EVALUACIÓN DEL ÍNDICE DE FLUIDEZ (MFI) Y COMPORTAMIENTO TÉRMICO DE MEZCLAS DE ALMIDÓN TERMOPLÁSTICO (TPS) Y ÁCIDO POLILÁCTICO (PLA)/MELT FLOW INDEX (MFI) AND THERMAL BEHAVIOR EVALUATION OF BLENDS OF THERMOPLASTIC STARCH (TPS) AND POLYLACTIC ACID (PLA)

Headnote

RESUMEN

Antecedentes: Los problemas medioambientales generados por la disposición de materiales no biodegradables utilizados especialmente en el empacado de productos y servicios de alimentos, han llevado a la investigación y desarrollo de materiales biodegradables con características que permitan su uso a escala comercial. Uno de los procesos convencionales más empleados para la fabricación de artículos a partir de materiales termoplásticos es el moldeo por inyección, especialmente para lograr piezas de formas complejas y que requieren gran precisión dimensional. Objetivo: El objetivo de esta investigación fue evaluar el índice de fluidez (MFI) y el comportamiento térmico de un nuevo material biodegradable, elaborado a partir de almidón de yuca y ácido poliláctico con aplicación potencial en la fabricación de piezas moldeadas por inyección. Métodos: Se evaluó el índice de fluidez (MFI) y el comportamiento térmico por calorimetría de barrido diferencial (DSC) de pellets elaborados a partir de mezclas de almidón de yuca termoplástico (TPS) y ácido poliláctico (PLA) obtenidos por extrusión de tornillo doble. Resultados: Según los resultados de MFI se identificó que la muestra de PLA sin mezclar fue la de mayor valor en esta propiedad, sin ser diferente a lo obtenido para la mezcla que contenía 55% de TPS y 45% de PLA. Con respecto al comportamiento térmico de las muestras se evidenció que la temperatura de transición vítrea (Tg) de las mezclas TPS/PLA estuvo por debajo de la Tg del PLA sin mezclar, además ocurrió un incremento en la cristalinidad de las mezclas a medida que aumentó el contenido de PLA en su composición. Conclusiones: En este estudio preliminar se encontró que la incorporación de TPS al PLA, en un nivel de 55% con respecto a la mezcla total, no afectó significativamente el MFI del PLA, además la presencia de TPS en la mezcla confirió al material menores valores en la Tg lo cual indica un aumento en la procesabilidad del PLA. Los comportamientos observados, brindan la posibilidad que este nuevo material sea apto para ser utilizado en procesos de moldeo por inyección.

Palabras clave: Biopolímeros, Almidón, Ácido poliláctico (PLA), Índice de fluidez (MFI).

ABSTRACT

Background: The environmental problems generated by the disposal of non-biodegradable materials especially used in the packaging of food products and foodservices, have led to research and development of biodegradable materials with characteristics that enable its use on a commercial scale. One of the most used conventional processes for manufacturing articles from thermoplastic material is injection molding, especially to achieve parts with complex shapes and require high dimensional accuracy. Objetive: The aim of this research was to evaluate the melt flow index (MFI) and the thermal behavior of a new biodegradable material, made from cassava starch and polylactic acid with potential application in the manufacture of injection-molded parts. Methods: It was evaluated the melt flow index (MFI) and thermal behavior by differential scanning calorimetry (DSC) of pellets made from blends of thermoplastic cassava starch (TPS) and polylactic acid (PLA) obtained by twin screw extrusion. Results: According to results of MFI is identified as unmixed PLA sample was the highest value in this property, without being different to that obtained for the mixture containing 55% of TPS and 45% PLA. Regarding the thermal behavior of the samples it evidenced that the glass transition temperature (Tg) of TPS / PLA blends was below the Tg of the PLA unmixed also occurred an increase in the crystallinity of the blends as increased PLA content in its composition. Conclusions: In this preliminary study we found that the incorporation of TPS to PLA at a level of 55% relative to the total mixture, not significantly affect the MFI of PLA, the presence of TPS in the mixture gave the minor materials values Tg which indicates an increase in the processability of the PLA. The observed behaviors, offer the possibility that this new material is suitable for use in molding processes injection.

Keywords: Biopolymers, starch, polylactic acid (PLA), Melt flow index (MFI).

