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PROCESAMIENTO DE UN POLÍMERO A BASE DE ALMIDÓN DE MAÍZ: EFECTO DE LA FORMULA CIÓN EN LA S PROPIEDADES MECÁ NICAS Y

BIODEGRADA CIÓN DEL MATERIAL

PROYECTO DE GRADO DE INGENIERÍA MECÁNICA

RAFAEL EDUARDO ROPAÍN RODRÍGUEZ

DIRECTOR: DOCTOR. JORGE ALBERTO MEDINA PERILLA

BOGOTA , COLOMBIA JULIO 2007

IM-2007-I-30 RAFAEL EDUARDO ROPAIN RODRIGUEZ

Este proyecto está dedicado a aquel que sueña con un mundo sostenible, que contemple y aprecie el m edio ambiente.

IM-2007-I-30 PROCESAMIENTO DE UN POLÍMERO A BASE DE ALMIDÓN DE MAÍZ: EFECTO DE LA FORMULACIÓN EN LAS

PROPIEDADES MECÁNICAS Y BIODEGRADACIÓN DEL MATERIAL

Agradezco de manera especial a mi profesor Jorge Alberto Medina por la disposición y confianza que me depositó en el desarrollo de este proyecto. A Lilian Medina, por su compañerismo. A Fabián Présiga, Jimmy Niño y Wilson Vásquez por su constante colaboración y ánimo durante el desarrollo de este proyecto. A Diana Pinilla por toda la disposición de tiempo y conocimiento. De igual forma agradezco a mi Familia por el apoyo incondic ional que me han brindado siempre. Que Dios los bendiga.


ÍNDICE INTRODUCCIÓN . . . . . . . . . 01 1. ESTUDIO DE LOS POLÍMEROS BIODEGRA DA BLES NATURALES . 02

1.1.- POLISACÁ RIDOS . . . . . . . 02 1.1.1 – ALMIDÓN . . . . . . . 02 1.1.2.- CELULOSA . . . . . . . 03 1.1.3.- QUITINA/QUITOSÁN. . . . . . 04

1.2.- PROTEINAS . . . . . . . . 04 1.2.1.- COLÁGENO/GELATINA . . . . . 04 1.2.2.- CASEÍNA . . . . . . . 05 1.2.3.- SEDA . . . . . . . . 05

1.3.- FIBRA S DE BIOPOLIÉSTERES . . . . . 06 1.3.1- POLIHIDROXIALCANOATOS –PHAs- . . . 06 1.3.2.- ÁCIDO POLILÁCTICO –PLA- . . . . 06

1.4.- DIVERSOS POLIMEROS BIODEGRA DABLES NATURA LES . 07 1.4.1.- LIGNINA . . . . . . . 07 1.4.2.- LÍPIDOS . . . . . . . 08 1.4.3.- CAUCHO NATURAL . . . . . . 08

2. ALMIDÓN DE MAÍZ . . . . . . . . 10

2.1.- PROPIEDADES DEL ALMIDÓN . . . . . 10 2.2.- ANÁLISIS DE LA CRISTALINIDA D EN EL MATERIAL . . 10

2.2.1.- CRISTALINIDAD INDUCIDA POR PROCESO . . 10 2.2.2.- CRISTALINIDAD DURANTE EL ALMACENAMIENTO . 11 2.2.3.- CONTROL DE RECRISTALIZACIÓN . . . . 11

2.3.- APLICACIONES ACTUA LES DEL ALMIDÓN DE MAIZ . . 11 2.4.- ANÁLISIS DE LA VIDA ÚTIL DEL MATERIAL . . . 13 2.5.- ANÁLISIS DE LA BIODEGRADACIÓN DEL MATERIAL . . 13

2.5.1.- FACTORES QUE AFECTAN LA BIODEGRADACIÓN . . 13 2.5.1.1.- EFECTO DE LA ESTRUCTURA DEL POLÍMERO . 14 2.5.1.2.- EFECTO DE LA MORFOLOGÍA DE POLÍMERO . 14 2.5.1.3.- EFECTO DEL PESO MOLECULAR . . . 14 2.5.1.4.- EFECTO DEL ESPESOR DEL PRODUCTO . . 14

2.5.2.- BIODEGRADACION POR MICROORGANISMOS . . 15 2.5.2.1- HONGOS . . . . . . 15 2.5.2.2- BACTERIAS . . . . . . 15

3.- PROCESAMIENTO DEL MATERIAL . . . . . . 17

3.1.- MA TERIALES UTILIZA DOS DURA NTE EL PROCESO . . 17 3.1.1.- ALMIDÓN . . . . . . . 17 3.1.2.- GLICERINA . . . . . . . 17 3.1.3. MASTERBATCH . . . . . . 17

3.2.- EQUIPOS UTILIZADOS DURA NTE EL PROCESO . . 17 3.3.- PROCEDIMIENTO DE PROCESAMIENTO . . . . 18

3.3.2.- ETAPA 02 – MEZCLA ALMIDÓN CON GLICERINA . . 18 3.3.3.- ETAPA 03 – EXTRUSIÓN DE LA M EZCLA . . . 19 3.3.4.- ETAPA 04 – PELETIZADO . . . . . 20 3.3.5.- ETAPA 05 – SEPARACIÓN DE LOS PELLETS POR FO RMULACIÓN . . . . . . . 20 3.3.6.- ETAPA 06 – EXTRUSIÓN DE PELLETS . . . 20 3.3.7.- ETAPA 07 – OBTENCIÓN DE LÁMINAS . . . 21



3.3.8.- ETAPA 08 – TROQUELADO DE MUESTRAS . . . 21 3.3.9.- ETAPA 09 – SELECCIÓN DE MUESTRAS . . . 22

4. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL MA TERIAL . . . . 23

4.1.- PRUEBA DE TENSIÓN por ASTM D 638–03 . . . 23 4.1.1.- EQUIPOS UTILIZADOS DURANTE LA PRUEBA . . 23 4.1.2.- MATERIAL UTILIZADO DURANTE LA PRUEBA . . 23 4.1.3.- PROCEDIMIENTO . . . . . . 24 4.1.4.- RESULTADOS . . . . . . 25 4.1.5.- ANÁLISIS DE RESULTADOS . . . . . 26

4.2.- PRUEBA DE DUREZA por ASTM D 2240–05 . . . 26 4.2.1.- EQUIPOS UTILIZADOS DURANTE LA PRUEBA . . 27 4.2.2.- MATERIAL UTILIZADO DURANTE LA PRUEBA . . 27 4.2.3.- PROCEDIMIENTO . . . . . . 28 4.2.4.- RESULTADOS . . . . . . 28 4.2.5.- ANÁLISIS DE RESULTADOS . . . . . 29

5. PRUEBA DE BIODEGRADA CIÓN por ASTM D 5988-03 . . . 30

5.1.- GENERALIDA DES DE LA PRUEBA . . . . . 30 5.2.- EQUIPOS UTILIZADOS DURA NTE LA PRUEBA . . . 30 5.3.- REA CTIVOS Y MATERIALES . . . . . 31 5.4.- PROCEDIMIENTO . . . . . . . 32 5.5.- RESULTA DOS . . . . . . . . 33

5.5.1.- EVOLUCIÓN DEL CO 2 EN EL TIEMPO . . . 33 5.5.2.- REGISTRO FOTOGRÁFICO DE LA BIODEGRADACIÓN . 35 5.5.3.- M IRADA ESTEREOSCÓPICA AL FINAL DE LA PRUEBA . 35

5.6.- ANÁLISIS DE RESULTA DOS . . . . . 36 CONCLUSIONES . . . . . . . . . 37 REFERENCIAS . . . . . . . . . 38 BIBLIOGRAFÍA . . . . . . . . . 39


ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1-1. Estructura química del A lmidón: a. Amilosa. b. Amilopectina. . 03 Figura 2-1. Aplicaciones de productos desarrollados por NatureWorks . 12 Figura 2-2. Aplicaciones de productos desarrollados por BASF – Badische Anilin und Soda Fabrik . . . . . . . 12 Figura 2-3. Proceso de biodegradación por hidrólis is enzimática del almidón . . . . . . . . . . 15 Figura 3-1. Almidón de M aíz después de secado por periodo de 8 horas. Fotografía a escala 1x con patrón de comparación moneda 1 Euro. . . 18 Figura 3-2. Mezcla Inic ial en polvo 70% Almidón + 30% Glicerina. Fotografía a escala 1x con patrón de comparación moneda 1 Euro. a escala 1x con patrón de comparación moneda 1 Euro. . . . . 19 Figura 3-3. Muestra en forma granular para cada formulación: 0% de M asterbatch - 2% de M asterbatch - 4% de M asterbatch. . . 21 Fotografía a escala 1x con patrón de comparación moneda 1 Euro. Figura 3-4a. M odelos de Probeta para la Formulación 0% Masterbatch. Fotografía a escala 1x con patrón de comparación moneda 1 Euro. . . 21 Figura 3-4b. M odelos de Probeta para la Formulación 2% de Masterbatch. Fotografía a escala 1x con patrón de comparación moneda 1 Euro. . . 22 Figura 3-4c. M odelos de Probeta para la Formulación 4% de Masterbatch. Fotografía a escala 1x con patrón de comparación moneda 1 Euro. . . 22 Figura 4-1. Probeta T ipo IV de ASTM D 638 con: W = 6±0.5 mm. L= 33±0.5 mm. WO = 19+6.4 mm. LO=115 mm máx. G=25±0.13 mm. D=65±5 mm. R=14±1 mm. RO=25±1 mm. . . . . . 24 Figura 4-2. Prueba de Tensión por ASTM D 638 – 03 para una probeta de cada Formulación: 0% MB, 2% MB y 4% MB. Fotografía a escala 1x. . 24 Figura 4-3. Indentador T ipo A para la prueba de Dureza por ASTM D 2240–05 . . . . . . . . 27 Figura 4-4. Prueba de Dureza por ASTM D 2240–05 para diez probetas Modelo 02 de cada Formulación: 0% M B, 2% MB y 4% MB. Fotografía a escala 1x. . . . . . . . . 28 Figura 5-1. Equipo de Incubación para prueba Biodegradación: 1- Solución de hidróxido de potasio (KOH). 2- suelo/tierra. 3- agua. 4- plato perforado. . . . . . . . . 31 Figura 5-2. Prueba de Biodegradación por ASTM D 5988-03 para una probeta de cada Formulación: 0% M B, 2% MB y 4% M B. Fotografía a escala 1x. . . . . . . . . 32 Figura 5-3. Evolución del CO2 producido por los microorganismos en la Prueba de Biodegradación por ASTM D 5988-03 . . . . 34 Figura 5-4a. Cambios fís icos que sufre el A lmidón Termoplástico con 0% de M asterbatch al ser atacado por los microorganismos. Cada fotografía a escala 1x. . . . . . . . . 35 Figura 5-4b. Cambios fís icos que sufre el A lmidón Termoplástico con 2% de M asterbatch al ser atacado por los microorganismos. Cada fotografía a escala 1x. . . . . . . . 35 Figura 5-4c. Cambios fís icos que sufre el A lmidón Termoplástico con 4% de M asterbatch al ser atacado por los microorganismos. Cada fotografía a escala 1x. . . . . . . . . 35 Figura 5-5. Ataque de microorganismos al los restos de material al finalizar la prueba. Fotografía a escala 10x. . . . . . 36



Figura A -5a. Comportamiento del material con Formulación 0% Masterbatch sometido a Prueba de Tensión por ASTM D 638–03. . . 44 Figura A -4b. Comportamiento del material con Formulación 2% Masterbatch sometido a Prueba de Tensión por ASTM D 638–03. . . 45 Figura A -5c. Comportamiento del material con Formulación 4% Masterbatch sometido a Prueba de Tensión por ASTM D 638–03. . . 45 ÍNDICE TABLAS Tabla 3-1. Contenido en gramos de A lmidón Termoplástico y Masterbatch para cada Formulación. . . . . . . . . 20 Tabla 4-1. Resultados de la Prueba de Tensión para 0% de M asterbatch . 25 Tabla 4-2. Resultados de la Prueba de Tensión para 2% de M asterbatch . 25 Tabla 4-3. Resultados de la Prueba de Tensión para 4% de M asterbatch . 25 Tabla 4-4. Resultados de la Prueba de Dureza Shore A para 0% de M asterbatch, 2% de M asterbatch y 4% de M asterbatch . . . 29 Tabla 5-1. Resultados de la Prueba de Biodegradación para A lmidón Termoplástico con 0% de Masterbatch. . . . . . . 33 Tabla 5-2. Resultados de la Prueba de Biodegradación para A lmidón Termoplástico con 2% de Masterbatch. . . . . . . 34 Tabla 5-3. Resultados de la Prueba de Biodegradación para A lmidón Termoplástico con 4% de Masterbatch. . . . . . . 34 Tabla A -4a. Espesor de probeta Modelo 01, 02 y 03 para 0% de MB . . 43 Tabla A -4b. Espesor de probeta Modelo 01, 02 y 03 para 2% de MB . . 43 Tabla A -4c. Espesor de probeta M odelo 01, 02 y 03 para 4% de MB . . 43 Tabla A -6a. Calculo de Espesor total utilizado en Prueba de Dureza para 0%, 2% y 4% de M asterbatch. . . . . . . . 46 Tabla A -6b. Calculo de Media, Desviación Estándar e Intervalo de Confianza para 0%, 2% y 4% de Masterbatch. . . . . . 46

