Estudio del comportamiento de absorción de agua y degradación hidrotérmica de bionanocomposites plastificados a base de poli(lactida) con celulosa nanofibrilada

Abstract

[ES] El estudio del comportamiento durante la inmersión en agua de los materiales compuestos de base biológica es de gran importancia para evaluar su rendimiento en un entorno húmedo como material de embalaje ecológico. En este estudio se prepararon láminas de materiales bionanocompuestos a base de poli(lactida) (PLA), plastificadas con poli(etilenglicol) (PEG) y reforzadas con celulosa nanofibrilada (NFC). Se investigó la presencia de PEG y la influencia de NFC (1, 3, 5% en peso) sobre las propiedades fisicoquímicas tras la inmersión en agua durante diferentes tiempos (7, 15, 30, 60, 90 días) y temperaturas (8, 23, 58, 70 ° C). Se estudió la absorción de agua en términos de saturación, difusividad, solubilidad y permeabilidad. Además, se caracterizaron los cambios de morfología, masa molar y propiedades térmicas mediante microscopía electrónica de barrido, cromatografía de permeación en gel, análisis termogravimétrico y calorimetría diferencial de barrido, respectivamente. A las temperaturas de inmersión más bajas (8 y 23 ° C) se encontró un aumento de masa seguido de un equilibrio estable, mientras que a temperaturas más altas (58 y 70 ° C) las muestras que contenían PEG comenzaron a perder masa linealmente después de la absorción inicial. Tras largos tiempos de inmersión, especialmente a temperaturas altas, las muestras se volvían blancas y frágiles, desintegrándose en pedazos más pequeños. La inmersión en agua promovió una morfología con una superficie rugosa con grietas y poros, así como una disminución de la masa molar y un aumento de la cristalinidad, a causa de la degradación hidrotérmica. En resumen, se determinó el efecto crítico de la temperatura y el tiempo durante la inmersión en agua y la contribución del PEG y la NFC en el rendimiento de estos materiales basados en bioplásticos, resaltando las limitaciones para su uso en un ambiente húmedo a elevadas temperaturas.

[EN] The understanding of the short- and long-term behaviour of biobased composites during immersion in water is of great importance for its performance in a wet environment as an eco-friendly packaging material. In this study, bionanocomoposite films based on poly(lactide) (PLA) plasticised with poly(ethylene glycol) (PEG) and reinforced with nanofibrillated cellulose (NFC) were prepared. The presence of PEG and the influence of NFC (1, 3, 5 wt%) on the physio-chemical properties were investigated after immersion in water for different times (7, 15, 30, 60, 90 days) at different temperatures (8, 23, 58, 70 °C). The water absorption behaviour in terms of saturation, diffusivity, solubility, and permeability was assessed. The changes of the morphology, molar mass, and thermal properties of the samples through immersion were characterised with field emission scanning electron microscopy, gel permeation chromatography, thermo gravimetric analysis, and differential scanning calorimetry, respectively. At the lower immersion temperatures (8 and 23 °C) a mass gain followed by a stable equilibrium was found while at higher temperatures (58 and 70 °C) the samples containing PEG started to linearly lose mass after the initial water absorption. After storage in water, especially at higher temperatures, the specimen become white, very fragile and disintegrate into smaller pieces. The immersion in water, dominantly in higher temperatures, also promoted a rough surface with cracks and pores in the morphology as well as a drastic decrease in molar mass. Furthermore, the materials show a reduction of the decomposition and melting temperature and an increase in crystallinity, due to hydrothermal degradation. In summary the critical effect of temperature and time during water immersion and the contribution of PEG and NFC on the performance of the bioplastic materials is assessed and thus the usability and limitations in a wet environment demonstrated.