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Ingeniería. Revista de la Universidad de Costa Rica
Vol. 35, No. 1: 01-10, Enero-Junio, 2025. ISSN: 2215-2652. San José, Costa Rica
Esta obra está bajo una Licencia de Creative Commons. Reconocimiento - No Comercial - Compartir Igual 4.0 Internacional
Producción de plástico biodegradable a base de almidón de yuca
mediante un proceso termomecánico
Biodegradable plastic production based on cassava starch through a thermomechanical process
Guillermo Moya Alvarado 1 , Bárbara Miranda Morales 2 ,Guillermo Jiménez Villalta 3
1 Escuela de Ingeniería Química, Universidad de Costa Rica, San José, Costa Rica
correo: guillermo.moya@ucr.ac.cr
2 Escuela de Ingeniería Química, Universidad de Costa Rica, San José, Costa Rica
correo: barbara.mirandamorales@ucr.ac.cr
3 Laboratorio de Polímeros (POLIUNA), Escuela de Química, Universidad Nacional, Heredia, Costa Rica
correo: gjime@una.ac.cr
Recibido: 13/04/2024
Aceptado: 07/08/2024
Resumen
El presente trabajo pretende elaborar un polímero termoplástico a base de almidón (TPS) extraído de
una variedad de yuca, mediante un procesamiento termomecánico en un mezclador interno de polímeros.
Se examinaron preliminarmente tres formulaciones para establecer una formulación base y se escogió
el alcohol polivinílico (PVOH) para reforzar el TPS. Asimismo, se realizó un estudio estadístico de las
condiciones de procesamiento, las cuales se establecieron en una temperatura de 110 °C, una velocidad
de 75 rpm (1,25 Hz) y un tiempo de mezcla de 6 min. Finalmente, mediante un ajuste de los porcentajes
relativos de los componentes, se llegó a obtener un material con una resistencia en tensión de (15,4 ± 0,9)
MPa y una elongación de (44 ± 11) %. Por medio de una prueba de envejecimiento, se observó que las
propiedades del TPS se estabilizaron a los 15 días de su elaboración. Además, a través de un estudio de la
biodegradabilidad, se observó una reducción en la masa del plástico del (98,5 ± 0,3) %, luego de 22 días
de enterrado. Bajo condiciones controladas, el material presenta propiedades mecánicas adecuadas para
ser usado en aplicaciones cotidianas; sin embargo, es necesario subsanar su sensibilidad a la humedad
ambiental, ya que esta inuye de manera importante en dichas propiedades mecánicas.
Palabras Clave:
Almidón, biodegradable,
plástico, procesamiento
termomecánico, yuca.
Keywords:
Biodegradable,
cassava, plastic, starch,
thermomechanical
processing.
DOI: 10.15517/ri.v35i1. 59540
Abstract
The present research aims to formulate a thermoplastic polymer based on starch (TPS) extracted
from a cassava variety, through a thermomechanical processing in an internal mixer. Three formulations,
guided by preliminary tests, were analyzed to choose a base formulation. Polyvinyl alcohol (PVOH) was
chosen to reinforce TPS. Likewise, a statistical study of the processing conditions was carried out, from
which the temperature was optimized at 110 °C, the rotor speed at 75 rpm (1,25 Hz), and the processing
time at 6 min. Finally, through adjustment of the relative percentages of the components, a material with
a tensile stress of (15,4 ± 0,9) MPa and a strain deformation of (44 ± 11) % was achieved. An aging test
showed that properties of the TPS materials reached stabilization after 15 days of their formation. In the
same way, a biodegradability test showed a reduction in the plastic mass of (98,5 ± 0,3) % after 22 days
of being buried. Under controlled conditions, the material exhibits adequate mechanical properties for
use in everyday applications; however, it is necessary to address its sensitivity to ambient humidity, as
this signicantly inuences these mechanical properties.
MOYA, MIRANDA, JIMÉNEZ: Producción de plástico biodegradable a base de almidón de yuca mediante un proceso termomecánico. 2
1. INTRODUCCIÓN
En la actualidad, el plástico es uno de los materiales más
utilizados debido a las ventajas intrínsecas que ofrece, tales como
ligereza, durabilidad, maleabilidad, elasticidad, resistencia a la
corrosión e impermeabilidad. Estas se han utilizado principalmente
en la industria de los empaques, el sector de la construcción y la
automoción [1]. La masiva producción de polímeros a base de
petróleo constituye una preocupación ambiental, ya que, en su
mayoría, terminan acumulándose en el ambiente, en donde perduran
hasta 500 años. Esto afecta muchos sistemas, principalmente a las
especies marinas, que pueden sufrir daños por ingesta, atrapamiento,
envenenamientos o asxia [2].
