Optimización de la síntesis de nanopigmentos de origen natural para biopolímeros mediante el uso de diseño de experimentos

Resumen

INTRODUCCIÓN En esta sociedad actual de consumo se ha hecho evidente el problema de la gran cantidad de residuos generados, cuyo procesado es en muchos casos caro, y poco respetuoso con el medio ambiente. Surge en contexto la necesidad e interés creciente de sustituir los materiales procedentes de productos sintéticos y derivados del petróleo por materiales biodegradables de origen natural. Los biopolímeros aún no son competitivos en precio y por ello aún no es global su explotación industrial, pero las investigaciones dedicadas a la mejora de sus propiedades están en continuo crecimiento para garantizar su competitividad en un futuro próximo. Una de las vías en estudio para la mejora de las propiedades de los biopolímeros es la incorporación de cargas inorgánicas de tamaño nanométrico conocidas como nanoarcillas, con las que se han ido viendo mejoras de las propiedades mecánicas y térmicas de los bionanocompuestos obtenidos. En lo que no se han centrado bastante las investigaciones en este área, es en las propiedades ópticas obtenidas que cambian con la incorporación de los nanomateriales. En paralelo otras líneas de investigación se han centrado en la obtención de pigmentos híbridos nanoestructurados, o nanopigmentos, con el fin de obtener materiales colorantes sostenibles y de altas prestaciones que puedan sustituir algunas de las materias colorantes empleados en la industria altamente contaminantes, y difíciles de procesar en las aguas residuales. Para ello se han aplicado técnicas de refuerzo de las propiedades de gran diversidad de colorantes orgánicos, mediante el intercambio con distintas nanoarcillas. Pero no se ha repuesto al efecto de las condiciones de obtención de los nanopigmentos en su aplicación en diversas clases de materiales, como es el caso de los biopolímeros. Combinando los avances en estas líneas de investigación, se pueden obtener materiales compuestos de origen biodegradable con las mejores prestaciones. OBJETIVOS El objetivo de esta tesis ha consistido en encontrar la formulación óptima de nanopigmentos de origen natural para su aplicación en una resina de origen natural y biodegradable, y obtener una mejora considerable de sus propiedades mecánicas, térmicas, y ópticas (color). MATERIALES Y MÉTODOS Para conseguir el objetivo de este trabajo, se ha empleado el diseño estadístico de experimentos con el fin de obtener la mayor cantidad de información posible a partir del menor número de experimentos, con el consecuente ahorro de tiempo y recursos. Además se ha incorporado una gran variedad de técnicas instrumentales, y se ha buscado la sinergia entre la ciencia del color, la física y la química de los materiales, y la estadística. Se han seleccionado tres colorantes naturales para todos los experimentos, con el fin obtener una amplia gama de colores en los bionanocompuestos. Se han empleado clorofila, ß-caroteno y extracto de raíz de remolacha (betanina). Para cada uno de ellos se reproducen los experimentos en bloques diferenciados únicamente por el colorante. La caracterización físico-química se realiza con los nanopigmentos generados, y con los materiales compuestos con la bioresina. Para la caracterización colorimétrica se han empleado diversas concentraciones de los nanopigmentos en la misma bioresina (1, 2, 5 y 10 %). El trabajo se ha desarrollado en dos fases experimentales. En la primera se ha buscado la clase de compuesto o modificador adecuado, así como las variables de la síntesis de los nanopigmentos que mejoran sus propiedades en la aplicación. En esta fase se han seleccionado como modificadores dos tensoactivos, un agente de acoplamiento tipo silano, y por último el alumbre. Este último se escoge con la idea original de imitar el proceso de mordentado de la tintura textil en el seno de las nanoarcillas. Por otro lado se han realizado pruebas con dos clases de nanoarcilla, diferenciadas por la carga de los iones en el espacio interlaminar, siendo positiva en la montmorillonita y negativa en la hidrotalcita. También se ha incorporado como factor de