Análisis de Materiales para Garantía de Calidad y Degradación de Bioplásticos

Bharath Rajaram | Michael Onepe
May 23, 2022

¿Qué son los bioplásticos y cómo pueden los fabricantes utilizar el análisis térmico, la reología y el análisis mecánico para incorporar con éxito los bioplásticos a los productos?

¿Qué son los bioplásticos? ¿Cómo pueden los fabricantes de plástico utilizarlos para mejorar el impacto medioambiental de sus productos? Con tantas tecnologías verdes emergentes, los productores y los consumidores necesitan diferenciar entre greenwashing1 y avances genuinos. Además, si se considera que un nuevo desarrollo es beneficioso para el medio ambiente, todas las etapas de la cadena de suministro de plásticos, especialmente los convertidores, deben aprender a incorporar la nueva tecnología sin socavar sus procesos o productos.

Los términos “bioplásticos” o “bio-polímeros” en realidad pueden referirse a dos tipos de materiales: Los plásticos de base biológica se producen a partir de materias primas renovables, como la caña de azúcar o el maíz. Los plásticos biodegradables se pueden descomponer por completo a través de procesos de descomposición microbiana o enzimática que resultan en subproductos naturales ambientalmente benignos, como gases (CO2, N2), agua, biomasa y sales inorgánicas. La biodegradación también se puede aplicar a ciertos tipos de plásticos a base de combustibles fósiles, como el tereftalato de adipato de polibutileno (PBAT) y la policaprolactona (PCL) Es importante señalar que no todos los plásticos de base biológica son biodegradables y viceversa.

La sostenibilidad del plástico debe abordarse en cada etapa del ciclo de vida del material, desde la creación hasta la degradación. Tanto los plásticos de base biológica como los biodegradables son potencialmente más sostenibles que los plásticos convencionales, pero necesitan los materiales y las condiciones adecuadas para lograr la solución más sustentable. La máxima sostenibilidad se logra con bioplásticos de base biológica y biodegradables, que ofrecen un camino verdaderamente sostenible desde la producción hasta la gestión de residuos al final de su vida útil. Las clases de plásticos que cumplen este criterio incluyen PLA, PHA, PHB y mezclas de almidón.

Fabricación con plásticos de base biológica

Los plásticos de base biológica son atractivos ya que pueden tener estructuras químicas idénticas y propiedades como los plásticos convencionales.2 Como resultado, se utilizan comúnmente para productos que requieren alta durabilidad y resistencia. La sustitución de materiales plásticos de combustibles fósiles por plásticos de base biológica reduce nuestro consumo de recursos no renovables y es más sostenible a largo plazo. Sin embargo, los plásticos de base biológica podrían plantear el mismo conjunto de problemas de eliminación sustentable que los plásticos convencionales de combustibles fósiles. Otro desafío es el análisis de la sostenibilidad del ciclo de vida y la minimización del uso de agua y combustible durante la agricultura para los ingredientes de base biológica.

Los investigadores que trabajan en bioplásticos novedosos deben equilibrar estas demandas de sostenibilidad manteniendo una producción eficiente y productos de alta calidad. Cuando se desarrollan nuevas formulaciones de plástico de base biológica, los fabricantes necesitan realizar pruebas rigurosas para garantizar que su producto final cumple con las expectativas de rendimiento y procesabilidad del cliente a un costo comparable a los plásticos de origen de combustibles fósiles. Para ello, se deben cuantificar parámetros como la resistencia del material, la durabilidad, la viscosidad, la estabilidad térmica, las transiciones de fase y otras cualidades.

Fabricación de Plásticos Biodegradables

Los plásticos biodegradables ofrecen la posibilidad de reducir los residuos plásticos después de su uso, pero el término en sí se aplica a un amplio espectro de biodegradabilidad. La mayoría de los plásticos biodegradables de hoy en día necesitan ser compostados bajo condiciones específicas de temperatura y humedad, presentando una oportunidad para nuevos polímeros que amplían el potencial de degradación en cualquier lugar y antes después de su uso.3

Los plásticos biodegradables pueden provenir de materiales de base biológica o fósiles (o una mezcla de ambos), que requieren las pruebas de preproducción descriptas anteriormente, pero con el desafío adicional de diseñar para la descomposición. Los fabricantes de plástico necesitan garantizar la procesabilidad, el rendimiento del producto y, finalmente, la biodegradabilidad efectiva al diseñar nuevas mezclas.

Los procesadores de plástico tienen la tarea de diseñar productos que resistan el uso regular y se degraden fácilmente después de su eliminación. Las pruebas de materiales les ayudan a equilibrar las propiedades necesarias y a encontrar formulaciones que cumplan todos los requisitos a lo largo del ciclo de vida del polímero. El análisis térmico ayuda a los desarrolladores a optimizar los plásticos para su descomposición en instalaciones de compostaje o vertederos. Estas medidas pueden informar las instrucciones del consumidor para garantizar la correcta eliminación de los productos para su descomposición. El análisis mecánico también puede medir la resistencia y durabilidad de los plásticos para su procesamiento, uso y descomposición.

