Desarrollo, optimización y modelización de compuestos de alto rendimiento medioambiental derivados de poli (butilén succinato) - PBS y residuos de cáscara de almendra

Abstract

[ES] En la última década se ha producido un cambio relevante en nuestra sociedad, centrado en la mayor sensibilidad por el medio ambiente. Aspectos como el reciclado, revalorización, biodegradación, etc. están adquiriendo gran relevancia. Esta situación es más acentuada en el ámbito de los polímeros y de los materiales compuestos en tanto en cuanto la mayoría presentan un origen petroquímico y no ofrecen, por lo general, biodegradación, dando lugar al problema de acumulación de residuos plásticos con los problemas medioambientales que ello conlleva. Por ello, en los últimos años se están desarrollando numerosas investigaciones que abordan el impacto medioambiental de los materiales poliméricos y/o compuestos desde diferentes puntos de vista. Uno de los puntos de vista es el origen; así pues, cada vez son más los polímeros procedentes de recursos renovables que contribuyen a reducir la huella de carbono y ralentizar el agotamiento del petróleo. Entre estos materiales destaca el empleo creciente de ácido poli(láctico) - PLA, polímeros obtenidos por fermentación bacteriana como los poli(hidroxialcanoatos) - PHAs, polímeros de polisacáridos (almidón, celulosa, quitina, etc.), y polímeros derivados de estructuras proteicas (gluten, proteína de soja, caseína, colágeno, etc.). Otro planteamiento es el que considera la eficiencia medioambiental al final del ciclo de vida a través del desarrollo de plásticos y compuestos biodegradables (desintegrables en condiciones de compost). Entre ellos, destacan los poli(ésteres) que si bien se obtienen como derivados del petróleo, presentan total biodegradabilidad, evitando, en gran medida, la acumulación de residuos plásticos. Entre estos poli(ésteres) destacan la poli(¿-caprolactona) - PCL, poli(butilén succinato) - PBS, poli(butilén adipato-co-tereftalato) - PBAT, entre otros. Considerando este marco, esta tesis pretende desarrollar nuevos materiales compuestos derivados de un poli(éster) alifático, el poli(butilén succinato) - PBS que, si bien actualmente se obtiene como derivado petroquímico, es posible que en un tiempo razonable pase a sintetizarse a partir de ácido succínico de origen renovable. Se trata de un plástico flexible con un coste elevado. Es por ello que se plantea el empleo de rellenos de refuerzo derivados de la cáscara de almendra con el fin de reducir los costes globales del uso de este material y, al mismo tiempo, mejorar las propiedades. Dada la naturaleza altamente hidrofílica de la cáscara de almendra en forma de polvo y, por otro lado, la fuerte hidrofobicidad del PBS, se realiza un primer planteamiento considerando diferentes familias de agentes compatibilizantes que abarcan los monómeros acrílicos, los derivados maleinizados (anhídridos alquenil succínicos de origen petroquímico y aceites vegetales modificados) y los derivados epoxidados, fundamentalmente obtenidos a partir de aceites vegetales. En este primer bloque se trabaja con una cantidad constante de harina de cáscara de almendra (ASF) y se evalúa la efectividad de cada familia de compatibilizantes en general y de cada compuesto, en particular. Una vez seleccionado el/los compatibilizantes más adecuados para mejorar la interacción en la entrecara polímero-carga lignocelulósica, se procede a profundizar en el estudio de la cantidad óptima de agente compatibilizante en la mejora de las propiedades de los compuestos PBS-ASF a través del seguimiento de las propiedades mecánicas, térmicas, morfológicas, termomecánicas, entre otras. Con ello, es posible definir la ratio carga celulósica:compatibilizante que conduce a un mayor equilibrio de propiedades en los compuestos PBS-ASF desarrollados. Finalmente, con el objetivo de disponer de una amplia gama de materiales con propiedades adaptables a las necesidades en el ámbito de la ingeniería, se lleva a cabo un estudio del efecto del contenido en carga lignocelulósica en las propiedades finales de los c