LISTA DE ANEXOS Anexo-01. Ficha Técnica Almidón de Maíz de Industrias del M aíz S.A . . . 40 Anexo-02. Ficha Técnica Glicerina de Bell Chem International S.A . . 41 Anexo-03. Ficha Técnica Masterbatch M BK-280 de Permaquim S.A. . . 42 Anexo-04. Espesores de M odelo 01, 02 y 03 de probetas para cada Formulación . . . . . . . . . . 43 Anexo-05. Detalle de datos Prueba de Tensión para cada Formulación . 44 Anexo-06. Detalle de datos Prueba de Dureza para cada Formulación. . 46 Anexo-07. Ficha Técnica Acondicionador O rgánico de Suelo de Naturpaipa LTDA . . . . . . . . . . 47 Anexo-08. Cálculo del % de Carbón para 0%, 2% y 4% de M asterbatch . 48 Anexo-09. Cálculo del volumen de solución de NH4Fe(SO 4)2 para acondic ionar el suelo para cada Formulación . . . . . 49



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INTRODUCCIÓN La importancia que tiene hoy en día el poder fabricar polímeros biodegradables que mantengan, mejoren o restauren la función de algunos polímeros convencionales en nuestra vida ha llevado a investigar para buscar nuevas formas y soluciones al problema. Todo esto entra en el marco de la Ingeniería de Materiales, donde continuamente se necesita mejorar en el desarrollo de nuevas formas y materiales compatibles con la naturaleza. Los plásticos comúnmente utilizados en el consumo masivo, son elaborados con poca consideración en el impacto de los recursos usados en la fabricación. Ya que la mayor parte de los plásticos se obtienen de productos petroquímicos (no renovables), existe inquietud en cuanto a la sostenibilidad. Esto, ha conducido a la preocupación seria en una era ambientalmente consciente, conduciendo a exigencias legales y mandatos impuestos a un número creciente de municipalidades, en particular, en países donde el espacio de vertedero de basura es escaso. Una alternativa posible y ambientalmente consciente es la de s intetizar polímeros que son biodegradables. Estos, proporcionan oportunidades de reducir la basura sólida municipal a través del reciclaje biológico al ecosistema y pueden sustituir productos plásticos sintéticos convencionales. Estos polímeros son biodegradados a agua, dióxido de carbono y humus, productos que no dañan el medio ambiente. Esto s ignifica, que un país como el nuestro podría beneficiarse no sólo ecológica sino económicamente haciendo una optimización de los recursos y minimización del impacto ecológico a lo largo de todo el ciclo de vida del producto. Este trabajo recopila información de lo que se ha venido trabajando en el tema y aportar lo aprendido en los cursos de ingeniería para el procesamiento de un polímero a base de almidón de maíz, con el fin de estudiar el e fecto de la formulación en las propiedades mecánicas y el proceso de biodegradación del material.


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1. ESTUDIO DE LOS POLÍMEROS BIODEGRA DA BLES NATURALES Un polímero Degradable [1], es aquel que es diseñado para ser sometido a cambios s ignificativos en su estructura química bajo condiciones ambientales específicas, dando por resultado una pérdida de propiedades. Estas propiedades, pueden variar cuando son medidas mediante métodos estándares propios de polímeros en un periodo de tiempo que determina su clasificación. Un polímero Biodegradable [1], es aquel polímero cuya degradación resulta de la acción natural de microorganismos tales como bacterias, hongos, y algas. Los Polímeros Biodegradables Naturales [2], son polímeros formados en la naturaleza durante el cic lo de crecimiento de todos los organismos. La síntesis consiste generalmente en enzimas que actúan como catalizadores, reacciones de polimerización en el crecimiento de cadena de monómeros activados, los cuales son formados típicamente dentro de las células por procesos metabólicos complejos. Los polímeros biodegradables naturales, pueden ser c lasificados según su composic ión química, método de síntesis, método de procesamiento, la importancia económica, la aplicación, etc. Cada una de estas clasificaciones proporciona información diferente y útil. En la descripción presente, se ha decidido clasificar los polímeros biodegradables naturales según su origen desde un punto de vista químico en 4 grupos: 1. Polisacáridos [almidón, celulosa, quitina/quitosán] 2. Proteínas [colágeno/gelatina, caseína, seda, elastina] 3. Fibras de Biopoliésteres [polihidroxialcanoatos, ácido poliláctico] 4. Un grupo final de polímeros diversos [lignina, lípidos, caucho natural] 1.1.- POLISACÁRIDOS Los polisacáridos [3], pertenecen al grupo de los glúcidos y cumplen funciones tanto de reserva energética como estructurales. Están formados por tres o más moléculas de glucosa. Pueden descomponerse en polisacáridos más pequeños, así como en disacáridos o monosacáridos, mediante hidrólis is, que en la materia viva es catalizada por enzimas llamadas glucosidasas. En este grupo se encuentran polímeros como: el A lmidón, la Celulosa, la Quitina/Q uitosán, el Pullulan, el Levan, el Konjac, entre ot ros. 1.1.1 - ALMIDÓN [4]. Es sintetizado en la naturaleza durante la fotosíntesis por las plantas y le s irve como reserva de energía. Es caracterizado principalmente por dos polímeros s imilares: la amilosa (α lineal-D-1,4-glucosa) y la amilopectina (α -D-1,4-glucosa con ramas α -D-1,6-glucosa). Ver Figura 1-1 [6]. Las cantidades de una u otra dependen de la especie. Contienen regiones cristalinas y no cristalinas en capas alternadas. Puesto que la cristalinidad es producida por el ordenamiento de las cadenas de amilopectina, los gránulos de almidón céreo tienen parecido grado de cristalinidad que los almidones normales. La estructura cristalina natural del almidón debe ser destruida a fin de



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producir un material termoplástico. Esto es conseguido por la aplicación de calor, presión, trabajo mecánico o por la adición de plastificantes como glicerina, polyoles o agua. A través de la actividad enzimática es rápidamente degradado en unidades de glucosa. Los almidones más importantes comercialmente vienen de: el maíz, el trigo, la papa, la yuca y tapioca (fécula blanca y granulada comestible, obtenida de la raíz de mandioca).

Figura 1-1. Estructura química del A lmidón: a. Amilosa. b. Amilopectina. 1.1.2.- CELULOSA [4]. Formada por plantas y bacterias, es la biomolécula más abundante de la biomasa terrestre. No es soluble en agua ni en la mayoría de solventes orgánicos. Es un homopolisacárido rígido, insoluble, que contiene desde varios c ientos hasta varios miles de unidades de glucosa. La celulosa se forma por la unión de moléculas de β-glucosa mediante enlaces β-1,4-O -glucosídico. La celulosa es una larga cadena polimérica de peso molecular variable, con fórmula empírica (C6H1005)n, con un valor mínimo de n= 200. T iene una estructura lineal o fibrosa, en la que se establecen múltiples puentes de hidrógeno entre los grupos hidroxilo de distintas cadenas yuxtapuestas de glucosa, haciéndolas impenetrables al agua, lo que hace que sea insoluble en agua, y originando fibras compactas que constituyen la pared celular de las células vegetales. Forma parte de los tejidos estructurales de sostén de la planta. La chepa de una célula vegetal joven contiene aproximadamente un 40% de celulosa; la madera un 50 % , mientras que el ejemplo más puro de celulosa es el algodón con un porcentaje mayor al 90% . El cáñamo también es una fuente de celulosa de alta calidad. A pesar de que está formada por glucosas, los animales no pueden utilizar a la celulosa como fuente de energía, ya que no cuentan con la enzima necesaria para romper los enlaces β-1,4-glucosídicos. En el intestino de los rumiantes, de otros herbívoros y de termitas, existen microorganismos, muchos metanógenos, que poseen una enzima llamada celulasa que rompe el enlace β-1,4-glucosídico y al hidrolizarse la molécula de celulosa quedan disponibles las glucosas como fuente de energía.


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El Celofán [3] es una de las formas comunes de la celulosa. Tiene el aspecto de una película fina, transparente flexible y resistente a esfuerzos de tracción, pero no resiste bien la humedad, ya que tiende a absorberla. La baja permeabilidad del celofán tanto al aire como a la grasa y las bacterias lo hace útil como material para envolver alimentos. El celofán también se usa para envolver regalos y ramos florales. 1.1.3.- QUITINA/QUITOSÁN Quitina [3]: Es un polisacárido, compuesto de unidades de acetilglucosamina (exactamente, N-acetil-D-glucos-2-amina). Éstas están unidas entre sí con enlaces β-1,4, de la misma forma que las unidades de glucosa componen la celulosa. Así, puede pensarse en la quitina como en celulosa con el grupo hidróxilo de cada monómero reemplazado por un grupo de acetilamina. Esto permite un incremento de los enlaces de hidrógeno con los polímeros adyacentes, dándole al material una mayor resistencia. Es uno de los componentes principales de las paredes celulares de los hongos, del resistente exoesqueleto que tienen la mayoría de los insectos y otros artrópodos, y algunos otros animales (quetas de anélidos). Es altamente insoluble en agua y en solventes orgánicos debido a los enlaces de hidrógeno que presenta la molécula. La quitina se vuelve soluble en ácidos minerales diluidos cuando pierde el acetilo del grupo acetilamino, convirtiéndose en quitosán. Quitosán [4]. Es un polisacárido natural biodegradable , copolímero de glucosamina y N-acetilglucosamina. El quitosán es la forma N-desacetilada de la quitina. Es biocompatible, no tóxico y un excelente formador de películas (filmógeno). Debido a su buena solubilidad puede ser modificado químicamente en diferentes formas y presentaciones (fibras, película, cápsulas, recubrimientos), su campo de aplicación se extiende desde su uso en el tratamiento de aguas residuales hasta la producción de productos especiales en la medic ina. 1.2.- PROTEINAS El nombre proteína [5], proviene de la palabra griega proteios, que significa lo primero. Entre todos los compuestos químicos, las proteínas deben considerarse c iertamente como las más importantes, puesto que son las sustancias de la vida. El número de moléculas proteínicas distintas que pueden existir, es casi infinito. La importancia biológica de las proteínas radica en: Son la materia principal de la piel, músculos, tendones, nervios, sangre, enzimas, anticuerpos y muchas hormonas. Dirigen la s íntesis de los ácidos nucleicos que son los que controlan la herencia. En este grupo se encuentran polímeros como: el Colágeno/Gelatina, la Caseína, la A lbúmina, el Fibrinógeno, la Seda, la Elastina, entre ot ros. 1.2.1.- COLÁGENO/GELATINA



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Colágeno [6]. Forma parte de huesos, piel, tendones y cartílagos, es la proteína más abundante en los vertebrados. La molécula contiene por lo general tres cadenas polipeptídicas muy largas, cada una formada por unos 1.000 aminoácidos, trenzadas en una triple hélice s iguiendo una secuencia regular que confiere a los tendones y a la piel su elevada resistencia a la tensión. Cuando las largas fibrillas de colágeno se desnaturalizan por calor, las cadenas se acortan y se convierten en gelatina. Gelatina [6]. - P roteína que se obtiene a partir de la cocción de huesos de animales y tejido conjuntivo, que contiene colágeno, en agua o ácido diluido. La gelatina es incolora, transparente, inodora e insípida en su forma purificada. Es insoluble en disolventes orgánicos como el éter, el triclorometano (cloroformo) y el benceno; s i se sumerge en agua fría, la gelatina absorbe entre c inco y diez veces su propio peso y se hincha formando una masa elástica y transparente. 1.2.2.- CASEÍNA [3]. Grupo de proteínas que se producen por precipitación cuando la leche se acidifica. La caseína constituye casi el 80% del total de las proteínas presentes en la leche de vaca, y el 3% de su peso. Es el ingrediente principal del queso. Si se deseca, es un polvo amorfo de color blanco, inodoro e insípido. La caseína se disuelve mal en agua y muy bien en álcalis o ácidos fuertes. La caseína se utiliza como complemento nutritivo y como pegamento; forma parte de la composic ión de las pinturas acuosas y se utiliza en las fases de acabado de la fabricación de papel y de los textiles. La paracaseína es una variedad de la caseína que se utiliza para obtener un plástico empleado en la fabricación de botones y de otros pequeños objetos. Este plástico se obtiene a través de la reacción entre la caseína y el metanal. La paracaseína se obtiene añadiendo la enzima renina a la leche para formar una sustancia distinta a la que se obtiene tras la precipitación de la leche con ácidos. 1.2.3.- SEDA [3]. Es una fibra de proteína natural que contiene cerca del 70-75% de fibra de fibroína y entre un 25-30% de sericina. Proviene de la fibra de la que se compone el capullo que cubre al gusano de seda, valiosa por su uso en tejidos de alta calidad y otros productos textiles. Los filamentos de seda son muy finos y largos (de 300 a 900 metros). La seda tiene un gran brillo natural de un color blanco o crema y es una de las fibras más resistentes, con entre 2,6 y 4,8 gramos por denier. Cuando está seca, la elongación (recuperación elástica) varía en un 10-25%, y cuando está mojada se alarga hasta un 33-35%. La seda tiene una humedad estándar relativamente alta, de un 11%. La saturación oscila entre el 25-35%. La aparic ión de fibras s intéticas como el nylon y el poliéster, que son más fuertes y más baratas que la seda, aunque no tienen la misma calidad, ha producido una enorme reducción en la producción y el consumo de seda. Sin embargo, la seda se s igue empleando en la confección de prendas como trajes ligeros, abrigos y


