Nanocompuestos de base almidón con aplicaciones en envases biodegradables

Tesis

Resumen

La ciencia y la tecnología en el área de materiales muestran una fuerte tendencia a focalizar todos los esfuerzos en el desarrollo de materiales biodegradables y biobasados. El almidón, cumple con ambos requisitos, es compostable, de bajo costo y abundan en la naturaleza diferentes fuentes a partir de las cuales puede obtenerse. En particular, la mandioca es uno de los cultivos de mayor producción en la región noroeste de nuestro país. Sin embargo, la rentabilidad de la fécula (almidón) de mandioca es baja, generando un serio problema económico y forzando el desarrollo de tecnologías que permitan transformar un producto primario en uno de alto valor agregado. En este contexto, la producción de películas (?films?) para envases a partir de féculas de mandioca es todo un desafío científico ? tecnológico. Procesamientos industriales muy conocidos para los plásticos convencionales como la extrusión, el calandrado y el soplado, deben desarrollarse para la obtención de películas a partir de este material. Adicionalmente, es necesario generar estrategias que permitan obtener materiales biobasados y compostables que sean competitivos con los plásticos tradicionales, al menos en algunas aplicaciones. Los problemas típicos de las películas de almidón son su alta permeabilidad al vapor de agua, baja resistencia mecánica y deformación a rotura, así como los importantes cambios que sufren sus propiedades a lo largo del tiempo de almacenamiento (retrogradación). En este marco, el objetivo general de esta tesis fue generar conocimiento científico-tecnológico asociado al desarrollo de películas biodegradables de base almidón de mandioca, empleando la técnica de evaporación de solvente, de escala laboratorio, y la de extrusión seguido de termoformado o calandrado, de escala industrial. Para ello, y teniendo en cuenta los problemas antes mencionados del almidón, se diseñaron diferentes estudios en cuatro sistemas: almidón de mandioca nativo reticulado con ácido cítrico; almidones de mandioca comerciales modificados químicamente (hidrolizados y carboximetilados); mezclas de almidón de mandioca nativo y poly(butylene adipate-co-terephthalate) (PBAT) y materiales autoreforzados de base almidón de mandioca nativo con dos diferentes nanoestructuras.En todos los casos, se determinó la influencia de las variables de proceso en las propiedades finales de los materiales desarrollados, tanto para la técnica de evaporación de solvente como para la de extrusión. Se logró entender la relación propiedad- composición-estructura de cada material de estudio, generando nuevo conocimiento sobre el efecto de las diferentes interacciones intermoleculares, de la movilidad protónica, la estructura de red, la cristalinidad y de la presencia de interfaces en las propiedades mecánicas y de transporte. A través de la técnica de evaporación de solvente, se desarrollaron películas de almidón con ácido cítrico, utilizando dos temperaturas de procesamiento diferentes: 75°C y 85°C. Se demostró que la reticulación del almidón resultó ser más eficaz en los materiales procesados hasta 75ºC. Se encontró una manera efectiva de obtener un material reticulado con una estructura de red abierta, la cual fue evidenciada y caracterizada mediante el estudio de la cinética de reacción entre los componentes, espectroscopía infrarroja, resonancia magnética nuclear de bajo campo, hinchamiento en dimetil sulfóxido (DMSO), contenido de humedad, permeabilidad al vapor de agua y diferentes caracterizaciones mecánicas.En el caso de los materiales obtenidos por el proceso de extrusión, se evaluaron los efectos de la temperatura y del cambio en la viscosidad de la mezcla a extrudir, a través de la inclusión de diferentes porcentajes de un plastificante. Así mismo, se evaluó el efecto de la fuerza de corte y de la energía mecánica asociada a través de la variación de la velocidad del tornillo, sobre la rotura y gelatinización del grano. Para ello, se obtuvieron materiales de base almidón (cordones y películas) utilizando tres velocidades de tornillo: 40 rpm, 80 rpm y 120 rpm. Se investigó la morfología de cada material a través de microscopía electrónica de barrido (SEM), su estructura cristalina mediante difracción de rayos-X (DRX), su respuesta viscoelástica a través de análisis mecánicos dinámicos (DMTA) y el comportamiento frente a esfuerzo tensil mediante ensayos de tracción uniaxial. Se demostró que la velocidad de tornillo es un parámetro fundamental de proceso y que determina el comportamiento final del material. Se lograron determinar las condiciones de proceso que deben emplearse para obtener una dada respuesta fisicoquímica a partir de la extrusión de mezclas de almidón de mandioca nativo con agua y glicerol como plastificantes.Con el fin de mejorar la susceptibilidad al agua de las películas de almidón de mandioca y glicerol, se fabricaron películas a partir de almidones comerciales modificados químicamente (carboximetilado, hidrolizado