Estudio de la viabilidad del reciclado mecánico del poli(ácido láctico) y sus nanocomposites

Beltrán González, Freddys (2018). Estudio de la viabilidad del reciclado mecánico del poli(ácido láctico) y sus nanocomposites. Tesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.50944.

Descripción

Título: Estudio de la viabilidad del reciclado mecánico del poli(ácido láctico) y sus nanocomposites
Autor/es:
  • Beltrán González, Freddys
Director/es:
  • Martínez Urreaga, Joaquín
  • Ulagares de la Orden Hernández, María
Tipo de Documento: Tesis (Doctoral)
Fecha: 2018
Materias:
Escuela: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Departamento: Ingeniería Química Industrial y del Medio Ambiente
Licencias Creative Commons: Reconocimiento - Sin obra derivada - No comercial

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Resumen

El poli(ácido láctico) (PLA) es un bioplástico producido a partir de fuentes renovables que, debido a sus buenas prestaciones, ha ganado interés como candidato para reemplazar a los plásticos producidos a partir de combustibles fósiles en aplicaciones como el envasado de alimentos. Sin embargo, el uso creciente de este bioplástico podría traer problemas ambientales y sociales, relacionados con la gestión adecuada de la gran cantidad de residuos que podrían generarse y con la superficie necesaria para cultivar la materia prima empleada en la producción del PLA. Por este motivo, es interesante evaluar alternativas que permitan la valorización adecuada de los residuos de PLA y la reducción del consumo de materias primas. Por ello, uno de los objetivos principales de este trabajo es el estudio de la viabilidad del reciclado mecánico del PLA y sus nanocomposites con arcillas, analizando el efecto de este proceso en las propiedades de los plásticos reciclados. Para cumplir este objetivo se ha sometido al PLA, y sus nanocomposites con montmorillonita y haloisita, a diferentes procesos de reciclado, que pueden incluir: una etapa de extrusión y moldeo por compresión; un envejecimiento acelerado (utilizado para simular la degradación durante la vida útil) que consta de etapas de degradación fotoquímica, térmica e hidrolítica; un proceso de lavado intenso y, finalmente, una etapa de reprocesado por extrusión y moldeo por compresión. Los materiales resultantes han sido caracterizados mediante diferentes técnicas experimentales, incluyendo viscosimetría, espectroscopía infrarroja y UVvisible, calorimetría diferencial de barrido, termogravimetría, microscopía electrónica (barrido y trasnmisión) y difracción de rayos X. El reciclado mecánico ocasiona la degradación del PLA. Los resultados obtenidos indican que la magnitud de esta degradación depende de las condiciones del proceso, ya que, por ejemplo, la inclusión de una etapa de lavado enérgico produce descensos del 20 % en la viscosidad intrínseca, lo que complica la procesabilidad del plástico reciclado. Esta reducción de la viscosidad del PLA se traduce además en una mayor habilidad para cristalizar, una menor estabilidad térmica y un ligero descenso en las propiedades de barrera frente a gases del plástico reciclado. No obstante, el descenso de las propiedades debido al reciclado mecánico es en general pequeño, lo que sugiere que el plástico reciclado podría tener una segunda vida. En los nanocomposites con las diferentes arcillas, se observa también la degradación del PLA después de los diferentes procesos de reciclado. Sin embargo, el reprocesado ocasiona una mejor dispersión de las arcillas en la matriz polimérica, lo que conlleva en este caso incluso mejores propiedades mecánicas, térmicas y de barrera en los nanocomposites reciclados. El descenso de la viscosidad intrínseca, y de algunas propiedades, del PLA podría afectar negativamente al interés comercial por el plástico reciclado y, por tanto, a la reciclabilidad del material. Por ello, el otro objetivo de esta tesis es el estudio de alternativas para mejorar las prestaciones del PLA reciclado, sin encarecer excesivamente el coste del proceso. Para ello, se ha sometido un grado comercial de PLA a un proceso de reciclado que incluye una etapa de procesado en fundido, un envejecimiento acelerado, una etapa de lavado y un segundo procesado en fundido. Es en esta segunda etapa de procesado cuando se añaden diferentes aditivos (como peróxido de dicumilo y un extensor de cadena), o diferentes arcillas (montmorillonita y haloisita) para mejorar las propiedades del material reciclado. Los resultados indican que tanto adición del peróxido y del extensor de cadena, como la adición de las