Utilización de aceite de semilla de algodón como materia base renovable para la optimización de formulaciones de polímeros de alto rendimiento medioambiental

Abstract

En la última década se ha producido un cambio social de gran relevancia en el ámbito del medio ambiente. Nuestra sociedad es cada vez más consciente del concepto de desarrollo sostenible. Aspectos como la economía circular están adquiriendo gran importancia y ello implica un uso adecuado de los recursos naturales y de los residuos que se generan en diversas actividades empresariales.

La industria del algodón siempre ha tenido como producto principal la fibra de algodón; no obstante, la planta del algodón también incluye el tallo y las semillas. Parte de las semillas se emplean para re-siembra, pero el resto da lugar a un subproducto de grandes volúmenes que se emplea como complemento alimenticio para animales. La semilla de algodón es rica en ácidos grasos insaturados, proteínas y componentes lignocelulósicos. Si bien es posible obtener aceite de semilla de algodón para uso alimenticio, los procesos de refino son complejos y caros y, dado que el principal producto de la industria algodonera es la fibra, los cultivos de esta planta no están sujetos a las restrictivas reglamentaciones de otros cultivos utilizados, principalmente, en alimentación.

Esta tesis doctoral explora las posibilidades de las semillas de algodón como material base para la obtención de polímeros y aditivos de polímeros para el desarrollo de formulaciones de plásticos más respetuosas con el medio ambiente.

En la presente tesis doctoral se exploran diversas posibilidades de modificación del aceite de semilla de algodón para la obtención de resinas termoestables, aditivos plastificantes para polímeros termoplásticos, agentes compatibilizantes y harinas de refuerzo para compuestos.

Dado el perfil lipídico del aceite de semilla de algodón, con alto contenido en ácidos grasos monoinsaturados y poliinsaturados, es posible llevar a cabo diversas modificaciones químicas. Se ha trabajado en el proceso de epoxidación con el empleo de peroxoácidos generados in situ y se ha procedido a optimizar los parámetros de dicho proceso con el fin de obtener el mayor rendimiento de epoxidación. Estos aceites epoxidados se han utilizado como resinas termoestables (resinas con funcionalidad de tipo epoxi) y como plastificantes en diversos polímeros como el poli(cloruro de vinilo) (PVC) y el ácido poli(láctico) (PLA).

Otro de los procesos de modificación que se ha desarrollado y optimizado es la maleinización del aceite de semilla de algodón en presencia de anhídrido maleico. Una vez obtenidos estos aceites modificados, se ha validado su uso en formulaciones de polímeros de alto rendimiento medioambiental, tanto en formato pieza como en formato film o película.

Finalmente, con el fin de llevar a cabo un máximo aprovechamiento de la semilla de algodón, se ha trabajado en el desarrollo de compuestos con base de ácido poli(láctico) y refuerzos/rellenos de harina de semilla de algodón, con el empleo de agentes compatibilizantes derivados del aceite de semilla de algodón.

Con esta tesis doctoral, se abren nuevas posibilidades dirigidas hacia la revalorización de un subproducto de la industria algodonera a través de la extracción y modificación química de los aceites de la semilla y aprovechamiento de los residuos de la extracción como rellenos o refuerzos en compuestos que imitan la madera. De esta manera, a la vez que se ofrece una solución a la gran cantidad de residuos de semilla de algodón a nivel mundial, se valida la utilidad de los diferentes materiales derivados de la semilla de algodón en la obtención de formulaciones de plásticos industriales de alto rendimiento medioambiental.

In the last decade a social change of great relevance in the field of environment has been detected. Our society is increasingly aware of the concept of sustainable development. Some topics such as the circular economy are gaining great importance and this implies a proper use of natural resources and an appropriate waste management.

The main product of the cotton industry has been traditionally the cotton fiber; However, the cotton plant also includes the stem and seeds. Part of the seeds are used for re-seeding, but the rest results in a by-product of large volumes which is used as a food supplement for animals. The cottonseed contains high amounts of unsaturated fatty acids, proteins and lignocellulosic components. While it is possible to obtain oil from cottonseed for alimentary use, the refining processes are complex and expensive, and since the main product of the cotton industry is fiber, the crops of this plant are not subjected to the restrictive regulations of other crops whose main market is food industry.

This doctoral thesis explores the possibilities of cottonseed as a base renewable material for obtaining polymers and polymer additives for the development industrial of formulations more respectful with the environment.

In the present thesis different possibilities of modification of cottonseed oil are explored with the aim of obtaining thermosetting resins, plasticizer additives for thermoplastics polymers, compatibilizers agents and flours/powder for reinforcement in composites.

