Español (pdf)
Articulo en XML
Referencias del artículo
Traducción automática
Enviar articulo por email
Citado por SciELO 
Similares en
SciELO 
Permalink
1. INTRODUCCIÓN
La excesiva generación de residuos plásticos tradicionales ha ocasionado una constante preocupación en torno a su estrategia de manejo (Yokesahachart y Yoksan, 2011). En la actualidad, varias son las alternativas propuestas para la gestión de los materiales poliméricos tradicionales; no obstante, el desarrollo e innovación de biopolímeros es una de las opciones que ha tomado mayor interés, puesto que representa una alternativa viable para potenciar el uso de materias primas renovables así como también la disminución de la contaminación ambiental (Ren et al., 2009).
En esta perspectiva, el poli (ácido láctico) (PLA) es uno de los polímeros biodegradables de mayor aplicabilidad (Shirai et al., 2013). Este polímero es un poliéster alifático termoplástico biodegradable que puede ser obtenido a partir de materias primas renovables (Rasal et al., 2010). El PLA posee una excelente capacidad de descomposición y fácil procesabilidad. Sin embargo, su alto costo y relativa fragilidad constituyen una limitante para extender su espectro de aplicaciones (Shi et al., 2011; Wang et al., 2001). Es así que, con el objetivo de disminuir el costo de producción, se ha propuesto el uso del PLA en mezclas con otras materias primas naturales (Ke y Sun, 2001; Shen et al., 2009).
El almidón es uno de los polímeros naturales más empleados debido a su bajo costo y disponibilidad en varias fuentes botánicas (Laycock y Halley, 2014). En el Ecuador, el almidón de achira (Canna edulis) constituye un recurso natural autóctono de la zona andina que contiene alrededor de 22 % de amilosa (Barrera et al., 2004; Moorthy et al., 2006). A pesar de la abundancia de esta materia prima, su baja procesabilidad requiere que se lleven a cabo procesos de plastificación; para tal efecto se ha estudiado la obtención de almidón termoplástico (TPS) por medio de la acción de varios agentes tales como: oligómeros de ácido láctico, ésteres de citrato, sorbitol, glicerol, polietilenglicol y polipropilenglicol (Olivato et al., 2012; Shirai et al., 2015). A pesar del notable desarrollo en la plastificación de los almidones, existe una limitante para su uso debido principalmente a su alta hidrofilicidad (Ning et al., 2009). Durante la última década se han reportado varios estudios sobre mezclas PLA-TPS, en los cuales se busca mejorar la compatibilidad entre los dos polímeros; incompatibilidad ocasionada por la marcada diferencia en la afinidad con el agua que presentan sus microestructuras (Wang et al., 2008; Favaro et al., 2012). Se han planteado numerosos mecanismos para mejorar la miscibilidad de la mezcla PLATPS, los mismos que involucran el uso de moléculas anfifílicas o agentes de acoplamiento (Teixeira et al., 2012). Específicamente, se ha estudiado el efecto del anhídrido maleico, diisocianatos o peróxidos sobre las propiedades funcionales de las mezclas PLA-TPS (Schwach et al., 2012). No obstante, los compatibilizantes de origen sintético son en muchos casos agentes tóxicos que pueden migrar durante el tiempo de servicio del producto final (Yokesahachart y Yoksan, 2011; Shogren et al., 2011)
Dentro de este marco referencial, la presente investigación pretende estudiar el efecto de la cera carnauba como agente compatibilizante en la miscibilidad de las mezclas PLAGlicerol-Almidón de achira y complementarlo a través del estudio de su comportamiento mecánico.
2. METODOLOGÍA
2.1 Materiales
Los materiales empleados en la presente investigación fueron: PLA (98 % de pureza, densidad 1,24 g/cm3) suministrado por ECUAMATTERLAB S.A., almidón nativo de achira (Canna edulis) (grado alimenticio) adquirido de la comercializadora CAMARI, glicerol (99,8 % de pureza) provisto por Toptrading Productos Químicos. El agente compatibilizante empleado fue cera carnauba (CC) (grado técnico) adquirida de La Casa de los Químicos Laquin CIA. LTDA. Adicionalmente, se empleó estearato de zinc (grado técnico) como agente desmoldante.
2.2 Formulación de mezclas
Previo a la mezcla de los componentes, el almidón nativo fue secado durante 2 h a 40 °C. Una vez acondicionado el almidón, se realizó un estudio preliminar de la influencia de la cera carnauba sobre la miscibilidad de la mezcla PLAalmidón-glicerol, para lo cual se fijó la cantidad de PLA en 50 % de la mezcla total y una relación constante A:G de 1:1, mientras que se ensayó el efecto del compatibilizante para cinco proporciones:1 %, 2%, 3 %, 4 % y 5 %. Para facilitar la procesabilidad de la mezcla, se añadió estearato de zinc en un porcentaje constante correspondiente al 0,5 %. La composición de las formulaciones se presenta en la Tabla 1.
