Directores de tesis Dr. Javier Solorza Feria

Dr. Gustavo Fidel Gutiérrez López

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

Centro de Desarrollo de Productos Bióticos

ELABORACIÓN Y CARACTERIZACIÓN DE PELÍCULAS CONFORMADAS POR BIOMOLÉCULAS Y

NANOPARTÍCULAS

T E S I S

Que para obtener el grado de Maestría en Ciencias en Desarrollo de Productos Bióticos

PRESENTA

I.B.Q. Israel Sifuentes Nieves

Yautepec, Morelos; Diciembre 2011

El presente trabajo se realizó en el Laboratorio de Desarrollo Tecnológico del Centro

de Desarrollo de Productos Bióticos (CeProBi) del Instituto Politécnico Nacional, bajo

la dirección del Dr. Javier Solorza Feria y el Dr. Gustavo Fidel Gutiérrez López.

Se agradece el apoyo otorgado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología

(CONACYT), a través del proyecto 60565-Z y a la Secretaría de Investigación y

Posgrado (SIP), del Instituto Politécnico Nacional, mediante los proyectos

20100480 y 20113164, “Producción de Películas Degradables a Partir de

Biomoléculas y su Caracterización Fisicoquímica, Mecánica y Estructural”.

AGRADECIMIENTOS

Al Dr. Javier Solorza Feria; por ser un guía incondicional y una persona que

merece todo mi respeto, que me apoyo hasta la última instancia a concluir el

presente escrito de tesis.

Al Dr. Gustavo Fidel Gutiérrez López; por sus finas atenciones, por todas las

facilidades y recomendaciones para poder concluir con éxito este trabajo.

A los miembros que integraron mi comisión revisora de tesis; Dra. Rosalía

América González Soto, Dra. Elsa Ventura Zapata, Dr. Antonio Ruperto

Jiménez Aparicio y Dr. Rodolfo Rendón Villalobos, por sus valiosas

observaciones que contribuyeron a mejorar este trabajo de tesis.

A la Dra. Brenda Camacho Díaz; por su disponibilidad y gran ayuda en las

pruebas de análisis de imágenes.

A mis compañeros de maestría y al personal de CeProBi-IPN; por tener el

gusto de conocerlos y por todos los buenos momentos.

A Pam; Por su apoyo, confianza y por siempre hacerme sonreír.

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por el apoyo

otorgado para la realización de este trabajo.

DEDICATORIAS

A ti Dios

Que me regalas la oportunidad de compartir este presente con:

“Mis padres y hermanos”

i

RESUMEN

Debido a problemas generados por el uso indiscriminado de plásticos sintéticos y su

persistencia en el medio ambiente, se ha despertado el interés en la elaboración de

nuevos materiales que permitan generar plásticos degradables. Una alternativa, es el

producir películas a base de gelatina/glicerol e incorporar un componente que

contribuya a mejorar las propiedades mecánicas de los biopolímeros, como es el caso

de los nanotubos de carbono (NTC). El objetivo de este trabajo fue elaborar películas

degradables a base de gelatina/glicerol a diferentes concentraciones de NTC (previa

dispersión con dodecil sulfato de sodio (DSS) en solución acuosa) y evaluar el efecto

en sus propiedades físicas, fisicoquímicas, mecánicas y estructurales. Se elaboraron

4 tipos de películas a través del método de vaciado en placa (“Casting”) con las

formulaciones siguientes: GG) gelatina/glicerol; GGNTC1), GGNTC2), GGNTC4)

gelatina/glicerol y NTC al 0.001,0.002 y 0.004% p/p respectivamente. La incorporación

de NTC en las películas con GG disminuyó el valor de luminosidad (L*) en las pruebas

de color (tendencia al color negro). En cuanto a las propiedades mecánicas, se

observaron características de una película flexible al incrementarse el porcentaje de

elongación (%E) de 139% en GG a 166% para GGNTC4, un comportamiento inverso

se observó en GG, es decir, la película presentó valores altos de tensión a la fractura

(TF) y módulo de elasticidad (ME) (24.94 y 16.35 Mpa respectivamente), típica

característica de los materiales frágiles y rígidos. La permeabilidad al vapor de agua