INTRODUCCIÓN

Los polímeros son los materiales más utilizados debido a su facilidad de procesamiento, bajo costo y densidad. Pero muchos de estos materiales no son fácilmente reciclables y son difíciles de degradar completamente en la naturaleza, creando problemas ambientales. Una alternativa para mitigar esta situación ha sido fabricar materiales compuestos de polímero y materiales naturales, tales como fibras, almidones, desechos agroindustriales, entre otros (1, 2, 3).

Recientemente el ácido poliláctico (PLA) ha suscitado un gran interés como material para diversos campos de aplicación (4, 5), debido a que presenta excelentes propiedades mecánicas, transparencia y compostabilidad que lo hacen útil para la fabricación de envases y otros empaques (5, 6). También cabe destacar el gran uso que ha tenido el almidón en la fabricación de nuevos materiales biodegradables aunque presenta algunos inconvenientes como la retrogradación o envejecimiento (7, 8) carácter hidrofílico, bajas propiedades mecánicas y altos valores de contracción cuando se moldea por inyección. A pesar que el almidón posee estos inconvenientes, es considerado un material con gran potencial para la fabricación de productos biodegradables (9).

El objetivo de la presente investigación fue evaluar el efecto del cambio en la composición de pellets elaborados a partir de almidón de yuca termoplástico (TPS), ácido poliláctico (PLA) y agente acoplante obtenidos por extrusión de tornillo doble, sobre el índice de fluidez (MFI) y el comportamiento térmico determinado por calorimetría de barrido diferencial (DSC) y de esta manera evaluar su uso potencial como material para la fabricación de piezas moldeadas por inyección.

MATERIALES Y MÉTODOS

Materiales

Los materiales empleados fueron los siguientes: almidón nativo de yuca de la variedad Verónica (Almidones de Sucre, Colombia), glicerina con un nivel de pureza de 99,5% (DISAN S.A, Colombia), ácido poliláctico referencia 2002D (Cargill Dow Polymers LLC, Estados Unidos) y anhídrido maléico con pureza de 99 % (Merck, Estados Unidos).

Obtención de pellets de almidón termoplástico (TPS) y ácido poliláctico (PLA)

Se mezcló almidón con glicerina en una relación 70:30 (10), se empacó y se almacenó por un periodo de dos horas, luego se mezcló con el PLA según las proporciones presentadas en el Tabla 1, se empleó como agente acoplante anhídrido maléico (5% del total del PLA en cada muestra). Todas las muestras se elaboraron por triplicado y se procesaron bajo una temperatura promedio de 190°C y una velocidad de rotación de tornillos de 200 rpm, empleando un extrusor de doble tornillo Rheomex PTW 16/25 OS de marca ThermoScientific y un dado de cordón para obtener una mezcla binaria (TPS/PLA) en forma de pellets, los cuales se empacaron en bolsas de polietileno y se almacenaron durante ocho días para su posterior evaluación.

Evaluación del índice de fluidez de las mezclas de TPS/PLA

Se procedió de acuerdo a lo establecido en la norma ASTM D 1238-13 (11) para determinar el índice de fluidez de termoplásticos mediante el uso de un plastómetro de extrusión Tinus olsen, MP600. Se empleó una temperatura de 190 °C para el TPS y para las mezclas de TPS/PLA (12) y 210°C para PLA, la carga empleada fue de 2,16 kg en todos los casos.

Evaluación del comportamiento térmico de las mezclas de TPS/PLA por Calorimetría de barrido diferencial (DSC)

Se procedió de acuerdo a lo establecido en la norma ASTM D 3418-08 (13), las muestras fueron previamente acondicionadas por un período de 48 horas a una temperatura de 23 ± 2°C y humedad relativa del 50 ± 10%. Se empleó un calorímetro marca TA Instruments modelo Q20, USA.

Diseño experimental

Se aplicó un análisis de varianza (ANOVA) a los resultados de MFI, seguido de una prueba de Tukey, para evaluar las diferencias en resultados, verificada previamente la normalidad y la homogeneidad de las varianzas de los datos, trabajando con un nivel de significancia ??=0,05. Los análisis fueron realizados en el paquete estadístico IBM SPPS Statistics 22. Se evaluaron 5 muestras por tratamiento. Los datos reportados corresponden al promedio de las mediciones desarrolladas.

