Bioplástico de polilactida – Mayor resistencia mediante la adición de gluten

Fig. 1: Diagramas de tensión-deformación para mezclas de PLA_6202 con 40 ma% GN_10, GN_40 y GN_85; a la izquierda: con 4.5 ma% RAT, a la derecha: con 4.5 ma% RAT y también OA

Fig. 2: Bobinas de hilo fundidas por chorro (amarillo) de PLA_6202/GN_40 (60/40 p/p)

Polylactida (PLA) es un poliéster producido a través de un proceso en varias etapas a partir de azúcar. En este proceso, el azúcar se fermente en ácido láctico y posteriormente se polimeriza para obtener PLA. El plástico de origen biológico y biodegradable PLA posee una resistencia muy alta de hasta 70 MPa y una rigidez extremadamente elevada de hasta 6 GPa, pero sin la adición de aditivos adecuados, es frágil, lo que limita significativamente sus posibles aplicaciones. Las medidas actuales para aumentar la deformabilidad plástica y, por tanto, la tenacidad, principalmente consisten en mezclar el PLA con polímeros elásticos resistentes a la degradación basados en materias primas petroquímicas, como poliuretanos termoplásticos o copolímeros de etileno.

Dentro del marco del proyecto de colaboración financiado por el BMWi, GLUPLAST, el KUZ junto con el socio industrial CompraXX GmbH lograron, con la ayuda del material natural de gluten de trigo, realizar una modificación de la tenacidad al impacto del bioplástico PLA. En el proyecto, se utilizó la tendencia a la reticulación del gluten durante el tratamiento térmico para crear una fase elastomérica reticulada, que en el resultado de la preparación de la mezcla mediante un extrusor de doble husillo se presenta finamente dispersa en la matriz de PLA y, con una adhesión adecuada, conduce a un aumento significativo en la tenacidad del material base PLA.

Influencia en la reticulación del gluten

La reticulación del gluten comienza a aproximadamente 80 °C. Las mezclas de PLA con gluten, preparadas a 160 °C, inicialmente mostraron un grado de fragmentación insuficiente de la fase de gluten, por lo que la reticulación intensiva y rápida inducida por la temperatura impedía una reducción significativa del tamaño de la fase y, por lo tanto, una distribución fina. Aquí, la elongación a la rotura (aprox. 1.4 %) y la tenacidad a la fractura (aprox. 1.5 kJ/m²) estaban claramente por debajo del nivel del PLA.

Para lograr una distribución más fina de la fase de gluten en la matriz de PLA, el KUZ siguió dos enfoques:

1. Supresión temporal de la reticulación mediante la adición de aditivos químicos,
2. Atenuación de la reticulación mediante la dilución del gluten de trigo con harina.

Materiales para la generación de mezclas poliméricas con gluten

Materiales utilizados:

1. Bioplásticos:
PLA Ingeo 6202D, PLA Ingeo 3001D, mezcla de PLA Bioflex 6514 (Referencia),
2. Materiales naturales con gluten (GN):
Gluten de trigo (contenido de proteína aprox. 85 ma%, GN_85), Harina de trigo (GN_10), Mezcla de harina y gluten (GN_40),
3. Plastificantes:
Glicerina (GL),
4. Agentes de adhesión (y reductores de viscosidad):
Ácido oxálico (OA),
5. Agentes reductores, antioxidantes, reactivos de captura (RAT):
Sulfito de sodio (NHS), Ácido acetilsalicílico (ASS), L-Cisteína (LC).

Influencia positiva en la mecánica del material

La modificación de la tenacidad al impacto del polilactido (PLA) mediante materiales naturales con gluten (GN), perseguida en el proyecto GLUPLAST, pudo realizarse con éxito. Para la modificación, se seleccionó un PLA con una elongación a la rotura de aproximadamente 3.5 % y una tenacidad a la fractura de aproximadamente 2 kJ/m². La adición de GN al PLA permitió influir positivamente en la elongación (hasta un 30 %) y en la tenacidad a la fractura (4 kJ/m²). Los valores estuvieron claramente por encima del nivel del PLA. Asimismo, la mecánica de la mezcla muestra una fuerte dependencia del contenido de proteína en la fase de GN (Figura 1).

Una distribución más fina de GN en la matriz de PLA se logró, por un lado, reduciendo el contenido de proteína del GN y, por otro, mediante la adición de aditivos químicos (RAT), como sulfito de sodio, L-Cisteína y ácido acetilsalicílico. Una mejora significativa en la adhesión de las fases y, por ende, en la mecánica de la mezcla de PLA, se pudo lograr mediante la adición de ácido oxálico al GN. La proporción de gluten en la mezcla fue preferentemente del 40 ma%. La mecánica del material lograda en el proyecto fue valorada positivamente por los socios.

Prueba exitosa del material en el proceso de moldeo por inyección

Las mezclas de gluten pueden procesarse sin problemas en el moldeo por inyección, como se muestra en la Figura 2. El ennegrecimiento del material, causado por la reacción de Maillard, que aumenta con el contenido de proteína de la fase natural, puede disimularse mediante la adición de un lote de color.

La comercialización de los resultados de la investigación está prevista por el socio industrial CompraXX GmbH. Durante el proyecto, CompraXX GmbH logró una transferencia exitosa de resultados del laboratorio a escala piloto. La combinación de PLA con gluten de trigo ofrece propiedades materiales interesantes, que permiten aplicaciones emocionantes, por ejemplo, en el ámbito de artículos para el hogar y oficina.