Las bolsas plásticas son una de las principales causas de
contaminación en el mundo y, por este motivo, se han creado una
serie de políticas para regularlas. Algunos países han optado por
su prohibición total, como Ruanda (2008), Kenia (2017) y más
recientemente China (2020). Otra medida de éxito para reducir la
contaminación causada por las bolsas plásticas es la implementación
de gravámenes, la cual ha resultado efectiva en lugares como Irlanda
(2002), Washington D.C. (2010), Inglaterra (2015) y Portugal
(2015), con una reducción inicial en el uso de bolsas plásticas del
90 %, 75 %, 85 % y 74 %, respectivamente [3], [4].
En Costa Rica, a nales del año 2019, se aprobó una ley para
combatir la contaminación por plástico y proteger el ambiente. Esta
prohíbe el uso de pajillas plásticas, así como la comercialización
y entrega gratuita de bolsas de este material, que están destinadas
a acarrear bienes de establecimientos y supermercados. Solo se
exceptúan las bolsas que garanticen su reutilización, que estén
certicadas como de bajo impacto ambiental y que, en parte, estén
hechas de material reprocesado o biodegradable.
Por otro lado, en el 2020, se reportó que cerca del 1 % de
todos los plásticos producidos a nivel mundial son bioplásticos.
Así, en los últimos años, la producción de dichos materiales ha
aumentado signicativamente, pasando de 2 t en el 2014 a 6,7 t para
el 2018. De los plásticos biobasados, un 55,5 % son biodegradables,
mientras que los restantes son no biodegradables; además, entre
los biobasados y biodegradables, los más comunes son las mezclas
con almidón y ácido poliláctico [5].
Entre las opciones para sustituir los plásticos derivados del
petróleo, el almidón se clasica como una alternativa adecuada,
debido a su abundancia, bajo costo y biodegradabilidad,
encontrándose disponible en cultivos comunes como maíz, trigo,
arroz, papa y yuca. Su abundancia se basa en que es la principal
reserva de energía y carbón de las plantas, por lo que se encuentra
en las semillas, tubérculos, raíces y frutos, en forma de gránulos
semicristalinos [6].
El almidón contiene dos polisacáridos: la α-amilosa y la
amilopectina. Ambas están constituidas por cadenas poliméricas
de glucosa y se diferencian en que la α-amilosa se encuentra de
forma lineal, mientras que la amilopectina presenta ramicaciones.
El almidón nativo presenta algunas desventajas, como su
solubilidad en agua, fragilidad, alto punto de fusión y propiedades
mecánicas bajas. Sin embargo, se pueden mejorar sus propiedades
mediante tratamientos químicos o físicos, tal como el procesado
termomecánico en presencia de plasticantes, lo cual da lugar al
almidón termoplástico (TPS por sus siglas en inglés: thermoplastic
starch).
Para producir TPS, se requiere la rotura de los gránulos de
almidón para que pueda ocurrir la gelación, lo cual ocurre en un
exceso de agua, en presencia glicerina y a una temperatura entre
62 °C y 72 °C. Sin embargo, para los almidones ricos en amilosa,
el hinchamiento de las cadenas poliméricas comienza a partir
de los 100 °C, pero se completa a temperaturas superiores a los
130 °C [7]. Por otro lado, es recomendable reforzar el TPS para
hacerlo apto en aplicaciones como el empaque, para lo cual se
ha reportado la modicación química del almidón, la mezcla con
otros polímeros, así como el reforzamiento con nanocompuestos
y microbras [8], [9].
El TPS puede ser elaborado por procesos de termoplasticación
usados para polímeros sintéticos, como la inyección, extrusión y
compresión [10], con lo cual se producen materiales con propiedades
físicas y químicas muy diferentes en comparación con la materia
prima utilizada. El uso de procesos termomecánicos para la
producción de este tipo de biomateriales es atractivo, debido a
que ofrece versatilidad, productividad, bajo costo y eciencia
energética; sin embargo, puede ser un proceso desaante, dado que
aspectos como la transferencia de calor, masa, tiempo de residencia
y su distribución pueden tener un fuerte impacto en las propiedades
del producto [11].
Puesto que las técnicas anteriores son consideradas de
producción masiva, es recomendable ensayar nuevos materiales
en equipos de procesamiento a escala laboratorio o piloto, de
tal manera que los materiales se sometan a esfuerzos de corte
similares a los que experimentan en los equipos de producción
de mayor escala. Uno de esos equipos de laboratorio se conoce
como mezclador interno, el cual se ha usado frecuentemente en la
investigación de TPS [12], [13].
En este trabajo, se seleccionaron tres formulaciones para la
elaboración de TPS con base en ensayos cualitativos. Además, las
condiciones de procesamiento fueron inicialmente seleccionadas
en forma preliminar y posteriormente analizadas estadísticamente,
mediante un estudio factorial 23 sobre las tres formulaciones
escogidas. Para el análisis estadístico, se usó como factor de
respuesta la resistencia máxima a la tensión. Adicionalmente,
se llevaron a cabo determinaciones térmicas, así como estudios
mecánicos, de interacción con el agua y biodegradabilidad.