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pantalones, chaquetas (sacos, americanas), camisas, corbatas, vestidos, ropa interior y guantes. La seda se usa también en encajes, telas para decoración de interiores y bolsos. 1.3.- FIBRA S DE BIOPOLIÉSTERES Las fibras de biopoliésteres son poliésteres de origen bacteriano que se basan en hidroxiácidos alifáticos saturados, generalmente beta-hidroxiácidos, que actualmente sólo pueden ser obtenidos vía fermentación, lo que limita sus posibilidades. No obstante, se espera que el desarrollo de vegetales genéticamente diseñados para producir biopoliésteres permitirá aumentar la producción y atender la demanda futura. En este grupo se encuentran polímeros como: los Polihidroxialcanoatos –PHAs, el Ácido Poliláctico -PLA, poly-3hidroxibutirato –PHB, entre otros. 1.3.1- POLIHIDROXIALCANOATOS –PHAs- [4]. Poliésteres alifáticos homo o copolímeros de [R]-β-ácidos hidroxialcanoides formados durante un limitado crecimiento de nutrientes en una variedad de fuentes de carbono incluyendo azúcares. Son sintetizados por especies de distintos géneros bacterianos en condic iones de crecimiento caracterizadas por exceso en la fuente carbonada y limitación de otros nutrientes como nitrógeno o fósforo. Estos polímeros se acumulan en gránulos intracitoplasmáticos y son utilizados como fuente de carbono y energía en condiciones de escasez nutric ional. La degradación de PHA cumple un papel muy importante en la supervivencia bacteriana. El tipo de microorganismos que los acumulan pertenecen a dos grupos: aquellos que los acumulan por limitación de un nutriente en presencia de una fuente de carbono en exceso, y aquellos que los acumulan durante su crecimiento. Los PHAs son considerados como un posible reemplazo de los poliésteres de origen petroquímico debido a que presentan características s imilares a éstos, con la ventaja de ser totalmente biodegradables. Hasta ahora la limitación para producir este tipo de plásticos en gran escala es el alto precio que alcanza su fabricación, el cual depende del costo del sustrato, el rendimiento de producción de PHA y el proceso utilizado para su extracción. 1.3.2.- ÁCIDO POLILÁCTICO –PLA- [3]. El ácido láctico o 2 hidroxi-propiónico es un ácido orgánico que se halla en la naturaleza en forma de L(+) o D(-) ácido láctico. Es un producto natural presente en el cuerpo de animales, plantas y microbios. Ha sido usado en una gran variedad de aplicaciones que incluyen la industria de los alimentos, la farmacéutica y la de los cosméticos. El D(-) ácido láctico no es asimilable por el organismo humano, pero su polímero, el ácido poliláctico, presenta altas tasas de biodegradabilidad y propiedades fís ico-mecánicas comparables con la de los plásticos convencionales producidos a partir de reservas fósiles de energía.



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El D(-) ácido láctico puede producirse por fermentación haciendo uso de fuentes renovables de energía como los carbohidratos. Esto disminuye el uso de las reservas fósiles para la confección de plásticos y contribuye, a mediano y largo plazos, con el cuidado y conservación del medio ambiente. Las fibras termoplásticas de PLA se utiliza para en los sectores de agricultura, pesca, s ilvicultura, industria de la alimentación, ingeniería civil, envase, artículos desechables, pañales, productos sanitarios y aplicaciones médicas, y una vez utilizado, se degrada rápidamente en agua y dióxido de carbono. La polimerización del ácido láctico puede tener lugar por apertura del dimero cíc lico “lactida” o por polimerización directa del ácido láctico. Tanto el polímero como las fibras de PLA son estables sensibles a las soluciones alcalinas acuosas (NaOH, KOH) y relativamente estables a los ácidos (HCl). El PLA se biodegrada más lentamente que otros polímeros biodegradables. La velocidad de degradación es mayor en un compostado vegetal que en el suelo, debido a que en el primer caso la temperatura del tratamiento es de 58 ºC , igual a la de transic ión vítrea del PLA . Se ha decidido c lasificar el ácido poliláctico en la categoría de polímeros biodegradables naturales porque su monomero (ácido láctico) es en gran parte producido hoy por fermentación. De todos modos, este polímero es también parte de la familia de los poliésteres alifáticos sintéticos porque puede ser sintetizado del petróleo. 1.4.- DIVERSOS POLIMEROS BIODEGRA DABLES NATURA LES En este grupo se encuentran polímeros como: la Lignina, los Lípidos, el Shellac, el Ácido poli-gamma-glutámico, el Caucho Natural, entre otros. 1.4.1.- LIGNINA [3]. La molécula de lignina resulta de la unión de varios ácidos y alcoholes fenilpropílicos (cumarílico, coniferílico y s inapílico). El acoplamiento aleatorizado de estos radicales da origen a una estructura t ridimensional, polímero amorfo, característico de la lignina. Se caracteriza por ser un complejo aromático (no carbohidrato) del que existen muchos polímeros estructurales (ligninas). Después de los polisacáridos, la lignina es el polímero orgánico más abundante en el mundo vegetal. Es importante destacar que es la única fibra no polisacárido que se conoce. Está formada por la extracción irreversible del agua de los azúcares, creando compuestos aromáticos. Los polímeros de lignina son estructuras transconectadas con un peso molecular de 10.000 uma. Este componente realiza múltiples funciones que son esenciales para la vida de las plantas. Por ejemplo, posee un importante papel en el transporte interno de agua, nutrientes y metabolitos. Proporciona rigidez a la pared celular y actúa como puente de unión entre las células de la madera, creando un material que es notablemente resistente a los impactos, compresiones y flexiones. Realmente, los tejidos lignificados resisten el ataque de los microorganismos, impidiendo la penetración de las enzimas destructivas en la pared celular.


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1.4.2.- LÍPIDOS [3]. Biomacromoléculas, que forman cadenas con otros compuestos convirtiéndose en compuestos insaturados, alifáticas lineales, a su vez otros tienen estructura de anillo. A lgunos son aromáticos, mientras que otros no lo son. A lgunos son flexibles, mientras que otros son rígidos o semiflexibles hasta alcanzar casi una total flexibilidad molecular, algunos comparten carbonos libres y otros forman puentes de hidrógeno. La mayoría de los lípidos tienen algún tipo de carácter polar, además de poseer una gran parte apolar. Están formados por carbono, hidrógeno y en menor medida oxígeno, aunque también pueden contener fósforo, azufre y nitrógeno, que tienen como característica principal el ser hidrofóbicas o insolubles en agua y s í en disolventes orgánicos. Se distinguen de otros tipos de compuestos orgánicos porque no son solubles en agua (hidrosolubles) s ino en disolventes orgánicos (alcohol, éter). 1.4.3.- CAUCHO NATURAL [3]. Polímero de muchas unidades encadenadas de un hidrocarburo elástico. El compuesto de caucho más simple es el isopreno o 2-metilbutadieno, cuya fórmula química es C5H8 que surge como una emulsión lechosa (conocida como el látex) en la savia de varias plantas. El caucho natural es generalmente vulcanizado, un proceso por el cual el caucho se calienta y se le añade azufre o selenio, con lo que se logra el enlazamiento de los cadenas elastómeros, para mejorar su resistencia a las variaciones de temperatura y elastic idad. se caracteriza por su elastic idad, repelencia al agua y resistencia eléctrica. A la temperatura del aire líquido, alrededor de -195 ºC , el caucho puro es un sólido duro y transparente . De 0 a 10 ºC es frágil y opaco, y por encima de 20 ºC se vuelve blando, flexible y translúcido. A l amasarlo mecánicamente, o al calentarlo por encima de 50 ºC , el caucho adquiere una textura de plástico pegajoso. A temperaturas de 200 ºC o superiores se descompone. Por su flexibilidad, se utiliza frecuentemente para fabricar mangueras, neumáticos y rodillos para una amplia variedad de máquinas, desde los rodillos para escurrir la ropa hasta los instalados en las rotativas e imprentas. Por su elastic idad se usa en varios tipos de amortiguadores y mecanismos de las carcasas de máquinas para reducir las vibraciones. Por su resistencia a la electricidad, el caucho blando se utiliza en materiales ais lantes, guantes protectores, zapatos y mantas, y el caucho duro se usa para piezas de aparatos de radio, medidores y otros instrumentos eléctricos. Además de los Polímeros Biodegradables Naturales, existe otra Familia de Polímeros Biodegradables: Los Polímeros Biodegradables Sintéticos [2], son aquellos que han sido desarrollados por el hombre, sintetizados de manera especial para hacerlos ambientalmente amigables con la naturaleza. Son apreciables por la acción humana, producidos en reactores o aceleradores de partícula. En este trabajo se distingue entre polímeros biodegradables naturales "verdaderos", que se descomponen en sustancias no tóxicas, y los plásticos



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biodestructibles. Estos últimos están constituidos por polímeros derivados del petróleo que incluyen mezclas con polímeros biodegradables naturales. En este caso, lo único que se descompone en el medio ambiente es su componente de polímero biodegradable natural de jando el polímero sintético inalterable detrás.


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2. ALMIDÓN DE MAÍZ El almidón del maíz es una materia natural en forma de polvo blanco que se obtiene de los granos del maíz. Es una mezcla de dos estructuras poliméricas conocidas como amilosa y amilopectina. 2.1.- PROPIEDADES DEL ALMIDÓN Los almidones de distinto origen botánico tienen mecanismos de biosíntesis diferentes, así pueden presentar estructura molecular y características distintas como diversidad en forma, tamaño, composic ión y otros componentes de macro escala de los gránulos de almidón. Así el procesamiento y las propiedades del almidón están relacionadas con la genética así como varios niveles de estructura que van desde la estructura del granulo, la estructura acromolecular y las macro estructuras cristalinas. El almidón por sí solo es termoestable. En presencia de un plastificante, como glicerina, y desestructurada la configuración granular nativa, se concibe un termoplástico con las cadenas de almidón solubilizadas en el medio plastificante, interactuando entre s í con el plastificante por enlaces de hidrógeno. Esto, por tratamiento de corte y temperatura. Se denomina almidón termoplástico (TPS, por sus s iglas en inglés). 2.2.- ANÁLISIS DE LA CRISTALINIDA D EN EL MATERIAL La cristalinidad hace referencia a la regularidad del arreglo polimérico. Un polímero nunca puede ser completamente cristalino. Sin embargo, algunas regiones de las cadenas pueden empaquetarse en forma regular dando lugar a una especie de cristal dentro del polímero. Luego de la desestructuración granular propia del proceso del almidón, se observa un fenómeno conocido como retrogradación o recristalización [2]. Ésta es la forma de envejecimiento en el almidón procesado; las moléculas de almidón se reasocian en estructuras más ordenadas, como enredos y hélices cristalinas. La recristalización constituye una de las principales dificultades comerciales de los plásticos de almidón, debido a que incrementan su rigidez y fragilidad. En el almidón procesado las moléculas de amilosa y amilopectina se encuentran en solución en el medio plastificante, habiéndose disociado del gránulo. En la retrogradación las moléculas tienden a reasociarse por formación de puentes de hidrógeno, opacando las soluciones e incrementando la resistencia a la acción enzimática. La amilosa, de naturaleza lineal, presenta una facilidad de retrogradación mayor a su contraparte ramificada, la amilopectina. 2.2.1.- CRISTALINIDAD INDUCIDA POR PROCESO Los patrones cristalinos nativos del almidón se han denominado A, B o C (hélices dobles constituidas por cadenas amiláceas) [7] y dependen de la fuente botánica. Adic ionalmente, posterior a proceso, se evidencia la recristalización de estructuras de hélice sencilla de amilosa durante el enfriamiento, denominadas V y E. En el



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proceso termomecánico la estructura semi-cristalina en los gránulos es completa o parcialmente destruida (suceso explorado por DSC o D-RX). Dependiendo de condiciones de proceso [8] y de almacenamiento, el almidón retiene las estructuras cristalinas A, B o C o forma las estructuras tipo V (VH o VA) o EH. Las estructuras tipo VH, VA y EH tienen patrones de difracción de rayos X característicos, dependiendo del empaquetamiento y el grado de hidratación de las moléculas. Las estructuras cristalinas B se asocian a la amilopectina y las tipo V y E a la amilosa. Las estructuras V y E dependen de la temperatura de proceso. 2.2.2.- CRISTALINIDAD DURANTE EL ALMACENAMIENTO En el almidón plastificado con glicerina [7], la amilosa y la amilopectina recristalizan en estructuras tipo B (configuraciones de hélice doble de amilosa). A nivel molecular, ocurren cambios estructurales cuando se almacenan los productos arriba de la temperatura de transic ión vítrea. Primero, los agregados de doble hélice de corto alcance se convierten en órdenes cristalinos de largo alcance. La tasa de retrogradación depende del equivalente de amilosa, de la fuente botánica, de las condic iones de almacenamiento, del contenido de humedad y del contenido y tipo de plastificante. La tasa de recristalización incrementa con el contenido de agua. Se ve disminuida con la glicerina como plastificante y aún más con la etanolamina, debido a una mayor interacción (rastreada por DSC y FT-IR) de enlaces de hidrógeno entre el plastificante y el almidón. La recristalización se detecta por comparación de patrones de difracción de rayos X del almidón termoplástico recientemente procesado con difracciones posteriores en el tiempo. 2.2.3.- CONTROL DE RECRISTALIZACIÓN De acuerdo a lo expuesto anteriormente, la recristalización está influenciada por la temperatura de operación del producto y por la formulación. También hay un efecto en la retrogradación debida a proceso. El tiempo de residencia en proceso de amasado incrementa el porcentaje de cristalinidad EH: mayor tiempo de tratamiento implica mayor corte aplicado, que destruye el orden granular, liberando amilosa, posiblemente alineada en cierta dirección preferencial, favoreciendo la cristalinidad. La formación de cristalinidad de hélice simple V H es directamente proporcional a la velocidad de tornillo en la extrusión. La temperatura de proceso incide en la formación de cristalinidad. 2.3.- APLICACIONES ACTUA LES DEL ALMIDÓN DE MAIZ El almidón puede ser procesado y convertido en un polímero, pero como es soluble en agua, se ablanda y deforma cuando entra en contacto con la humedad, limitando su uso. De esta manera, el almidón es entonces modificado. Primero, el almidón se extrae del maíz, luego los microorganismos los transforman en una molécula más pequeña (un monómero), el ácido láctico. Después, este ácido láctico es tratado químicamente de manera de formar cadenas o polímeros, con una


