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Desechos agroindustriales como materia prima plástica

La fabricación de biocompuestos poliméricos sustentables incrementó por la necesidad de sustituir a los polímeros sintéticos provenientes del petróleo.

Los biocompuestos poliméricos (BCP) son materiales conformados por un polímero y una carga o refuerzo de origen orgánico. El polímero puede provenir de una fuente sintética o natural y el refuerzo orgánico generalmente de la biomasa,1 como los desechos agroindustriales, plantas, algas, tallos, fibras naturales, entre otros.

Los desechos agroindustriales como las fibras naturales son una opción viable para el desarrollo de este tipo de BCP debido a sus atractivas propiedades -como su capacidad para actuar como aislante acústico y térmico-, presentan baja densidad (300 a 600 Kg/cm3), un módulo de Young entre 3.2 – 128 GPa, lo que les aporta buenas propiedades mecánicas, resistencia y rigidez. Además, son de bajo costo, no presentan toxicidad, son biodegradables y están compuestas por el biopolímero orgánico con mayor abundancia en el planeta Tierra: la celulosa.2,3

Un componente fundamental

La celulosa es un biopolímero natural compuesto exclusivamente por unidades repetitivas de enlaces glucosídicos, es muy resistente, fibroso e insoluble en agua. Es también un biopolímero versátil y de suma importancia para muchas industrias como materia prima de alimentos veterinarios, madererías, industria papelera, textil, cosmética y farmacéutica; asimismo, tiene derivados semisintéticos que se utilizan ampliamente para la fabricación de prótesis y en la formulación de productos para el cuidado de la salud.


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Las fibras naturales, además de la celulosa, también están compuestas por polisacáridos de baja estabilidad térmica, como la hemicelulosa, lignina, ceras y pectinas, lo que limita su uso para la fabricación de los BCP; es decir, las ceras y las pectinas comienzan a degradarse a temperaturas por debajo de los 140 °C, la hemicelulosa tiene un intervalo de degradación entre 150 hasta los 220 °C y la lignina tiene un amplio intervalo de degradación que va de los 150 hasta los 800 °C.

Por lo tanto, cuando los BCP son procesados mediante la inyección, termoformado o extrusión, los polisacáridos de baja estabilidad térmica se degradan durante el proceso generando gasificación, lo que conlleva a obtener un BCP con burbujas, huecos, defectos o deformaciones que afectan negativamente sus propiedades físico-mecánicas.

Desechos agroindustriales como materia prima plástica
La industria textil empieza su transformación sustentable con materiales biodegradables

En este sentido, las fibras naturales no son aptas como material de refuerzo para polímeros de ingeniería, como el Nylon-6 o el Polietilén Tereftalato (PET), e inclusive para algunos polímeros de tipo commodities; ya que se ha observado en las pruebas de laboratorio y de prototipado los defectos ocasionados en los materiales por la descomposición térmica de las fibras naturales.

Pensar en soluciones

Para solucionar esta problemática, existen tratamientos químicos, mecánicos y térmicos que ayudan a remover los componentes de baja estabilidad térmica para mejorar su compatibilidad con los polímeros.

Se han utilizado soluciones ácidas y alcalinas, modificaciones químicas con silanos o aminas, tratamientos biológicos, procesos mecánicos que conllevan altos esfuerzos de corte, descargas de arco y plasma, que ayudan a modificar el carácter polar de las fibras, y se ha hecho uso de tratamientos térmicos mediante hornos de conducción térmica, entre otros procesos.4

No obstante, la mayoría generan desechos acuosos que suelen ser tóxicos para el medio ambiente, además de utilizar elevadas cantidades de energía, ya que los procesos realizados suelen tardar horas o días en llevarse a cabo, así como la generación de dióxido de carbono en el caso de los tratamientos térmicos, y algunos de ellos no logran remover gran parte de los componentes de baja estabilidad térmica.