(PVA) aumentó significativamente en todas las películas con NTC, de 2.53 X10-10

para GG, a 7.38X10-10 g Pa-1 s-1 m-1 en GGNTC4, de igual manera, el % de solubilidad

aumentó. Los resultados de difracción de rayos X y los parámetros térmicos

evaluados, dieron indicio de que al incluir NTC en las películas, estas mostraron una

estructura ligeramente menos cristalina al disminuirse el % de cristalinidad y los

valores de los parámetros térmicos evaluados. Los resultados anteriormente

descritos, fueron correlacionados con los parámetros encontrados en un análisis de

imágenes (AI). Los valores de dimensión fractal de superficie y textura, indicaron que

al incluir NTC a la mayor concentración, se obtuvieron películas con una superficie

regular y homogénea. Se calculó el % de área ocupado por los NTC en la matriz

polimérica de gelatina y el mayor valor fue de 44.79% (en GGNTC4), mostrando una

r2=0.98, lo cual indicó que los NTC en buena medida, se dispersaron en la solución

formadora de película.

ii

ABSTRACT

Due to problems caused by the indiscriminate use of synthetic plastics and their

persistence in the environment, the interest in developing new materials to give place

to a generation of biodegradable plastics has increased. To meet this challenge, an

alternative is to produce biofilms such as the gelatin/glycerol based films,

incorporated with an element that contributes to improve the mechanical properties

of biopolymer systems, as is the case of carbon nanotubes (CNT). The aim of this

work, was to develop biodegradable films based on gelatin/glycerol mixtures and

CNT, at different concentrations (previous dispersion with sodium dodecyl sulfate

(SDS) in aqueous solution), and to evaluate their effect on the film´s physical,

physicochemical, mechanical and structural properties. Four types of films were

produced by the casting method, with the following formulations: GG

(gelatin/glycerol); GGCNT1, GGCNT2 and GGCNT4 (Gelatin/glycerol with 0.001,

0.002 and 0.004% of CNT respectively). The CNT addition in the GG films decreased

the lightness (L*) value, showing a tendency to darken. During the evaluation of the

mechanical properties, films exhibited characteristics of a strong flexible film by the

increase in the elongation percent (%E) from 139% on GG to 166% on GGCNT4. An

opposite behavior was noted for GG, showing high values of tensile strength (TS) and

elastic module (EM) (24.94 and 16.35 MPa respectively), which are typical

characteristics of brittle and rigid materials. The water vapor permeability (WVP)

increased significantly in all CNT films. It went from 2.53 X10-10 for GG to 7.38X10-10

g Pa-1 s-1 m-1 for GGCNT4; similarly, the solubility percent increased. The results of

the X-ray diffraction and the thermal parameters, indicated that CNT addition

produced films with a slightly less crystalline structure by reducing the crystallinity

percent and the values of thermal parameters evaluated. The results previously

described were correlated with image analysis (IA) parameters. The values of the

surface and texture fractal dimension, suggested that films with a regular and

homogeneous surface, were obtained with highest CNT addition. The percentage

area occupied by the CNT in the gelatin polymer matrix was calculated, finding the

highest value (44.79%) for GGCNT4, with an r2=0.9856, indicating a good CNT

dispersion.