2. METODOLOGÍA
El almidón se obtuvo a partir de yuca molida (lote
LV211901002) proporcionada por Industrias Alimenticias de la Vega
(INVALVE), ubicada en San Carlos, Alajuela, Costa Rica. Este se
extrajo, se determinó su rendimiento (26 %), porcentaje de humedad
(17,8 ± 0,8) % y contenido de amilosa (27 ± 3) %, siguiendo el
método descrito por Araya-Navarro [14]. Se usó glicerina con un
grado de pureza del 99,5 % y alcohol polivinílico (PVOH) con
un peso molecular promedio de (13-23) kDa. Para elaborar las
formulaciones, se empleó como base el almidón extraído, agua
MOYA, MIRANDA, JIMÉNEZ: Producción de plástico biodegradable a base de almidón de yuca mediante un proceso termomecánico. 3
destilada y glicerina; se ensayaron varias sustancias adicionales
con el n de determinar el efecto de estas sobre las propiedades
mecánicas del material y con base en dichas pruebas, se escogió
el PVOH. Los materiales fueron ingresados en la cámara de
mezclado del plastógrafo mostrado en la Fig. 1.
Fig. 1. Cámara de mezclado del plastógrafo.
Luego de los ensayos preliminares para determinar la
composición de la formulación que se emplearía para optimizar
los parámetros de procesamiento, se estimó que los mejores
resultados se obtuvieron usando un 40 % de plasticante (agua y
glicerina en una relación 1:3), un 60 % de almidón con respecto
a la base del TPS y un 10 % de PVOH con respecto a toda la
mezcla. Las variables de procesamiento (temperatura, tiempo
de mezclado y velocidad de giro de las muelas o rotores) fueron
evaluadas mediante un estudio factorial 23, con lo cual se obtuvo
como respuesta la resistencia máxima a la tensión mecánica.
Posteriormente y con el n de mejorar la formulación, se realizó
un análisis estadístico mediante el uso del programa Minitab 18,
considerando una signicancia del 5 %.
Los materiales extraídos de la cámara de mezclado fueron
colocados entre láminas de teón y acero en una prensa hidráulica
de 12 t, modelo 4122 marca Carver®, a una temperatura de
140 °C y una presión de 4500 psi (31 MPa), con el n de obtener
láminas delgadas para ser usadas en los distintos ensayos. En
todos los casos (a excepción de donde el efecto de la humedad
relativa y el tiempo de almacenamiento fueron evaluados), el
acondicionamiento del material se basó en la norma ASTM D
618-21 [15], la cual establece que se debe controlar la temperatura,
la humedad relativa y el tiempo de acondicionamiento previo a
efectuar las pruebas; por ello, se utilizaron condiciones de 21 °C,
73 % y una semana, respectivamente.
Los ensayos mecánicos fueron llevados a cabo en un
analizador universal de ensayos marca Instron® modelo 3365,
empleando mordazas mecánicas recubiertas con caucho, una
distancia efectiva de 40 mm y una velocidad de separación de
las mordazas de 10 mm/min.
Además, se realizó un estudio preliminar de las condiciones
de procesamiento y formulación, en el que se partió de una
mezcla compuesta por un 60 % de almidón, 20 % de agua y 20
% de glicerina. Para ajustar la temperatura, tiempo de mezclado
y velocidad de giro de los rotores, se hicieron pruebas en los
siguientes rangos: (90-100) °C, (6-20) min y (50-100) rpm
(0,83-1,67 Hz), respectivamente.
Denidas estas condiciones de procesamiento, se procedió
a variar la proporción de plasticante, tipo y la incorporación o
no de aditivos. En esta etapa, se evaluó plasticación, aspecto,
fragilidad y elasticidad de manera cualitativa. De esta forma,
se compararon tres formulaciones: una sin aditivo, una con 1
% de celulosa microcristalina y una con un 1 % de nanoarcilla.
A estas formulaciones se les determinó el esfuerzo máximo,
deformación, coeciente de absorción de agua y humedad
relativa en el equilibrio; todas las mediciones se hicieron por
triplicado.
Para determinar la absorción de humedad en el equilibrio
y el coeciente de difusión, se realizó un estudio basado en la
norma ASTM D5229 [16], usando una humedad relativa del 73
% y una temperatura de 21 °C. De las láminas moldeadas por
compresión, se cortaron muestras cuadradas de 38 mm de lado
y un grosor aproximado de 0,35 mm. Dado que la relación entre
el largo y el grosor fue de aproximadamente 100, se consideró
difusión molecular unidireccional.