Investigación y Desarrollo

El Laboratorio Nacional en Innovación y Materiales Ligeros para la Industria Automotriz (LANIAUTO), que es un Laboratorio del CONACYT con sede en el Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA), en un trabajo conjunto con la M.C. Gabriela Yolotzín Romero Zúñiga, el Dr. Pablo González Morones, el Dr. Saúl Sánchez Valdés y el Dr. Ernesto Hernández Hernández, hemos desarrollado un proceso sustentable y ecológico haciendo uso de la radiación de microondas, que es una tecnología verde, a través de la cual se han obtenido microfibrillas compuestas con más del 97% de celulosa a partir de fibras de agave, consideradas como un desecho agroindustrial del proceso de elaboración de tequila.

El tratamiento por microondas ayuda a remover los componentes de baja estabilidad térmica, lo que provoca una separación de las microfibrillas de las fibras naturales, mejora la estabilidad térmica y eleva el porcentaje de cristalinidad derivado de la alta concentración de celulosa.

Desechos agroindustriales como materia prima plástica
El consumidor a nivel global demanda envases y embalajes amigables con el medio ambiente

Para obtener este tipo de microfibrillas no es necesario hacer uso de tiempos prolongados de tratamientos o de elevadas cantidades de energía, ya que este proceso utiliza bajas potencias (200 Watts) y tiempos cortos de radiación (menor a 10 minutos), no genera subproductos y, además, es un proceso que puede ser escalado para obtener mayor cantidad de microfibrillas de celulosa, siempre y cuando se cuente con un reactor de microondas diseñado a la medida de las necesidades.

A través de este proceso, un desecho agroindustrial puede convertirse en un material de alto valor agregado, ya que no solo se puede utilizar para fabricar materiales plásticos sustentables para diversas aplicaciones, como en la industria automotriz, sino que también en el área médica, con prótesis o adhesivos óseos; en la industria alimentaria, sustituyendo o mejorando los empaques alimenticios; en el ámbito textil, produciendo tejidos y ropa biodegradable, entre otras.

Los BCP reforzados con fibras naturales han tenido un gran impacto científico y tecnológico en los últimos 15 años. Y se espera que en los próximos el mercado se incremente significativamente sobre estos materiales que contengan fibras naturales.

Entre los beneficios que se obtienen, destacan:

  • reducir efectos nocivos contra el medio ambiente (descenso de huella de carbono),
  • reducir la cantidad de polímeros sintéticos,
  • reducir densidad de los compuestos y…
  • reducir el uso energía en sus aplicaciones.

Para explotar esta tecnología, madurarla y así generar las aplicaciones reales basadas en las necesidades específicas de las empresas en las diversas áreas, abrimos, a través del LANIAUTO-CIQA, un espacio colaborativo para probar las ideas de la Industria del Plástico con nuestros científicos y expertos a fin de mejorar sus procesos y/o desarrollar nuevos productos sustentables.

Referencias:

1          Pickering, K. L., Efendy, M. G. A. & Le, T. M. A review of recent developments in natural fibre composites and their mechanical performance. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 83, 98-112, doi:https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2015.08.038 (2016).

2          Djafari Petroudy, S. R. in Advanced High Strength Natural Fibre Composites in Construction   (eds Mizi Fan & Feng Fu)  59-83 (Woodhead Publishing, 2017).

3          Chauhan, V., Kärki, T. & Varis, J. Review of natural fiber-reinforced engineering plastic composites, their applications in the transportation sector and processing techniques. Journal of Thermoplastic Composite Materials, 0892705719889095, doi:10.1177/0892705719889095 (2019).

4          Li, X., Tabil, L. G. & Panigrahi, S. Chemical Treatments of Natural Fiber for Use in Natural Fiber-Reinforced Composites: A Review. Journal of Polymers and the Environment 15, 25-33, doi:10.1007/s10924-006-0042-3 (2007).

 

Autor: Dr. Ernesto Hernández Hernández, investigador en el departamento de Materiales Avanzados / LANIAUTO en CIQA  ernesto.hernandez@ciqa.edu.mx

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