iii

ÍNDICE

CONTENIDO

PÁGINA

RESUMEN i

Abstract ii

Índice iii

Índice de cuadros vi

Índice de figuras vii

Abreviaturas x

I. INTRODUCCIÓN 1

II. REVISIÓN DE LITERATURA

3

2.1 Problemática ambiental de empaques no biodegradables

3

2.2 Películas biodegradables

4

2.2.1 Películas a base de proteínas

5

2.2.1.1 Gelatina

6

2.2.2 Películas a base de otros biopolímeros

7

2.2.3 Películas a base de mezclas entre biopolímeros 8

2.3 Plastificantes

9

2.3.1 Plastificantes de uso común 10

2.4 Uso de nanopartículas en matrices poliméricas (nanocompuestos)

10

2.4.1 Nanotubos de carbono (NTC)

12

2.4.1.1 Clasificación y estructura 13

iv

2.4.1.2 Métodos de síntesis 14

2.4.1.3 Seguridad y regulación 16

2.4.1.4 Propiedades y aplicaciones

17

2.4.1.5 Dispersión en polímeros

18

III. JUSTIFICACIÓN

20

IV. OBJETIVOS

21

4.1 General

21

4.2 Específicos

21

V. HIPÓTESIS

21

VI. MATERIALES Y MÉTODOS

22

6.1 Materiales

22

6.2 Métodos

22

6.2.1 Dispersión de NTC mediante el uso de dodecil sulfato de sodio (DSS) en medio acuoso

22

6.2.2 Elaboración de biopelículas por vaciado en placa (casting)

23

6.2.2.1 Acondicionamiento de las películas

24

6.2.2.2 Grosor de las películas

24

6.3 Estructura de las películas

24

6.3.1 Análisis de imágenes

24

6.3.2 Difracción de rayos X

25

6.4 Propiedades físicas

26

6.4.1 Determinación de color en las películas

26

6.4.2 Determinación del contenido de humedad en las películas

27

6.4.3 Determinación de actividad de agua (Aw) en las películas

27

v

6.4.4 Determinación de permeabilidad al vapor de agua (PVA) en las películas

27

6.4.5 Determinación del porcentaje de solubilidad en las películas

28

6.5 Caracterización fisicoquímica

29

6.5.1 Calorimetría diferencial de barrido (CDB)

29

6.6 Propiedades mecánicas de las películas

29

6.7 Análisis estadístico

30

VII. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

31

7.1 Grosor de las películas

31

7.2 Color de las películas

31

7.3 Contenido de humedad y actividad de agua de las películas

37

7.4 Permeabilidad al vapor de agua de las películas

39

7.5 Solubilidad de las películas

42

7.6 Propiedades mecánicas de las películas 44

7.7 Difracción de rayos X

48

7.8 Parámetros térmicos de las películas

50

7.8 Análisis de imágenes aplicado a las películas 53

VIII. CONCLUSIONES

58

IX. PERSPECTIVAS

60

X. LITERATURA CITADA 61

vi

ÍNDICE DE CUADROS

Número Cuadro

Página

1 Resultado del análisis de grosor de las películas

elaboradas a partir de un compuesto

gelatina/glicerol y nanotubos de carbono

31

2 Parámetros a*, b*, croma (C) y ángulo hue (ºh)

de las películas elaboradas a partir de un

compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de

carbono

36

3 Análisis de humedad y actividad de agua de las

películas elaboradas a partir de un compuesto

gelatina/glicerol y nanotubos de carbono

38

4 Parámetros térmicos de las películas elaboradas

a partir de un compuesto gelatina/glicerol y

nanotubos de carbono

52

5 Parámetros texturales obtenidos por análisis de

imágenes de películas elaboradas a partir de un

compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de

carbono

54

vii

ÍNDICE DE FIGURAS

Número Figura

Página

1 Principales fuentes de contaminación

4

2 Esquema gráfico de nanotubos de carbono

12

3 Nanotubos de carbono a) pared simple y b) pared

múltiple

13

4 Morfología de los NTC según el ángulo de enrollamiento

de la lámina de grafito con morfología tipo a) silla, b) zig-

zag y c) quiral.

14

5 Dispersión de nanotubos de carbono de pared múltiple

(NTCPM) a diferentes concentraciones a) 0.001 % p/p,

b) 0.002 % p/p y c) 0.004 % p/p en solución acuosa con

DSS

23

6 Evaluación del color en las películas elaboradas a partir

de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de

carbono (utilizando el factor de luminosidad L* del

sistema CIELAB, 1976).

32

7 Películas elaboradas a partir de un compuesto

gelatina/glicerol y nanotubos de carbono. a) GG,

b) GGNTC1, c) GGNTC2 y d) GGNTC4

35

viii

8 Permeabilidad al vapor de agua (PVA) de las películas

elaboradas a partir de un compuesto gelatina/glicerol y

nanotubos de carbono

41

9 Porcentaje de solubilidad de las películas elaboradas a

partir de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de

carbono, determinado a 25 ºC y 80 ºC.

43

10 Tensión a la fractura de las películas elaboradas a partir

de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de

carbono.

46

11 Módulo de elasticidad de las películas elaboradas a partir

de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de

carbono.

