Desarrollo de mezclas de poliésteres derivados de recursos renovables como estrategia para obtener un nuevo material completamente biodegradable apto para envases

Abstract

El principal objetivo del presente trabajo de Tesis fue la obtención y caracterización metódica de materiales y nanocompuestos basados en poli (ácido láctico) (PLA) y poli (3-hidroxibutirato) (PHB), con la adición de tributirin (TB) como plastificante y nanopartículas de quitina (NPQ) como refuerzo. Los materiales desarrollados dieron lugar a películas 100% biodegradables y derivadas de recursos renovables, con potencial aplicación como envases y/o embalaje. Todos los materiales se obtuvieron por técnicas de mezclado en fundido y posterior moldeo por compresión. En primer lugar, se evaluó la plastificación de PLA y PHB con el tributirin, incorporado en tres concentraciones diferentes (10, 15, 20% p/p). Se estudiaron las propiedades estructurales, térmicas y mecánicas de los materiales obtenidos. El plastificante resultó miscible y efectivo hasta al menos un contenido del 20% en peso, provocando la disminución de las temperaturas de transición vítrea y rigidez de los materiales. Se obtuvieron películas homogéneas y traslúcidas basadas en PLA o PHB con reducida ductilidad. En segundo lugar, se desarrollaron mezclas de los dos polímeros, PLA y PHB, plastificadas con un 20% en peso de TB. Se estudió el efecto de la variación de la relación másica PLA/PHB en las propiedades finales de los materiales, mediante caracterizaciones de tipo estructural, morfológico, térmico, mecánico y de barrera al vapor de agua. La proporción mezcla de polímeros / plastificante se mantuvo en 80/20% en peso en las diferentes mezclas de relaciones másicas PLA/PHB: 70/30, 60/40, 50/50, 40/60, 30/70. A pesar de que los polímeros resultaron ser prácticamente inmiscibles entre sí generando materiales bifásicos, se lograron obtener películas delgadas y homogéneas, con propiedades modificadas respecto de los materiales basados en los homopolímeros. Las mezclas plastificadas presentaron mayor ductilidad debido a la reducción en las temperaturas de transición vítrea y a los procesos de deformación plástica ocasionados por el despegue entre las fases continua y dispersa. El aumento de la movilidad de las cadenas poliméricas promovido por la plastificación, generó un aumento en la permeabilidad al vapor de agua. De todas las formulaciones estudiadas, aquellas con mayor contenido de PLA fueron las que presentaron las propiedades más prometedoras para la preparación de películas flexibles. Seguidamente, se estudió el efecto de la variación del contenido de plastificante TB (10, 15, 20% p/p) en los materiales de mezclas PLA/PHB con mayor contenido de PLA. La adición de un 15% en peso de TB redujo la permeabilidad al vapor de agua respecto de los materiales evaluados en la etapa previa, conservando la ductilidad de las películas. Además, los materiales PLA/PHB-15TB fueron evaluados mecánicamente en condiciones severas de carga. Presentaron un comportamiento dúctil frente a ensayos uniaxiales de fractura mecánica con presencia de entalla aguda y un comportamiento semi-dúctil frente a experimentos de impacto biaxial con caída libre de dardo instrumentado. En cuarto lugar, se propuso la obtención de nanocompuestos incorporando nanopartículas de quitina para intentar contrarrestar el detrimento en las propiedades de barrera de los materiales por el agregado del plastificante. Las formulaciones de base que dieron lugar a los nanocompuestos fueron las mezclas PLA/PHB-15TB con alto contenido de PLA. Las nanopartículas fueron sintetizadas por medio de hidrólisis ácida a partir de quitina purificada. Las películas obtenidas con un contenido de 2% en peso de nanocarga no presentaron cambios significativos en las propiedades térmicas y de barrera. Se identificaron aglomeraciones de nanopartículas evidenciando una pobre dispersión de las mismas dentro de la matriz polimérica, posiblemente debido a diferencias de hidrofobicidad. Esto provocó que los nanocompuestos presenten un comportamiento mecánico semi-frágil. Finalmente, se evaluó el potencial uso de las mezclas y nanocompuestos a base de PLA/PHB-15TB y nanoquitina, para su aplicación como envases, realizando diferentes ensayos específicos. Se estudiaron los parámetros de color y propiedades de barrera a la luz, propiedades de barrera a gases y vapor de agua, hidrofobicidad, migración global en simulantes alimentarios, conservación cualitativa de distintos tipos de alimentos y biodegradación en compostaje. Se analizó el efecto del agregado de plastificante y de nanopartículas en cada uno de los ensayos. Se estimó que todas las películas se desintegrarían en un porcentaje superior al 90% de su masa inicial en menos de 90 días de tratamiento biológico en compostaje, indicando que son materiales 100% biodegradables y compostables. La adición de plastificante y NPQ aceleró el proceso de degradación. En conclusión, fue posible obtener materiales totalmente biodegradables con mejor desempeño para su uso en envases y/o embalaje flexibles que los materiales que los conforman, aprovechando las buenas propiedades de cada uno de los componentes. Además, resultaron ser materiales compostables y amigables con el medioambiente, al estar constituidos por compuestos derivados de fuentes renovables. Esto los convierte en alternativas sostenibles a los polímeros convencionales de alto impacto medioambiental utilizados habitualmente en la fabricación de envases. Mail del autor Magdalena Iglesias <ml.iglesiasmontes@gmail.com>