Resumen:
Los productos derivados del petróleo, aunque son esenciales para la vida diaria, generan una enorme cantidad de residuos plásticos, afectando gravemente la situación medioambiental. Como alternativa, los plásticos biodegradables ofrecen una solución efectiva a esta problemática. Dentro de de los materiales más atractivos en la búsqueda del reemplazo de plásticos derivados del petróleo, el almidón, un polímero natural presente en plantas como el maíz, la papa y la mandioca, entre muchas otras, destaca por su bajo costo, biodegradabilidad, compostabilidad y naturaleza renovable. El almidón termoplástico (TPS) se obtiene mediante un proceso a altas temperaturas y esfuerzo mecánico en presencia de plastificantes. Este material presenta grandes ventajas, destacandose por su potencial de tener una menor huella de carbono en comparación con los polímeros derivados del petróleo debido a su ciclo de vida y origen reno- vable. Por su gran flexibilidad puede ser moldeado usando técnicas de procesamiento similares a las utilizadas en la industria de los plásticos convencionales, lo que facilita su empleo en una amplia variedad de aplicaciones. Sin embargo, los almidones termoplásticos tienen limitaciones como el envejecimiento y propiedades mecánicas y resistencia al agua inferiores a las de los plásticos convencionales. En este contexto, para mejorar el desempe ̃no de estos materiales, se han desarrollado estrategias como la combinación con otros polímeros, siendo el ácido poliláctico (PLA) una de las opciones más prometedoras debido a su alta resistencia mecánica, fácil procesamiento y gran transparencia. A su vez, como su fragilidad y alto costo limitan las aplicaciones del PLA, las mezclas TPS-PLA permiten lograr materiales biodegradables de buen desempe ̃no y costo reducido, ideales para aplicaciones como envases alimentarios que reduzcan el impacto ambiental. No obstante, los materiales a partir de mezclas de PLA-TPS presentan pobre adhesión interfacial debido a sus diferencias en estructura química y propiedades térmicas, que dificulta la formación de una interfaz homogénea afectando las propiedades del material final. Para mejorar la compatibilidad sin comprometer la biodegradabilidad, se han explorado compatibilizantes naturales como aceites naturales, ácidos grasos, plastificantes u otros polisacáridos. Estos aditivos pueden mejorar la adhesión interfacial sin recurrir a compuestos sintéticos que podrían afectar la sostenibilidad del material resultante. Por otro lado, en el área de envasado se han desarrollado nuevos materiales que permiten extender la vida útil de los alimentos sin comprometer su calidad ni el sabor del alimento. Ciertos aditivos naturales, denominados activos, pueden actuar como agentes antimicrobianos, fungicidas y antioxidantes, ayudando a preservar los alimentos en mayor medida. Los extractos de plantas, especias y hierbas contienen compuestos antioxidantes, como los polifenoles, que se utilizan en la producción de envases activos. En este contexto, el trabajo de tesis consistió en el desarrollo de materiales biodegradables y activos a partir de mezclas de PLA y TPS, en diferentes proporciones (100:0, 80:20, 70:30 y 60:40), utilizando glicerol y polietilenglicol (PEG) como plastificantes y posibles compatibilizantes, y extractos de yerba mate como agentes antioxidantes, haciendo uso de una tecnología de proceso tradicionales en la industria de los plásticos como es la extrusión y una accesible e innovadora en el sector de alimentos como es la impresión 3D. El TPS empleado en las mezclas se desarrolló a partir de distintas fuentes botánicas, específicamente maíz, papa y mandioca. Para la caracterización, no se tuvo en cuenta los materiales desarrollados a partir de almidón de papa, debido a que la mezcla inicial formó un fluido no newtoniano. Debido a esto, debieron modificarse las cantidades, resultando no comparables con los otros sistemas. Se fabricaron pellets de TPS, que luego fueron mezclados con pellets comerciales de PLA para obtener filamentos compatibles con impresión 3D. A partir de ellos, se desarrollaron películas por moldeo por compresión y distintas piezas por impresión 3D. Las películas se caracterizaron evaluando el efecto de las distintas fuentes de almidón mediante microscopia óptica, FTIR-ATR, ensayos de tensión uniaxial y degradación en compost vegetal. Los resultados obtenidos muestran que el uso de glicerol y PEG como compatibilizantes dieron como resultado materiales con separación de fases, observada en mayor grado para el sistema preparado a base de almidón de maíz. Sin embargo, se observó la interacción entre los polímeros a través de enlaces de hidrógeno, logrando películas con valores de módulo de Young tres órdenes de magnitud superiores al TPS. Las muestras de PLA-almidón de maíz se fragmentaron en mayor medida en compost vegetal, sugiriendo una menor adhesión con el PLA respecto del almidón de mandioca. Las películas ricas en polifenoles se prepararon particularmente con fuente de almidón de mandioca, incorporando extracto acuoso de yerba mate, y se caracterizaron con el objetivo de evaluar el efecto del extracto en sus distintas preparaciones mediante microscopía óptica, FTIR-ATR y ensayos de tensión uniaxial. Además, se calculó el contenido total de polifenoles como posible agente antioxidante. Los sistemas con extracto de yerba mate con partículas de mayor tama ̃no, incoroporaron mayor contenido de polifenoles, y condujeron a una distribución más homogénea de la fase del TPS. En todos los casos, el extracto mostró un posible efecto plastificante y a la vez de refuerzo. El doble efecto de vio más marcado con el aumento de la cantidad de yerba mate empleada para la preparación. Por último, se caracterizaron diferentes tipos de piezas impresas a partir de filamentos PLA-TPS de almidón de mandioca con y sin incorporación de extracto. Se evaluó el efecto del agregado de TPS observando un aumento en la rugosidad de las piezas y en la delaminación, pero un aumento en la absorción de agua de solo un 10 % respecto de las piezas de PLA, incluso en el caso del uso de la mayor concentración de TPS (40 %). Este resultado es muy positivo de acuerdo con los índices de absorción de agua de materiales de almidón termoplástico. Luego, evaluando el efecto del extracto, se obtuvo una significativa mejora en la adherencia entre capas y en la absorción de agua, diferenciandose del PLA en apenas un 8 %. Los materiales desarrollados a partir de las mezclas de PLA-TPS con extracto de yerba mate muestran gran potencial para ser utilizados como envases activos sostenibles y de alto valor agregado en forma de películas felxibles o de piezas impresas en 3D. El uso de materiales biodegradables y con capacidades funcionales, logrados principalmente a partir de recursos renovables de nuestro país, podría contribuir no solo con el ambiente, sino también con el provecho de materia prima Argentina de poca salida comercial.
Citación:
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Pajoni, Julieta. (2025). Optimización en las variables de extrusión en el desarrollo de filamentos amigables con el medio ambiente y su empleo en impresión 3D. (Tesis de Grado. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/seminario_nFIS000238_Pajoni
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Pajoni, Julieta. "Optimización en las variables de extrusión en el desarrollo de filamentos amigables con el medio ambiente y su empleo en impresión 3D". Tesis de Grado, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2025.https://hdl.handle.net/20.500.12110/seminario_nFIS000238_Pajoni