46

12 Porcentaje de elongación de las películas elaboradas a

partir de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de

carbono

47

13 Difractogramas de las películas elaboradas a partir de un

compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono

49

14

Termogramas por calorimetría diferencial de barrido de

las películas elaboradas a partir de un compuesto

gelatina/glicerol y nanotubos de carbono.

50

15 Imágenes de las películas obtenidas a partir de un

compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono

a)GG, b)GGNTC1,c)GGNTC2 y d)GGNTC4.

55

ix

16 Correlación de dimensión fractal de superficie (DFS) con

respecto a parámetros mecánicos, de las películas

elaboradas a partir de un compuesto gelatina/glicerol y

nanotubos de carbono

56

17 Porcentaje del área ocupada por NTC en las películas de

las películas elaboradas a partir de un compuesto

gelatina/glicerol y nanotubos de carbono

56

18 Correlación de entropía con parámetros de estabilidad de

las películas elaboradas a partir de un compuesto

gelatina/glicerol y nanotubos de carbono

57

x

ABREVIATURAS

NTC Nanotubos de carbono

NTCPS Nanotubos de carbono de pared simple

NTCPM Nanotubos de carbono de pared múltiple

DSS Dodecil sulfato de sodio

APL Acido poliláctico

PHAs Polihidroxialcanoatos

PHB Polihidroxibutirato

CO2 Dióxido de carbono

MMT Montmorillonita

nSiO2 Nanopartículas de sílice

Tg Temperatura de transición vítrea

NCA Nanocristales de almidón

TPP Tripolifosfato

CS-TPP Quitosan-tripolifosfato

HPMC Hidroxipropilmetilcelulosa

CDV Deposición química en fase de vapor

AI Análisis de imágenes

DRX Difracción de rayos X

PVA Permeabilidad al vapor de agua

Aw Actividad de agua

TF Tensión a la fractura

%E Porcentaje de elongación

ME Módulo elástico

p/p Peso/peso

rpm Revoluciones por minuto

°C Grado centígrado

min Minuto

mm Milímetro

nm Nanómetro

xi

GG Película gelatina/glicerol

GGNTC1 Película gelatina/glicerol con 0.001% p/p de Nanotubos de Carbono

GGNTC2 Película gelatina/glicerol con 0.002% p/p de Nanotubos de Carbono

GGNTC4 Película gelatina/glicerol con 0.004% p/p de Nanotubos de Carbono

HR Humedad relativa

NaBr Bromuro de Sodio

px Pixeles

θ Theta

KV Kilovatios

Å Amstrong

L* Factor de luminosidad

C Croma

°h Angulo hue

h Hora

g Gramo

NaCl Cloruro de sodio

s Segundo

m Metro

Pa Pascal

cal Caloría

ANDEVA Análisis de varianza

b* Coordenada cromática (amarillo-azul, en CIELAB)

a* Coordenada cromática (verde-rojo, en CIELAB)

Tf Temperatura de fusión

ΔH Entalpia de fusión

DFS Dimensión fractal de superficie

DFT Dimensión fractal de textura

%A Porcentaje de área

1

I. INTRODUCCIÓN

Los polímeros son sustancias que consisten en grandes moléculas formadas por

muchas unidades pequeñas que se repiten (monómeros); y estos se clasifican como

polímeros sintéticos o naturales (biopolímeros) (Uribe, 1996). Polímeros sintéticos

como el polietileno, polipropileno y poliestireno son la principal materia prima en la

industria del empaque. Al incorporarse el plástico a la vida cotidiana, una parte

considerable de los desechos producidos comenzó a acumularse en el medio

ambiente, precisamente por la resistencia de los plásticos a la corrosión, la

intemperie y la degradación por microorganismos (Espín, 2007). Razón por la cual se

ha incrementado el interés por desarrollar empaques con la propiedad de ser

biodegradables. Entre la variedad de compuestos disponibles para elaborar dichas

películas, la gelatina es un biopolímero que presenta beneficios potenciales, ya que

pueden ser producidos a bajo costo y a gran escala (Lee et al., 2004). En general, las

películas elaboradas a partir de gelatina son frágiles y susceptibles a agrietarse

debido a la fuerte densidad de energía cohesiva del polímero (Arvanitoyannis et al.,

1998a). Debido a ello, se han realizado estudios que describen los efectos de los

plastificantes en las propiedades físicas, químicas y funcionales en biopelículas para

lograr una mayor flexibilidad, esto debido a reducción de enlaces intermoleculares

(Cao et al., 2009). En vista de que las películas elaboradas a partir de proteínas,

polisacáridos, lípidos e hidrocoloides presentan desventajas, ya sea en propiedades

mecánicas o de barrera, se ha intentado mejorar las propiedades funcionales de

biopelículas mediante el uso de mezclas entre dos o más compuestos (Tharanathan,

2003).

