Desarrollo y caracterización de un material compuesto a base de celulosa de cascarilla de cacao y ácido poliláctico (PLA)

Abstract

La renovabilidad, alta disponibilidad y el bajo costo de los residuos agroindustriales son aspectos de interés para su estudio en la formulación y desarrollo de materiales conocidos como compuestos verdes. Sin embargo, aunque son numerosos los casos de incorporación de fibras naturales como refuerzo en matrices plásticas, el uso de celulosa extraída de fibras como la cascarilla de cacao es un campo todavía no ampliamente explorado. De esta manera, se planteó el desarrollo de un material compuesto a base de celulosa de cascarilla de cacao (0%, 2,5% y 5%) en mezcla con ácido poliláctico por el método de solvent casting. Para ello, diferentes métodos extractivos se evaluaron. En estos se incluyeron etapas de pretratamientos, tratamientos ácidos, tratamientos básicos y blanqueamiento. Finalmente, se logró determinar que el tiempo de residencia en el tratamiento alcalino afecta la caracterización térmica de la celulosa obtenida. Esto es que para tratamientos más prolongados (6 y 11h) el contenido de lignina residual es menor y la temperatura máxima de degradación puede disminuir. Además, el secado por horno produce el fenómeno de cornificación, el cual puede prevenirse mediante la liofilización. Para el material compuesto, se destaca la importancia de reducir adecuadamente el tamaño de partícula de la celulosa para inducir una mejor disolución de esta en el PLA. Una mayor composición de celulosa en el material genera un aumento en la densidad aparente. Los perfiles de degradación térmica (TGA y DSC) mostraron que los materiales con inclusión de celulosa presentan menor estabilidad térmica (2,5%:310ºC, 5%:300ºC) en comparación con el ácido poliláctico (313ºC) y que las temperaturas de transición vítrea, cristalización y fusión no se ven afectadas de manera significativa. Por su parte, las entalpías de cambio de fase y el grado de cristalinidad son mayores para las muestras con inclusión de celulosa.

The renewability, high availability and low cost of agro-industrial waste are aspects of interest for its study in the formulation and development of materials known as green compounds. However, although there are numerous cases of incorporating natural fibers as reinforcement in plastic matrices, the use of cellulose extracted from fibers such as cocoa bean shells is a field not yet widely explored. In this way, the development of a composite material based on cellulose from cocoa bean shells (0%, 2.5% and 5%) in a mixture with polylactic acid by the solvent casting method was proposed. For this, different extractive methods were evaluated. These included stages of pretreatments, acid treatments, basic treatments and bleaching. Finally, it was possible to determine that the residence time in the alkaline treatment has an effect in the thermal characterization of the cellulose obtained. This is because for longer treatments (6 and 11 hours) the residual lignin content is lower and the maximum degradation temperature may decrease. Furthermore, oven drying produces the phenomenon of cornification, which can be prevented by lyophilization. For the composite material, the importance of adequately reducing the particle size of the cellulose to induce a better dissolution of this in the PLA is highlighted. A higher cellulose composition in the material generates an increase in the apparent density. The thermal degradation profiles (TGA and DSC) showed that the materials with inclusion of cellulose present lower thermal stability (2.5%: 310ºC, 5%: 300ºC) compared to polylactic acid (313ºC) and that the transition temperatures vitreous, crystallization and melting are not significantly affected. On the other hand, the phase change enthalpies and the degree of crystallinity are higher for samples with cellulose.