Obtención de espumas de celulosa modificada empleando un proceso de secado en condiciones normales, su caracterización física y química

René Salgado Delgado*, Liliana Cajero Sotelo, Areli M. Salgado Delgado, Alfredo Olarte Paredes, Zully Vargas Galarza, Edgar García Hernández

Tecnológico Nacional de México/Instituto Tecnológico de Zacatepec, Morelos, México. Correo electrónico: renesalgado@hotmail.com

Recibido: Junio 2019; Aceptado: Junio 2019

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Cita (APA)

Salgado Delgado, R., Cajero Sotelo, L., Salgado Delgado, A. M., Olarte Paredes, A., Vargas Galarza, Z., García Hernández, E. (2019). Obtención de espumas de celulosa modificada empleando un proceso de secado en condiciones normales, su caracterización física y química. Revista Iberoamericana de Polímeros20(4), 187–193.

RESUMEN

El empleo desmedido del poliestireno expandido ha provocado una gran contaminación puesto que este material no es biodegradable y es de gran uso. Se han realizado varios estudios con el fin de ofrecer un material alternativo que sustituya al poliestireno expandido, entre ellos destaca el desarrollo de las espumas de almidón/bagazo de caña, sin embargo éstas al contacto con el agua, pierden sus propiedades físicas y mecánicas, lo que disminuye su potencial de reemplazo. El presente trabajo muestra un material que puede sustituir al poliestireno, los resultados de la obtención de espumas de almidón y celulosa en las cuales el análisis FTIR evidencia la presencia de los grupos funcionales de las macromoléculas. De igual forma el análisis SEM puede apreciarse la distribución de gránulos de almidón y celulosa. El PVA incrementa el carácter hidrofílico del material ya que disminuye el ángulo de contacto.

ABSTRACT

The excessive use of expanded polystyrene has caused great contamination problem since this commodity is not biodegradable. Several studies have been carried out in order to offer an alternative material that replaces the expanded polystyrene, one of these is the starch / cane bagasse foams, however they lose their physical and mechanical properties in contact with water, reducing its replacement potential. The results of the obtaining of starch and cellulose foams in which the FTIR analysis shows the presence of the functional groups of the macromolecules. In the same way, the SEM analysis can appreciate the distribution of starch and cellulose granules. PVA increases the hydrophilic character of the material as it decreases the contact angle.

INTRODUCCIÓN

El poliestireno expandido (EPS, por sus siglas en idioma inglés) es un derivado del estireno, un compuesto químico obtenido del petróleo que ha sido catalogado como cancerígeno, de acuerdo a la Agencia de Sustancias Tóxicas y el Registro de Enfermedades de Estados Unidos de América (ATSDR, por sus siglas en inglés) [1]. En México se estima que el consumo nacional del EPS es de 125 mil toneladas anuales de acuerdo a la Asociación Nacional de Industrias del Plástico (ANIPAC), de estas el 25% son destinadas para la fabricación de productos desechables de la industria alimenticia mientras que el 75% se divide en el sector de la construcción y embalaje [2]. Una vez que el EPS es descartado como desecho, este comienza a fragmentarse en piezas cada vez más pequeñas, hasta llegar a partículas de dimensiones microscópicas [3], las cuales contaminan los suelos y el impacto es aún mayor en los ecosistemas acuáticos, ya que gran parte de los desechos sólidos y químicos terminan en los océanos. Para ciertos seres vivos como tortugas, cetáceos y peces, este tipo de basura suele parecerles comida y al ser ingeridos suelen ocasionar bloqueos del sistema gástrico, lo cual resulta en su muerte [4]. En un estudio se demostró que más del 75% de los especímenes de tortuga boba tenían residuos plásticos en su sistema digestivo [5].

Estos problemas ambientales provocados por el uso desmedido del EPS ha incentivado el estudio para poder ofrecer nuevas alternativas que cubran las características del EPS y a la vez sean amigables con el ambiente. Un material que podría ser opción son las espumas de almidón–bagazo de caña [12,13], sin embargo, actualmente presentan un problema, tienen carácter hidrófilo, lo que debilita sus propiedades físicas y mecánicas, frustrando de esta manera su aplicación como reemplazo del EPS, por lo que en este trabajo se propone adicionar un recubrimiento a espumas de almidón–bagazo de caña [6,10,11,14,15], el cual le confiera carácter hidrófobo y así ser un potencial reemplazo del EPS. El material que se utilizó fue el poli(vinil alcohol) (PVA) como agente aglutinante y se utilizaron derivados de metilsilano como agente modificante [7,8,9]; mientras que para la formulación de las espumas, el almidón que se utilizó procede del chayotextle, un tubérculo de la planta de chayote (Sechium edule) que contiene alto contenido de almidón, y el bagazo de caña (Saccharum officinarum), el cual es un derivado agroindustrial que no se ocupa en la industria alimenticia. Después de obtener las espumas, se evaluaron sus características físicas mediante las técnicas de espectro infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR), microscopía electrónica de barrido (SEM) y afinidad al agua por la técnica de ángulo de contacto.