Los nanotubos de carbono (NTC) son estructuras artificiales novedosas que

presentan propiedades físicas que los han hecho objeto de una gran cantidad de

estudios; los cuales han revelado un potencial de aplicación en diferentes áreas,

tales como la electrónica, la física y la biología, ya que poseen adecuadas

propiedades estructurales, físicas, eléctricas y mecánicas. Con base a lo anterior, el

objetivo de este trabajo fue incorporar nanotubos de carbono a una matriz polimérica

2

(gelatina), para formar películas con propiedades mecánicas y fisicoquímicas

deseables, con respecto a un material de empaque.

3

II. REVISIÓN DE LITERATURA

2.1 Problemática ambiental de empaques plásticos no biodegradables

La palabra plástico se refiere a ciertos tipos de materiales sintéticos, obtenidos

mediante fenómenos de polimerización o multiplicación artificial de los átomos de

carbono, en largas cadenas moleculares de compuestos orgánicos. En general, son

derivados del petróleo, aunque algunos se pueden obtener a partir de otras

sustancias naturales (Segura et al., 2007). Durante los últimos cincuenta años, los

materiales de empaque empleados en la protección y conservación de los alimentos

han evolucionado de manera radical, hasta llegar a los plásticos sintéticos, la

producción mundial en el 2010 fue de 265 millones de toneladas (European Plastics

Converters, 2011). En México se producen aproximadamente 6 millones de

toneladas de plástico por año en sus diferentes variantes. Hay distintos tipos de

plásticos con una gran variedad de calidades, para ofrecer las propiedades

específicas para cada aplicación, entre los más producidos se encuentran el

polietileno, polipropileno y poliestireno, que han sustituido de manera total y parcial a

muchos materiales naturales como la madera, algodón, papel, lana, metal y vidrio.

Los factores que han favorecido el mercado de los plásticos son: la facilidad con que

pueden ser trabajados o moldeados, su impermeabilidad, su baja densidad, su

resistencia a la corrosión y a la intemperie (CONACYT, 2005; Espín, 2007). Sin

embargo, es bien sabido que estos materiales constituyen una gran parte de los

contaminantes del medio ambiente, generando enormes problemas para su

eliminación, debido a que la degradación de los plásticos es muy lenta, pues

algunos, como las bolsas y envases plásticos, tienen la propiedad de degradarse en

tiempos muy prolongados (más de 100 años). En la figura 1 se muestra la

clasificación de las principales fuentes de contaminación, una tercera parte del total

de los contaminantes son los plásticos, y el poliestireno por si solo, ocupa un 7% del

total (Flores y Romero, 2003).

4

Debido a la problemática descrita anteriormente, hay actualmente un creciente

interés por la comunidad científica en los materiales biodegradables, en sustitución

de los materiales plásticos convencionales como el polietileno (de alta y baja

densidad), polipropileno y poliestireno, que son sustancias particularmente

resistentes al ataque de microorganismos presentes en el suelo, donde son

depositados después de haber sido utilizados.

Figura 1. Principales fuentes de contaminación

Fuente: Flores y Romero, 2003

2.2 Películas biodegradables

La degradación o envejecimiento de los polímeros, se refiere a los cambios que

sufren estos materiales en sus propiedades, al interaccionar con el medio y el

ambiente en que se encuentren. Existen diferentes maneras de considerar la

degradación: natural, acelerada, artificial, física y química (Uribe, 1996).