y de una mezcla de ambos al 50/50) por extrusión y calandrado. A través del estudio del peso molecular del almidón, y de los análisis termogravimétricos (TGA), DMTA, ensayos de tensión uniaxial, DRX, FTIR y morfología de cada película, se logró entender la interacción entre el plastificante y el almidón. Se demostró que el empleo de los distintos almidones modificados condujo a diferentes empaquetamientos moleculares, generando cambios en propiedades de transporte y la solubilidad al agua de las películas, resultando el material con almidón carboximetilado el de mayor resistencia mecánica y menos susceptibilidad al agua. Con este mismo fin, también se fabricaron películas de mezclas de almidón de mandioca nativo y PBAT. Sin embargo, si bien se lograron obtener películas con incrementos en la tensión y deformación a rotura, así como en el módulo de Young, se observó una marcada separación de fases entre el almidón y PBAT y serios problemas de interfase revelados en las propiedades de transporte.Haciendo uso de conceptos básicos de nanotecnología, que muestra a la inclusión de nanopartículas como una opción para mejorar las propiedades de barrera e incrementar las mecánicas sin perjuicio de la transparencia del material, se desarrollaron nanoestructuras de almidón y con ellas se fabricaron dos tipos de materiales autoreforzados. En primer lugar, se elaboraron nanopartículas de almidón mediante la técnica de radiación gamma aplicando una metodología previamente desarrollada en el grupo. Manteniendo la idea de la inclusión del PBAT, se emplearon las nanopartículas obtenidas por esta metodología en películas autoreforzadas de almidón de mandioca nativo y PBAT pensando a las nanopartículas como un compatibilizador adicional. Comparando con los resultados obtenidos para las películas de almidón y PBAT, se concluyó que la adición de nanopartículas resultó una estrategia eficaz para mejorar la compatibilidad entre ambos polímeros, sin perjuicio de las mejoras en las propiedades mecánicas y térmicas que introduce el PBAT. Además, a partir de los resultados de los ensayos de análisis térmico diferencial (DTA), se obtuvo información sobre las interacciones entre los diferentes componentes de las películas autoreforzadas, encontrando que las nanopartículas interactuaron preferencialmente con la amilosa del almidón.En una segunda instancia, se desarrollaron dos nuevos protocolos para la obtención de nano-micro partículas de almidón. En ambos casos se trabajó con un tratamiento previo que condujo a la obtención de un material cristalino y rico en amilopectina. Utilizando este material rico en amilopectina como material de partida, se emplearon dos técnicas diferentes para la obtención de las nano-micro partículas. Se obtuvieron nano-micro partículas de almidón mediante un método ampliamente utilizado en la industria como es la molienda mecánica y se aplicaron en películas autoreforzadas de base almidón. A partir de análisis diferencial térmico (DTA) se obtuvo información cualitativa de la relación amilosa/amilopectina en las películas autoreforzadas. Se evaluó la competencia entre el efecto del nanorefuerzo y la influencia del contenido de amilopectina en las propiedades mecánicas y de transporte de los materiales. Se encontró que para un 25% de nano-micro partículas predominó el efecto de las partículas de tamaño nanométrico frente al contenido de amilopectina, conduciendo a importantes aumentos en la resistencia mecánica; mientras que para un 50 %, la influencia de la amilopectina se hizo relevante, conduciendo a películas con respuesta mecánica y propiedades de transporte similares a las de almidón nativo. Finalmente, partiendo del material cristalino y rico en amilopectina, mediante el uso de radiación gamma, se implementó una metodología diferente para la obtención de nano-micro partículas de almidón; con el objetivo de lograr un producto de bajo costo, alto rendimiento y escalable industrialmente. Se estudió la distribución de tamaños y morfologías del producto obtenido mediante SEM encontrándose una distribución de tamaños desde 50 nanómetros hasta 0,2 micrones. Se demostró, mediante DRX, que el patrón de difracción de estas nano-micro partículas resultó similar al del almidón de partida. Es decir, a diferencia del proceso previo desarrollado por el grupo usando también radiación gamma, en este caso se obtuvieron nano-micro partículas cristalinas. Este producto, así como su proceso de obtención, se encuentran enviados para que se evalúe su patentamiento. El creciente uso de envases plásticos no biodegradables lleva aparejados problemas incipientes tanto de toxicidad como de acumulación de residuos que son perjudiciales para el medioambiente. Los materiales desarrollados en esta Tesis han demostrado tener características para su reemplazo no solo contribuyendo al cuidado del hombre sino también como grandes competidores de los envases plásticos livianos en capacidad y costo.

Descargue o solicite el texto completo:

http://hdl.handle.net/11336/85686