Tabla 1 Composición porcentual en peso de formulaciones estudiadas
| Mezcla | Cera carnauba | PLA | Almidón | Glicerol | Estearato de zinc |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | 1 | 50 | 24,25 | 24,25 | 0,5 |
| 2 | 2 | 50 | 23,75 | 23,75 | 0,5 |
| 3 | 3 | 50 | 23,25 | 23,25 | 0,5 |
| 4 | 4 | 50 | 22,75 | 22,75 | 0,5 |
| 5 | 5 | 50 | 22,25 | 22,25 | 0,5 |
| 6 | 1 | 50 | 29,10 | 19,40 | 0,5 |
| 7 | 1 | 45 | 26,75 | 26,75 | 0,5 |
| 8 | 1 | 45 | 32,10 | 21,40 | 0,5 |
| 9 | 1 | 40 | 29,25 | 29,25 | 0,5 |
| 10 | 1 | 40 | 35,10 | 23,40 | 0,5 |
Posteriormente, se efectuó el análisis de la homogeneidad de las mezclas por medio de microscopía óptica. Con esta evaluación preliminar, se seleccionó la proporción que presentó el mejor resultado en términos de miscibilidad de los componentes de la mezcla. A partir de este valor se realizó un estudio adicional, en el que se ensayó dos proporciones de PLA, 40 % y 45 %, así como también dos relaciones A:G, 50:50 y 60:40.
Para todas las formulaciones procesadas, los componentes fueron homogeneizados simultáneamente en una cámara de mezclado marca HAAKE modelo 557-9300 durante 20 min a 120 °C, con velocidad de giro de 90 rpm.
Cada una de las formulaciones obtenidas de la cámara de mezclado fueron prensadas a 120 °C durante 10 min y presión de 21 MPa, por medio de una prensa calefactada marca CARVER modelo 2112.
2.3 Evaluación del comportamiento mecánico
Se complementó el estudio de la miscibilidad de la mezcla por medio del análisis del comportamiento mecánico de las láminas que presentaron mejores resultados en la evaluación microscópica. Para lo cual se realizaron cuatro repeticiones de dichas formulaciones, a partir de las cuales se realizó ensayos de tracción-deformación bajo la norma ASTM D638
“Método de Prueba Estándar para Propiedades de Tracción de Plásticos”. Dichos ensayos se realizaron en un equipo de ensayos universales marca INSTRON modelo 3365; cabe recalcar que dicha norma fue utilizada debido a que los espesores que presentaron las láminas fueron mayores a 1 mm. Se ejecutó un total de cinco ensayos para cada una de las tres formulaciones. La información obtenida se procesó mediante el software Bluehill LE3.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1 Formulación de las mezclas
Los resultados de la formulación de mezclas presentados en la Figura 1, evidencian que al utilizar cera carnauba como agente compatibilizante al 1 % en peso se presentaron mejores características en cuanto a miscibilidad. Al incrementar el contenido de compatibilizante progresivamente hasta un 5 %, la miscibilidad de la mezcla disminuyó, lo que indica que no existe una mejora significativa en la interacción de sus componentes.
Figura 1 Micrografías observadas a 40X a: (a) CC: 1 % (b) CC: 2 % (c) CC: 3 % (d) CC: 4 % (e) CC: 5 %.
Aunque existe escasa información respecto al principio de acción de los agentes compatibilizantes y particularmente de la cera carnauba, los resultados de esta investigación sugieren que los grupos funcionales presentes en la cera carnauba son los responsables de la unión de las cadenas poliméricas del PLA y del almidón con los grupos esteres, ácidos libres, alcoholes e hidrocarburos presentes en la cera (Akoh y Min, 2008). En este sentido, los enlaces ésteres de la cera carnauba no permite que exista una mejor integración a porcentajes más altos de cera, limitando de esta manera la miscibilidad entre las matrices de PLA y almidón.
Al evaluar las formulaciones con diversos porcentajes de PLA y 1% de compatibilizante, se evidencia que la miscibilidad no se vio influenciada por la cantidad de PLA, por lo que en las cinco formulaciones estudiadas se logró una mezcla relativamente uniforme. Las micrografías que muestran dicho comportamiento se presentan en la Figura 2.
3.2 Caracterización mecánica
Con el fin de complementar el análisis de miscibilidad se efectuó el estudio del comportamiento mecánico de las formulaciones que presentaron flexibilidad. Las mezclas estudiadas constituyeron aquellas con una relación A:G de 50:50; y con porcentajes de PLA de: 50 %, 45 % y 40 %, identificadas como mezclas: A, B y C, respectivamente. En la Figura 3, se presentan las láminas caracterizadas mecánicamente.