En un intento por disminuir los problemas ocasionados por la acumulación de

residuos sólidos, se han creado los llamados materiales biodegradables a partir de

polímeros naturales. Para que un material sea llamado biodegradable, debe ser

degradado totalmente por microorganismos o enzimas, en el proceso de composteo,

a compuestos naturales como dióxido de carbono, agua, metanol y biomasa. La

biodegradación incluye la despolimerización y la desmineralización a dióxido de

Plástico 36%

Papel 15%

Metal 14%

Vidrio 12%

Poliestireno 7%

Madera 2%

Caucho 1%

Otros 13%

Principales fuentes de Contaminación

5

carbono (CO2), agua, sales, etc., e involucra tres elementos claves; los

microorganismos apropiados, el medio ambiente y la vulnerabilidad del sustrato o

polímero (Pérez y Báez, 2003).

Con el paso del tiempo se han creado nuevos empaques, surgiendo los plásticos

biodegradables de primera generación, que están constituidos por pequeñas

modificaciones químicas en los polímeros o mezclas de polímeros sintéticos

(plásticos) con biopolímeros, hasta llegar a los plásticos biodegradables de segunda

generación, constituidos por macromoléculas biodegradables en su totalidad (Flores

y Romero, 2003). Los biopolímeros naturales provienen de cuatro grandes fuentes:

origen animal (colágeno/gelatina), origen marino (quitina/quitosano), origen vegetal

(lípidos y grasas e hidrocoloides: proteínas y polisacáridos) y origen microbiano

(ácido poliláctico (APL) y polihidroxialcanoatos (PHAs)) (Tharanathan, 2002). A partir

del uso de macromoléculas y mediante un proceso de disolución y secado, el

resultado es una hoja con la consistencia de un plástico (película) y que puede

usarse como un material de empaque con la propiedad de ser biodegradable.

2.1.1 Películas a base de proteínas

Los materiales a base de proteínas consisten de redes macromoleculares continuas,

de baja humedad y más o menos ordenadas. Las interacciones entre proteínas

necesitan ser numerosas y uniformes. La probabilidad de formación de enlaces

intermoleculares depende de la forma de la proteína y de las condiciones de proceso.

Proteínas de altos pesos moleculares (glutenina) y proteínas fibrosas (colágeno),

generalmente forman películas con buenas propiedades mecánicas. Mientras que las

proteínas globulares y pseudoglobulares (gliadina, caseína y glicinina), usualmente

necesitan desdoblarse antes de la formación de la red (Cuq et al., 1998).

Las películas de proteínas se adhieren fácilmente a superficies hidrofílicas y

presentan la desventaja de alta difusión del agua. Las proteínas más empleadas en

la elaboración de películas son: caseína, zeína, soya, albúmina de huevo,

lactoalbúmina, suero de leche, gluten de trigo, colágeno y gelatina. Una desventaja

6

de las películas de proteína, es su sensibilidad a los cambios de pH, por lo que

deben delimitarse a las condiciones óptimas de su formación (Baldwin, 1994).

2.1.1.1 Gelatina

La gelatina es una proteína de origen animal que se obtiene por la desnaturalización

a partir del colágeno, mediante hidrólisis ácida (gelatina tipo A) o alcalina (gelatina

tipo B) (Johnston, 1990), el colágeno es la principal proteína estructural de muchos

tejidos conectivos, como la piel, tendón y hueso (Bigi et al., 2002). Tiene una

estructura de triple hélice, estabilizada principalmente por la formación de puentes de

hidrógeno entre las cadenas a través de grupos carboxilo y amino. Después del

proceso de desnaturalización, la triple hélice, se rompe y las cadenas polipeptídicas

adoptan una configuración aleatoria. Entonces, estas cadenas pueden interactuar

para formar la gelatina (Dai et al., 2006). En la elaboración de gelatina, se controla la

hidrólisis del colágeno (de diversas fuentes) para convertir el producto resultante en

un material soluble con las propiedades físicas y químicas deseables, entre las que

están la fuerza de los geles (bloom), adherencia, color, consistencia y transparencia

(Chapveil, 1980).

Las películas de gelatina son comúnmente usadas en la industria farmacéutica para

fabricar tabletas y cápsulas. La gelatina es también usada como materia prima en la

elaboración de películas fotográficas y para microencapsular aromas, vitaminas y

endulzantes (Cuq et al., 1998). Esta versatilidad funcional refleja tanto las

propiedades físicas de un polímero flexible y largo, como las interacciones químicas

posibles en un polipéptido compuesto por 20 diversos aminoácidos (con mayor

proporción de glicina y prolina), al lado de cadenas ácidas (Stainsby, 1977).