Análisis de materiales de bioplásticos

En cualquier materia prima de plástico, el análisis de materiales es crucial para optimizar las condiciones de procesamiento y el rendimiento del uso final. Las nuevas formulaciones bioplásticas requieren pruebas aún más rigurosas para garantizar que cumplen con los estándares de los usuarios y maximizan la sostenibilidad. Las siguientes técnicas de análisis de materiales ya son comunes en el desarrollo de plásticos, pero son aún más cruciales para la innovación bioplástica exitosa.

El análisis térmico mide cómo los cambios de temperatura afectan las propiedades de un material. Los instrumentos de análisis térmico miden normalmente el flujo de calor, la pérdida de peso, el cambio de dimensiones o las propiedades mecánicas como una función de temperatura. La caracterización de las propiedades térmicas es crucial para la selección y optimización de materiales bioplásticos, respondiendo a preguntas como:

  • ¿Cómo se comportará este material cuando se calienta para su procesamiento, incluido el moldeo o extrusión?
  • ¿Mantendrá el plástico su estabilidad si se calienta o enfría durante el transporte o el uso?
  • ¿Cómo se descompondrá el material? ¿Podemos optimizar los materiales para plásticos biodegradables?

El instrumento de análisis térmico más común para los bioplásticos es un CALORIMETRO DIFERENCIAL DE BARRIDO (DSC) que mide la estabilidad térmica y las transiciones de fase para analizar el comportamiento de un plástico en diferentes condiciones.. Los desarrolladores de bioplásticos utilizan el análisis termogravimétrico (TGA) para la determinación exacta de la composición, incluido el contenido de volátil o disolvente y el contenido de relleno (residuo). TGA también mide la temperatura de descomposición, así como los productos resultantes, que son cruciales para el diseño de plásticos biodegradables sostenibles.

El Análisis mecánico incluye una variedad de técnicas para caracterizar las propiedades mecánicas de un material o determinar la respuesta de una estructura a la fuerza. Los fabricantes de bioplásticos utilizan el análisis mecánico dinámico (DMA) para medir el módulo de almacenamiento, el módulo de pérdida, el delta de bronceado y la transición vítrea (Tg); estas mediciones ayudan a predecir la respuesta de un material plástico a las fuerzas y deformaciones a temperaturas establecidas. La resistencia del material (medida con el módulo de Young, la resistencia al rendimiento, la resistencia final, la elongación al descanso, la fatiga y la durabilidad) es crucial para predecir el comportamiento del producto final y se puede medir eficientemente en marcos de carga de prueba mecánica.

La reología es el estudio del flujo y la deformación de los materiales. Los reómetros miden la viscosidad de los bioplásticos, lo que es crucial para optimizar la procesabilidad, especialmente a través de la extrusión y el moldeo por soplado. La reología también apoya el análisis de la uniformidad y durabilidad del plástico mientras se desarrolla una nueva mezcla.

Estas mediciones de materiales facilitan cada paso de la fabricación de bioplásticos, desde la evaluación de la calidad de una determinada materia prima hasta la prueba de las propiedades de un producto final. A medida que se desarrollan nuevas formulaciones bioplásticas, los fabricantes necesitarán enfoques sistemáticos para incorporar nuevas mezclas mientras mantienen la eficiencia, satisfacen las expectativas de los clientes y maximizan la sostenibilidad.

Las mejores mediciones de materiales para bioplásticos

Los plásticos de base biológica y biodegradables plantean nuevos desafíos, pero los fabricantes ya están a la altura de las circunstancias con el análisis de materiales de vanguardia. Las mediciones precisas de la composición y el comportamiento del material en cada etapa de la fabricación facilitan el diseño y la producción de nuevos productos de plástico verde. Los principales desarrolladores de bioplásticos de todo el mundo recurren a TA INSTRUMENTS, el líder mundial en análisis térmico, reología, microcalorimetría e instrumentos de prueba mecánica. TA INSTRUMENTS establece el estándar aceptado por la industria para medir las propiedades de los materiales y, por lo tanto, es la marca elegida para los mejores laboratorios de polímeros.

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Referencias:

  1. The troubling evolution of corporate greenwashing. (2016). Bruce Watson. The Guardian. Accessed May 2022. https://www.theguardian.com/sustainable-business/2016/aug/20/greenwashing-environmentalism-lies-companies
  2. Bio-based? Recyclable? Biodegradable? Your guide to sustainable plastics. (2020). Sandrine Ceurstemont. Neste. Accessed May 2022. https://journeytozerostories.neste.com/plastics/bio-based-recyclable-biodegradable-your-guide-sustainable-plastics#6ce5bead
  3. Are bioplastics better for the environment than conventional plastics? (2019). Anja Krieger. Ensia. Accessed May 2022. https://ensia.com/features/bioplastics-bio-based-biodegradable-environment/

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