Given the lipid profile of cottonseed oil, with high content of monounsaturated and polyunsaturated fatty acids, it is possible to carry out different chemical modifications. One of these processes is epoxidation using peroxy acids generated in-situ which has been optimized in terms of process parameters in order to obtain the best epoxidation yielding. These epoxidized oils have been used as thermosetting resins (resins with epoxy type functionality) and as plasticizers in several polymers such as poly(vinyl chloride) (PVC) and poly (lactic acid) (PLA).

Another chemical modification of cottonseed oil developed and optimized in this thesis is maleinization in the presence of maleic anhydride. Once obtained these modified oils, it has been validated their potential use in polymer formulations characterized by high environmental efficiency, both in format piece format and film.

Finally, with the aim of maximizing the use of cottonseed, poly(lactic acid) composites with cottonseed oil wastes (in the form of powder or flour) have been manufactured and compatibilized with modified vegetable oils derived from cottonseed.

With this doctoral thesis, new opportunities focused on upgrading of a by-product of the cotton industry have been proposed, through the extraction and chemical modification of the seed oil and by using the wastes obtained from the oil extraction as fillers or reinforcements in wood like composites. Therefore, this thesis provides solution to two important problems: on one hand, it gives a solution to the large amounts of generated waste coming from the cottonseed industry worldwide and, on the other hand, new environmentally friendly materials can be obtained by using cottonseed-derived materials, mainly modified oils and particle fillers.

En l'última dècada s'ha produït un canvi social de gran rellevància en l'àmbit del medi ambient. La nostra societat és, cada vegada, més conscient del concepte de desenvolupament sostenible. Aspectes com ara l'economia circular estan adquirint gran importància i això implica un ús adequat dels recursos naturals i dels residus que es generen en diverses activitats empresarials.

La indústria del cotó sempre ha tingut com a producte principal la fibra de cotó; no obstant això, la planta de cotó també inclou la tija i les llavors. Part de les llavors s'utilitzen en el procés de sembra, però la resta constitueix un subproducte de gran volum que s'utilitza com a complement alimentari per a animals. La llavor de cotó és rica en àcids grassos saturats, proteïnes i components lignocel·lulòsics. Si bé és cert que es pot obtenir oli de llavor de cotó per a ús alimentari, els processos de refinament son complexes i cars i, donat que el principal producte de la indústria del cotó és la fibra, els cultius d'aquesta planta no estan subjectes a les restrictives reglamentacions d'altres cultius utilitzats, principalment, en alimentació.

Aquesta tesi doctoral explora les possibilitats de les llavors de cotó com a material base per a l'obtenció de polímers i additius de polímers per al desenvolupament de formulacions de plàstics més respectuoses amb el medi ambient.

En la present tesi doctoral, s'exploren diverses possibilitats de modificació de l'oli de la llavor de cotó per a l'obtenció de resines termoestables, additius plastificants per a polímers termoplàstics, agents compatibilitzants i farines de reforç per a compostos.

Donat el perfil lipídic de l'oli de llavor de cotó, amb un alt contingut d'àcids grassos mono insaturats i poli insaturats, és possible dur a terme diferents modificacions químiques. S'ha treballat en el procés d'epoxidació amb la utilització de peroxoàcids generats in situ i s'ha procedit a optimitzar els paràmetres de l'esmentat procés amb la finalitat d'obtenir el major rendiment d'epoxidació. Aquests olis epoxidats s'han utilitzat com a resines termoestables (resines amb funcionalitat de tipus epoxi) i com a plastificants en diversos polímers com ara el poli(clorur de vinil) (PVC) i l'acid poli(làctic) (PLA).

Altre procés de modificació que s'ha desenvolupat i optimitzat és la maleinització de l'oli de llavor de cotó en presència d'anhídrid maleic. Una vegada obtinguts aquests olis modificats, s'ha validat el seu ús en formulacions de polímers d'alt rendiment mediambiental, tant en forma de peces com en format de film o pel·lícula.

Finalment, amb la finalitat d'aprofitar al màxim la llavor de cotó, s'ha treballat en el desenvolupament de compostos amb base àcid poli(làctic) i reforços/càrregues de farina de llavor de cotó, amb la utilització d'agents compatibilitzants derivats de l'oli de llavor de cotó.

Amb aquesta tesi doctoral, s'obrin noves possibilitats dirigides cap a la revalorització d'un subproducte de la indústria del cotó mitjançant de l'extracció i modificació química dels olis de llavor i aprofitament dels residus de l'extracció com a càrregues o reforços en compostos que imiten la fusta. D'aquesta manera, al mateix temps que s'ofereix una solució a la gran quantitat de residus de llavors de cotó a nivell mundial, es valida la utilitat dels diferents materials derivats de la llavor de cotó en l'obtenció de formulacions de plàstics industrials d'alt rendiment mediambiental.