En general las películas de gelatina son plastificadas por el agua (Sobral y

Habitante, 2001) y por polioles. Son frágiles debido a la fuerte densidad de energía

cohesiva del polímero (Arvanitoyannis et al., 1998a). La mayoría de las trabajos

citados sobre las películas de gelatina plastificadas, describen los efectos de la

adición de glicerol y su efecto plastificante en concentraciones bajas y medias (0-

50%) (Cuq et al., 1997; Thomazine et al., 2005; Vanin et al., 2005), sin embargo,

7

algunos estudios se han llevado a cabo en las películas con mayor contenido de

glicerol (Audic y Chaufer, 2005).

2.2.2 Películas a base de otros biopolímeros

Películas a base de hidrocoloides

Las películas a base de hidrocoloides poseen buenas propiedades de barrera al

oxigeno, dióxido de carbono y lípidos. Pueden clasificarse de acuerdo a su

composición, carga molecular y solubilidad en agua. En términos de composición,

pueden ser carbohidratos (ej., almidón, gomas, celulosa y almidón químicamente

modificado) y proteínas (ej., gelatina, caseína, proteína de soya y gluten de trigo)

(Donhowe y Fennema, 1994).

Películas a base de lípidos

Debido a la baja polaridad de estas películas, su función principal es la de constituir

una barrera contra el paso de humedad. Las películas deben ser heterogéneas por

naturaleza. Aunque ácidos grasos y alcoholes presentan barreras efectivas para el

vapor de agua, su fragilidad requiere que sean usadas en conjunto con una matriz

polimérica que brinde soporte (Donhowe y Fennema, 1994). Por lo cual, se pueden

hacer mezclas con polisacáridos y proteínas, lo que facilita la posibilidad de utilizar

las características funcionales de cada componente.

Películas a base de polisacáridos

Por las propiedades filmógenicas de los polisacáridos, pueden utilizarse en la

elaboración de películas (Guilbert y Biquet, 1995). Las cuales tienen buenas

propiedades de barrera a los gases, sin embargo, no son una buena barrera para la

humedad (Guilbert, 1986). Se han elaborado películas a partir de celulosa, pectina,

almidón, alginatos, quitosano, carragenina, gomas y mezclas entre estos. Las

películas de almidón son estables, transparentes, flexibles, generalmente

permeables al gas y sensibles a la humedad (Sánchez, 1998). Estos compuestos

8

tienen las características de ser polímeros de cadena larga, solubles en agua y de

producir un fuerte aumento en la viscosidad al dispersarse en ella.

Películas de origen microbiano

Los polihidroxialcanoatos (PHAs), son poliésteres naturales producidos por bacterias

y actualmente se están usando en la elaboración de películas, debido a que son

completamente degradables, produciendo en este proceso agua y bióxido de

carbono. Así como son abundantes en la naturaleza los organismos capaces de

producir PHAs, también lo son aquellos capaces de degradarlos. Los grupos de

organismos con representantes capaces de degradar PHAs son bacterias y hongos

(Espín, 2007).

Por otra parte, la fermentación bacterial de la glucosa y la alimentación con ácido

acético durante el almacenamiento, da un novedoso poliéster termoplástico llamado

polihidroxibutirato (PHB), el cual, sólo o en combinación con plásticos sintéticos o

con almidón, produce excelentes películas para empaques (Tharanathan, 2003).

2.2.3 Películas a base de mezclas entre biopolímeros

El objetivo de emplear mezclas entre biopolímeros para la elaboración de películas

biodegradables, es contrarrestar las deficiencias propias de cada componente y así

poder mejorar las propiedades y características del material resultante (Tharanathan,

2003). Actualmente, existen diversos estudios donde se mencionan las propiedades

de películas a partir de mezclas entre biopolímeros (Lee et al., 2004; Donhowe y

Fennema, 1994; Arvanitoyannis et al., 1998b).

