Desarrollo de nuevos materiales poliméricos y compuestos ecoeficientes basados en principios activos provenientes de la nuez de Brasil

Abstract

[ES] La creciente concienciación sobre el impacto medioambiental de los polímeros ha impulsado la implementación de nuevas legislaciones que promueven la adopción de alternativas sostenibles en el campo de los bioplásticos. En este contexto, la búsqueda y desarrollo de materiales que reduzcan la dependencia de recursos renovables y promuevan la sostenibilidad se ha convertido en una prioridad fundamental. Este enfoque contribuye a la mitigación de los efectos negativos de los plásticos convencionales en el entorno, fomentando la adopción de soluciones más respetuosas con el medio ambiente, lo que constituye un tema central en esta tesis doctoral. En este contexto de búsqueda y desarrollo de alternativas sostenibles en la producción de polímeros, la nuez de Brasil (Bertholletia excelsa) emerge como un recurso de particular relevancia nunca antes explorado para este campo de investigación. Su potencial como fuente de materias primas para la elaboración de bioplásticos adquiere una significativa notoriedad debido a su composición química. La nuez de Brasil se caracteriza por su abundancia en aceites, proteínas y carbohidratos, destacándose especialmente por su contenido de aceites, que oscila entre el 60,8% y el 72,5%. Este alto porcentaje de aceites y ácidos grasos se constituye como el punto focal de interés en esta tesis, destinado a su aplicación en diversas esferas industriales. El aceite extraído de la nuez de Brasil presenta una combinación de ésteres de ácidos grasos saturados e insaturados unidos a moléculas de glicerol. La presencia de grupos funcionales, tales como hidroxilos, dobles enlaces y grupos carboxílicos en los ácidos oleico y linoleico (componentes principales del aceite), ofrecen múltiples posibilidades de transformación química para adaptarlo a una nueva gama de materiales biobasados. En esta tesis, se lleva a cabo por primera vez la utilización del aceite de la nuez de Brasil en el ámbito del desarrollo de bioplásticos y materiales sostenibles. En primer lugar, el empleo de este aceite como plastificante en el ácido poliláctico (PLA) es de particular interés. El PLA es un bioplástico ampliamente utilizado, pero que a menudo presenta desafíos en términos de flexibilidad y tenacidad. La adición del aceite de nuez de Brasil modificado químicamente como plastificante puede mejorar de manera significativa las propiedades mecánicas del PLA, otorgándole mayor flexibilidad y resistencia a la fractura. Esto es especialmente relevante en aplicaciones donde se requieren propiedades dúctiles, como envases flexibles y productos de un solo uso, contribuyendo a aumentar la demanda de plásticos biobasados y/o biodegradables. Por otro lado, también se explora la inclusión del aceite de nuez de Brasil en la producción de termoestables de alto rendimiento medioambiental. Al incorporar el aceite de nuez de Brasil como matriz de estos termoestables, se logra obtener productos con un alto contenido de origen renovable, reduciendo la dependencia de recursos no renovables, como los polímeros petroquímicos. En resumen, esta tesis doctoral ha explorado el potencial innovador de la nuez de Brasil en el campo de los biopolímeros. Al emplear su aceite como plastificante y en la producción de termoestables, se abren nuevas vías de investigación y desarrollo en la búsqueda de soluciones sostenibles y respetuosas con el medio ambiente en la industria de los materiales poliméricos. Estos avances demuestran el potencial de la nuez de Brasil como recurso valioso en la creación de materiales avanzados.