PARTE EXPERIMENTAL

Materiales. Bagazo de caña de azúcar, molido y tamizado, usando malla de 200, almidón de Chayotextle obtenido de la UAEH, poli(vinil alcohol) (PVA), CAS No. 9002–89–5.

Elaboración de espumas. Se preparó una solución de almidón/bagazo de caña (0/1, 0,2/0,8, 0,5/0,5, 0,8/0,2, 1/0) 1 g en 10 mL de agua, dejando en agitación magnética hasta homogenización. Se añadió PVA disuelto en agua 0,3 g/5 mL, 0,5/5 mL, 0,7/5 mL con agitación magnética para homogenizar la mezcla. Se vació el contenido de las distintas soluciones de almidón/bagazo de caña y de PVA en cajas Petri. Se preparó un blanco, en el cual no se adicionó PVA.  Se secaron en un horno a vacío a 60°C durante 24 horas.

Caracterización de espumas. Se caracterizó el almidón, el bagazo de caña y los materiales compuestos con almidón y bagazo de caña químicamente empleando la espectroscopia de infrarrojo con transformada de Fourier (FTIR) y morfológicamente empleando microscopía electrónica de barrido (SEM). Finalmente, se caracterizó la afinidad al agua de los materiales compuestos con almidón y bagazo de caña empleando la técnica de ángulo de contacto.

RESULTADOS EXPERIMENTALES Y DISCUSIÓN

Se obtuvieron un total de 102,56 g de bagazo de caña con tamaño de partícula malla 200 . Se llevó a cabo la preparación de 20 muestras de espumas con las proporciones descritas en la sección anterior, cada una por triplicado.

Caracterización por FTIR. Se efectuó la caracterización por espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier a las materias prima (almidón, bagazo de caña y PVA) y a las espumas elaboradas. La lectura se realizó con 16 barridos y los espectros se reportan en unidades de cm–1 y % transmitancia. A continuación se muestran los espectros obtenidos, comparando las diferentes concentraciones de PVA.

En cada una de las imágenes se ve notablemente el aumento en la señal que se encuentra aproximadamente a 3250 cm-1, conforme aumenta el contenido de PVA en las espumas, esta señal pertenece al estiramiento del H del grupo OH, el cual forma parte de la estructura del PVA y también se observa una señal entre 1600 y 1660 cm-1 la cual es característica de los enlaces intermoleculares por puente de hidrógeno entre los grupos OH de las macromoléculas (almidón, celulosa y alcohol polivilico).

Se puede observar una señal a 1750 cm-1, que pertenece al estiramiento carbono-oxígeno exclusivo del grupo carbonilo, esta señal solo se presenta en el PVA puro y espumas que contienen PVA, y también se nota un ligero aumento conforme la concentración del mismo asciende. Esta señal corresponde al acetato de polivinilo que se mantiene como remanente al polimerizar el PVA. Aunado a esta señal, se puede observar las señales características de las vibraciones de estiramiento C-O de la región de 900 a 1200 cm-1, esta señal esta comprendida en las macromoléculas empleadas.

Figura 1. Espectros FTIR de espumas con 1 g de bagazo y distintas concentraciones de PVA.
Figura 2. Espectros FTIR de espumas con 0,5 g de bagazo–0,5 g de almidón y distintas concentraciones de PVA
Figura 3. Espectros FTIR de espumas con 0,5 g de bagazo–0,5 g de almidón y distintas concentraciones de PVA.
Figura 4. Espectros FTIR de espumas con 0,2 gramos de bagazo–0,8 g de almidón y distintas concentraciones de PVA.

Se realizó la caracterización morfológica de las espumas obtenidas, utilizando un microscopio electrónico de barrido marca JEOL, a 5 kV. A continuación se presentan las imágenes adquiridas a 500 X.

