Desarrollo de bioadhesivos a base de almidones modificados con aplicaciones potenciales en el área de envases

• Autores: Monroy, Yuliana
• Año de publicación: 2021
• Idioma: español castellano
• Tipo de recurso: tesis doctoral
• Colaborador/a o director/a de tesis: García, María Alejandra; Rivero, Sandra
• Materia: Ciencias Exactas; Adhesivos; Almidón; Ultrasonido
• Institución: Universidad Nacional de La Plata

En el presente trabajo de Tesis se desarrollaron, estudiaron y aplicaron adhesivos biodegradables y eco-compatibles a base de almidón de mandioca, evaluando sus propiedades reológicas, estructurales y mecánicas. Se implementaron distintas modificaciones (físicas y químicas) y se diseñaron distintas formulaciones para otorgar propiedades específicas para cada aplicación en particular. Se evaluó la potencialidad de los adhesivos obtenidos en una amplia variedad de sustratos para estudiar su aplicación en el área de envases. Para ello fue preciso analizar la estabilidad de los adhesivos frente a distintas condiciones de almacenamiento, así como su biodegradación en suelo. En este marco, se trató almidón de mandioca con ultrasonido, un método no convencional de modificación física que permite introducir cambios estructurales. Se ensayaron condiciones de tiempo, temperatura y amplitud. Las observaciones al microscopio óptico revelaron que inmediatamente después del tratamiento con ultrasonido los gránulos evidenciaron un mayor hinchamiento que los del almidón nativo. Por SEM se observó un aumento de la rugosidad superficial. Las micrografías revelaron que el almidón de mandioca nativo presentó una distribución de tamaño de gránulos bimodal centrada en 6,3 y 11,9 μm. El tratamiento afectó esta distribución, siendo los gránulos más pequeños los más susceptibles. Los estudios espectroscópicos indicaron que el tratamiento modificó la cristalinidad de los almidones modificados. Las pastas presentaron un comportamiento pseudoplástico tixotrópico ajustando satisfactoriamente los datos experimentales con el modelo de Ostwald de Waele. Los espectros dinámicos mostraron las características viscoelásticas del sistema. Las pastas de los almidones modificados resultaron más estables ya que en condiciones de refrigeración a las 96h los valores de G’ aumentaron 27% y 106% para el almidón tratado con ultrasonido durante 20min a 40% de amplitud y el nativo respectivamente. Por otra parte se formularon bioadhesivos a partir de suspensiones de almidón de mandioca al 5% p/p modificados vía ácida con ácido cítrico (CA) o butano-tetra-ácido carboxílico (BTCA) gelatinizadas (90ºC- 20min) con agregado de almidón nativo al 5% p/p como relleno. Las pastas presentaron un comportamiento pseudoplástico; la incorporación del relleno aumentó la viscosidad aparente a 500 s-1. Los espectros dinámicos mostraron las características viscoelásticas del sistema. A partir del adhesivo y reutilizando los subproductos del procesamiento del fibrofácil (MDF) se formularon mezclas MDF:adhesivo (1:0,5;1:1;1:2) para desarrollar paneles en una prensa hidráulica por termo-compresión. El color de los paneles se vio afectado por la relación MDF:adhesivo y la temperatura de moldeo (120-160°C). Los materiales más resistentes a base de bioadhesivos y subproductos del procesamiento de la madera se obtuvieron con igual relación MDF:adhesivo y mayores temperaturas de procesamiento. El análisis por SEM reveló la estructura compacta de los materiales, lo que indica la fuerte capacidad ligante de los biadhesivos y la acción entrecruzante de los ácidos policarboxílicos inducida por el procesamiento por termo-compresión. El tipo y cantidad de ácido policarboxílico afectó las propiedades mecánicas y tribológicas del material compuesto. Los paneles más resistentes y con mejor comportamiento tribológico (menores valores de COF y de desgaste) se obtuvieron con la incorporación de bajas concentraciones de CA o altas de BTCA. Fue posible además desarrollar un sistema multilaminado lo que amplía las posibles aplicaciones de estos materiales. Además, se llevó a cabo la modificación química convencional del almidón de mandioca en presencia de hidróxido de sodio y urea a temperatura ambiente. El tratamiento generó una desorganización estructural a temperatura ambiente e indujo la gelatinización del almidón en concentraciones de 10 a 20% p/p. Las técnicas de análisis por microscopía revelaron la pérdida de la identidad granular y la formación de partículas de almidón de tamaño nanométrico en presencia de las soluciones compuestas de NaOH:urea. Fue posible trabajar con altas concentraciones de almidón mediante el tratamiento alcalino algo que resulta inviable cuando se realiza la gelatinización térmica del almidón en ausencia de agentes químicos. El tamaño de partículas de las formulaciones adhesivas varió tanto con la concentración de almidón como con la relación de la mezcla acuosa de NaOH:urea. Mediante SEC-HPLC se estudió el efecto hidrolizante de las mezclas de NaOH:urea sobre las cadenas de los constituyentes del almidón. Los estudios ATR-FTIR respaldaron las modificaciones estructurales generadas por el álcali sobre el polímero utilizado. Las formulaciones desarrolladas exhibieron adecuadas propiedades adhesivas sobre un sustrato celulósico. Las fuerzas de unión adhesiva se vieron mejoradas con la concentración de almidón. Por otro lado, se diseñaron adhesivos compuestos a base de almidón y gelatina subutilizada, proveniente del descarte de la industria farmacéutica con el fin de aprovechar sus propiedades adhesivas. Asimismo, se utilizó CA como agente hidrolizante, entrecruzante dependiendo la concentración ensayada y la relación almidón:gelatina. Se formularon adhesivos con un 20% de sólidos con propiedades adhesivas adecuadas tanto para pegar sustratos celulósicos entre si o al vidrio, siendo la formulación P2-40 la de mejor desempeño para pegado de papel-papel y la P3-80 adecuada para papel-vidrio. La combinación de componentes en la formulación permitió diseñar una película adhesiva (P1-80) que exhibió capacidad de pegado sobre una amplia variedad de sustratos: cerámica, vidrio, cartón, plástico, entre otros. El agregado de bentonita a las formulaciones si bien no mejoró sus propiedades adhesivas permitió reducir los tiempos de secado de las formulaciones adhesivas para aplicaciones sobre vidrio. Considerando los adhesivos que exhibieron las mejores propiedades adhesivas para el pegado de papel-papel y papel-vidrio, se evaluó su estabilidad bajo condiciones ambientales controladas. Luego de 35 días se observó que las formulaciones conservaban sus propiedades adhesivas. Por otra parte, los estudios de biodegradación en suelo demostraron que en un plazo mayor a 14 días tanto la matriz de película adhesiva como el adhesivo sobre el sustrato papel presentaron una alta tasa de biodegradación. La naturaleza biodegradable de los adhesivos desarrollados es un atributo importante para el desarrollo de envases para aplicaciones específicas. En virtud de los resultados derivados del presente trabajo de Tesis, se demuestra la potencialidad y versatilidad de los adhesivos biobasados desarrollados.
Doctor en Ciencias Exactas, área Química
Universidad Nacional de La Plata
Facultad de Ciencias Exactas