RESULTADOS

Índice de fluidez de las mezclas de TPS/PLA

Los resultados de las mediciones de MFI realizadas se presentan en la tabla 2.

El MFI del TPS no pudo ser determinado, este material presentó alta viscosidad en estado fundido.

Calorimetría de barrido diferencial (DSC)

Los resultados de los análisis por DSC se presentan en la tabla 3, en esta se reportan la temperatura y entalpía de las señales de fusión (Tm y ??????) y de cristalización (Tc y ??????) de las muestras evaluadas, además de la temperatura de las señales de transición vítrea observadas (Tg).

DISCUSIÓN

La variación en la composición de las muestras incidió significativamente (p < 0,05) sobre el MFI. Los cambios en esta variable de respuesta pudieron verse influenciados por el grado de compatibilización alcanzado entre los polímeros mezclados (14). En la tabla 2 se observa que el MFI de la muestra 3 presentó uno de los mayores valores en esta propiedad y fue el más cercano al obtenido por la muestra 5. Según Wootthikanokkhan et al., (2012) el anhídrido maléico, empleado como compatibilizante, es capaz de activar escisiones de cadena en las moléculas de PLA durante la mezcla en estado fundido a través de un mecanismo de hidrólisis, esto ocasiona que el peso molecular del PLA se reduzca y por lo tanto el MFI puede incrementar (14).

En cuanto al comportamiento térmico de las muestras se puede observar una reducción en el valor de la Tg del PLA al incrementar el contenido de TPS en la mezcla (ver tabla 3), este resultado concuerda con las investigaciones realizadas por Martín y Averous (2001) quienes muestran como al aumentar el TPS (disminuir el PLA) se reduce la Tg de la mezcla, estos autores resaltan que una mejor compatibilización ocasiona una reducción de la Tg (15). Por lo tanto se podría decir que la muestra 3 es la de menor compatibilidad entre PLA y TPS (mayor Tg), lo cual pudo ocasionar un mayor MFI. Otra explicación a este comportamiento es efecto que pudo tener el TPS en las mezclas, según estudios realizados por Jalalvandi et al., (2013) y Lee et al., (2003), el almidón termoplástico genera un efecto plastificante sobre el PLA ocasionando una disminución de su Tg (16, 17).

Se observó que la Tm para el TPS y para el PLA incrementó a medida que el contenido del TPS disminuía siendo la muestra 3 la de mayor valor. Según Martin y Avérous (2001), se presenta un aumento en la Tm cuando un componente semicristalino (PLA) pierde miscibilidad con un polímero amorfo (TPS) (15), resultado que coincide con lo mencionado anteriormente donde esta muestra fue la menos miscible de acuerdo a lo reportado por la Tg. Así mismo esta tendencia se observó en los valores de las entalpias de fusión reportadas para el PLA. Lim et al., m del PLA son un indicador de cristalinidad (18), por tanto se puede indicar que existió un aumento de la cristalinidad de las mezclas a medida que aumentó el contenido de PLA en la misma.

Cabe destacar que los picos endotérmicos de c) se reducen a medida que disminuye el contenido de PLA en la mezcla TPS/PLA. La muestra 3 reporta el menor valor de Hm para el TPS y esta a su vez es la de mayor MFI, se requiere menos energía para el flujo o movilidad de las cadenas poliméricas (19).

CONCLUSIONES

En este estudio preliminar se encontró que la incorporación de TPS al PLA, en un nivel de 55% con respecto a la mezcla total, no afectó significativamente el MFI del PLA, además la presencia de TPS en la mezcla confirió al material menores valores en la Tg lo cual indica un aumento en la procesabilidad del PLA. Los comportamientos observados, brindan la posibilidad que este nuevo material sea apto para ser utilizado en procesos de moldeo por inyección.

AGRADECIMIENTOS

Esta investigación fue desarrollada en el marco del proyecto titulado "Investigación y desarrollo de empaques biodegradables", financiado por el Sistema General de Regalías y ejecutado por la Gobernación del Cauca en convenio con la Universidad del Cauca y la corporación CLAYUCA.

References

REFERENCIAS

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