En los resultados de micrografía SEM se pueden apreciar como el PVA recubre el bagazo de caña verificándose lo que se identifica como un buen mojado (Fig. 6, 7, 8 y 9). Al agregar almidón en la obtención de las espumas, se puede observar los gránulos de un tamaño de 10 a 15 micrómetros. Cabe destacar que los gránulos de almidón no generan agregados entre sí, lo cual lo hace que se dispersen entre las fibras de bagazo y haya interacción entre ambas (Fig. 10 y 11).

También puede observarse que el PVA, además de mojar la celulosa de bagazo de caña, también cubre a los gránulos de almidón. Existe una proporción de gránulos de almidón que se depositan en la superficie del material lo cual podría deberse a las diferencias de  densidades entre las macromoléculas (Fig. 12 y 13).

Figura 6. 1 g de bagazo, 0 g de PVA
Figura 7. 1 g de bagazo, 0,3 g de PVA
Figura 8. 1 g de bagazo, 0,5 g de PVA
Figura 9. 1 g de bagazo, 0,7 g de PVA
Figura 10. 0,2 g de bagazo/ 0,8 g almidón, 0 g de PVA
Figura 11. 0,2 g de bagazo/ 0,8 g almidón, 0,3 g de PVA
Figura 12. 0,2 g de bagazo/0,8 g almidón, 0,5 g PVA
Figura 13. 0,2 g de bagazo/0,8 g almidón, 0,7 g PVA

Se llevó a cabo la técnica por ángulo de contacto descrita por Vargas-Torres et. al. en 2017 [15] con agua purificada a 20 °C y con un tiempo de medición 1 min después de dejar caer la gota. La medición del ángulo se realizó con el programa AUTOCAD® 2020 (licencia académica). Las muestras que se sometieron a esta prueba fueron las que contenían concentraciones de 0 y 7 g de PVA en 5 mL de agua. De acuerdo a la literatura [15], si el ángulo de contacto es menor a 90°, el material es hidrofílico y si el ángulo de mayor a 90°, el material es hidrofóbico. A continuación se muestran las imágenes de los 9 resultados obtenidos. Cabe mencionar que el ángulo de contacto de la muestra preparada con 1 g de almidón/ 10 mL de agua y 0 g PVA en 5 mL de agua, no se pudo medir en consecuencia que el agua fue absorbida rápidamente por el material, obviando de esta forma que el material es altamente hidrofílico.  En la Tabla 1  se muestran los resultados obtenidos para ángulo de contacto.

Tabla 1. Resultados de ángulo de contacto

De acuerdo a los resultados anteriores, las espumas compuestas presentan un carácter hidrofílico, exceptuando la espuma que solo contenía bagazo de caña, el cual muestra un mayor ángulo de contacto (119°) lo cual lo vuelve la espuma más hidrofóbica de esta serie. También se puede observar que el contenido de PVA y el almidón favorecen el aumento del carácter hidrofílico de las espumas al disminuir el ángulo de contacto.

CONCLUSIONES PARCIALES Y RECOMENDACIONES

Mediante la caracterización  por FTIR se pudo observar los grupos funcionales presentes en las macromoléculas, además de la interacción intermolecular por puentes de hidrógeno entre ellas. Es evidente que hay mayores indicios de interacciones de enlaces secundarios (puentes de hidrógeno) entre el almidón-PVA o bagazo-PVA, pero al mezclarse los tres, no se identificaron cambios significativos en las señales. La caracterización por SEM permitió observar la morfología de las espumas evidenciando la presencia de la celulosa del bagazo y el tamaño de los gránulos de almidón. Se pudo observar un buen mojado del  PVA sobre la celulosa de bagazo de caña y el almidón. Esto se puede atribuir a la densidad del bagazo de caña (1.6 g/ml), ya que es ligeramente más pesado que el almidón (1.5 g/ml) y PVA (1.19 g/ml) razón por la cual la micrografía SEM evidencia la presencia del almidón en una proporción mayor en la superficie del material (espuma).

Cabe mencionar que el almidón se encuentra en forma de gránulos y no fue modificado químicamente, de esta forma sus cadenas poliméricas no se encontraban disponibles es por ello que se propone modificar la metodología, en la cual el almidón se gelatinice (calentamiento a 90 °C) con el propósito de facilitar la disponibilidad de sus cadenas poliméricas, de la misma forma, el procedimiento seguirá contemplando las etapas con condiciones de baja temperatura y secado al vacío, para conferir a las espumas una alta porosidad; así como el recubrimiento con derivados de metilsilano para brindarle el carácter hidrófobo.

BIBLIOGRAFÍA

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