Elegida una de las tres formulaciones descritas anteriormente,
se procedió a variar la composición de la formulación en el
orden del 1,5 %, cambiando cada uno de sus componentes con
el n de maximizar el esfuerzo máximo sin perder la exibilidad
del material, lo que fue corroborado mediante el valor de la
deformación. Cada una de las mediciones se realizó por triplicado.
Se empleó calorimetría de barrido diferencial (DSC por
sus siglas en inglés dierential scanning calorimetry) para
determinar si se había obtenido un material termoplástico luego
del procesamiento, mediante el seguimiento de la endoterma
de fusión. Esta misma prueba se realizó a la formulación nal,
a una semana y a un mes de procesada, para comprobar si se
mantenía la endoterma de fusión. Dichas pruebas se realizaron en
un calorímetro modelo Pyris DSC-6. Las muestras se analizaron
en un ámbito de temperatura de 30 °C a 250 °C, aumentando la
temperatura a una velocidad de 10 °C/min y usando un ujo de
nitrógeno de 20 mL/min para mantener una atmósfera inerte. Se
emplearon entre (7-10) mg de material en cápsulas de aluminio
selladas.
Para estudiar el deterioro que presentan las láminas de TPS,
se midieron las propiedades mecánicas de resistencia máxima a
la tensión y elongación máxima en distintos periodos de tiempo,
tal y como lo propone Schmitt [17]. La medición se realizó a los
(2, 7, 14, 21, 28 y 56) días, todas por triplicado. Las láminas se
mantuvieron en una cámara con una humedad relativa del 73 %
y una temperatura de 21 °C. Para determinar la variación de las
propiedades mecánicas del almidón con la humedad relativa,
las láminas de almidón se almacenaron por 7 días en cámaras a
humedades relativas de (67, 73, 80 y 84) %. Posteriormente, se
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midió la resistencia máxima a la tensión y la elongación máxima
por triplicado.
Finalmente, se realizó una prueba de biodegradabilidad,
cuyo procedimiento se basó en el descrito en [18] y [19]. Cinco
muestras de almidón se colocaron dentro de una doble capa
de cedazo (cedazos de diferente tamaño de malla), formando
canastas, y se enterraron a una profundidad aproximada de 5
cm. La prueba se hizo en un jardín ubicado en Florencia, San
Carlos, Alajuela, Costa Rica, del 18 de diciembre del 2022
al 8 de enero del 2023. No hubo control de la humedad o la
temperatura, así que se mantuvieron las condiciones ambientales
de la zona. La tierra del jardín fue previamente inoculada con
una solución comercial de microorganismos marca Bioprana,
para asegurar y acelerar la biodegradación. Antes de medir el
peso inicial y nal, las muestras fueron secadas en una estufa
a 100 °C por toda una noche.
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
3.1. Condiciones de proceso y formulación
Se realizaron ensayos preliminares tanto de la formulación
como de las condiciones de procesamiento, con el n de
establecer puntos de partida para el análisis estadístico posterior.
Las diferentes condiciones y componentes evaluados se pueden
observar en los CUADROS I y II.
(a) (b) (c)
Fig. 2. Almidón termoplástico con un: a) 0 %, b) 5% y c) 10 % de PVOH.
CUADRO I
PRUEBAS PRELIMINARES DE LAS CONDICIONES DE
PROCESAMIENTO
Variable Valores ensayados Valor escogido
Temperatura (°C) 90/100/120/140 100
Tiempo (min) 6/7/8/10/15/20 6
Velocidad (rpm, Hz) 50/80/100
(0,83/1,33/1,67) 100
CUADRO II
PRUEBAS PRELIMINARES DE LAS CONDICIONES DE
FORMULACIÓN
Componente(s) Valores ensayados Valor escogido
Proporción de
plasticante (%) 30/35/40/42,5 40 (30 % de agua y
10 % de glicerina)
Sorbitol/urea/
etanolamina (%) 9/10/20 No dieron resultados
positivos
Nanoarcilla
y celulosa
microcristalina
2,5/5 No dieron resultados
positivos
Alcohol polivinílico
(PVOH) (%) 5/10/12,5 10 %
Se observó que la incorporación de PVOH, aun en bajos
porcentajes, optimiza considerablemente las propiedades
mecánicas de las láminas de TPS, mejora su aspecto y produce
láminas lisas y menos rugosas (Fig. 2). El uso de PVOH para
reforzar la matriz de TPS se ha reportado recientemente en
presencia de plasticantes de cadena larga, con el n de reducir
la migración de la glicerina [20] y en la elaboración de películas
multicapas por la técnica de soplado [21].
A partir de las pruebas preliminares, se seleccionan los
valores que permiten obtener TPS con características mecánicas y
de aspecto adecuadas, con el n de proceder con la comparación
cuantitativa de formulaciones y el análisis estadístico, en el que
se buscará maximizar el esfuerzo máximo, sin perder exibilidad
y que permita que las láminas se plieguen sin fracturarse.
