OPTIMIZACIÓN DE LA SÍNTESIS DE NANOPIGMENTOS DE ORIGEN NATURAL PARA BIOPOLÍMEROS MEDIANTE EL USO DE DISEÑO DE EXPERIMENTOS

Abstract

[EN] In order to improve biopolymer properties, one of the methods of study is the nanosized incorporation of inorganic fillers, known as nanoclays. Using nanoclays, improvements in certain biopolymer properties - mainly mechanical and thermal - have been achieved, leading to new bionanocomposites. However, research has been much less focused on changing optical properties through the incorporation of nanoclays. At the same time, current research has focused on obtaining nanostructured hybrid pigments, or nanopigments, in order to achieve sustainable colouring and high performance materials that can replace some of the colouring materials used in the industry that are highly polluting, presenting difficulties for their disposal in wastewater systems. For such purpose, organic dye reinforcement techniques have been applied, involving exchange with different nanoclays. However, the effect of the conditions for obtaining a nanopigment, when applied to different kinds of materials, such as biopolymers, is a question that remains unanswered. By combining advances in these lines of research, biodegradable composites with optimal mechanical and optical properties can be obtained. The aim of this Doctoral dissertation is to find the optimal formulation of naturally sourced nanopigments, incorporate them into a biological origin epoxy resin, and obtain a significant improvement in their physical, chemical, and optical (colourimetric) properties. To achieve this aim, a statistical experiment design approach was used in order to obtain as much information as possible using the lowest number of experiments, thereby saving time and material. Moreover, a wide variety of instrumental techniques was incorporated, looking for the synergy among colour science, material physics and chemistry, and statistical science, with the aim of decreasing the original limitations of bioresins. Three natural dyes were selected for all the experiments in order to obtain a wide range of colour in the bionanocomposite materials. Chlorophyll, beta-carotene, and beetroot extract (betanin) were used in three different experimental blocks. A physicochemical characterization was performed, firstly, with the nanopigments, and secondly, with the bionanocomposite materials from these nanopigments. This work was divided in two principal blocks. In the first one, the aim was to look for the suitable modifier or additive for nanoclays, as well as the synthesis factors in nanopigments for the optimal application performance. In this phase two surfactants, a silane coupling agent and a mordant (alum) were selected as modifiers. The latter was selected in order to replicate the mordant textile dyeing with natural dyes, using the three selected dyes and the nanoclays as the `` dyed textile''. Two kinds of laminar nanoclays, differentiated by the ion exchange charge: montmorillonite with cations (positive), and hydrotalcite with anions (negative charge) were also selected. The pH in the synthesis process was also added as a factor in the experiment. A fractional Taguchi's design L8 was applied, such that five factors with two levels can be studied, setting free two interactions, the silane-surfactant and mordant-surfactant interactions. In the second experimental phase, answer the question about the best moment to add the three selected modifiers. In this case, a Taguchi's L9 design was used. In numerous experiments involving the natural dye intercalations in the nanoclays, compatibility with the bioresin was achieved, showing the improvement of the tested properties. It may therefore be concluded that bioresin properties have been improved with the addition of nanopigments, and there are significant effects in the studied properties due to the factor levels as well as the additive types, like the incorporation time.

[ES] Una de las vías en estudio para la mejora de las propiedades de los biopolímeros es la incorporación de cargas inorgánicas de tamaño nanométrico conocidas como nanoarcillas, con las que se han ido viendo mejoras de las propiedades mecánicas y térmicas de los bionanocompuestos obtenidos. En lo que no se han centrado las investigaciones en este área, es en las propiedades ópticas obtenidas que cambian con la incorporación de los nanomateriales. En paralelo otras líneas de investigación se han centrado en la obtención de pigmentos híbridos nanoestructurados, o nanopigmentos, con el fin de obtener materiales colorantes sostenibles y de altas prestaciones que puedan sustituir algunos de los materiales colorantes empleados en la industria altamente contaminantes, y difíciles de procesar en las aguas residuales. Para ello se han aplicado técnicas de refuerzo de las propiedades de gran diversidad de colorantes orgánicos, mediante el intercambio con distintas nanoarcillas. Pero no se ha repuesto al efecto de las condiciones de obtención de los nanopigmentos en su aplicación en diversas clases de materiales, como es el caso de los biopolímeros. Combinando los avances en estas líneas de investigación, se pueden obtener materiales compuestos de origen biodegradable con las mejores prestaciones mecánicas y ópticas. El objetivo de esta tesis consiste en encontrar la formulación óptima de nanopimentos de origen natural, para su aplicación en una resina de origen natural y biodegradable, y obtener una mejora considerable de las propiedades físico-químicas y ópticas (colorimétricas) de la bioresina correspondiente. Para conseguir el objetivo de este trabajo, se ha empleado el diseño de experimentos con el fin de obtener la mayor cantidad de información posible a partir del menor número de experimentos, con el consecuente ahorro de tiempo y de materiales. Además se ha incorporado una gran variedad de técnicas instrumentales, y se ha buscado la sinergia entre la ciencia del color, la física y la química de los materiales, y la estadística, para reducir las limitaciones de la bioresina original. Se seleccionan tres colorantes naturales para todos los experimentos diseñados, con el fin obtener una amplia gama de colores en los materiales compuestos. Se emplean clorofila, beta-caroteno y extracto de raíz de remolacha (betanina), y para cada uno de ellos se reproducen los experimentos en bloques diferenciados únicamente por el colorante. La caracterización físico-química se realiza con los nanopigmentos generados, y por otro lado con los materiales compuestos con la bioresina. El trabajo se desarrolla en dos fases experimentales. En la primera se busca encontrar la clase de compuesto o modificador adecuado, así como las variables de la síntesis de los nanopigmentos para mejorar sus propiedades en la aplicación. En esta fase se seleccionan como modificadores orgánicos dos tensoactivos, un agente de acoplamiento tipo silano, y por último el alumbre. Este último se escoge con la idea de imitar el proceso de mordentado de la tintura textil, en el seno de las nanoarcillas. Por otro lado se realizan pruebas con dos clases de nanoarcilla, diferenciadas por la carga de los iones en el espacio interlaminar, siendo positiva en la montmorillonita y negativa en la hidrotalcita. También se incorpora como factor de control el pH durante el proceso de síntesis. Para esto se diseña un experimental de Taguchi L8, en el que se pueden estudiar los cinco factores nombrados a dos niveles, y se dejan libres las interacciones entre tensoactivo y mordiente o silano. En la segunda fase se decide responder a la pregunta de en qué momento se deben emplear los modificadores. Se plantea un experimental L9 de Taguchi. Mediante la incorporación de los colorantes naturales como nanopigmentos, se consigue en la mayoría de los casos la compatibilidad entre la materia colorante y la bioresina, mejorando consigo las propieda