[CA] La creixent conscienciació sobre l'impacte mediambiental dels polímers ha impulsat la implementació de noves legislacions que promouen l'adopció d'alternatives sostenibles en el camp dels bioplàstics. En aquest context, la cerca i desenvolupament de materials que redueixin la dependència de recursos renovables i promoguin la sostenibilitat s'ha convertit en una prioritat fonamental. Aquest enfocament contribueix a la mitigació dels efectes negatius dels plàstics convencionals en l'entorn, fomentant l'adopció de solucions més respectuoses amb el medi ambient, la qual cosa constitueix un tema central en aquesta tesi doctoral. En aquest context de cerca i desenvolupament d'alternatives sostenibles en la producció de polímers, la nou del Brasil (Bertholletia excelsa) emergeix com un recurs de particular rellevància mai abans explorat per a aquest camp de recerca. El seu potencial com a font de matèries primeres per a l'elaboració de bioplàstics adquireix una significativa notorietat a causa de la seva composició química. La nou del Brasil es caracteritza per la seva abundància en olis, proteïnes i carbohidrats, destacant-se especialment pel seu contingut d'olis, que oscil·la entre el 60,8% i el 72,5%. Aquest alt percentatge d'olis i àcids grassos es constitueix com el punt focal d'interès en aquesta tesi, destinat a la seva aplicació en diverses esferes industrials. L'oli extret de la nou del Brasil presenta una combinació d'èsters d'àcids grassos saturats i insaturats units a molècules de glicerol. La presència de grups funcionals, com ara hidroxils, dobles enllaços i grups carboxílics en els àcids oleic i linoleic (components principals de l'oli), ofereixen múltiples possibilitats de transformació química per a adaptar-lo a una nova gamma de materials biobasats. En aquesta tesi, es duu a terme per primera vegada la utilització de l'oli de la nou del Brasil en l'àmbit del desenvolupament de bioplàstics i materials sostenibles. En primer lloc, l'ús d'aquest oli com a plastificant en l'àcid polilàctic (PLA) és de particular interès. El PLA és un bioplàstic àmpliament utilitzat, però que sovint presenta desafiaments en termes de flexibilitat i tenacitat. L'addició de l'oli de nou del Brasil modificat químicament com a plastificant pot millorar de manera significativa les propietats mecàniques del PLA, atorgant-li major flexibilitat i resistència a la fractura. Això és especialment rellevant en aplicacions on es requereixen propietats dúctils, com a envasos flexibles i productes d'un sol ús, contribuint a augmentar la demanda de plàstics biobasats i/o biodegradables. D'altra banda, també s'explora la inclusió de l'oli de nou del Brasil en la producció de termoestables d'alt rendiment mediambiental. En incorporar l'oli de nou del Brasil com a matriu d'aquests termoestables, s'aconsegueix obtenir productes amb un alt contingut d'origen renovable, reduint la dependència de recursos no renovables, com els polímers petroquímics. En resum, aquesta tesi doctoral ha explorat el potencial innovador de la nou del Brasil en el camp dels biopolímers. En emprar el seu oli com a plastificant i en la producció de termoestables, s'obren noves vies de recerca i desenvolupament en la cerca de solucions sostenibles i respectuoses amb el medi ambient en la indústria dels materials polimèrics. Aquests avanços demostren el potencial de la nou del Brasil com a recurs valuós en la creació de materials avançats.

[EN] Growing awareness of the environmental impact of polymers has prompted the implementation of new legislation promoting the adoption of sustainable alternatives in the field of bioplastics. In this context, the search for and development of materials that reduce dependence on renewable resources and promote sustainability has become a key priority. This approach contributes to the mitigation of the negative effects of conventional plastics on the environment, encouraging the adoption of more environmentally friendly solutions, which is a central theme in this PhD thesis. In this context of the search for and development of sustainable alternatives in polymer production, Brazil nut (Bertholletia excelsa) emerges as a particularly relevant resource never before explored for this field of research. Its potential as a source of raw materials for the production of bioplastics has gained significant notoriety due to its chemical composition. The Brazil nut is characterized by its abundance of oils, proteins and carbohydrates, and is particularly notable for its oil content, which ranges from 60.8% to 72.5%. This high percentage of oils and fatty acids is the focal point of interest in this thesis, aimed at its application in various industrial spheres. The oil extracted from Brazil nut presents a combination of saturated and unsaturated fatty acid esters bound to glycerol molecules. The presence of functional groups, such as hydroxyl, double bonds and carboxylic groups on oleic and linoleic acids (main components of the oil), offer multiple possibilities of chemical transformation to adapt it to a new range of bio-based materials. In this thesis, the use of Brazil nut oil in the field of bioplastics and sustainable materials development is carried out for the first time. Firstly, the use of this oil as a plasticizer in polylactic acid (PLA) is of particular interest. PLA is a widely used bioplastic, but often presents challenges in terms of flexibility and toughness. The addition of chemically modified Brazil nut oil as a plasticizer can significantly improve the mechanical properties of PLA, giving it increased flexibility and fracture toughness. This is especially relevant in applications where ductile properties are required, such as flexible packaging and single-use products, contributing to increase the demand for bio-based and/or biodegradable plastics. On the other hand, the inclusion of Brazil nut oil in the production of thermosets with high environmental performance is also being explored. By incorporating Brazil nut oil as a matrix of these thermosets, it is possible to obtain products with a high content of renewable origin, reducing dependence on non-renewable resources such as petrochemical polymers. In summary, this PhD thesis has explored the innovative potential of Brazil nut in the field of biopolymers. By using its oil as a plasticizer and in the production of thermosets, new avenues of research and development are opened in the search for sustainable and environmentally friendly solutions in the polymeric materials industry. These advances demonstrate the potential of Brazil nut as a valuable resource in the creation of advanced materials.