control el pH. Para esto se ha diseñado un experimental de Taguchi L8, en el que se pueden estudiar los cinco factores nombrados a dos niveles, y se dejan libres las interacciones entre tensoactivo y mordiente o silano. En la segunda fase experimental se han incorporado mejoras en el proceso de síntesis, de forma que no se ha realizado la síntesis en agua o etanol, según sea montmorillonita o hidrotalcita como en la primera fase, sino que en todos los procesos se emplea una disolución 50/50 de agua y etanol. También se mantiene fijo el pH ácido entre 3 y 4. En esta fase se decide responder a la pregunta de en qué momento se deben emplear los modificadores durante la síntesis, si antes o después del colorante natural, y además se añade un cuarto factor que responda a la cuestión de si el calcinado previo de la hidrotalcita favorece la obtención de mejores nanopigmentos. Se plantea un experimental L9 de Taguchi, dónde se pueden estudiar cuatro factores en tres niveles, en sólo 9 experimentos. Los análisis físico químicos realizados se han centrado en primer lugar en la caracterización de los nanopigmentos, y en asegurar la interacción entre los colorantes naturales y las nanoarcillas. Una vez descritas las condiciones de síntesis en las que se intercala mayor cantidad de colorantes en el espacio interlaminar de las nanoarcillas, se ha procedido a evaluar el refuerzo de los colorantes frente a la degradación térmica. Independientemente de tipo de interacciones conseguidas entre los tres colorantes y las nanoarcillas, se ha comprobado el refuerzo de los colorantes orgánicos frente al ataque térmico. Seguidamente se ha procedido con la caracterización térmica, mecánica y colorimétrica de los bionanocompuestos. BALANCE DE RESULTADOS Y CONCLUSIÓN Todos los resultados se han comparado con los que obtienen las muestras de referencia, tomadas como la bioresina con cada uno de los tres colorantes naturales. Se ha demostrado en todos los resultados la incompatibilidad de los tres colorantes naturales con la bioresina, obteniendo malos resultados de color, y en cuanto a las propiedades mecánicas caracterizadas. Mediante la incorporación de los colorantes naturales como nanopigmentos, se ha conseguido en la mayoría de los casos la compatibilidad con la bioresina, mejorando consigo las propiedades ensayadas. Se ha llegado a la conclusión de que se mejoran prácticamente todas las características de la bioresina inicial con los nanopigmentos, y que en general los factores seleccionados en los diseños experimentales influyen en el resultado final. Las condiciones óptimas para obtener los mejores materiales compuestos coloreados con esta bioresina, son con el empleo de hidrotalcita, calcinada o no previamente, pH ácido, y modificación previa de la arcilla con mordiente y con tensoactivo, y después con el silano. Con estas condiciones de síntesis se ha garantizado la mejor combinación de propiedades ópticas, mecánicas y térmicas resultantes en los materiales compuestos por la bioresina y los nanopigmentos naturales. También se ha comprobado la solidez del color a la radiación UV-VIS y a la migración por frote en húmedo, que mejoran notablemente con los nanopigmentos. Se dota así al material resultante de gran interés y aplicabilidad industrial, además del valor añadido de la composición principal por compuestos naturales y biodegradables. FUTURAS LÍNEAS Queda pendiente comprobar el efecto de la coloración con los nanopigmentos de la biodegradación de la bioresina. También queda abierto el aumento de la gama de color con el empleo de otros colorantes naturales, o con la mezcla de los nanopigmentos obtenidos en este trabajo. Por otro lado, las propiedades mecánicas deben seguirse trabajando mediante la mejora del sistema de dispersión de los nanopigmentos en esta clase de materiales, continuar mejorando la compatibilidad de los nanopigmentos con la combinación de otros modificadores estructurales, o la interacción de otros materiales biodegradables. Todo esto para llegar en un futuro cercano del escalado de laboratorio a planta piloto, a un proceso de síntesis optimizado de bionanocompuestos coloreados competitivos a nivel industrial.