Introducción a los Bioplásticos y Polímeros

Introducción a los Bioplásticos

• Los bioplásticos son derivados de productos vegetales, a diferencia de los plásticos convencionales que provienen del petróleo.
• Los aceites de soja, el almidón demaíz o de patata son ejemplo de materiales de origen vegetal a partir de los cuales se fabrican los bioplásticos.
• Los plásticos tradicionales se sintetizan mediante la industria petroquímica.
• El ácido poliláctico (PLA), sintetizado a partir del maíz, es la alternativa más desarrollada a los plásticos.

Definición IUPAC de Polímero de Base Biológica

• Un polímero de base biológica se deriva de la biomasa o de monómeros derivados de la biomasa.
• En algún punto de su procesamiento, este polímero puede ser moldeado por flujo.
• El término "bioplástico" es generalmente utilizado como lo opuesto a un polímero derivado de recursos fósiles.
• El término "bioplástico" puede ser engañoso e induce a pensar que cualquier polímero derivado de la biomasa es inherentemente amigable con el medio ambiente.
• Se prefiere el término "polímero de base biológica" en lugar de "bioplástico".
• La superioridad ambiental de un polímero de base biológica sobre uno de base petroquímica solo se determina mediante la evaluación y comparación de sus ciclos de vida.

Biodegradación

• La biodegradabilidad es utilizada como estrategia de fin de vida útil para eliminar productos desechables de un solo uso del medio ambiente.
• Este proceso ocurre de forma segura y eficaz vía la asimilación microbiana.
• Aspectos importantes de la biodegradación:
  • El entorno de disposición (compostaje, digestión anaeróbica, marino, vertedero).
  • El tiempo necesario para la biodegradación completa.
  • La biodegradación parcial es inaceptable debido a las consecuencias graves para la salud y el medio ambiente.

Tipos de Polímeros

• Los polímeros se clasifican en naturales (celulosa, almidón, caucho) y sintéticos.
• Los polímeros sintéticos incluyen plásticos, fibras (poliamidas, poliéster) y elastómeros (neopreno).
• Los plásticos se dividen en termoplásticos (polietileno) y termoestables (baquelita).

Clasificación de Termoplásticos

• Los termoplásticos se clasifican en:
  • "Commodities": PS, PVC, SAN, PP, LDPE, HDPE (Amorfos y Semicristalinos).
  • "Ingeniería": PC, PPO/PS, ASA, ABS, PMMA, PET, EVOH, PA6; 6.6, EVA (Amorfos y Semicristalinos).
  • "Especiales": PI, PPS, PEI, PES, PTFE, PA11, PA12, PVDF, PVDC, PPS (Amorfos y Semicristalinos).
• La clasificación considera el precio, los beneficios y el volumen de consumo.

Fabricación y Procesamiento de Polímeros

• El proceso de polimerización transforma unidades básicas o monómeros en macromoléculas o polímeros de alto peso molecular.
• Los polímeros pueden convertirse en cauchos, plásticos, fibras, adhesivos y recubrimientos.
• En el procesamiento de plásticos se utilizan plastificantes, estabilizadores y rellenos.

Biopolímeros y sus Derivados

• Los biopolímeros pueden ser de base biológica y no biodegradables (BioPE, BioPP, BioPA, BioPVC) o compostables/biodegradables (PLA, PHA, PBS, mezclas de almidón).
• Los derivados del petróleo pueden ser no biodegradables (PE, PP, PET, PVC, PS, PA, PVC, PMMA, PC) o biodegradables (PBAT, PCL).

Uso de la Tierra para Bioplásticos (2014 y 2019)

• Área terrestre global total: 13.4 billones de hectáreas (100%).
• Área agrícola global: 5 billones de hectáreas (37%).
• Área agrícola global se divide en:
  • Pastizales: 3.5 billones de hectáreas (70%).
  • Tierras Arables: 1.4 billones de hectáreas (30%).
  • Alimentos y Piensos: 1.24 billones de hectáreas (26%).
  • Uso de Materiales: 106 millones de hectáreas (2%) incluyendo tierras en barbecho aprox. 1%.
  • Biocombustibles: 53 millones de hectáreas (1%).
• Uso de la superficie para Bioplásticos:
  • 2014: 0.68 millones de hectáreas (0.01% del área agrícola global).
  • 2019: 1.4 millones de hectáreas (0.02% del área agrícola global).