3.2. Análisis estadístico de las condiciones de procesamiento
A partir de los resultados anteriores, se procedió a anar las
condiciones de procesamiento mediante un análisis estadístico.
Para ello, se utilizó la formulación denida como CS1, basada
en 10 % PVOH y 90 % TPS, en donde el TPS se basó de un
60 % de almidón, 30 % de agua y 10 % de glicerina. Para el
análisis estadístico, se eligió un diseño estadístico factorial 23,
con el n de tomar en cuenta un posible efecto sinérgico entre los
factores durante el procesamiento. La variable de respuesta fue
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la resistencia a la tensión, mientras que los factores de estudio
fueron la temperatura, la velocidad de giro de las muelas y
el tiempo de procesamiento. Los dos niveles de cada factor
se denieron con base en las observaciones de las pruebas
preliminares; los diferentes tratamientos se muestran en el
CUADRO III. Usando el programa Minitab®, se generó el
diagrama de Pareto (Fig. 3), que muestra los efectos de cada
factor y su interacción. En dicho diagrama, se puede notar
que solo los efectos dobles de la temperatura y el tiempo, así
como de la temperatura y la velocidad de los rotores no son
signicativos; todos los demás factores sobresalen del valor t
de Student de 2,12.
CUADRO III
MATRIZ DE ARREGLO EXPERIMENTAL Y RESULTADOS PARA EL DISEÑO
FACTORIAL 23 PARA LAS CONDICIONES DE PROCESAMIENTO
Tratamiento Temperatura, T (°C) Tiempo, t (min) Velocidad de los
rotores, v (rpm, Hz)
Esfuerzo máximo
σmax (MPa) Deformación ε (%)
1 105 5,5 75 (1,25) 3,9 ± 0,8 154 ± 7
2110 5,5 75 (1,25) 5,9 ± 0,3 132 ± 19
3 105 6,0 75 (1,25) 5,8 ± 0,8 96 ± 10
4110 6,0 75 (1,25) 8,9 ± 0,8 66 ± 7
5 105 5,5 100 (1,67) 5,6 ± 0,3 84 ± 4
6110 5,5 100 (1,67) 9,1 ± 0,4 47 ± 7
7 105 6,0 100 (1,67) 6,6 ± 0,2 80 ± 0,7
8110 6,0 100 (1,67) 8,2 ± 0,7 42 ± 5
Término
AC
AB
ABC
BC
B
C
A
121086420
A Temperatura T (°C)
B Tiempo t (min)
C Velocidad rotores v (Hz)
Factor Nombre
Efecto estandarizado, (admin)
2,12
Fig. 3. Pareto de los efectos principales y las interacciones del análisis
factorial 23 para las condiciones de procesamiento.
Como el efecto triple es signicativo y las interacciones de
mayor orden tienen prioridad, para determinar la combinación de
niveles que dan como resultado la mayor resistencia a la tensión,
se analizaron los ocho puntos del cubo (Fig. 4). Una temperatura
de 110 °C, una velocidad de los rotores de 100 rpm (1,67 Hz)
y un tiempo de 5,5 min (tratamiento 6) dan como resultado la
mayor resistencia a la tensión.
1,67
1,25
6
5,5
110105
Velocidad rotores v (Hz)
Tiempo t (min)
Temperatura T (°C)
8,16075
9,124155,62285
6,62098
8,89097
5,932853,92247
5,83372
Fig. 4. Gráca de cubo del análisis factorial 23 de las condiciones
de procesamiento.
A pesar de que el tratamiento seis (CUADRO III) da como
resultado la mayor resistencia a la tensión, el tratamiento con el
mejor compromiso entre la resistencia a la tensión y la elongación
es el tratamiento cuatro, en el que se usó una combinación de
110 °C, 6 min y 75 rpm (1,25 Hz). Por otro lado, la elongación
del tratamiento cuatro, (66 ± 7) %, resultó ser signicativamente
mayor a la del tratamiento seis (47 ± 7) %, mientras que el esfuerzo
máximo entre estos dos tratamientos se diferenció solamente en
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0,2 MPa, tal y como se observa en la Fig. 4. Para comprobar la
validez del análisis estadístico, se hizo la comprobación de los
supuestos; en la Fig. 5(a), se muestra grácamente la prueba de
normalidad, de la cual se concluye que se cumple, ya que los
residuos se distribuyen a lo largo de la línea central del gráco
y no se observan puntos aislados. Asimismo, en la Fig. 5(b), se
muestra el supuesto de varianza constante; en este también se
concluye que se cumple, puesto que la gráca de valores ajustados
contra residuos muestra una distribución aleatoria y no se nota un
patrón de distribución claro. También, se concluye que se cumple
con el supuesto de independencia mostrado en la Fig. 5(c), esto
debido a que los valores de residuos contra orden se distribuyen
aleatoriamente.