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estructura molecular parecida a la de los de origen petroquímico, que se unen entre s í para formar el plástico llamado PLA (Ácido Poliláctico). En el mundo existen diferentes compañías que ofrecen productos a base de almidón de maíz, entre ellas se encuentran dos grandes empresas productoras: NatureWorks y BASF. NatureWorks desarrolla la resina para fabricar películas de empaques para alimentos, en la industria del cosmético y de materiales para ofic ina bajo la marca NatureWorks Polymer®. Esta es una película protectora con un brillo y transparencia extraordinarios, gran facilidad para la impresión, buenos atributos de sellado, y se transforma completamente en dióxido de carbono y agua en un período de 45 días. Este polímero de NatureWorks es adecuado para muchas de las aplicaciones que actualmente tienen el poliester, las poliolefinas y el poliestireno. Tiene propiedades s imilares a estos materiales, así como su facilidad de procesamiento. Algunas de las aplicaciones pueden verse en Figura 2-1 [9]:

Figura 2-1. Aplicaciones de productos desarrollados por NatureWorks Por otra parte, BASF (Badische Anilin und Soda Fabrik), es una empresa química que produce polímeros biodegradables bajo la marca Ecoflex®. Produce envases a base de almidón de maíz o papa. Estos productos después se descomponen sin dejar residuos. Además, produce resinas en el área de películas flexibles. Estas son películas completamente biodegradables, con propiedades similares a las del polietileno. T ienen como gran ventaja para quienes procesan, que pueden procesar e imprimir en equipos convencionales diseñados para el procesamiento del polietileno. Es a prueba de agua, resistente a la rotura, flexible, fundible y se puede imprimir en el. A lgunas de estas aplicaciones pueden verse en Figura 2-2 [10]:

Figura 2-2. Aplicaciones de productos desarrollados por BASF - Badische Anilin und Soda Fabrik



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2.4.- ANÁLISIS DE LA VIDA ÚTIL DEL MATERIAL Los carbohidratos [11], en estado sólido o semi-sólido no están en equilibrio y sufren con el tiempo cambios a nivel micro y macroscópico. Es por esto que es importante entender el envejecimiento y degradación del almidón termoplástico para establecer mecanismos de control sobre dichos procesos. El envejecimiento del almidón procesado y almacenado en ciertas condic iones puede ser rastreado por ensayos mecánicos, transiciones térmicas en la calorimetría diferencial de barrido (DSC), difracción de rayos X (D-RX) y comportamiento viscoelástico por ensayo dinámico mecánico (DMA). Para el almidón termoplástico a temperaturas superiores a la de transic ión vítrea, es mucho más pronunciada la búsqueda del equilibrio molecular que para temperaturas inferiores. A lo largo del tiempo y condic iones de baja humedad relativa (HR < 50% ), la resistencia mecánica del almidón tiende a incrementar, con la respectiva caída de deformación a la fractura . Estos cambios en las propiedades macroscópicas se relacionan con la transformación microestructural conocida como retrogradación. En [8] se demuestra que la exposic ión del almidón (durante una semana inmediatamente después del proceso) a diferentes humedades relativas, redunda en absorciones de agua diferentes para cada muestra. Esto a su vez, incide en las propiedades mecánicas del material, debilitando interacciones y así reduciendo la resistencia mecánica para casos de alta humedad relativa (> 50% ) y alto contenido de humedad en el TPS (> 11% ). Para el caso de almacenamiento en baja humedad relativa y contenido de agua (< 50%, < 11%), la resistencia incrementó. A mayor escala temporal (8 meses) y humedades relativas bajas, las propiedades mecánicas del almidón termoplástico aún no se estabilizaban. 2.5.- ANÁLISIS DE LA BIODEGRADACIÓN DEL MA TERIAL Existen varias maneras para que un polímero pueda ser degradado en el ambiente [12]. Éstos incluyen la biodegradación, la fotodegradación, la oxidación, y la hidrólisis. Estos procesos a menudo son interpretados como un todo aunque cada uno por aparte conduzca a resultados finales diferentes. A menudo es concebido que la fragmentación de un plástico en pequeños pedacitos, invis ible (al ojo desnudo) son la biodegradación, cuando en realidad estos fragmentos pueden permanecer en el ambiente durante un período significativo del tiempo. Los polímeros biodegradables cuando son sometidos en ambientes bioactivos, como el abono orgánico, se deteriorarán a dióxido de carbono y agua por la acción de bacterias y hongos. Hay dos pasos principales en el proceso de biodegradación. El primero implica la depolimerización o la hendidura de cadena del polímero a oligomeros, y el segundo es la mineralization que resulta de estos oligomeros. El paso de depolimerización normalmente ocurre fuera del microorganismo e implica tanto endo como exo-enzimas. 2.5.1.- FACTORES QUE AFECTAN LA BIODEGRADACIÓN


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2.5.1.1.- EFECTO DE LA ESTRUCTURA DEL POLÍMERO Las macromoléculas biológicas [2] (por ejemplo proteínas, celulosa y almidón) y en general los polímeros se degradan principalmente por hidrólis is y oxidación. Las características hidrofílicas/hidrofóbicas del polímero afectan la biodegradación debido a que muchos de los efectos enzimáticos ocurren en medios acuosos. El almidón posee grupos –OH, con afinidad por la humedad. También es deseable para la degradación enzimática que las cadenas de polímero sean flexibles. 2.5.1.2.- EFECTO DE LA MORFOLOGÍA DE POLÍMERO Es bastante probable que la condición amorfa de una estructura polimérica favorezca la biodegradación [2], como en el caso de las proteínas. La cristalinidad hace que los grupos funcionales para la degradación sean inaccesibles. La recristalización del almidón restringe la acción enzimática. Durante la degradación, el porcentaje de región cristalina en una muestra polimérica aumenta a velocidad considerable, hasta c ierto punto, cercano al 100% de cristalinidad, donde disminuye la tasa de aumento de cristalinidad. Esto se atribuye a la eventual desaparición de las regiones amorfas. La policaprolactona (PCL), polímero conocido como biodegradable, constituye un ejemplo: microscopía electrónica de barrido muestra que las regiones amorfas son las primeras en ser atacadas, s iendo las de menor orden de empaquetamiento permitiendo más fácil el acceso de las enzimas. El tamaño, forma y cantidad de cristales tienen un efecto pronunciado en la movilidad de las cadenas en la región amorfa, afectando la degradación. 2.5.1.3.- EFECTO DEL PESO MOLECULAR Los polímeros permanecen relativamente inmunes al ataque microbiológico mientras su peso molecular permanezca alto [2]. Los hidrocarburos de bajo peso molecular pueden ser degradados por microbios. Se debe disminuir el peso molecular de un polímero vía foto-degradación o por métodos químicos o biológicos, antes de la biodegradación. A menor peso molecular, mayor rapidez de degradación. La adición de grupos carbonilo en las cadenas poliméricas permite una escisión en los enlaces. Dichos grupos absorben la radiación ultravioleta (UV ) formando niveles energéticos capaces de romper los enlaces. Una combinación de grupos funcionales hidrolizables (por acción enzimática) y grupos fotosensibles es efectiva en la degradación de polímeros en ambientes naturales. 2.5.1.4.- EFECTO DEL ESPESOR DEL PRODUCTO Un estudio hecho por Shogren, Doane , Garlotta, Lawton y Willett (2003) revela que en el caso de mezclas entre ácido poli láctico, poli(eter-hidroxiester) y almidón, la degradación de estas muestras de espesor considerable tardarían en degradarse años. Productos de menor espesor lograrían una más rápida degradación debido a más rápida difusión de agua y mayor área superfic ial específica para el ataque



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microbiano. De todos modos, se determinó que la fracción de almidón fue la que presentó una significativa biodegradación. 2.5.2.- BIODEGRADACION POR MICROORGANISMOS Los ambientes biológicos [2] incluyen los agentes responsables del deterioro de las sustancias poliméricas. Organismos como bacterias, hongos y sus enzimas consumen una sustancia como fuente de alimentación, desapareciendo su forma original. La biodegradación es un proceso relativamente rápido, en condic iones apropiadas de humedad, temperatura y de disponibilidad de oxígeno. M uchos de los conceptos estructurales que se tienen del almidón provienen de la degradación del almidón por medios enzimáticos. Las enzimas son biológicamente importantes por su función en el metabolismo de animales y plantas. La degradación enzimática del almidón se da por ataque de amilasas al enlace α-(1-4) y por la glucosidasa a los enlaces α-(1-6) de la amilopectina. El almidón se degrada en subproductos no peligrosos cuando se pone en contacto con microorganismos del suelo. De ahí su aplicación para películas en la agricultura. Los productos son dextrinas, maltosa y finalmente, unidades de glucosa. Ver Figura 2-3 [2]:

Figura 2-3. Proceso de biodegradación por hidrólis is enzimática del almidón 2.5.2.1- HONGOS Los hongos son importantes en la degradación de materiales. Su acción de degradación es consecuencia de la producción de enzimas que fragmentan las sustancias de los materiales para su nutric ión. Son necesariamente aeróbicos. La eficiencia de la degradación está relacionada con la temperatura y se optimiza en condiciones de alta humedad y nutrientes. 2.5.2.2- BACTERIAS Pueden ser aeróbicas o anaeróbicas. El mecanismo es el mismo de los hongos: producción de enzimas que encuentran alimentación en los materiales a degradar.


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Las bacterias presentes en el suelo son agentes clave para la degradación. Son particularmente afectados los compuestos de celulosa, de madera y los textiles.



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3.- PROCESAMIENTO DEL MATERIAL El procesamiento del material se llevó a cabo en las instalaciones del Centro de Innovación y Desarrollo Tecnológico de la Universidad de los Andes –CITEC- utilizando los equipos e instrumentos del Centro de Investigación en Procesamiento de Polímeros –CIPP-. Teniendo en cuenta que las propiedades de los materiales se ven fuertemente influenciadas por las condiciones de procesamiento, se tuvo especial cuidado en controlar de manera metódica todas las variables que involucra el proceso. 3.1.- MA TERIALES UTILIZA DOS DURA NTE EL PROCESO Los materiales se obtuvieron de marcas industriales, asegurando homogeneidad en el experimento. 3.1.1.- ALMIDÓN La materia prima del material a evaluar resulta de la donación de almidón de maíz Fécula Saguzena® producido por Industrias del Maíz S.A . afiliada a Corn Products Andina. Ver Anexo-01 para ficha técnica. 3.1.2.- GLICERINA Glicerina BP/USP MIN. 99.5% , grado vegetal. Elaborado por Bell Chem International S.A . Ver Anexo-02 para ficha técnica. 3.1.3. MASTERBATCH Masterbatch MBK-280 Negro Humo al 40%. Elaborado por Permaquim S.A. Ver Anexo-03 para ficha técnica. 3.2.- EQUIPOS UTILIZA DOS DURA NTE EL PROCESO • Horno. Thermolyne M echanical Oven. Model No: OV35135. Uniformidad a

100ºC: 1.1 ºC. Estabilidad a 100 ºC: 0.1 ºC . • Balanza Analítica. Mettler AM100 con precisión de 4 dígitos. • Mezclador. Hobart Mezcladora. Modelo: N-50. Tazón en acero inoxidable con

capacidad de 4.73 litros. Agitador Plano tipo 'B'. Batidor globo tipo 'D'. • Extrusor. Extruder C.W. Brabender Instruments Inc. Plasti-Corder. Tipo: 2523

No 1467.