[CA] En l'última dècada s'ha produït un canvi rellevant en la nostra societat, centrat en la major sensibilitat pel medi ambient. Aspectes com ara el reciclatge, la revalorització, la biodegradació, etc. Van adquirint progressivament major rellevància. Aquesta situació és més accentuada en l'àmbit dels polímers i materials compostos ja que la majoria presenten un origen petroquímic i no ofereixen, de forma general, biodegradació, donant lloc al problema de l'acumulació de residus plàstics amb tota la problemàtica mediambiental que açò comporta. Per això, en els últims anys estan desenvolupant-se nombroses investigacions que aborden l'impacte mediambiental dels materials polimèrics i/o compostos des de diferents punts de vista. Un d'aquests punts de vista és l'origen; això doncs, cada vegada són més els polímers procedents de recursos renovables que contribueixen a reduir la empremta de carboni i desacceleren l'esgotament del petroli. D'entre aquests materials, destaca l'ús creixent de l'àcid poli(làctic) - PLA, polímers obtinguts per fermentació bacteriana com els poli(hidroxialcanoats) - PHAs, polímers de polisacàrids (midó, cel·lulosa, quitina, etc.) i polímers derivats d'estructures proteiques (gluten, proteïna de soja, caseïna, col·lagen, etc.). Un altre plantejament és el que considera l'eficiència mediambiental al final del cicle de vida a través del desenvolupament de plàstics i compostos biodegradables (desintegrables en condicions de compost). D'entre aquests, destaquen els poli(èsters) que si bé s'obtenen com a derivats del petroli, presenten total biodegradabilitat, i això contribueix a evitar, en gran mesura, l'acumulació de residus plàstics. Entre aquests poli(èsters) destaca la poli(¿-caprolactona) - PCL, el poli(butil·lé succinat) - PBS, el poli(butil·lé adipat-co-tereftalat) - PBAT, entre d'altres. Considerant aquest marc, aquesta tesi pretén desenvolupar nous materials compostos derivats d'un poli(èster) alifàtic, el poli(butil·lé succinat) - PBS que, si bé actualment s'obté com a derivat petroquímic, és possible que en un temps raonable passe a obtenir-se a partir de l'àcid succínic d'origen renovable. Es tracta d'un plàstic flexible amb un cost elevat. Per això es planteja la utilització de reforços derivats de la corfa de ametla amb la finalitat de reduir els costos globals d'ús d'aquest material i, al mateix temps, millorar les propietats. Donada la naturalesa altament hidrofòbica de la corfa de ametlla en forma de pols i, per altre costat, de la forta hidrofobicidad del PBS, es realitza un primer plantejament considerant diferents famílies d'agents compatibilitzants com ara els monòmers acrílics, els derivats maleinitzats (anhídrids alquenil-succínics d'origen petroquímic i olis vegetals modificats) així com els derivats epoxidats, fonamentalment obtinguts a partir d'olis vegetals modificats. En aquest primer bloc es treballa amb una quantitat constant de farina de corfa de ametlla (ASF) i s'avalua l'efectivitat de cada família de compatibilitzants en general i de cada compost, en particular. Una vegada seleccionat el/els compatibilitzants més adequats per a millorar la interacció en l'entrecara polímer-càrrega lignocel·lulòsica, es procedeix a aprofundir en l'estudi de la quantitat òptima d'agent compatibilitzant en la millora de les propietats dels compostos PBS-ASF a través del seguiment de les propietats mecàniques, tèrmiques, morfològiques, termomecàniques, entre d'altres. Amb això, és possible definir la ràtio càrrega cel·lulòsica:compatibilitzant que condueix a un major equilibri de propietats en els compostos PBS-ASF desenvolupats. Finalment, amb la intenció de disposar d'una àmplia gama de materials amb propietats adaptables a les necessitats en l'àmbit de l'enginyeria, es duu a terme un estudi de l'efecte del contingut de càrrega lignocel·lulòsica en les propietats finals del composts.

[EN] In the last decade, a remarkable change in our society, focused on increased environmental sensitiveness, has been detected. Topics such as recycling, upgrading, biodegradation, and so on are acquiring great relevance. This situation is much more pronounced in the field of polymers and composite materials since most of them are petroleum-derived materials and do not provide, in general, biodegradation, thus leading to waste accumulation with the subsequent environmental problems. For these reasons, research is being developed to overcome or minimize the environmental impact of conventional polymers and composite materials. This research is being conducted from several points of view. Ono of these points of views is the origein; thus, today it is possible to find a wide variety of polymers and composites from renewable resources which positively contribute to reduce to carbon footprint as well to delay the petroleum depletion process. Among these materials, it is worthy to note the increasing use of poly(lactic acid) - PLA, bacterial polymers such as poly(hydroxyalkanoates) - PHAs, polymers from polysaccharides (starch, cellulose, quitin, and so on), and protein-derived polymers (gluten, soy protein, casein, collagen, and so on). Another standpoint is that which considers the environmental efficiency at the end-of-life by developing biodegradable polymers and composite materials (disintegrable in controlled compost). Among others, it is important to highlight the increasing use of some poly(esters) that, although they are petroleum-derived polymers, they offer fully biodegradation, thus contributing to avoid waste accumulation. These poly(esters) include poly(¿-caprolactone) - PCL, poly(butylene succinate) - PBS, poly(butylene adipate-co-terephthalate) - PBAT, among others. Within this context, this doctoral thesis intends to develop new composite materials derived from an aliphatic poly(ester), namely poly(butylene succinate) - PBS that currently is being obtained from petroleum resources but it is possible to synthesize it following a renewable resource by using bio-derived acid succinic. PBS is an expensive and flexible polymer. For these reasons, the aim of this research work is to reinforce PBS by using a worldwide available waste, namely almond shell which can contribute to reduce the oveall cost and, in addition, to improve some mechanical properties. Given the highly hydrophilic nature of the almond shell flour and the extremely high hydrophobic nature of PBS, the first approach considers to potential effectiveness of several compatibilizers families which include acylic monomers, maleinized derivatives (alkenyl succinic anhydrides and modified vegetable oils) and epoxidized derivatives, mainly obtained from vegetable oils. In this section, the amount of almond shell flour (ASF) remains constant and the effectiveness of each family, in general, and each compatibilizers, in particular, is studied. Once the optimum compatibilizers/s to improve interactions among polymer-lignocellulose filler interface are selected, an in depth study of the optimum loading of compatibilizer agent is carried out to obtaine good-balanced properties on PBS-ASF composites by following the evolution of mechanical, thermal, morphological, thermomechanical properties, among others. This way, it is possible to define the optimum cellulosic filler to compatibilizer ratio that could givethe best balanced properties on PBS-ASF composites. Finally, with the aim of obtaining a wide range of materials with tailored properties that could fit in several engineering applications, the effect of the lignocellulosic filler content is studied on PBS-ASF composites.