[CA] Una de les vies d'estudi per millorar les propietats dels biopolímers és la incorporació de càrregues inorgàniques de proporcions nanomètriques, anomenades nanoargiles, amb les quals han anat descobrint-se millores de les propietats tèrmiques i mecàniques als bionanocompostos obtinguts. Ara bé, aquestes investigacions no han comprovat l'efecte que es produeix en les propietats òptiques obtingudes que canvien amb la incorporació de les nanoargiles.En paral¿lel, altres línies d'investigació s'han centrat en l'obtenció de pigments híbrids nanoestructurats, o nanopigments, amb la finalitat d'obtenir matèries colorants sostenibles i amb elevades prestacions que puguen substituir alguns dels materials colorants emprats en la industria, que són molt contaminants i difícils de processar a les aigües residuals. Per aconseguir-ho, s'han aplicat tècniques de reforç de les propietats d'una gran diversitat de colorants orgànics mitjançant l'intercanvi amb diferents nanoargiles. Amb tot, no s'ha trobat una resposta a l'efecte de les condicions d'obtenció dels nanopigments en la seua aplicació en diferents classes de materials com ara els biopolímers. Combinant els avanços en aquestes línies d'investigació es poden obtindre materials compostos d'origen biodegradable amb les millores prestacions. L'objectiu principal d'aquesta tesi consisteix en trobar la formulació òptima de nanopigments d'origen natural per la seua aplicació en una resina d'origen biodegradable i obtindre així una millora considerable de les seues propietats mecàniques, tèrmiques i òptiques (color). Per fer-ho, hem utilitzat un disseny estadístic d'experiments amb la finalitat d'obtindre la major quantitat d'informació possible amb el menor nombre d'experiments i el conseqüent estalvi de temps i recursos. A més, hem incorporat una gran varietat de tècniques instrumentals i hem buscat la sinèrgia entre les ciències del color, la física i la química dels materials i l'estadística. Es seleccionen tres colorants naturals per tots els experiments, amb la finalitat d'obtindre una gama de color amplia amb els bionanocompostos. Hem utilitzat clorofil¿la, beta-carotè i extracte d'arrel de remolatxa i per cadascun d'aquestos elements hem replicat les condicions experimentals plantejades diferenciant els blocs per colorants. La caracterització físico-química es realitza amb els nanopigments generats i amb els materials compostos amb la bioresina. El treball es realitza en dues fases experimentals. En la primera, es busca la classe de compost o modificador adequat així com les variables del procés de síntesi dels nanopigments que milloren les seues propietats d'aplicació. En aquesta fase, es trien com a modificadors dos tensoactius, un agent d'acoblament tipus silà i, per últim, un mordent (alum). Aquest últim es va escollir per tal d'imitar originalment el procés de mordentat en la tintura tèxtil, en el interior de les nanoargiles. D'altra banda, es fan proves amb dues classes de nanoargiles diferenciades per la càrrega dels ions a l'espai interlaminar, positiva la de la montmorillonita i negativa la de la hidrotalcita. També incorporem el pH com a factor de control. Per açò, hem dissenyat un experimental de Taguchi L8, amb el qual es poden estudiar els efectes dels cinc factors comentats a dos nivells, amb encara llibertat per estudiar dues interaccions, la del tensoactiu amb el mordent o el silà. En la segona fase cal saber en quin moment és millor incorporar els modificadors triats, i pledegem un disseny experimental L9 de Taguchi. Mitjançant la incorporació dels colorants naturals en forma de nanopigments, s'aconsegueix en la majoria dels casos millorar la compatibilitat amb la bioresina i millorar així les propietats assajades. La conclusió és que milloren pràcticament totes les propietats de la bioresina original amb els nanopigments i que, en general, els factors seleccionats als dissenys experimentals