Biodegradable polyurethanes from sugar cane biowastes

Abstract

In a previous work, it was demonstrated that 70% of the molasses isolated from the biowaste generated by the agro-industrialization of sugar cane allow obtaining composite materials with adequate mechanical properties and bulk density. In the present research, these results were applied in the preparation of composite polyurethanes based on sugar cane molasses reinforced with bagasse fiber from the same biowaste. Initially, milled fibers from bagasse were characterized both physically and chemically, according to their content of α-cellulose, moisture, ashes, hemicelluloses and lignin, as well as to their extractability in organic and aqueous solvents. The most representative values were α-cellulose (47.3%), lignin (24.4%) and holocellulose (66.1%). Subsequently, polyurethane foams (PUF) were prepared using the natural fiber as a reinforcement, with 4 different percentages of fiber ground (5, 10, 15, 20% w/w) with an average particle size of 60 mesh; an extra PUF without fiber reinforcement was also synthesized as a reference. PUF synthesis was carried out with a PEG-molasses mixture in a 30:70% (w/w) ratio, diphenylmethane diisocyanate (MDI) and dibutyltin dilaurate as catalysts. Composite PUFs were characterized according to their bulk density, thermal (thermogravimetry-TGA) and mechanical (compression modulus) properties. The results showed that the composite PUF sample with 10% sugar cane fiber added as reinforcement had the lowest bulk density. Also, its TGA thermal analysis showed a general trend towards reducing both the initial temperature of decomposition, as well as the temperature at the maximum rate of degradation, compared to the reference PUF without fiber added. Finally, its mechanical properties showed a maximum value for both effort to compression and compression modulus. It has been concluded that the use of agro-industrial biowaste from sugar cane permits to develop composite materials with suitable properties for applications as foams. The PUF synthesized by partial replacement of PEG for molasses and reinforced with sugar cane bagasse fiber can be used in the packaging industry. In this case, the materials are used for short periods, and are usually very bulky, less dense. Thus, this novel type of PU foam could be useful in reducing the production costs and in improving the potential biodegradability of the polymeric matrix, becoming an interesting value-added application for this important source of agricultural biowastes, especially in Latin America.

En un trabajo anterior se demostró que el 70% de las melazas aisladas de los biorresiduos generados por la agroindustrialización de la caña de azúcar permiten obtener materiales compuestos con adecuadas propiedades mecánicas y densidad aparente. En la presente investigación se aplicaron estos resultados en la elaboración de poliuretanos compuestos a base de melaza de caña de azúcar reforzados con fibra de bagazo proveniente de los mismos biorresiduos. Inicialmente, las fibras molidas de bagazo se caracterizaron tanto física como químicamente, según su contenido de α-celulosa, humedad, cenizas, hemicelulosas y lignina, así como su extractabilidad en solventes orgánicos y acuosos. Los valores más representativos fueron α-celulosa (47,3%), lignina (24,4%) y holocelulosa (66,1%). Posteriormente se prepararon espumas de poliuretano (PUF) utilizando la fibra natural como refuerzo, con 4 porcentajes diferentes de fibra molida (5, 10, 15, 20% p/p) con un tamaño de partícula promedio de malla 60; también se sintetizó como referencia un PUF extra sin refuerzo de fibra. La síntesis de PUF se llevó a cabo con una mezcla de PEG-melaza en una proporción de 30:70% (p/p), diisocianato de difenilmetano (MDI) y dilaurato de dibutilestaño como catalizadores. Las PUF compuestas se caracterizaron según su densidad aparente, propiedades térmicas (termogravimetría-TGA) y mecánicas (módulo de compresión). Los resultados mostraron que la muestra compuesta de PUF con 10% de fibra de caña de azúcar añadida como refuerzo tenía la densidad aparente más baja. Además, su análisis térmico TGA mostró una tendencia general hacia la reducción tanto de la temperatura inicial de descomposición, como de la temperatura a la máxima tasa de degradación, en comparación con el PUF de referencia sin fibra añadida. Finalmente, sus propiedades mecánicas mostraron un valor máximo tanto para el esfuerzo a compresión como para el módulo de compresión. Se ha concluido que el uso de biorresiduos agroindustriales de la caña de azúcar permite desarrollar materiales compuestos con propiedades adecuadas para aplicaciones como espumas. El PUF sintetizado por sustitución parcial de PEG por melaza y reforzado con fibra de bagazo de caña de azúcar puede ser utilizado en la industria del embalaje. En este caso, los materiales se utilizan por periodos cortos, y suelen ser muy voluminosos, menos densos. Por lo tanto, este nuevo tipo de espuma de PU podría ser útil para reducir los costos de producción y mejorar la biodegradabilidad potencial de la matriz polimérica, convirtiéndose en una interesante aplicación de valor agregado para esta importante fuente de biorresiduos agrícolas, especialmente en América Latina.