Figura 3 Láminas obtenidas a: (a) CC: 1 %, PLA: 50 %, A:G=50:50 (b) CC: 1 %, PLA: 50 %, A:G= 60:40 (c) CC: 1 %, PLA: 45 %, A:G=50:50 (d) CC: 1 %, PLA: 45 %, A:G= 60:40 (e) CC: 1 %, PLA: 40 %, A:G=50:50 (f) CC: 1 %, PLA: 40 %, A:G= 60:40.
De acuerdo a los resultados obtenidos, las láminas con relación A:G de 60:40, presentaron mayor cantidad de heterogeneidades, generadas debido a la menor cantidad de glicerol que contenían, por lo que no se realizaron pruebas mecánicas de dichas mezclas. Los resultados obtenidos del comportamiento mecánico de las mezclas seleccionadas se presentan en la Tabla 2.
Tabla 2 Parámetros del comportamiento mecánico
| Mezcla | Módulo de Young (MPa) | Resistencia a la tensión (MPa) | Elongación a la rotura (%) |
|---|---|---|---|
| A | 58,8±18,7 | 0,536±0,21696 | 7.44±1,17 |
| B | 56,0±27,4 | 0,548±0,23494 | 8.45±2,85 |
| C | 26,6±7,0 | 0,429±0,06829 | 17.84±5,55 |
La caracterización mecánica presentada en la Tabla 2 evidencia un rango considerablemente amplio de variabilidad, el cual puede atribuirse a las partes heterogéneas distinguibles en las micrografías, e identificadas como puntos blancos. Debido a la amplia distribución de tamaños, formas y orientaciones de las heterogeneidades presentes en las muestras estudiadas, se hace evidente la existencia de concentradores de tensiones en puntos críticos de dichas irregularidades, que consecuentemente conllevan a la formación de grietas y a la fractura final del material.
De igual manera, la falta de miscibilidad del PLA con el almidón implica que las cadenas poliméricas no experimenten esfuerzos mecánicos uniformes y consiguientemente no exista una distribución homogénea de tensiones respecto a la carga aplicada (Anglada, 2002).
Dentro de este contexto, es importante tomar en cuenta que la naturaleza del comportamiento mecánico del material estudiado constituye una limitante en el estudio estadístico de los resultados, ya que la dispersión está en función de la presencia, forma y tamaño de heterogeneidades que a su vez alteran la resistencia a la propagación de las grietas formadas en cada uno de los defectos.
A pesar de la restricciones encontradas en la caracterización mecánica de mezclas PLA-almidón con cera carnauba como compatibilizante, los resultados obtenidos muestran que el módulo aumentó significativamente con el incremento de PLA, lo que confirma que el aporte del PLA a la resistencia y rigidez de las mezclas. El material obtenido de las tres formulaciones resultó considerablemente frágil; esto debido a que se demandó una mínima cantidad de energía por unidad de volumen requerida para causar la fractura. La adición de un plastificante orgánico de bajo peso molecular como es el caso del glicerol, a un polímero frágil como el PLA, progresivamente reduce su módulo disminuyendo la temperatura de transición vítrea de los compuestos hacia una temperatura más cercana a la temperatura de uso (Rosen, 1993). Por lo que al disminuir la cantidad de PLA, y consecuentemente aumentar la proporción de plastificante, su módulo disminuyó, comportamiento esperado debido a la naturaleza frágil del PLA.
Finalmente, se determinó que a mayores cantidades de PLA, se impartió mayor resistencia y rigidez, por lo que consecuentemente aumentó la resistencia a la tensión. Según se observa en la Tabla 3.2.1 existe una gran variabilidad de estos valores; sin embargo, resultó notorio que a un porcentaje menor de PLA, la resistencia disminuyó. Por otra parte, existió un aumento en el porcentaje de elongación a la rotura, al disminuir el contenido de PLA, debido a que se incrementa el contenido de plastificante.
4. CONCLUSIONES
Sobre la base de los resultados obtenidos en la presente investigación, se evidencia cierta factibilidad del uso de la cera carnauba como agente compatibilizante para la mezcla PLA-almidón; obteniéndose mayor homogeneidad de la mezcla al emplear 1 % de compatibilizante. El incremento de cera carnauba genera una miscibilidad deficiente debido probablemente a la presencia de grupos ésteres que comprometen la compatibilidad entre el PLA y el almidón. Las heterogeneidades observadas en las micrografías, sin una distribución uniforme, provocan concentradores de tensiones que a su vez son la causa de la variabilidad en el comportamiento mecánico.