Demanda Europea de Plásticos (2013)

• La demanda total fue de 46.3 Mtonne.
• Distribución por segmento:
  • Embalaje: 39.6%
  • Otros: 21.7% (incluye sectores como consumo y electrodomésticos, muebles, deporte, salud y seguridad).
  • Construcción: 20.3%
  • Automotriz: 8.5%
  • Eléctrico y Electrónico: 5.6%
  • Agricultura: 4.3%

Plásticos Biodegradables por Segmento de Mercado (2019)

• Empaquetado flexible: 43%
• Empaquetado rígido: 16%
• Agricultura y horticultura: 14%
• Recubrimientos y adhesivos: 9%
• Bienes de consumo: 8%
• Textiles: 5%
• Edificación y construcción: 2%
• Automoción y transporte: 1%
• Otros: 2%

Capacidades de Producción Global de Bioplásticos

• En 2019, la capacidad total fue de 7,848 miles de toneladas.
• Incluye:
  • Biodegradable: 1,287 miles de toneladas.
  • Base biológica/no biodegradable: 6,561 miles de toneladas.

Polímeros Biodegradables Comerciales Principales

• Poli(ácido láctico)
  • Tm (°C): 135-175
  • Fabricantes: NatureWorks Co., Shimadsu Co., Mitsui Toatsu Chem., Purac, Galactic.
• Poli(caprolactona)
  • Tm (°C): 60
  • Fabricantes: Solvay Interox (CAPA), Union Carbide (TONE), Daicel chemical Ind.
• Poli(tetrametileno adipato-co-tereftalato)*
  • Tm (°C): 105-115
  • Fabricantes: Eastman Chem/Navamont (Eastar Bio), BASF (Ecoflex).
• Poli(butileno/etileno-co-adipato/succinato)
  • Tm (°C): 120-160
  • Fabricante: Showa HighPolymers (Bionolle).
• Poli(butileno-co-adipato-co-caprolactame)
  • Tm (°C): ~125
  • Fabricante: Bayer (Wolff Walsrode) (BAK 1095).
• *Mezclado con almidón: Biocorp, Bioplastics, Novamont

Poli hidroxi alcanoatos (PHA)

• Poliésteres alifáticos.
• Polihidroxibutirato (PHB):
• Propiedades:
  • Costoso
  • Baja resistencia a impactos
  • Baja resistencia a ácidos y bases
  • Insoluble en agua
  • Buena permeabilidad al oxígeno
• Valores de Parámetros para PHA:
  • Tm(°C):
    • P(3HB): 177
    • P(3HB-3HV): 145
    • P(3HB-4HB): 150
    • P(3HO-3HH): 61
    • PP: 176
  • Tg(°C):
    • P(3HB): 2
    • P(3HB-3HV): -1
    • P(3HB-4HB): -7
    • P(3HO-3HH): -36
    • PP: -10
  • Cristalinidad (%):
    • P(3HB): 70
    • P(3HB-3HV): 56
    • P(3HB-4HB): 45
    • P(3HO-3HH): 30
    • PP: 60
  • Extensión a la rotura (%):
    • P(3HB): 5
    • P(3HB-3HV): 50
    • P(3HB-4HB): 444
    • P(3HO-3HH): 300
    • PP: 400

Celulosa a Base de Acetato y Nitrato

• Elaborado por Paul Schützenberger en 1865.
• Características:
  • Antiestático
  • Absorben la humedad fácilmente
  • Brillantes
  • Baja resistencia al calor
  • Temperatura de servicio: -10°C a 60°C
  • Nombre comercial más conocido: Rayón

PA-11 (Poliamida 11)

• Elaborado a partir de aceite de ricino
• Absorción baja de humedad (comparado con otras poliamidas)
• Estabilidad dimensional
• Funciona a temperaturas muy bajas (-40ºC)
• Algunas formulaciones tienen buena resistencia a la fluencia

Polímero de ácido poliláctico (PLA)

• Descubierto en 1932
• Caracteristicas:
  • Baja viscosidad
  • Baja resistencia térmica (estabilidad)
  • Bajas propiedades mecánicas
  • Hidrófobo o repelente al agua
• W. H. Carothers
• Proceso de Producción
• Cosecha de maíz
• Fermentación por E. Coli KCTC 2223
• Deshidratación a acido láctico
• Polimerización de láctido a PLA
• Impacto Ambiental:
  • Se descompone completamente en CO2, agua y biomasa en 60 días.
  • Si una persona reemplaza todos los productos PP, PET y EPS que usa con PLA durante un año, se evita la emisión de 68 lbs de CO2.
  • Se ahorra suficiente energía para iluminar 2 hogares durante un día.
  • Se ahorra agua suficiente para 2 baños de tina.
  • Se liberan un 68% menos de gases de efecto invernadero.

Tereftalato de politrimetileno (PTT)

• Buena recuperación elástica
• Fácil de pigmentar
• Se puede usar en envases mezclado con otros polímeros
• Tm (°C):
  • PTT: 228
  • PET: 265
  • PA6: 220
  • PA66: 265
  • PP: 168
• Tg (°C):
  • PTT: 45-65
  • PET: 80
  • PA6: 40-87
  • PA66: 50-90
  • PP: -17 a -4
• Densidad (g/cm3):
  • PTT: 1.33
  • PET: 0.49
  • PA6: 9.5
  • PA66: 8.9
  • PP: <0.03