Obtención de Materiales Compuestos a partir de fibras de Bagazo y Quitosano

Abstract

Manufacturing of Large-Scale Functional Objects Using Biodegradable Chitosan Bioplastic. Injection molded sustainable biocomposites from poly (butylene succinate) bioplastic and perennial grass. Green route to modification of wood waste, cellulose and hemicellulose using reactive extrusion.

Headnote

Resumen

Los materiales biocompuestos son una solución a la problemática generada por los plásticos derivados del petróleo, estos se pueden obtener mezclando quitosano con fibras naturales de bagazo de caña las cuales deben de ser sometidas a un proceso de funcionalización con anhídrido maléico, este proceso se realizó bajo irradiación de microondas y en condiciones libres de disolvente, lo cual es un aspecto positivo tanto económico como ecológico ya que se disminuye la cantidad de reactivos a utilizar y los residuos generados. A partir de una matriz polimérica como quitosano y fibra de bagazo funcionalizada y no funcionalizada se obtuvieron diferentes películas que mostraron una ganancia en hidrofobicidad respecto al quitosano debido a la presencia de la fibra; y por otro lado, se observó una disminución en la temperatura de degradación indicando la generación de un material con mayor potencial de degradación.

Palabras claves: Funcionalización, Quitosano, Bagazo, Bagazo funcionalizado, Biocompuesto

Introducción

Los biocompuestos corresponden a una clase de materiales biodegradables producidos a parir de una matriz polimérica compostable y reforzada con fibras naturales, que resultan ser ligeros, no tóxicos y de resistencia relativa.

Por su parte, las fibras naturales de tipo lignocelulósico han mostrado ser sustitutos eficientes de fibras sintéticas o artificiales debido a su fácil y económica manufactura, son un material liviano, ambientalmente amigable, inofensivo para la salud, con alta rigidez y resistencia específica; pero presentan problemas como material de refuerzo en una matriz polimérica debido a su relativa hidrofilicidad, poca adhesión fibra-matriz que genera fragilidad y pobre estabilidad térmica; por lo tanto se ha optado por la modificación o funcionalización superficial de las fibras para mejorar dichas propiedades (Hudson, R. et al., 2015).

De éste modo, en el presente trabajo se planteó la obtención de materiales compuestos biodegradables a partir de quitosano y fibra de bagazo de caña funcionalizada, mediante la funcionalización de la fibra de bagazo de caña a través de un proceso mediado por radiación microondas. Finalmente se establecieron las condiciones más favorables para la generación de materiales compuestos entre el biopolímero quitosano y fibra de bagazo mediante la aplicación de procesos de mezclado en solución. Los materiales se caracterizaron a través de la determinación y análisis de sus propiedades térmicas y espectroscópicas.

Parte Experimental

Preparación solución de quitosano. Se preparó una solución de quitosano 3,5% en una solución de ácido acético (CH3COOH) al 1%, la mezcla se debe de agitar 200 rpm y 50 °C hasta obtener una mezcla homogénea.

Funcionalización de fibra de bagazo de caña. La fibra pretratada se funcionalizó con anhídrido maléico (1:0.5; 1:1; 1:1.5; 1:2) en un reactor microondas a 80 °C durante 5 min, con una potencia de 300W. Posteriormente, la fibra se lavó con agua-etanol y se caracterizó mediante análisis de TGA, DSC e IR.

Preparación de películas a partir de quitosano y fibra. Inicialmente, se realizaron mezclas de quitosano-fibra natural al 20 y al 40%, las mezclas se agitaron a 70 °C durante un hora. Posteriormente, se adicionó glicerol al 1% de la mezcla y se agitó por 30 min. Finalmente, se adicionaron 12 mL de la mezcla de material compuesto en una caja Petri de 9 mm y se puso a secar durante 24 h a 30 °C. Las películas se caracterizaron por espectroscopía IR y análisis TGA.

Análisis de resultados

La fibra funcionalizada fue caracterizada usando espectroscopía de IR donde se pudo observar la aparición de una banda alrededor de los 1725 cm-1 que corresponde a la vibración de tensión del carbonilo (C=O) Figura 1 (Vaidya, A. A. et al., 2016).

Para las películas obtenidas, la espectroscopía IR mostró que alrededor de los 3400 cm-1 aparecen las bandas de vibración de tensión del enlace O-H y a 2900 cm-1 se encuentra la vibración de tensión del enlace C-H. Figura 2.

A 1598 cm-1 se observa la banda correspondiente al enlace C-N-H, a 1316 cm-1 aparece la banda correspondiente del enlace C-N del grupo amida y a 1154 cm-1 la vibración de tensión asimétrica del puente C-O-C.

Los estudios termogravimétricos (Figura 3) de las películas de material compuesto, indican que tienen un pequeño porcentaje de agua; dicho porcentaje va disminuyendo cuando se prepara ya sea con un plastificante como glicerol (7,49%) o con la fibra funcionalizada (9,23%) respecto a las películas de fibra no funcionalizada y quitosano (12,28%), por lo anterior se encuentra que utilizando el plastificante y la fibra funcionalizada disminuye la absorción de agua ya que hay una mejor interacción entre los componentes del material compuesto. Por otro lado, la temperatura de degradación de las películas de fibra sin funcionalizar y sin platificante (355,3 °C) es mayor que la encontrada para las películas con plastificante (278,8 °C) y con fibra funcionalizada (309,9 °C) figura 3 (Fernandez, J. G.; Ingber, D. E. (2014).

Conclusiones

La fibra de bagazo funcionalizada aumenta su hidrofobicidad y disminuye la temperatura de degradación de las películas de material compuesto.

Agradecimientos

Los autores agradecen al CDT ASTIN SENA, a Tecnoparque Nodo Cali y a la Universidad del Valle.

References

Referencias

Hudson, R., Glaisher, S., Bishop, A., & Katz, J. L. (2015). From lobster shells to plastic objects: a bioplastics activity. Journal of Chemical Education, 92(11), 1882-1885.

Fernandez, J. G., & Ingber, D. E. (2014). Manufacturing of Large-Scale Functional Objects Using Biodegradable Chitosan Bioplastic. Macromolecular Materials and Engineering, 299(8), 932-938.

Muthuraj, R., Misra, M., & Mohanty, A. K. (2015). Injection molded sustainable biocomposites from poly (butylene succinate) bioplastic and perennial grass. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 3(11), 2767-2776.

Vaidya, A. A., Gaugler, M., & Smith, D. A. (2016). Green route to modification of wood waste, cellulose and hemicellulose using reactive extrusion. Carbohydrate polymers, 136, 1238- 1250.