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• Peletizador. The Berlyn Corporation. Model No: PELL·2 • Calandra. Calandra estándar de 3 rodillos con motor ASH-600 T ipo 'D' de

Bodine Electric Company. Diámetro Rodillos: 100 mm – 100 mm – 64 mm. • Troqueladora. Punch-Press-Naef. M .S. Instrument Company Inc. M odel 'B' No:

1894 3.3.- PROCEDIMIENTO DE PROCESAMIENTO 3.3.1.- ETAPA 01 – SECADO DEL ALMIDÓN El almidón es deshidratado por su naturaleza higroscópica durante un periodo de tiempo de 6h a 8 h a 110 ºC en el horno Thermolyne. El material es separado en 4 bandejas elaboradas con foil de aluminio con un peso total de contenido por recipiente de 500 g. Una muestra del almidón seco se ilustra en la Figura 3-1:

Figura 3-1. Almidón de M aíz después de secado por periodo de 8 horas. Fotografía a escala 1x con patrón de comparación moneda 1 Euro. Experiencias previas muestran que cuando se procesa la mezcla almidón-plastificante sin retirar la humedad de equilibrio del almidón, la mezcla se adhiere a la tolva, al tormillo y al dado, interrumpiendo el flujo de material y ocasionando la suspensión del proceso. Fue exitosa la medida tomada del tiempo de secado. 3.3.2.- ETAPA 02 – MEZCLA ALMIDÓN CON GLICERINA En la balanza analítica, se pesan 350 g de Almidón seco y luego 150 g de Glicerina. Este material es llevado a la mezcladora Hobart añadiendo primero la Glicerina y posteriormente de forma paulatinamente se alimentó de manera manual A lmidón en pequeñas cantidades. Durante 15 minutos se deja el material mezclar hasta que la composic ión sea homogénea. La mezcla se realiza a una velocidad intermedia de 285 revoluciones/minuto a temperatura ambiente. Este procedimiento se realiza 5 veces para obtener 2500 g de la mezcla. De esta manera se constituye la mezcla inicial 70% A lmidón + 30% Glicerina. La mezcla finalmente queda como lo muestra la Figura 3-2:



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Figura 3-2. Mezcla Inicial en polvo 70% A lmidón + 30% Glicerina. Fotografía a escala 1x con patrón de comparación moneda 1 Euro. Efectuar mezcla almidón-glicerina a porcentajes menores (por e jemplo 23% , como sugieren Huang et al., 2005) resulta complicado y redunda en almidón extrudido con plastificación nula. 3.3.3.- ETAPA 03 – EXTRUSIÓN DE LA M EZCLA La extrusora Brabender Plastic-Corder (L/D = 25:1, D = 19.5 mm) se va alimentando de la mezcla inicial a través de la tolva. El tornillo es de una sola sección con lo cual se incrementa progresivamente la intensidad de corte (esfuerzo cortante). Se extruye la mezcla teniendo en cuenta la velocidad del tornillo, el perfil de temperatura , el torque aplicado y la presión. La velocidad del tornillo es de 20 revoluciones/minuto. A l incrementar la velocidad del tornillo, incrementa el corte sufrido por la materia prima cuando esta se encuentra en proceso de extrusión. A sí mismo, la fricc ión entre almidón y paredes del cañón por mayor velocidad de tornillo lleva a un incremento en la temperatura. El perfil de temperatura se fija en: Temperatura de Alimentación = 120 ºC Temperatura de Dosificación = 125 ºC Temperatura de Transic ión = 130 ºC Temperatura del dado = 135 ºC Así, con este perfil se logra desestructurar el gránulo nativo de almidón. La temperatura debilita las interacciones entre las cadenas de almidón nativo, hinchando los gránulos y facilitando la creación de enlaces de hidrógeno entre el plastificante y el almidón. Finalmente se enlazan con el plastificante, formando una matriz amorfa coherente. El torque aplicado es variante y depende principalmente de las propiedades del material y la forma de alimentación. Como la mezcla es la misma, se tuvo especial cuidado alimentando de manera paciente, suave y constante la extrusora de material. Así, entonces se presenta una variación de 5±1 Nm en el torque aplicado con una presión resultante que alcanza los 6.89 kPa.


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El dado extrusor que aplica en esta etapa del proceso es aquel que forma tiras listas para el corte de pelets. Así, una vez concluido el proceso de extrusión se toman las tiras resultantes y se dejaban enfriar al ambiente. 3.3.4.- ETAPA 04 – PELETIZADO Cada tira que sale del proceso de extrusión, se le es cambiada la forma mediante un Peletizador. Este, consiste en una guillotina que se alimenta del material en tiras y le da forma de gránulos c ilíndricos uniformes al material llamados pelets con diámetro de 2 mm y longitud de 5mm. 3.3.5.- ETAPA 05 – SEPARACIÓN DE LOS PELLETS POR FORMULACIÓN En esta etapa, se separan los pelets por pesos equivalentes a 750 g para cada formulación final , ver Tabla 3-1:

FO RMULACIÓN* ALMIDÓN TERMOPLÁSTICO [g] **

MASTERBATCH [g]

TOTAL [g]

FORMULACIÓN 01 – 0% M B 750 0 750 FORMULACIÓN 02 – 2% M B 735 15 750 FORMULACIÓN 03 – 4% M B 720 30 750 Tabla 3-1. Contenido en gramos de Almidón Termoplástico y Masterbatch para cada Formulación. * Almidón Termoplástico se refiere a la mezcla 70% A lmidón + 30% Glicerina. 0% MB se refiere a la formulación con 0% de M asterbatch. 2% MB se refiere a la formulación con 2% de Masterbatch. 4% MB se refiere a la formulación con 4% de Masterbatch. ** De los 2500 g de la mezcla preparada en la ETAPA02 se utilizaron 2205 g para la formulación. El resto de material se pierde durante los procesos de la ETAPA 03 y la ETAPA 04. 3.3.6.- ETAPA 06 – EXTRUSIÓN DE PELLETS Se siguen los lineamientos descritos en ETAPA 03 y ETAPA 04 para el almidón termoplástico con 0% de MB, 2% de MB y 4% de MB de manera individual. Esta segunda extrusión del material ayuda a eliminar el porcentaje de humedad. Además, incrementa la homogeneidad de la mezcla para cada formulación. Las diferentes formulaciones luego del procesamiento y peletizado pueden verse en la Figura 3-3:



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0% MB 2% MB 4% MB

Figura 3-3. Muestra en forma granular para cada formulación: 0% de Masterbatch - 2% de Masterbatch - 4% de M asterbatch. Fotografía a escala 1x con patrón de comparación moneda 1 Euro. 3.3.7.- ETAPA 07 – OBTENCIÓN DE LÁMINAS Se siguen los lineamientos descritos en ETAPA 03 para 0% de MB, 2% de MB y 4% de M B de manera individual con un dado de lámina. La velocidad del tornillo y el perfil de temperatura se mantienen, mientras que el torque aplicado se aumenta con variaciones de 30±5 Nm con una presión resultante que alcanza los 7.25 kPa. Una vez concluido el proceso de extrusión se toman de forma inmediata las láminas resultantes y se pasan a través de un proceso de calandrado, donde los rodillos giran a una velocidad angular de 11 revoluciones/minuto. Este proceso consiste en hacer pasar la lámina a través de rodillos que mediante presión y temperatura logran estabilizar el espesor del material resultante. La velocidad de los rodillos de la calandra en la prueba se mantuvo constante con temperatura de del aceite térmico circulante de 55 ºC . 3.3.8.- ETAPA 08 – TROQUELADO DE MUESTRAS Dependiendo de la calidad y apariencia de la lámina obtenida se seleccionan los mejores modelos del material. Así, se procede a troquelar diferentes muestras de 3 tipos de probeta por cada formulación. La Figura 3-4 ilustra los tipos de probetas para cada formulación:

Modelo 01 Modelo 02 Modelo 03

Figura 3-4a. M odelos* de Probeta para la Formulación 0% Masterbatch. Fotografía a escala 1x con patrón de comparación moneda 1 Euro.


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Figura 3-4b. Modelos* de Probeta para la Formulación 2% de Masterbatch. Fotografía a escala 1x con patrón de comparación moneda 1 Euro.


Figura 3-4c. Modelos* de Probeta para la Formulación 4% de Masterbatch. Fotografía a escala 1x con patrón de comparación moneda 1 Euro. *Los modelos tienes diferente forma y tamaño. Las especificaciones son las s iguientes: Modelo 01: Probeta Tipo IV de ASTM D 638 Modelo 02: P robeta Rectangular con 6.35 cm de largo x 1.27 cm de ancho Modelo 03: P robeta Circular con diámetro de 6.75 cm 3.3.9.- ETAPA 09 – SELECCIÓN DE MUESTRAS Se realizaron mediciones de espesor para las muestras troqueladas teniendo en cuenta la calidad y apariencia de los prototipos modelos con el fin de encontrar las más representativas del material para cada formulación. Para detalles ver Anexo-04.



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4. PROPIEDADES MECÁNICAS DEL MA TERIAL Los materiales poliméricos compuestos por macromoléculas experimentan comúnmente fenómenos de relajación de tensiones y fluencia. En el primer fenómeno la imposición de una determinada deformación del material requiere de un menor esfuerzo con el paso del tiempo. El segundo hace referencia a una deformación creciente del material con el tiempo de aplicación de una carga constante. Cuando a un polímero termoplástico [16] se le aplica una fuerza externa, ocurren a la vez deformaciones elásticas y plásticas. El comportamiento mecánico está íntimamente ligado a la manera en que las cadenas del polímero se mueven entre s i bajo carga. 4.1.- PRUEBA DE TENSIÓN por A STM D 638–03: Standard Test Method for Tensile Properties of P lastics Este método de prueba cubre la determinación de las propiedades a tensión en plásticos no reforzados y reforzados en forma de probetas de ensayo estándares cuando se evalúa bajo condiciones definidas de pre-tratamiento, temperatura, humedad, y velocidad de máquina de prueba. Este método de prueba puede ser usado para probar materiales de cualquier grosor hasta 14 mm. Los datos de prueba obtenidos por este método son relevantes y apropiados para el uso en la ingeniería del diseño. Los valores se encuentran en unidades del Sistema Internacional, que son consideradas como el estándar. La prueba está diseñada para producir datos de propiedades a tensión para el control y la especificación de materiales plásticos. Estos datos son también útiles para la caracterización cualitativa, la investigación y el desarrollo. Sin embargo, las propiedades de tensión pueden variar con la preparación del espécimen y con el ambiente en que se realiza la prueba. Por consiguiente, se deben controlar con cuidado estos factores. 4.1.1.- EQUIPOS UTILIZADOS DURANTE LA PRUEBA • Dispositivo de Prueba. Máquina Universal de Ensayos INSTRON 5586 con

sistema de control, adquis ición y anális is computarizado. Celda de carga de 5 kN.

• Extensómetro. Extensómetro INSTRON 2620-604. Este, le da soporte a la

probeta entre las mordazas colaborando con el registro de datos para la deformación longitudinal por carga.

4.1.2.- MATERIAL UTILIZADO DURANTE LA PRUEBA Para esta prueba se utilizó el M odelo 01: Probeta T ipo IV de ASTM D 638. Para especificaciones, ver Figura 4-1 [13].


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Figura 4-1. Probeta T ipo IV de ASTM D 638 con: W = 6±0.5 mm. L= 33±0.5 mm. WO = 19+6.4 mm. LO=115 mm máx. G=25±0.13 mm. D=65±5 mm. R=14±1 mm. RO=25±1 mm. Para cada Formulación se toma un número de seis muestras homogéneas y representativas del material. Las probetas son sometidas a una velocidad de prueba de 5 mm/min. Para las condiciones de ensayo se tienen iguales valores que para las condiciones de almacenamiento para todas las probetas: temperatura de 23±2 ºC , humedad relativa de 50±5%. 4.1.3.- PROCEDIMIENTO Se mide el espesor de cada probeta, se monta la probeta en la máquina de pruebas, teniendo cuidado al alinear el eje longitudinal y las mordazas. Luego, se ata el extensómetro a la probeta, se ajusta la velocidad y se empieza a correr la prueba. Cuando el módulo ha sido determinado, el extensómetro es retirado con la prueba aun corriendo. Se registran los datos de deformación del material a la carga en curso hasta el momento de ruptura del material. La Figura 4-2 muestra el montaje de la prueba para una Probeta Tipo IV de ASTM D 638 para cada Formulación.

0% MB 2% MB 4% MB

Figura 4-2. Prueba de Tensión por ASTM D 638 – 03 para una probeta de cada Formulación: 0% M B, 2% MB y 4% M B. Fotografía a escala 1x.



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4.1.4.- RESULTADOS La Tablas 4-1, 4-2 y 4-3 muestran los resultados obtenidos en la Prueba de Tensión para el almidón termoplástico con 0%, 2% y 4% de M asterbatch respectivamente. Para detalles de solución, ver anexo 06. El M ódulo de

Esfuerzo Esf uerzo Esf uerzo Módulo de % de 0% MB de Cedenc ia de Tensión de Rupt ura Elastic idad Elongación

Num. Probeta [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [%] 1 0.47 1.74 0.73 22.19 36.11 2 0.66 2.18 1.76 30.99 51.62 3 0.89 2.95 1.11 54.22 63.10 4 0.88 2.52 0.05 44.83 53.12 5 0.78 2.40 1.53 34.08 62.90 6 0.75 2.62 1.58 46.19 55.78

Media 0.72 2.37 0.74 37.16 52.90 Desv. Estándar 0.16 0.41 0.65 11.73 9.91

Int. de Confianza* 0.13 0.33 0.52 9.39 7.93 Tabla 4-1. Resultados de la Prueba de Tensión para 0% de M asterbatch


Num. Probeta [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [%] 1 0.81 1.21 0.44 54.69 15.74 2 0.63 1.78 0.93 39.69 27.80 3 0.63 0.98 0.33 23.15 16.73 4 0.65 2.14 1.33 31.86 46.86 5 0.69 2.15 1.37 39.57 41.52 6 0.50 2.14 1.21 30.61 42.08


Int. de Confianza* 0.08 0.42 0.36 8.65 10.90 Tabla 4-2. Resultados de la Prueba de Tensión para 2% de M asterbatch


Num. Probeta [MPa] [MPa] [MPa] [MPa] [%] 1 1.03 2.57 1.41 69.99 41.32 2 0.81 2.46 1.63 53.26 55.48 3 1.11 2.20 0.95 85.62 24.72 4 0.78 2.29 1.72 43.10 46.52 5 0.96 2.32 0.92 65.45 29..99 6 0.88 1.08 0.11 58.26 13.40



