de suministro, junto con 3 kg de bolas de molienda de acero de 3 mm de diámetro en un molino horizontal de alta energía (ZOZ Simoloyer). Se adicionaron entonces 750 ml de nitrógeno líquido a la cámara de molienda y se sometió la mezcla a un ciclo de molienda en varias etapas. La primera etapa consistió en la molienda a 1500 rpm durante 1 h en lecho de nitrógeno líquido. La segunda etapa consistió en una molienda a 1000 rpm durante 4 h a una temperatura de -30ºC. Por último, se mantuvo una molienda a 500 rpm durante 3 h más, permitiendo una subida de temperatura de 1ºC/min hasta alcanzar la temperatura ambiente formando un lodo. Finalmente se descargó la cámara de molienda en la forma habitual. El material resultante de la molienda es usado para a continuación extruir una lámina de 0,5 mm de elevada biocompatibilidad y alta resistencia, especialmente apta para instrumental quirúrgico.30 grams of nanocellulose and 200 grams were loaded grams of PCL in delivery status, together with 3 kg of balls 3 mm diameter steel grinding in a horizontal mill high energy (ZOZ Simoloyer). Then 750 ml of liquid nitrogen to the grinding chamber and the mixture was subjected to a multi-stage grinding cycle. The first stage consisted of grinding at 1500 rpm for 1 h in a bed of liquid nitrogen. The second stage consisted of grinding at 1000 rpm for 4 h at a temperature of -30ºC. Finally, grinding was maintained at 500 rpm for 3 more hours, allowing a temperature rise of 1ºC / min until reaching room temperature forming a mud. Finally The grinding chamber was discharged in the usual manner. The material resulting from grinding is used to then extrude a 0.5 mm high biocompatibility and high strength sheet, Especially suitable for surgical instruments.

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Breve descripción de las figurasBrief description of the figures

Figura 1.- Proceso de producción del producto aleado polímero-fibra.Figure 1.- Product production process polymer-fiber alloy.

1.one.
Bolas de molienda.Grinding balls

2.2.
Polímero.Polymer.

3.3.
Fibras.Fibers.

4.Four.
Rotor.Rotor.

5.5.
Camisa refrigerada.Refrigerated shirt

6.6.
Cámara de mezcla.Mixing chamber

7.7.
Polímero.Polymer.

8.8.
Nanofibras.Nanofibers

9.9.
Medio de molienda.Grinding medium

10.10.
Lodo criogénico, formado por nitrógeno líquido con partículas en suspensión.Cryogenic sludge, formed by liquid nitrogen with suspended particles.

11.eleven.
Lecho de nitrógeno líquido.Liquid nitrogen bed.

12.12.
Polímero nanoestructurado.Nanostructured Polymer

13.13.
Producto aleado polímero + fibra.Alloy polymer + fiber product.

         \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
      

Figura 2.- Evolución temporal de la Energía de molienda (E) y la temperatura (T) a lo largo de toda la duración del proceso de molienda criogénica para la producción del polímero nanoestructurado final. En un primer momento se produce la carga con nitrógeno líquido y el enfriamiento brusco de la carga, sometida a molienda bajo alta energía mecánica, para a continuación progresar en sucesivas etapas de distinta duración, cada una con mayor temperatura y menor energía para producir distintos efectos mecánicos.Figure 2.- Temporary Evolution of the Energy of grinding (E) and temperature (T) throughout the entire duration of the cryogenic grinding process for polymer production final nanostructured At first the load is produced with liquid nitrogen and sudden cooling of the load, subjected to grinding under high mechanical energy, to then progress in successive stages of different duration, each with greater temperature and lower energy to produce different effects mechanics

1.one.
Carga de matriz polimérica y fibras naturales.Load of polymer matrix and fibers natural

2.2.
Micronización y activación.Micronization and activation.

3.3.
Aleación mecánica polímero + fibra.Mechanical alloy polymer + fiber.

4.Four.
Polímero nanoestructurado (estructura celular).Nanostructured polymer (structure mobile).

5.5.
Polímero nanoestructurado (disperso).Nanostructured (dispersed) polymer.

         \global\parskip1.000000\baselineskip\ global \ parskip1.000000 \ baselineskip
      

Figura 3.- Resistencia de un polímero con cargas de nanopartículas de origen vegetal mediante criomolienda, en función de la proporción de carga añadida.Figure 3.- Resistance of a polymer with charges of nanoparticles of plant origin by cryololienda, in function of the proportion of added load.

Figura 4.- Esquema general del proceso de producción.Figure 4.- General scheme of the process of production.

Claims (11)

1. Material composite que comprende al menos un polímero termoplástico que actúa como matriz y nanopartículas de biomasa en aleación con dicho polímero, dichas nanopartículas de biomasa en un porcentaje superior al 10% en peso respecto al peso total.1. Composite material comprising at least one thermoplastic polymer that acts as a matrix and nanoparticles of alloy biomass with said polymer, said nanoparticles of biomass in a percentage greater than 10% by weight with respect to weight total. 2. Material composite según la reivindicación 1, en el que dicha matriz polimérica es una poliolefina.2. Composite material according to claim 1, wherein said polymer matrix is a polyolefin. 3. Material composite según la reivindicación 2, en el que dicha poliolefina es polietileno y/o polipropileno.3. Composite material according to claim 2, wherein said polyolefin is polyethylene and / or polypropylene. 4. Material composite según la reivindicación 3, en que dicho polietileno es polietileno de alta densidad.4. Composite material according to claim 3, wherein said polyethylene is high density polyethylene. 5. Material composite según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en que dicha matriz polimérica es un biopolímero termoplástico.5. Composite material according to any of the claims 1 to 4, wherein said polymeric matrix is a thermoplastic biopolymer. 6. Material composite según la reivindicación 5, en que dicho biopolímero es un PLLA.6. Composite material according to claim 5, wherein said biopolymer is a PLLA. 7. Material composite según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que dichas partículas de biomasa son fibras naturales.7. Composite material according to any of the previous claims, wherein said biomass particles They are natural fibers. 8. Material composite según la reivindicación 7, en el que dichas fibras naturales están seleccionadas entre el grupo comprendido por fibras de cáñamo, fibras de lino, fibras de sisal y fibras procedentes de algas.8. Composite material according to claim 7, wherein said natural fibers are selected from the group comprised of hemp fibers, flax fibers, sisal fibers and fibers from algae. 9. Procedimiento de obtención de un material composite, que comprende criomolienda en nitrógeno líquido de partículas de biomasa en forma de fibras y polímero plástico en estado criogénico, para obtener la aleación de dicho material composite.9. Procedure for obtaining a material composite, which comprises cryololienda in liquid nitrogen of biomass particles in the form of fibers and plastic polymer in cryogenic state, to obtain the alloy of said material composite 10. Procedimiento según la reivindicación 9, que comprende la activación previa de dichas partículas de biomasa y la micronización de dicho polímero.10. Method according to claim 9, which it comprises the previous activation of said biomass particles and the micronization of said polymer. 11. Procedimiento según la reivindicación 9, que comprende la etapa posterior de disminuir la energía de dicha criomolienda para obtener la aglomeración de dicha aleación.11. Method according to claim 9, which it comprises the later stage of decreasing the energy of said cryololienda to obtain the agglomeration of said alloy.
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