Colombia
| Tesis
Efecto de la isosorbida sobre los cambios estructurales de películas de almidón termoplástico de yuca y ácido poliláctico
Fecha
2021Registro en:
Universidad Nacional de Colombia
Repositorio Institucional Universidad Nacional de Colombia
Autor
Gómez López, Rudy Alberto
Institución
Resumen
El almidón termoplástico (TPS) ha surgido como importante alternativa para la producción
de materiales de empaque amigables con el ambiente, debido su bajo costo y
biodegradabilidad. Sin embargo, uno de los grandes problemas es la retrogradación que
disminuye su vida útil. El objetivo de este trabajo fue evaluar el efecto co-plastificante de
la isosorbida con glicerol sobre las propiedades mecánicas, térmicas, fisicoquímicas,
microestructurales y retrogradación en películas de TPS y en mezclas de TPS/PLA. El
análisis de los materiales obtenidos se realizó mediante SEM, calorimetría de diferencial
de barrido (DSC), análisis termogravimétrico (TGA), difracción de rayos X (DRX), FTIR,
pruebas mecánicas de tensión y absorción de humedad. Además, se analizó el efecto del
tiempo en las propiedades térmicas, físico-químicas, microestructurales y mecánicas.
La evolución de la retrogradación del TPS se modeló mediante la aplicación de la ecuación
de Avrami. Los parámetros cinéticos indicaron que la presencia de isosorbida causó una
reducción de la velocidad de retrogradación (k) y un mecanismo (n) de recristalización
instantáneo mediante un proceso combinado de nucleación térmico y atérmico. La
presencia de isosorbida promovió una mayor interacción mediante enlaces de hidrógeno
entre las cadenas de almidón y las moléculas de isosorbida, que fueron verificados
mediante análisis por espectroscopia infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR). Estos
cambios en el mecanismo de cristalización del TPS afectaron las propiedades mecánicas
y microestructurales del material.
En las mezclas de TPS/PLA, la isosorbida fue empleada como plastificante en diferentes
proporciones. En las imágenes SEM, se evidenció que la mayor parte de las estructuras
cristalinas nativas fueron desestructuradas. Independientemente del plastificante, los
espectros FTIR de todas las películas de TPS/PLA mostraron que la isosorbida provocó
cambios en las bandas de absorción que sugirieron una reducción de la cristalinidad del
almidón nativo, concordando con los resultados de DRX, que además indicaron la
formación de estructuras cristalinas diferentes (tipo EH). El tratamiento M-i5 (relación glicerol/isosorbida 25/5) presentó propiedades mecánicas balaceadas y se seleccionó
para realizar seguimiento de envejecimiento. Los cambios en las bandas de absorción de
1018 y 995 cm-1 sugirieron que la co-plastificación con isosorbida es capaz de frenar la
retrogradación en las muestras de M-i5. La cristalinidad de las películas co-plastificadas
con isosorbida pasó de 4.3% a 4.9%, lo cual representa una menor variación en
comparación al uso de glicerol como único plastificante. En las películas que contenían
isosorbida, la resistencia a la tensión (σ) presentó menor variación. Aunque la elongación
se redujo notablemente en los primeros 8 días de almacenamiento, la variación fue menor
que en las películas con glicerol. Las películas plastificadas con isosorbida absorbieron
menor cantidad agua que las películas control (3.2 vs 5.2%, respectivamente), lo cual
afectó favorablemente su estabilidad térmica inicial.
En general se pudo establecer que la incorporación de isosorbida como plastificante del
glicerol, incluso en pequeñas cantidades (relación 25:5 glicerol/isosorbida), podría
aumentar la estabilidad estructural y, por ende, las propiedades macroscópicas de las
películas de TPS/PLA. Esto es posible gracias a que las ventajas de cada uno de los
plastificantes se complementan, mientras que las desventajas (migración, débiles enlaces
de hidrógeno entre plastificante-almidón) se reducen, proporcionando un efecto sinérgico
que afecta positivamente el comportamiento de la mezcla de TPS/PLA (Texto tomado de la fuente). Thermoplastic starch (TPS) has emerged as an important alternative for the production of
environmentally friendly packaging materials, due to its low cost and biodegradability.
However, one of the big problems is retrogradation that decreases its useful life. The
objective of this work was to evaluate the co-plasticizing effect of isosorbide with glycerol
on the mechanical, thermal, physicochemical, microstructural and retrogradation properties
in TPS films and in TPS / PLA mixtures. The analysis of the materials obtained was carried
out using SEM, differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TGA),
X-ray diffraction (XRD), FTIR, mechanical stress and moisture absorption tests. In addition,
the effect of time on thermal, physicochemical, microstructural and mechanical properties
was analyzed.
The evolution of TPS retrogradation was modeled by applying the Avrami equation. The
kinetic parameters indicated that the presence of isosorbide caused a reduction in the
retrogradation rate (k) and an instantaneous recrystallization mechanism (n) through a
combined thermal and athermic nucleation process. The presence of isosorbide promoted
a greater interaction through hydrogen bonds between the starch chains and the isosorbide
molecules, which were verified by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) analysis.
These changes in the crystallization mechanism of TPS affected the mechanical and
microstructural properties of the material.
In the TPS / PLA mixtures, isosorbide was used as plasticizer in different proportions. In
the SEM images, it was evident that most of the native crystalline structures were
unstructured. Regardless of the plasticizer, the FTIR spectra of all the TPS / PLA films
showed that isosorbide caused changes in the absorption bands that suggested a
reduction in the crystallinity of the native starch, in agreement with the XRD results, which
also indicated the formation of different crystal structures (EH type). The M-i5 treatment
(glycerol / isosorbide ratio 25/5) presented balanced mechanical properties and was
selected for monitoring aging. Changes in the 1018 and 995 cm-1 absorption bands
suggested that co-plasticization with isosorbide is able to slow down retrogradation in M-i5
samples. The crystallinity of the films co-plasticized with isosorbide went from 4.3% to
4.9%, which represents a lower variation compared to the use of glycerol as the only
plasticizer. In the films containing isosorbide, the tensile strength (σ) presented less variation. Although the elongation was markedly reduced in the first 8 days of storage, the
variation was less than in the glycerol films. The films plasticized with isosorbide absorbed
less water than the control films (3.2 vs 5.2%, respectively), which favorably affected their
initial thermal stability.
In general, it was established that the incorporation of isosorbide as a glycerol plasticizer,
even in small amounts (ratio 25: 5 glycerol / isosorbide), could increase the structural
stability and, therefore, the macroscopic properties of TPS / PLA films. This is possible
thanks to the fact that the advantages of each of the plasticizers complement each other,
while the disadvantages (migration, weak hydrogen bonds between plasticizer-starch) are
reduced, providing a synergistic effect that positively affects the behavior of the TPS/PLA
mixture.