1,0
0,5
0,0-0,5-1,0
99
95
90
80
70
60
50
40
30
20
10
5
1
Residuo, σ (MPa)
Porcentaje, (%)
24222018161412108642
1,0
0,5
0,0
-0,5
Orden de observación, (adim)
Residuo, σ (MPa)
987654
1,0
0,5
0,0
-0,5
Valor ajustado, σ (MPa)
Residuo, σ (MPa)
Fig. 5. Gráca de residuos de los supuestos de: a) normalidad, b) varianza
constante y c) independencia para el análisis factorial 23.
Con el procesamiento del almidón, se busca romper los
gránulos de almidón para lixiviar la amilosa y amilopectina; para
ello, los componentes se mezclan, mientras se aplica calentamiento
durante cierto tiempo. Se requiere un balance entre estos factores
para lograr gelicar la mayor parte del material y a la vez evitar un
exceso de agua remanente y un exceso de calentamiento, ya que el
primero daría como resultado un material muy blando y el segundo
un material muy frágil por la degradación del TPS. Alcanzar este
balance es algo complicado, ya que un alto contenido de agua y
una alta temperatura (no superior a 130 °C) son justamente las
condiciones necesarias para obtener una alta gelicación. Tal y
como se nota en el CUADRO III, pequeñas alteraciones en las
condiciones de procesamiento inuyen de manera importante en
las propiedades mecánicas del material resultante. La elección
del tratamiento cuatro, por lo tanto, se debe a que fue el más
balanceado según lo mencionado anteriormente.
3.3. Comparación de las formulaciones
Luego de completar las pruebas preliminares mostradas
en los CUADROS I y II, así como el estudio estadístico de las
condiciones de procesamiento (CUADRO III), se compararon tres
de las formulaciones con las que se obtuvieron mejores resultados,
denominadas en este trabajo como CS1 (denida anteriormente),
CS2 y CS3. La formulación CS2 solo se diferencia de CS1 en
que incluye un 1 % de nanoarcilla (montmorillonita natural),
mientras que la formulación CS3 se diferencia de la CS1 en que
incluye un 1 % de celulosa microcristalina.
Se realizaron tres repeticiones de cada formulación.
Utilizando las condiciones de procesamiento determinadas
en la sección anterior (110 °C, 6 min y 75 rpm o 1,25 Hz), se
compararon las formulaciones CS1, CS2 y CS3 en términos de su
aspecto visual, propiedades mecánicas, térmicas y de absorción
de humedad. Dichos resultados se presentan en la Fig. 6 y Fig. 7,
así como en el CUADRO IV. De acuerdo con el CUADRO IV, la
adición de un 1 % de nanoarcilla no mejoró el esfuerzo máximo,
más bien hizo que este decreciera. Asimismo, las láminas hechas a
partir de la formulación CS2 presentaron imperfecciones (Fig. 6)
que debilitaron la lámina, probablemente por una baja dispersión
de la montmorillonita en la matriz del TPS. La elongación, a pesar
de que aumentó levemente, no compensa la pérdida en el valor
del esfuerzo máximo.
(a) (b) (c)
Fig. 6. Láminas hechas usando las formulaciones: a) CS1, b) CS2 y c) CS3.
MOYA, MIRANDA, JIMÉNEZ: Producción de plástico biodegradable a base de almidón de yuca mediante un proceso termomecánico. 7
CUADRO IV
PROPIEDADES MECÁNICAS Y DE ABSORCION DE AGUA DE TRES TPS
Formulación Esfuerzo máximo
σmax (MPa) Deformación ε (%)
Coeciente de
absorción de agua
Dz (10-9) (cm2/s)
Humedad relativa en
el equilibrio (%)
CS1 8,9 ± 0,8 66 ± 7 1,60 ± 0,09 14,6 ± 0,2
CS2 5,4 ± 0,1 76 ± 3 1,69 ± 0,06 14,6 ± 0,1
CS3 5,3 ± 0,1 50 ± 3 1,6 ± 0,2 14,7 ± 0,1
Fig. 7. Curva DSC para la formulación CS1.
Por otro lado, la formulación CS3 presentó una resistencia
y elongación inferiores a la formulación CS1. Esta pérdida de
resistencia a la tensión y elongación también se asocia a las
lesiones en la lámina, tal y como se puede notar en la Fig. 6.
Este comportamiento se puede atribuir, de igual forma, a una
distribución no adecuada del material celulósico dentro de la
matriz de almidón.