diferentes arcillas, ocasionan un incremento de la viscosidad intrínseca del material, así como una mejora de las propiedades mecánicas y térmicas del PLA reciclado. En resumen, se puede decir que el reciclado mecánico ocasiona la degradación del PLA, y un pequeño descenso en sus propiedades. Este descenso es pequeño en general, y el material reciclado podría ser utilizado nuevamente, incluso en aplicaciones de envasado. Sin embargo, es posible obtener PLA reciclado con mejores prestaciones sin aumentar de forma importante el coste del proceso, lo que debería mejorar la reciclabilidad de este bioplástico. ----------ABSTRACT---------- Poly(lactic acid) (PLA) is a bioplastic produced from renewable resources. Due to its good properties, PLA has attracted interest as an alternative to fossil-fuel based polymers in several applications, such as food packaging. However, the increasing use of this bioplastic might generate some environmental and social problems, related to the large amount of wastes and to the cropland needed to produce the raw materials used in PLA production. Therefore, is interesting to evaluate alternatives that allow the valorization of PLA wastes and the reduction of the consumption of raw materials. Consequently, one of the main aims of this work is to study the feasibility of mechanical recycling of PLA and its nanocomposites with clays, analyzing the effect of this process on the properties of the recycled plastics. To achieve this objective, PLA and its nanocomposites were subjected to different recycling processes, which might include: an extrusion and compression molding stage; an accelerated aging step (to simulate the degradation during service life), which consisted of photochemical, thermal and hygrothermal aging processes; a demanding washing step and, finally, a second reprocessing by extrusion and compression molding. The resulting materials were then characterized by viscosimetry, UV-Vis and infrared spectroscopy, differential scanning calorimetry, thermogravimetric analysis, transmission and scanning electron microscopies and X-ray diffraction. Mechanical recycling causes the degradation of PLA. The results point out that the intensity of this degradation depends on the process conditions, since the inclusion of a washing step led to a 20 % decrease of the intrinsic viscosity. This degradation results in an increased crystallization ability and reduced thermal stability and gas barrier properties. However, the decrease of the properties due to the mechanical recycling processes is small, which suggests that PLA can be subjected to mechanical recycling. Regarding the nanocomposites with different clays, the degradation of PLA upon recycling was also noticeable. However, the reprocessing step caused a better dispersion of the clays in the polymer matrix, leading in this case to improved mechanical, thermal and gas barrier properties in the recycled material. The decrease of the intrinsic viscosity, and some properties, of recycled PLA might compromise the recyclability of the plastic. Therefore, other objective of this work is the study of different methods to improve the performance of recycled PLA, without significantly increasing the costs of the process. For this, a commercial grade of PLA was subjected to a recycling process including a melt processing step, an accelerated aging, a washing step and a second melt reprocessing step. It is in this second processing step in which different additives (such dicumyl peroxide and a chain extender), or different clays, are used to improve the performance of recycled PLA. The results indicate that both the addition of the peroxide and the chain extender, and the addition of the different clays, led to increased intrinsic viscosity, along with better mechanical and thermal properties of recycled PLA. Summarizing, mechanical recycling causes the degradation of PLA, and a decrease on its performance. This decrease is relatively small, and the recycled material could be used, even in demanding applications such as packaging. Moreover, there are cost-effective ways for obtaining mechanically recycled PLA with improved properties, which should improve the recyclability of this material.

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ID de Registro: 50944
Identificador DC: http://oa.upm.es/50944/
Identificador OAI: oai:oa.upm.es:50944
Identificador DOI: 10.20868/UPM.thesis.50944
Depositado por: Archivo Digital UPM 2
Depositado el: 29 May 2018 06:55
Ultima Modificación: 30 Nov 2018 23:30
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