Obtención de fibras poliméricas electrohiladas biodegradables en base a mezclas de PLA y PHB plastificadas

Abstract

Los plásticos juegan un papel fundamental en la sociedad actual al ser utilizados en numerosas aplicaciones, entre ellas el envasado alimentario, manufacturación de productos comerciales y biomedicina. El uso de gran
volumen de estos plásticos provoca un gran impacto en el medio ambiente al ser producidos a partir de fuentes petroquímicas y una vez cumplida su vida útil ser desechados al medio ambiente en vertederos, en consecuencia estos plásticos vertidos a la atmósfera pueden contaminar el suelo y el agua del planeta.
Los biopolímeros son polímeros con un origen biológico, provienen de fuentes naturales renovables como el arroz o la caña de azúcar asegurando así una sostenibilidad ambiental. Los polímeros biodegradables, al contrario
que los plásticos convencionales, no generan acumulación de residuos al descomponerse mediante procesos bioógicos en subproductos que no entrañan riesgo para la salud o el medio ambiente. La progresión exponencial de este tipo de polímeros en cuanto a volumen de producción y presencia
comercial comienzan a representar una alternativa real para un mayor uso de los mismos. Aunque actualmente presentan un precio superior a los plásticos convencionales, lo que hace que su uso comercial no se encuentre implementado industrialmente, no se ven afectados por las fluctuaciones que sufre el precio del petróleo.
Las aplicaciones de los polímeros biobasados y biodegradables son muy variadas, desde aplicaciones simples como envases alimentarios hasta en aplicaciones biomédicas, ya que debido a su biocompatibilidad es posible implementarlos como simulación de tejido óseo (tissue engineering) o en el suministro de medicamentos para liberarlos de forma sostenida en el tiempo.
Los polímeros biodegradables son además compostables, los residuos generados resultan respetuosos con el medio ambiente y su tratamiento es más sencillo y rápido que el tratamiento de residuos de los plásticos tradicionales
(ejemplo: reciclado).
En este trabajo de fin de grado se utilizaron dos polímeros biobasados y biodegradables como son el poli(ácido láctico) (PLA) y poli(hidroxibutirato)
(PHB). Los materiales se utilizaron como mezclas de PLA-PHB en una proporción de 75:25, respectivamente baándose en estudios anteriores sobre la proporción óptima de estos dos materiales. A esta matriz se añadió oligómero
de ácido láctico (OLA) como plastificante con el objeto de aumentar la ductilidad de estos materiales. Los disolventes empleados para disolver los polímeros fueron cloroformo (CL) y N,N-dimetilformamida (DMF) en una
proporción 4:1. Se prepararon cuatro disoluciones: la mezcla de PLA-PHB y tres más con diferentes proporciones de plastificante OLA con un contenido del mismo del 10% p/p, 15% p/p y 20% p/p.
Dos técnicas distintas se utilizaron para preparar los materiales en este proyecto: electrohilado o electrospinning y solubilización del polímero seguido de la evaporación del disolvente o solvent-casting. El electrohilado consiste en la producción de fibras de tamaño nanométrico formando una membrana de fibras no tejidas depositadas unas sobre otras denominado mat. Aplicando una diferencia de potencial entre la aguja y la placa colectora, se forman las fibras poliméricas las cuales se depositan unas sobre otras una vez que el disolvente se evapora en el recorrido entre aguja y placa
colectora. La técnica de solvent casting consiste en disolver el material polimérico y verter la disolución sobre un molde donde una vez evaporado el disolvente se obtiene el film. Mediante un proceso de optimización de los parámetros de procesado de electrohilado coaxial se ajustó el caudal tanto del polímero como del disolvente a 1 mL/h y un voltaje de 11 kV, debido a que estas condiciones proporcionaron un menor número de defectos de
fibras denominados beads.
La optimización de las condiciones se llevó a cabo en primera instancia mediante microscopía óptica y posteriormente mediante microscopía de barrido
electrónico (SEM).A partir de las imágenes de microscopía electrónica se procedió a la medida de las fibras con el objeto de evaluar la influencia tanto de la diferencia de potencial como la cantidad de plastificante añadida en el diámetro de las fibras. Una mayor diferencia de potencial
provocó menores defectos de las fibras y una mayor proporción de plastificante un menor diámetro de fibra debido a una mayor movilidad de las cadenas poliméricas.
La caracterización mediante termogravimetría (TGA) permitió inferir en la estabilidad térmica de los diferentes materiales desarrollados, se determinó la temperatura de inicio de degradación, T5%, para los materiales de partida (puros) y procesados incrementando este valor para un 10% de plastificante en el caso del solvent casting y disminuyendo para las fibras con la adición de plastificante respecto al material base. La temperatura de degradación máxima se ve afectada positivamente por la adición de plastificante tanto en los mat como en solvent casting. Los datos obtenidos por calorimetría diferencial de barrido fueron la temperatura de transición vítrea (Tg) y temperatura de fusión (Tm) y la cristalinidad (Xc). Las temperaturas de transición vítrea no se vieron significativamente afectadas por la adición de plastificante, la temperatura de fusión disminuyó levemente con la adición de plastificante y la cristalinidad del sistema aumentó.
Los ensayos de difracción de rayos X corroboraron el aumento de la cristalinidad de los materiales. Una mayor cristalinidad se registró en los materiales procesados mediante solvent casting debido a que la evaporación
del disolvente ocurrió lentamente, a temperatura ambiente, permitiendo la formación de cristales más estables.
Las fibras presentan mayor elongación a rotura respecto a los materiales preparados mediante solvent casting. La situación inversa se da para el módulo de Young con una rigidez mucho menor en el caso de las fibras. La
resistencia a la tracción disminuye con la adición de plastificante tanto en los mat como en los films preparados por solvent casting.
Se observó que una adición mayor de plastificante provocó una disminución de la viscosidad y al mismo tiempo un menor diámetro de fibra. Se pudieron diferenciar dos grupos, el primero con diámetros de fibra mayores
correspondiente a la mezcla de PLA-PHB y la mezcla plastificada con un de 10% p/p de OLA y el segundo con un contenido de 15% p/p y 20% p/p de OLA con menor diámetro de fibras.
El ensayo de degradación en compost demostró una mayor degradación para las fibras respecto a los films preparados por solvent casting, debido a la mayor cristalinidad de estas últimas.
Resumiendo, la adición de OLA a la matriz de PLA-PHB disminuye considerablemente el diametro de fibra. Un contenido de un 15% p/p de OLA en las mezclas de PLA-PHB mejora la estabilidad térmica y proporciona materiales más flexibles.