Para el estudio de la sensibilidad al agua, se comparó el
coeciente de absorción de humedad de láminas de TPS hechas con
las formulaciones CS1, CS2 y CS3 (CUADRO IV). Inicialmente,
el TPS se secó completamente y luego se expuso a una humedad
relativa del 73 %, entonces, se determinó el aumento de masa con
respecto al tiempo debido a la absorción de humedad. Se notó
que luego de 3,35 h la masa había aumentado un 6,2 %, mientras
que a las 6,35 h el aumento ya era del 11,2 %, hasta alcanzar el
equilibrio a las 30 h. Los resultados fueron similares entre sí,
por lo que no se puede establecer una diferencia signicativa.
Igualmente, los resultados del coeciente de absorción de
humedad obtenidos son comparables al reportado en la literatura
[22]: 1,66 × 10
-9
cm
2
/s para almidón termoplástico, usando
sorbitol como plasticante. Asimismo, no se obtiene una
diferencia signicativa en la humedad en el equilibrio de cada
una de las formulaciones.
Por otro lado, las tres formulaciones elaboradas presentaron
endotermas de fusión alrededor de 150 °C, similares a
la observada en la Fig. 7, lo que indica que los materiales
obtenidos son termoplásticos. Entonces, es así que se selecciona
la formulación CS1, básicamente por su mejor desempeño
mecánico con respecto a las otras dos composiciones.
Con el n de buscar una mejora adicional a la formulación
CS1, se plantearon formulaciones adicionales que variaran la
cantidad ya sea del PVOH o del plasticante (agua y glicerina)
con respecto a los porcentajes de la formulación CS1. Las
combinaciones realizadas se muestran en el CUADRO V. Entre
estas, sobresale la CM2, la cual presenta un esfuerzo máximo
signicativamente mayor a la formulación CS1, conservando
una deformación similar. Sin embargo, se preere la formulación
CM4, ya que presenta un esfuerzo máximo que supera a las otras
formulaciones, además de que la disminución de su elongación
no es elevada como para perder exibilidad. De las formulaciones
CM2 y CM3, sobresale el aumento de la deformación con
respecto a la formulación CS1; no obstante, mostraron una
reducción del esfuerzo máximo, siendo esta la variable que se
pretende maximizar. Por las razones antes mencionadas, se elige
la formulación CM4 como la más adecuada.
CUADRO V
NUEVAS FORMULACIONES PLANTEADAS A PARTIR DE LA FORMULACIÓN CS1
Formulación PVOH (% total) Plasticante
(% TPS) Glicerina (% TPS) Esfuerzo máximo
σmax (MPa) Deformación ε (%)
CM1 8,5 38,5 11,5 8,6 ± 0,6 106 ± 11
CM2 8,5 41,5 8,5 10,1 ± 0,3 61 ± 9
CM3 11,5 41,5 11,5 5,4 ± 0,4 167 ± 22
CM4 11,5 38,5 8,5 15 ± 1 44 ± 11
MOYA, MIRANDA, JIMÉNEZ: Producción de plástico biodegradable a base de almidón de yuca mediante un proceso termomecánico. 8
3.4. Efecto del tiempo y la humedad relativa sobre el
TPS (CM4)
Con el n de conrmar la naturaleza termoplástica del
TPS, al cabo de 1 mes de haberse preparado y mantenido en
condiciones de temperatura y humedad relativa constantes (21 °C
y 73 %), se realizó un barrido de DSC, el cual mostró la presencia
de la endoterma de fusión alrededor de los 150 °C. Es decir, el
material almacenado mantuvo su carácter termoplástico, lo cual
demuestra la estabilidad de la formulación bajo las condiciones
de procesamiento seleccionadas.
Igualmente, para estudiar el envejecimiento del plástico
hecho a base de almidón, se midió el esfuerzo máximo y la
elongación en tensión (Fig. 8 y Fig. 9). El estudio se realizó por
8 semanas, manteniendo el material a una humedad relativa del
73 % y una temperatura de 21 °C. En las primeras dos semanas, se
notó un rápido decrecimiento del esfuerzo a la tracción y aumento
de la elongación, probablemente debido a que el material aún
no se ha estabilizado internamente, lo cual es motivado por la
movilidad de las cadenas de almidón, facilitada por las moléculas
de glicerina [23]. En los primeros días, el decrecimiento es más
abrupto debido a la absorción de agua del ambiente; el material
parece entonces estabilizarse a partir de la segunda semana.
Fig. 8. Gráco de barras del esfuerzo máximo para el termoplástico según
los días de elaborado.
Fig. 9. Gráco de barras de la elongación para el termoplástico según los
días de elaborado.
Al final del segundo mes, se observó un aumento
del esfuerzo a la tensión y una disminución en la
elongación, hasta un valor de σmax = (12 ± 0,5) MPa y
εmax = (49 ± 5) %, respectivamente. Este comportamiento es
normal y es atribuido al fenómeno de la retrogradación del
almidón al perder agua.