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Int. de Confianza* 0.10 0.43 0.48 11.75 13.60 Tabla 4-3. Resultados de la Prueba de Tensión para 4% de M asterbatch * El nivel de s ignificación (Alfa) utilizado para calcular el intervalo de confianza es de 0,05 indicando un nivel de confianza de 95% . La Desviación estándar, es la desviación de la población para el rango de datos. 4.1.5.- ANÁLISIS DE RESULTADOS El esfuerzo al cual el material cambia su comportamiento de elástico a plástico es el esfuerzo de cedencia. Este, es s imilar cuando el porcentaje de masterbatch está entre 0% y 2%, no obstante, es mayor cuando se aumenta en el material al 4% . El esfuerzo de cedencia para 4% de MB es de 0.92 ± 0.10 MPa, para 2% de MB es de 0.64 ± 0.08 MPa y para 0% de M B es de 0.72 ± 0.13 MPa. El esfuerzo derivado de la fuerza más alta aplicada es la resistencia a la tensión, que es el esfuerzo máximo sobre la curva esfuerzo-deformación. Los valores obtenidos para esta propiedad permanecen cercanos entre s i. El esfuerzo a carga máxima para 0% de M B es de 2.37 ± 0.33 MPa, para 4% de MB es de 2.07 ± 0.43 MPa y para 2% de MB es de 1.66 ± 0.42 MPa. El esfuerzo de ruptura es el último punto sobre la gráfica esfuerzo-deformación donde se presenta la ruptura de la probeta . En general, la formulación aumenta levemente la los valores de esfuerzo cuando se va aumentando el porcentaje de masterbatch en el almidón termoplástico. El esfuerzo de ruptura para 4% de MB es de 0.85 ± 0.48 MPa, para 2% de MB es de 0.82 ± 0.36 MPa y para 0% de M B es de 0.74 ± 0.52 MPa. A l elevar el porcentaje de masterbatch a 4%, el modulo de elastic idad en el material, E, es más elevado. Sin embargo, el valor al elevar el porcentaje a 2% es bastante s imilar en comparación al almidón termoplástico s in masterbatch. El módulo está íntimamente relacionado con la energía de enlace de los átomos. El valor de E para 4% de MB es de 61.18 ± 11.75 MPa, para 2% de MB es de 35.31 ± 8.65 MPa y para 0% de MB es de 37.16 ± 9.39 MPa. La deformación que puede soportar el material s in romperse es el porcentaje de elongación. Los datos obtenidos muestran que el material tiene un valor mayor cuando el almidón termoplástico no tiene masterbatch, que cuando se varía el porcentaje del mismo. La deformación a carga máxima para 0% de MB es de 55.90 ± 7.53 % , para 4% de MB es de 32.33 ± 13.60 % y para 2% de MB es de 29.04 ± 10.90 % . Esta propiedad da información acerca de la ductilidad del material, que en este caso resulta ser más dúctil el material s in M asterbatch. 4.2.- PRUEBA DE DUREZA por ASTM D 2240–05: Standard Test M ethod for Rubber Property—Durometer Hardness Este método de prueba permite medidas de dureza basadas en la indentación inicial o indentación luego de un periodo de tiempo, o ambas, cuando el indentador es forzado en un material bajo condiciones específicas. Envuelve doce diferentes tipos de dispositivos para la medida de dureza, que para el caso de esta investigación se



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utiliza el de T ipo A: para caucho vulcanizado suave, caucho natural, nitrilos, termoplásticos, elastómeros y poliacrílicos flexibles. Los valores se encuentran en unidades del Sistema Internacional, que son consideradas como el estándar. Este método de prueba es una prueba empírica principalmente para objetivos de control . Ninguna relación simple existe entre la dureza de indentación determinada por este método de prueba y cualquier propiedad fundamental del material probado. La Figura 4-6 [14], muestra el tipo de Indentador utilizado para la aplicación de esta prueba:

Figura 4-3. Indentador T ipo A para la prueba de Dureza por ASTM D 2240–05 4.2.1.- EQUIPOS UTILIZADOS DURANTE LA PRUEBA • Dispositivo de Prueba de Dureza Shore A. Durómetro Shore Bareiss 7938.

Este, se compone básicamente de M esa de soporte del espécimen, Carátula de retorno del valor medido y un Pie de presión con indentador T ipo A .

4.2.2.- MATERIAL UTILIZADO DURANTE LA PRUEBA Para esta prueba se utilizó el Modelo 02: Probeta Rectangular con 6.35 cm de largo x 1.27 cm de ancho. Para cada Formulación se toma un número de 10 muestras colocadas una sobre otra, así: diez muestras para 0% de Masterbatch, diez muestras para 2% de Masterbatch y diez muestras para 4% de M asterbatch. Las muestras son homogéneas y representativas del material. Espécimen con 0% de MB: 6.00 mm Total de espesor. Espécimen con 2% de MB: 6.16 mm Total de espesor. Espécimen con 4% de MB: 6.08 mm Total de espesor. Para información de espesores ver Anexo-04. Para las condic iones de ensayo se tienen iguales valores que para las condic iones de almacenamiento para todas las probetas, estas son: Temperatura de 23±2 ºC . Humedad relativa de 50±5%. Las probetas son colocadas en esta forma para alcanzar un equivalente de espesor total mayor a 6.0 mm. Las superfic ies de los especimenes son planas y paralelas


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sobre un área determinada para permitir el contacto directo y estabilidad con el pie de presión al momento de la indentación. 4.2.3.- PROCEDIMIENTO Lo primero a realizar, es calibrar el dispositivo de prueba. Luego, se ajusta el pie de presión para soportar el paralelismo de la mesa. Es necesario realizar ajustes cada vez que se mueva la mesa de soporte cuando se acomodan los especimenes de prueba al variar las dimensiones que se tienen para cada formulación. Se ajusta la distancia vertical desde el pie de presión a la superfic ie de contacto del espécimen de prueba a 25.4 ± 2.5 mm. Al instante, se coloca el espécimen en la mesa de soporte, de manera que el punto de contacto del indentador a una distancia menor del borde del espécimen de prueba. Luego, se hace funcionar la palanca para aplicar el espécimen el indentador en una manera que asegure el contacto paralelo del espécimen al pie de presión del durómetro sólo con la fuerza sufic iente para vencer la fuerza del resorte calibrada. Una vez que el pie de presión está en el contacto con el espécimen, la lectura máxima que indica debe ser registrada. La Figura 4-6 ilustra el montaje de la prueba de las diez muestras para un Modelo 02 de Probeta para cada Formulación:

0% MB 2% MB 4% MB

Figura 4-4. Prueba de Dureza por ASTM D 2240–05 para diez probetas Modelo 02 de cada Formulación: 0% MB, 2% MB y 4% MB. Fotografía a escala 1x. 4.2.4.- RESULTADOS La Tabla 4-4 muestra un resumen de los resultados obtenidos en la Prueba de Dureza Shore A para 0% de M asterbatch, 2% de Masterbatch y 4% de Masterbatch. Para más detalles ver Anexo-05.



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Medición Shore A para 0 % de MB

Shore A para 2 % de MB


1 69 70 72 2 73 72 76 3 73 74 80 4 70 76 76 5 74 76 81

Media 71.77 73.56 76.93 Desv. Estándar 2.16 2.60 3.60

Int. de Confianza* 1.90 2.28 3.16 Tabla 4-4. Resultados de la Prueba de Dureza Shore A para 0% de Masterbatch, 2% de M asterbatch y 4% de M asterbatch. * El nivel de s ignificación (Alfa) utilizado para calcular el intervalo de confianza es de 0,05 indicando un nivel de confianza de 95% . La Desviación estándar, es la desviación de la población para el rango de datos. 4.2.5.- ANÁLISIS DE RESULTADOS La resistencia del material al ser indentado nos revela la dureza del espécimen de prueba. Los datos obtenidos muestran que el material tiene un valor mayor de dureza shore A cuando a la formulación del almidón te rmoplástico le es elevado el porcentaje de masterbatch al 4%, que cuando no tiene o cuando es elevado al 2%. La dureza shore A para 4% de MB es de 79.93 ± 3.16, para 2% de M B es de 73.56 ± 2.28 y para 0% de MB es de 71.77 ± 1.90. Esta propiedad da información acerca de lo blando que es este material, que en este caso resulta ser más blando el material sin masterbatch.


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5. PRUEBA DE BIODEGRADA CIÓN por ASTM D 5988-03 La prueba es llevada a cabo en las instalaciones del CITEC bajo la norma ASTM D 5988-03: M étodo de Prueba Estándar para Determinar Biodegradación Aeróbica en Suelo de M ateriales Plásticos o Materiales Plásticos Residuales Después del Compostaje. Este método de prueba es para la determinación del grado y la tasa de biodegradación aeróbica de materiales poliméricos en el contacto con el suelo, o una mezcla de suelo y abono orgánico maduro, en condiciones de laboratorio. El método es diseñado para evaluar la biodegradación de materiales poliméricos con relación a un estándar en un ambiente aeróbico. Es diseñado para ser aplicable a todos los materiales poliméricos que no son inhibitorios a la presencia de hongos y bacterias en suelo y abono orgánico. Los valores declarados en el sistema de unidades del SI son considerados como el estándar. Este método ASTM de prueba es equivalente al ISO 17556:2003. 5.1.- GENERALIDA DES DE LA PRUEBA El método de prueba consiste en la selección de material polimérico para la determinación de degradación aeróbica, teniendo el suelo como una matriz y la fuente de inóculo, exponiendo el material midiendo el dióxido de carbono desarrollado por los microorganismos como una función de tiempo, y evaluando el grado de biodegradación. La producción de CO2 medida para un material, es medida con respecto al tiempo, del cual el grado de biodegradación es evaluado. El grado y tasa de biodegradación aeróbica del material en el ambiente determinan el grado y período de tiempo al cual el polímero puede ser mineralizado. El suelo es una fuente muy rica para las especies de inóculo para la evaluación de la biodegradación de polímeros en el ambiente. Cuando es mantenido apropiadamente en cuanto a condic iones de humedad y disponibilidad de oxígeno, la actividad biológica es completamente considerable, aunque es un poco más baja que en ot ros ambientes biológicamente activos, como lodo de las aguas residuales o abono orgánico. 5.2.- EQUIPOS UTILIZA DOS DURA NTE LA PRUEBA Dispositivo de Prueba. Equipo de Incubación de contacto del suelo. Este, se compone básicamente de: Disecadores, recipientes que puedan ser sellados herméticamente. Para la prueba se necesita: un disecador por material de prueba, o sea, tres. Vasos de Precipitado, juegos de 150 y 100 mL, igual en número a los recipientes de incubación. Platos perforados, un juego para sostener los vasos de precipitados encima del suelo dentro de cada recipiente. Cámara Oscurecida o Gabinete, en el cual la temperatura es mantenida en 21 ± 2°C. Ver Figura 4-1 [15]:



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Figura 5-1. Equipo de Incubación para prueba Biodegradación: 1- Solución de hidróxido de potasio (KOH). 2- suelo/tierra. 3- agua. 4- plato perforado. • Equipo Analítico. Este, se compone básicamente de: Balanza Analítica, para

pesar el espécimen de prueba. Bureta, 100 mL. Horno, se pone a 104 ± 1°C para determinaciones de humedad. pH metro, para determinaciones de pH.

5.3.- REACTIVOS Y MATERIALES • Reactivos. Los reactivos cumplen las especificaciones del Committee on

Analytical Reagents of the American Chemical Society para la pureza de los reactivos químicos. Los reactivos son los siguientes:

Fosfato de Amonio, NH4Fe(SO 4)2, 4.72 g/L.

Solución de hidróxido de potasio (KO H, 0.5 N). Este, se prepara disolviendo 28 g de KOH/L de agua destilada. Se filtra para que quede libre de materiales sólidos y se confirma la normalidad titulando con ácido estándar. Luego, se almacena sellada la solución para prevenir absorción de CO 2 del aire. Se preparan 20 L al mismo tiempo para que esté listo al poner a correr las 3 pruebas.

Ácido Hidroclórico, 0.25 N HCl para 0.5 N KOH.

• Suelo/Tierra. El suelo es una muestra de tierra natural obtenida de una fuente

confiable autorizada por el ICA (Instituto Colombiano Agropecuario). Este suelo es manejado de tal manera que no inhibe la actividad de los microorganismos. No ha sido expuesto a contaminantes que pueden causar una perturbación significativa de la población microbiana. El tamaño de partícula es de 2 mm. Las piedras, u otros materiales inertes se remueven. La tierra se almacena entonces en un contenedor sellado en 4 ± 1°C por un máximo de un mes.

Para especificaciones técnicas del suelo, ver Anexo-07. El pH debe estar entre 6.0 y 8.0. (Una tierra con un pH encima 8.0 puede retener más del CO 2 desarrollado por los microorganismos que un suelo neutro, y el suelo con un pH abajo 6.0 puede tener una población microbiana atípica.)

• Espécimen de Prueba. Para esta prueba se utilizó el Modelo 03: Probeta

C ircular con diámetro de 6.75 cm. De una población de 10, se selecciona una


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muestra representativa del material. Es este casó, se selecciona una muestra representativa de 0.50 mm de espesor para almidón termoplástico con 0% de Masterbatch, almidón termoplástico con 2% de Masterbatch y almidón termoplástico con 4% de M asterbatch. Cada espécimen es homogéneo y representativo del material.

Las muestras son de forma y tamaño uniforme. El espécimen de prueba pesa 2.2499 g para 0% de M B, 2.6133 g para 2% de MB y 2.9265 g para 4% de MB.

Las muestras además tienen un contenido de carbón suficiente para ceder el dióxido de carbono: El espécimen de prueba tiene 40.00% de C para 0% de MB, 39.217% de C para 2% de M B y 38.434% de C para 4% de MB. Para detalles favor ver Anexo-08.

5.4.- PROCEDIMIENTO Se colocan 500 g de tierra en el fondo del disecador. Se enmienda la tierra con el nitrógeno para dar un C:N de 20:1 (por el peso) al carbón añadido en el espécimen de prueba añadiendo el volumen apropiado de la solución de fosfato de amonio. Para el espécimen de prueba de 0% de Masterbatch se añaden 228 mL de solución de NH4Fe(SO 4)2. Para el espécimen de prueba de 2% de M asterbatch se añaden 260 mL de solución de NH4Fe(SO 4)2. Para el espécimen de prueba de 2% de Masterbatch se añaden 285 mL de solución de NH4Fe(SO4)2. Para detalles favor ver Anexo-09. Se añade el agua destilada hasta que el contenido de humedad del suelo quede del 80 al 100 % . Para esta investigación se fijó en 76% de humedad. Luego, se añade el espécimen de prueba, y se mezcla el suelo a fondo. La Figura 5-1 muestra el monaje inic ial de la prueba:

0% MB 2% MB 4% MB

Figura 5-2. Prueba de Biodegradación por ASTM D 5988-03 para una probeta de cada Formulación: 0% MB, 2% M B y 4% MB. Fotografía a escala 1x. Se colocan 20 mL de 0.5 N KOH en vaso de precipitado de 100-mL y 50 mL de agua destilada en un vaso de precipitado de 100-mL en el plato perforado dentro del recipiente; luego, se sella el recipiente y se coloca en la cámara oscura a 21 ± 2 °C .



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5.5.- RESULTA DOS La biodegradación del material es determinada mediante el registro en los cambios de concentración del KOH que se encuentra dentro del disecador. Esta biodegradación, es respaldada mediante un registro fotográ fico efectuado en el momento en que se hace la titulación. El peso final del material al final de la prueba no fue determinado dado el alto deterioro que se presentó en los especimenes de muestra. 5.5.1.- EVOLUCIÓN DEL CO2 EN EL TIEMPO El dióxido de carbono producido en cada recipiente reacciona con el KOH. La cantidad de dióxido de carbono producido es determinada por titulación. El KOH se encuentra inicialmente a 0.5 N en estado básico. Al momento de la titulación, el HCL se encuentra a 0.25 N. El indicador para la titulación es Fenolftaleína de laboratorios Merk. El volumen de HCL requerido para la titulación es registrado. Con este valor, se obtiene el cambio en la concentración del KOH mediante la relación: [Concentración de KOH]*[Volumen de KOH] = [Concentración de HCl]*[Volumen de HC l]. De esta forma se obtiene el cambio en la concentración del KOH. Al final de la titulación, se reemplaza el KOH por una nueva solución de 20 mL a 0.5 N. Este procedimiento se repite en cada medic ión. El dióxido de carbono desarrollado en mg es calculado así: mg de CO 2 = ((0.05 N) x mL HCL x 44) / 2. La Tabla 5-1 muestra los resultados obtenidos en la Prueba de Biodegradación para el Almidón Termoplástico con 0% de Masterbatch:

Día de Medición* HCl requerido Cambio en la Concentración mg de CO2

[Ml HCl] del KOH N [mg] 3 1.4 0.0175 1.54 11 1.9 0.0238 2.09 14 1.5 0.0188 1.65 19 1.7 0.0213 1.87 25 1.8 0.0225 1.98 31 1.7 0.0213 1.87

TOTAL 10 0.1250 11 Tabla 5-1. Resultados de la Prueba de Biodegradación para A lmidón Termoplástico con 0% de M asterbatch. *La fecha de inicio de la prueba es: 25-MAYO-07. Los días correspondientes a los días de medición se muestran a continuación: Día de M edic ión 03: 28-MAYO-07. Día de Medición 11: 05-JUNIO-07. Día de M edición 14: 08-JUNIO-07. Día de Medición 19: 13-JUNIO-07. Día de M edición 25: 19-JUNIO-07. Día de M edición 31: 25-JUNIO-07. La Tabla 4-2 muestra los resultados obtenidos en la Prueba de Biodegradación para A lmidón Termoplástico con 2% de Masterbatch:


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Día de Medición HCl requerido Cambio en la Concentración mg de CO2

[mL] del KOH N [mg] 3 1.2 0.0150 1.32 11 1.7 0.0213 1.87 14 1.5 0.0188 1.65 19 1.2 0.0150 1.32 25 1.8 0.0225 1.98 31 1.7 0.0213 1.87

TOTAL 9.1 0.1138 10.01

Tabla 5-2. Resultados de la Prueba de Biodegradación para A lmidón Termoplástico con 2% de M asterbatch. La Tabla 4-3 muestra los resultados obtenidos en la Prueba de Biodegradación para A lmidón Termoplástico con 4% de Masterbatch:

Día de

Medición HCl requerido Cambio en la Concentración mg de CO2 [mL] del KOH N [mg] 3 0.8 0.0100 0.88 11 1.4 0.0175 1.54 14 0.9 0.0113 0.99 19 1.1 0.0138 1.21 25 1.4 0.0175 1.54 31 1.6 0.0200 1.76

TOTAL 7.2 0.0900 7.92 Tabla 5-3. Resultados de la Prueba de Biodegradación para A lmidón Termoplástico con 4% de M asterbatch. La Figura 5-3 muestra la evolución del dióxido de carbono producido por los microorganismos durante la Prueba de Biodegradación para A lmidón Termoplástico con 0%, 2% y 4% de M asterbatch:

Evolución del CO2 en el Tiempo

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3 11 14 19 25 31

Día de Medición [días]

CO2

[mg] 0% de MB

2% de MB4% de MB



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Figura 5-3. Evolución del CO2 producido por los microorganismos en la Prueba de Biodegradación por ASTM D 5988-03. 5.5.2.- REGISTRO FOTOGRÁFICO DE LA BIODEGRADACIÓN Mediante el registro fotográfico se ve de forma gráfica la biodegradación del material. La Figura 5-4 muestra la evolución fís ica de cambios que sufre el material a través del tiempo para las condiciones de prueba establecidas.

Día 03 Día 11 Día 14 Día 19 Día 25 Día 31

Figura 5-4a. Cambios fís icos que sufre el A lmidón Termoplástico al ser atacado por los microorganismos en la Prueba de Biodegradación por ASTM D 5988-03. Cada fotografía a escala 1x.


Figura 5-4b. Cambios físicos que sufre el Almidón Termoplástico con 2% de Masterbatch al ser atacado por los microorganismos en la Prueba de Biodegradación por ASTM D 5988-03. Cada fotogra fía a escala 1x.


Figura 5-4c. Cambios físicos que sufre el A lmidón Termoplástico con 4% de Masterbatch al ser atacado por los microorganismos en la Prueba de Biodegradación por ASTM D 5988-03. Cada fotogra fía a escala 1x. 5.5.3.- M IRADA ESTEREOSCÓPICA AL FINAL DE LA PRUEBA Los microorganismos consumieron el material para todos los casos casi en su totalidad. La figura 5-5 muestra a una escala de 10x el ataque de los microorganismos al los restos de material al finalizar la prueba:


36

0% MB 2% MB 4% MB

Figura 5-5. A taque de microorganismos al los restos de material al finalizar la prueba. Fotografía a escala 10x. El equipo utilizado fue un Estereoscopio VM Olympus Tokio. Ref: 297566. Aumento: G10x. 5.6.- ANÁLISIS DE RESULTA DOS La evolución de CO2 a través del tiempo, como muestra la Figura 5-3, es más rápida cuando el Almidón Termoplástico se encuentra s in Masterbatch. Sin embargo, en los días finales de la prueba, la producción de CO2 es bastante similar. Esto, ocurre porque al principio de la prueba los microorganismos presentan más dificultad al momento de romper los enlaces del material, lo gránulos no son penetrados por la enzima. Pero, una vez la producción de enzimas en los microorganismos fragmentan el material para su nutric ión se encuentran pequeños deterioros en la superficie. Cuando esto sucede, los microorganismos comienzan a actuar más rápidamente. El registro fotográfico de la Figura 5-4 respalda los resultados obtenidos en la evolución del CO2. Los cambios físicos del material son más notables al final de la prueba que al principio. Las bacterias, hongos y sus enzimas consumen el material como fuente de alimentación, desapareciendo su forma original. Esto, ocurre relativamente rápido, en condiciones apropiadas. Con resultados obtenidos en la Tabla 5-1, Tabla 5-2 y Tabla 5-3, se puede decir que el porcentaje de masterbatch retrasa el proceso de biodegradación del material para las condic iones establecidas en esta investigación. El masterbatch negro tiene una parte de negro de humo que viene mezclado con una base de poliestireno, que definitivamente está haciendo efecto en la biodegradación. Por otra parte, en las pruebas mecánicas el almidón termoplástico con 4% de masterbatch presentó un comportamiento más rígido que con 2% y 0% . Esto, nos lleva a pensar que en este material tenemos un mayor número de puntos de entrecruzamiento entre las cadenas que afectan directamente el proceso de biodegradación enzimático del polímero.



37

CONCLUSIONES Se desarrolló una lámina termoplástica flexible a base de almidón de maíz, con propiedades mecánicas estables, capaz de biodegradarse por acción enzimática. Este polímero, proporciona oportunidades de reducir la basura sólida municipal a través del reciclaje biológico al ecosistema y pueden sustituir algunas aplicaciones de productos plásticos s intéticos convencionales. A l elevar el porcentaje de Masterbatch en el almidón termoplástico, el modulo de elasticidad en el material, E, es más elevado. La forma de la pendiente , en la grafica de esfuerzo-deformación indica que se requieren mayores fuerzas para separar los átomos y hacer que el material se deforme elásticamente cuando tiene mayor contenido de masterbatch. La resistencia del material al ser indentado nos revela la dureza del espécimen de prueba. Los datos obtenidos muestran que en general el material es excepcionalmente blando, s in embargo resulta ser aun más blando sin masterbatch. Esta propiedad, puede ser tenida en cuenta al momento de crear elementos en aplicaciones que requieran un efecto de amortiguación en el diseño. La evolución del CO2 a través del tiempo, es más rápida cuando el A lmidón Termoplástico se encuentra s in M asterbatch. Sin embargo, en los días finales de la prueba, la producción de CO2 es similar. Los cambios fís icos son más notables al final de la prueba que al principio. Las bacterias, hongos y sus enzimas consumen el material como fuente de alimentación, desapareciendo su forma original. Esto, ocurre relativamente rápido, en condic iones apropiadas como las desarrolladas en este proyecto. El porcentaje de masterbatch retrasa el proceso de biodegradación del material para las condic iones establecidas en esta investigación. El masterbatch negro tiene una parte de negro de humo que viene mezclado con una base de poliestireno, que definitivamente está haciendo efecto en la biodegradación. Por otra parte, en las pruebas mecánicas el almidón termoplástico con 4% de masterbatch presentó un comportamiento más rígido que con 2% y 0% . Esto, nos lleva a pensar que en este material tenemos un mayor número de puntos de entrecruzamiento entre las cadenas que afectan directamente el proceso de biodegradación enzimático del polímero.


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REFERENCIAS [1 ]. AMERICAN SOCIETY FOR TESTING AND MATERIALS. STANDARD TERM INOLOGY RELATING TO PLASTICS. ASTM D883-00 . [2 ]. R. CHANDRA, RENU RUSTGI. BIODEGRADABLE POLYMERS. DEPARTMENT O F POLYMER TECHNOLOGY AND APPLIED CHEMISTRY, DELHI COLLEGE O F ENGINEERING, DELHI-110006, INDIA [3 ]. JACQUELINE I . KRO SCHWITZ. MARK, HERMAN FRANCIS, 1895. ENCYCLOPEDIA O F PO LYMER SCIENCE AND ENGINEERING / EDITORIAL BO ARD, HERMAN FRANCIS. MARK ... [ET AL .] ; EDITO R-IN-CHIEF. V .1 – V .17 . [4 ]. L . KAPLAN, EDWIN L ., PH.D . THOMAS, C. T. K. CHING. BIODEGRADABLE POLYMERS AND PACKAGING. 1993 - TECHNOMIC PUB. CO LANCASTER. [5 ]. YSACURA, MARLENYS. POLIMERO S Y BIOMOLECULAS. PERÚ: ILUSTRADOS.COM, 2005. P 10-11. [6 ]. SMITH, RAY. (2005 ). BIODEGRADABLE POLYM ERS FO R INDUSTRIAL APPLICATIONS. CAMBRIDGE, GBR: WOODHEAD PUBLISHING, LIM ITED. COPYRIGHT © 2005. [7 ]. JEROEN J.G . VAN SOEST, S.H .D. HULLEMANA, D . DE WITA, J .F .G . VLIEGENTHARTB. CRYSTALLINITY IN STARCH BIOPLASTICS. AGROTECHNOLOGICAL RESEARCH INSTITUTE, WAGENINGEN , NETHERLAND. DEPARRMENT OF BIO -ORGANIC CHEMISTRY, BIJVOET CENTEL: UTRECHT CJNIVERSI, 1995 . [8 ]. L . KUUTTIA, J. PELTONENB, P. MYLLA¨RINENC , O . TELEMANC, P. FORSSELLC . AFM IN STUDIES OF THERMOPLASTIC STARCHES DURING AGEING. CHEM ICAL TECHNOLOGY, ESPOO, FINLAND . DEPARTMENT O F PHYSICAL CHEMISTRY, 1998. [9 ]. S itio Web de NatureW orks. http://www.natureworksllc.com/ Recuperado el 10 de Marzo de 2007 de http://www.natureworksllc.com/product-and-applications/natureworks-polymer.as px [9 ]. S itio Web de BASF - The Chemical Company. http://www2.basf.de/ Recuperado el 10 de Marzo de 2007 de: http://www2 .bas f.de/bas f2/html/plastics /englisch/pages/biokstoff/ecoflex.htm#sub01 [11]. PIRKKO M . FO RSSELLA, STEPHAN H .D . HULLEMANB, PA¨IVI J. MYLLA¨RINENA, GRAHAM K. MOATESC, ROGER PARKERC. AGEING OF RUBBERY THERMOPLASTIC BARLEY AND OAT STARCHES. BIOTECHNO LOGY AND FOOD RESEARCH, ESPOO, FINLAND, 1998. [12]. SM ITH , RAY. BIODEGRADABLE POLYMERS FOR INDUSTRIAL APPLICATIONS. CAMBRIDGE, GBR: WOODHEAD PUBLISHING, LIM ITED. COPYRIGHT © 2005. [13]. AMERICAN SOCIETY FO R TESTING AND MATERIALS. STANDARD TEST M ETHOD FO R TENSILE PROPERTIES OF PLASTICS. ASTM D638-03. [14]. AMERICAN SOCIETY FO R TESTING AND MATERIALS. STANDARD TEST M ETHOD FO R RUBBER PROPERTY—DUROMETER HARDNESS. ASTM D2240-05 [15]. AMERICAN SOCIETY FO R TESTING AND MATERIALS. STANDARD TEST M ETHOD FO R DETERMINING AEROBIC BIODEGRADATION IN SOIL OF PLASTIC MATERIALS O R RESIDUAL PLASTIC MATERIALS AFTER COMPOSTING. ASTM D5988-03 [16]. DONALD R. ASKELAND. THE SCIENCE AND ENGINEERING O F M ATERIALS. TERCERA EDICIÓN . CAPITULO 15-7, PAGINA 468. INTERNATIONAL THOMSON EDITORES.