Para estudiar el efecto que tiene la humedad ambiental en
el material, se estudió el cambio en las propiedades mecánicas
de muestras almacenadas a humedades ambientales relativas
de (67, 73, 80 y 84) %; los resultados se muestran en la Fig.
10. Tal y como se puede ver, al disminuir la humedad con
respecto a las condiciones originales de estudio (73 %),
el material aumentó su esfuerzo a la tensión y disminuyó
su deformación. Este resultado es negativo, ya que una
elongación tan baja hace que el material sea demasiado
frágil como para tener una utilidad práctica.
Por otra parte, el aumento de la humedad a valores
superiores al 80 % hace que el material pierda abruptamente
el esfuerzo a la tensión, por lo que pasa de 15 MPa a 5
MPa; asimismo, aumentó considerablemente la elongación.
Este resultado, igualmente, se considera negativo, ya que el
material tendría una pobre resistencia a la tensión y limitaría
su uso práctico. Esta alta sensibilidad al agua se atribuye
principalmente a cambios estructurales del almidón, así como
a la tendencia de la glicerina a absorber agua. Resultados
similares se han reportado recientemente al usarse humedades
relativas, por un lado, de (30, 55, 70 y 90) % en materiales
de TPS a base de almidón de papa [24] y, por otro, de
(11, 55 y 85) % para el caso de TPS a base de almidón de
maíz reforzado con nanoarcilla [25].
Fig. 10. Curvas de esfuerzo contra deformación para muestras de plástico
acondicionadas en ambientes con diferentes porcentajes de
humedad durante una semana.
Finalmente, algunas láminas de TPS se enterraron en tierra
inoculada con una solución comercial de microorganismos
y se determinó la diferencia de masa antes y después
de un periodo de 3 semanas. Dicha prueba arrojó que un
(98,5 ± 0,3) % del material fue biodegradado. En la Fig. 11,
se puede observar una muestra del plástico de almidón luego
de 22 días de biodegradación.
MOYA, MIRANDA, JIMÉNEZ: Producción de plástico biodegradable a base de almidón de yuca mediante un proceso termomecánico. 9
(a) (b)
Fig. 11. Muestra de TPS: a) antes y b) después de 22 días de enterrada.
En términos generales, se puede observar la estrecha relación
que existe entre la humedad y las propiedades nales de este
tipo de materiales, en cuanto la presencia de agua dentro de
la estructura del almidón es necesaria para romper los fuerte
enlaces físicos dentro del carbohidrato y, al mismo tiempo,
impartir exibilidad mecánica. Sin embargo, la presencia de agua
promueve la degradación natural del material y, por otro lado, la
remoción gradual de la misma con el tiempo provoca cambios
dentro del material, lo que altera su comportamiento mecánico.
Es por este motivo que, en el estudio presente, se empleó PVOH,
de tal manera que ejerciera parte de las funciones del agua y la
glicerina una vez que especialmente el agua abandonara la matriz
del polímero natural.
Muchos de los más recientes estudios en TPS elaborado
por procedimientos termomecánicos [26], [27] muestran una
fotografía de las propiedades de los materiales en un determinado
momento, sin considerar el efecto del tiempo y de la humedad
relativa, lo cual, en este trabajo, fue uno de los objetivos, aparte
de producir un material con propiedades mecánicas comparables
a las de un polímero sintético de uso común.
4. CONCLUSIONES
Se logra elaborar un material termoplástico adecuado para
su posible escalamiento a base de almidón de yuca, con unas
condiciones de procesamiento en un mezclador de una temperatura
de 110 °C, una velocidad de rotores de 75 rpm (1,25 Hz) y un
tiempo de estancia en la cámara de mezclado de 6 min.
Igualmente, se estableció como la formulación más adecuada
la que contenía 11,5 % de PVOH y un 88,5 % de la base del
almidón termoplástico, elaborado con un 8,5 % de glicerina, 30
% de agua y 61,5 % de almidón de yuca.
El material obtenido mostró 10,3 MPa de resistencia
máxima a la tensión y 70 % de elongación en ruptura, bajo unas
condiciones de humedad relativa cercana al 75 %.
Finalmente, el TPS elaborado fue proclive a la biodegradación
y sensible a la humedad ambiental, por lo que en sus aplicaciones
se debe tomar en cuenta este último factor.
ROLES DE LOS AUTORES
Guillermo Moya Alvarado: Conceptualización, Análisis
formal, Investigación, Validación, Redacción-revisión y edición.
Bárbara Miranda Morales: Conceptualización, Análisis
formal, Supervisión, Validación, Redacción-revisión y edición.
Guillermo Jiménez Villalta: Conceptualización, Adquisición
de fondos, Administración del proyecto, Recursos, Supervisión,
Validación, Visualización, Redacción-borrador original,
Redacción-revisión y edición.
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