39

BIBLIOGRAFÍA R. CHANDRA AND RENU RUSTGI. BIO DEGRADABLE POLYMERS. PRO GRESS IN POLYMER SCIENCE, VOLUME 23 , ISSUE 7, NOVEMBER 1998 , PAGES 1273-1335. MASAHIKO OKADA. CHEMICAL SYNTHESES OF BIODEGRADABLE PO LYM ERS. PROGRESS IN PO LYMER SCIENCE, VOLUME 27, ISSUE 1 , FEBRUARY 2002, PAGES 87-133. WILLIAM F. SMITH. FUNDAMENTO S DE LA CIENCIA E INGENIERÍA DE MATERIALES. SEGUNDA EDICIÓN, MCGRAW-HILL, (1993).ISBN 84-7615-940-4. JAMES F. SHACKELFORD. INTRODUCTION TO MATERIALS SCIENCE FOR ENGINEERS. MACMILLAN PUBLISHING COMPANY, NEW YO RK.(1992). TERESITA R. CUADRADO Y GUSTAVO A. ABRAHAM. PROPIEDADES M ECÁNICAS DE BIOMATERIALES. INSTITUTO DE INVESTIGACIONES EN CIENCIA Y TECNOLOGÍA DE MATERIALES (INTEMA) (UNM DPCONICET) MICHAEL P. SEPE. DYNAM IC MECHANICAL ANALYSIS FOR PLASTICS ENGINEERING. NORWICH, N .Y. : PLASTICS DESIGN LIBRARY, C1998


40

Anexo-01. Ficha Técnica Almidón de Maíz de Industrias del M aíz S.A .



41

Anexo-02. Ficha Técnica Glicerina de Bell Chem International S.A


42

Anexo-03. Ficha Técnica Masterbatch M BK-280 de Permaquim S.A.



43

Anexo-04. Espesores de Modelo 01, 02 y 03 de probetas para cada Formulación

M odelo 01 [mm ]

Modelo 02 [mm ]

Modelo 03 [mm ]

1 0.840 0 .56 0 .41 2 0.703 0 .63 0 .40 3 0.805 0 .60 0 .73 4 0.824 0 .56 0 .40 5 0.796 0 .62 0 .51 6 0.789 0 .60 0 .48 7 - 0 .55 0 .50 8 - 0 .60 0 .68 9 - 0 .58 0 .47

10 - 0 .60 0.58 Tabla A -4a. Espesor de probeta Modelo 01, 02 y 03 para 0% de MB

M odelo 01 [mm ]

Modelo 02 [mm ]

Modelo 03 [mm ]

1 0.742 0 .60 0 .73 2 0.777 0 .60 0 .80 3 0.781 0 .54 0 .68 4 0.792 0 .59 0 .77 5 0.810 0 .54 0 .50 6 0.773 0 .63 0 .70 7 - 0 .72 0 .61 8 - 0 .64 0 .40 9 - 0 .68 0 .63

10 - 0 .62 0 .68 Tabla A -4b. Espesor de probeta Modelo 01, 02 y 03 para 2% de MB

M odelo 01 [mm ]

Modelo 02 [mm ]

Modelo 03 [mm ]

1 0.738 0 .67 0 .50 2 0.779 0 .62 0 .69 3 0.628 0 .52 0 .68 4 0.793 0 .62 0 .64 5 0.667 0 .58 0 .75 6 0.701 0 .56 0 .63 7 - 0 .59 0 .58 8 - 0 .62 0 .56 9 - 0 .69 0 .62

10 - 0 .61 0 .73

Tabla A -4c. Espesor de probeta M odelo 01, 02 y 03 para 4% de MB


44

Anexo-05. Detalle de datos Prueba de Tensión para cada Formulación • El Esfuerzo de Cedencia se ha determinado con la lectura del punto de

transición en la grafica esfuerzo-deformación entre comportamiento elástico y el plástico del material.

• El Esfuerzo de Tensión se ha determinado con la lectura del punto más alto

sobre la gráfica esfuerzo-deformación donde la resistencia a la tensión se hace máxima.

• El Esfuerzo a la Ruptura se ha determinado con la lectura del último punto sobre

la gráfica esfuerzo-deformación donde se presenta la ruptura del material. • El Modulo de Elasticidad se ha determinado con el cálculo de la pendiente de la

curva esfuerzo-deformación en su región elástica. • El Porcentaje de Elongación ha determinado con el cálculo de: [(lf/lo)/lo], donde

lf se refiere al lo que se alarga plásticamente el material durante la prueba y lo se refiere a la distancia inicial entre las marcas calibradas en cada probeta.

La Figura A -5 muestra gráficamente los resultados obtenidos en la Prueba de Tensión para el almidón termoplástico con 0%, 2% y 4% de M asterbatch.

Prueba de Tensión por ASTM D 638–03 - Almidón Termoplástico con 0% de MB

0.000.501.001.502.002.503.003.50

0

0.01

0.05 0.

10.

15

0.19

0.24

0.29

0.33

0.38

0.43

0.47

0.52

0.56

0.61

Deformación Unitaria [mm/mm]

Esfu

erzo

[MP

a] Probeta 01Probeta 02Probeta 03Probeta 04Probeta 05Probeta 06

Figura A -5a. Comportamiento del material con Formulación 0% de Masterbatch sometido a Prueba de Tensión por ASTM D 638–03



45


0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

0

0.01

0.04

0.08

0.12

0.16 0.2

0.24

0.28

0.31

0.35

0.39

0.43

0.47


Esf

uerz

o [M

Pa] Probeta 01

Probeta 02Probeta 03Probeta 04Probeta 05Probeta 06

Figura A -5b. Comportamiento del material con Formulación 2% de M asterbatch sometido a Prueba de Tensión por ASTM D 638–03


0.000.50

1.001.502.002.50

3.00

0

0.01

0.04

0.08

0.12

0.16 0.2

0.24

0.28

0.31

0.35

0.39

0.43

0.47

0.51

0.55


Esf

uerz

o [M

Pa] Probeta 01

Probeta 02Probeta 03Probeta 04Probeta 05Probeta 06

Figura A-5c. Comportamiento del material con Formulación 4% de Masterbatch sometido a Prueba de Tensión por ASTM D 638–03


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Anexo-06. Detalle de datos Prueba de Dureza para cada Formulación Calculo del espesor total del espécimen para el Modelo 02: Probeta Rectangular con 6.35 cm de largo x 1.27 cm de ancho de cada Formulación.

Número de 0 % de MB 2 % de MB 4 % de MB Muestra [mm] [mm] [mm]

1 0.56 0 .6 0 .67

2 0.63 0 .6 0 .62

3 0.6 0 .54 0 .52

4 0.56 0 .59 0 .62

5 0.62 0 .54 0 .58

6 0.6 0 .63 0 .56

7 0.55 0 .72 0 .59

8 0.6 0 .64 0 .62

9 0.58 0 .68 0 .69

10 0.7 0 .62 0 .61

TOTAL ESPESOR 6 6.16 6.08 Tabla A-6a. Calculo de Espesor total utilizado en Prueba de Dureza para 0% , 2% y 4% de masterbatch. Espécimen con 0% de MB: 6.00 mm Total de espesor Espécimen con 2% de MB: 6.16 mm Total de espesor Espécimen con 4% de MB: 6.08 mm Total de espesor

Medición Shore A para 0 % de MB



1 69 70 72 2 73 72 76 3 73 74 80 4 70 76 76 5 74 76 81

Media 71.77 73.56 76.93 Desv. Estándar 2.16 2.60 3.60

Int. de Confianza 1.90 2.28 3.16 Tabla A -6b. Calculo de Media, Desviación Estándar e Intervalo de Confianza para 0%, 2% y 4% de masterbatch. Fecha de Prueba: Lunes, 28 de mayo de 2007



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Anexo-07. Ficha Técnica Acondicionador O rgánico de Suelo de Naturpaipa LTDA. Fuente. Registro de venta ICA No 4550 a nombre de Naturpaipa LTDA . Producto obtenido a partir del tratamiento controlado de materia orgánica, estiércol de res, minerales y sustancias húmicas. Lote No 03-07. Producido por Naturpaipa LTDA y Amtech LTDA.

Humedad 18.3% Cenizas 40.1% Carbono O xidable 15.4% Capacidad de Intercambio Catiónico 41 m Eq /100 g C/N: Carbono / Nitrógeno 18 Capacidad de Retención de Humedad 142 Densidad 0.39 g/cm3

pH 7.99 Nitrógeno Total NT 0.86% Fósforo Total P2O 5 1.91% Potasio Total K2O 1.71%


48

Anexo-08. Cálculo del % de Carbón para 0% , 2% y 4% de Masterbatch • A lmidón Termoplástico 0% de Masterbatch: 30% de Glicerina: C3H8O3 = [(12*3)+(8*1)+(16*3)] g = 92 g 70% de Almidón de Maíz: C6H12O6 = [(12*6)+(12)+(16*6)] g = 180 g C = [70% Almidón * (72 C/180 g)] + [30% Glicerina * (36C/92 g)] = 0.4 C %C = 40% de C • A lmidón Termoplástico + 2% de M asterbatch: 30% de Glicerina + 70% de A lmidón de Maíz + 2% de Masterbatch: %C = [98% Almidón+Glicerina * (40 C/100 g)] + [2% MB * (12C/14 g)] = 0.39 C %C = 39.217% de C • A lmidón Termoplástico + 4% de M asterbatch: 30% de Glicerina + 70% de A lmidón de Maíz + 2% de Masterbatch: %C = [96% Almidón+Glicerina * (40 C/100 g)] + [4% MB * (12C/14 g)] = 0.38 C %C = 38.434% de C



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Anexo-09. Cálculo del volumen de solución de NH4Fe(SO 4)2 para acondicionar el suelo para cada Formulación

• A lmidón Termoplástico 0% de Masterbatch: 30% de Glicerina + 70% de A lmidón de Maíz + 0% de Masterbatch (2.2499 g)*[(0.4 C/1 g)*(1 g/15 C)*(266 g NH4Fe(SO4)2/14 g N)] = 1.13 g NH4Fe(SO4)2 [1.13 g NH4Fe(SO 4)2]* [(1Lt/5 g NH4Fe(SO 4)2 )*(1000 mL/1Lt)] = 228 mL de solución de NH4Fe(SO 4)2 • A lmidón Termoplástico + 2% de M asterbatch: 30% de Glicerina + 70% de A lmidón de Maíz + 2% de Masterbatch: (2.6133 g)*[(0.39 C/1 g)*(1 g/15 C)*(266 g NH4Fe(SO 4)2/14 g N)] = 1.29 g NH4Fe(SO4)2 [1.29 g NH4Fe(SO 4)2]* [(1Lt/5 g NH4Fe(SO 4)2 )*(1000 mL/1Lt)] = 260 mL de solución de NH4Fe(SO 4)2 • A lmidón Termoplástico + 4% de M asterbatch: 30% de Glicerina + 70% de A lmidón de Maíz + 2% de Masterbatch: (2.9265 g)*[(0.38 C/1 g)*(1 g/15 C)*(266 g NH4Fe(SO 4)2/14 g N)] = 1.42 g NH4Fe(SO4)2 [1.42 g NH4Fe(SO 4)2]* [(1Lt/5 g NH4Fe(SO 4)2 )*(1000 mL/1Lt)] = 285 mL de solución de NH4Fe(SO 4)2

procesamiento de un polÍmero a base de almidÓn de …

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