De acuerdo con Lee et al. (2004), la presencia de goma gelana, en geles de gelatina,

produce un incremento sinergístico en la fuerza del gel, así como un mejoramiento

de la firmeza de éste. Además, concluyen que las propiedades mecánicas de

películas a base de gelatina y goma gelana, dependen significativamente de las

concentraciones de los dos componentes, sugiriendo el uso de este tipo de películas

como materiales de empaque. Arvanitoyannis et al. (1998b), elaboraron películas con

9

mezclas de gelatina y quitosán utilizando dos métodos de preparación: baja y alta

temperatura. Las películas elaboradas a baja temperatura (20°C) presentaron mayor

porcentaje de ordenamiento molecular y cristalinidad, comparadas con aquellas

preparadas por el método de alta temperatura (60°C). Lo anterior se tradujo en

menores permeabilidades a los gases y al vapor de agua, mayor fuerza de tensión y

mayores energías de activación para las películas obtenidas a 20°C que para

aquellas obtenidas a 60°C. Otro ejemplo de películas compuestas, son las

elaboradas a partir de lípidos e hidrocoloides. Una película compuesta puede existir

como una bicapa, en la cual una es de hidrocoloide y la otra de lípido o como un

conglomerado donde los componentes lípidos e hidrocoloides, son esparcidos por

toda la película. Las películas compuestas combinan las ventajas de ambos

componentes y disminuyen las desventajas de cada uno. Si se desea una barrera de

vapor de agua, el compuesto lípido cumple esta función y el hidrocoloide provee la

durabilidad necesaria (Donhowe y Fennema, 1994).

2.3 Plastificantes

Un plastificante se define como una molécula pequeña, poco volátil, de una

naturaleza química similar a la del polímero formador de la película. La adición de

sustancias plastificantes en materiales poliméricos modifica la organización

tridimensional de las moléculas, disminuyendo las fuerzas de atracción

intermoleculares aumentando los espacios y la movilidad de las cadenas. Como

resultado de estos cambios en la organización molecular, la adición de plastificante

modifica las propiedades funcionales de la película. Cuando se adicionan altas

cantidades de plastificante en la formulación de la película, ocurren cambios

significativos en las propiedades de ésta, como son incremento en la extensibilidad y

flexibilidad, además se facilita la difusión de moléculas permeantes y tienen efectos

negativos en sus propiedades de barrera (McHugh y Krochta, 1994; Cuq et al.,

1997).

10

2.3.1 Plastificantes de uso común

Con excepción del agua, que puede ser considerada como el plastificante en la

mayoría de películas a base de hidrocoloides, los plastificantes más usuales son los

polioles y los mono- di- y oligosacaridos (Cuq et al., 1998). Entre los polioles más

utilizados están el glicerol, propilenglicol, polietilenglicol 200, polietinglicol 40 y

sorbitol.

Uno de los plastificantes utilizados en la elaboración de películas es el glicerol, un

polihidroxialcohol ampliamente utilizado en la industria química, farmacéutica y

cosmética, en virtud de sus propiedades humectantes, antisépticas, higroscópicas y

espesantes. Se trata de un líquido incoloro, viscoso y casi inodoro, que posee una

temperatura de ebullición de 290 ºC y una temperatura de fusión de 17.9 ºC. Su

fuerza de tensión superficial es menor que la del agua, pero mayor que la de muchos

disolventes tensorgánicos; resulta soluble en agua y alcoholes, es insoluble en éter y

cloroformo. El glicerol es un disolvente de extraordinario valor, capaz de formar

disoluciones concentradas y permanentes, imposibles de obtener con otros vehículos

(Hernández et al., 2000; Mali et al., 2004).

La adición de un plastificante en la elaboración de películas, permite que estas sean

menos frágiles, más duras y resistentes con el tiempo, más flexibles debido a su

habilidad de reducir los enlaces internos de hidrógeno entre las cadenas del

polímero, e incrementar en consecuencia, el espacio entre moléculas (Liberman y

Gilbert, 1973).

2.4 Uso de nanopartículas en matrices poliméricas (nanocompuestos)

La aplicación de la nanotecnología en matrices poliméricas, puede abrir nuevas

posibilidades para mejorar no sólo sus propiedades, sino también costo y eficiencia

(Sorrentino y et al., 2007). Entre los nanorefuerzos utilizados se encuentran

arcillas/silicatos, celulosa, sílice, nanocristales de almidón, quitosano y nanotubos de

carbono (Henriette, 2009).

11

Se han reconocido nanorefuerzos como posibles aditivos para mejorar el rendimiento

de los polímeros, la industria del empaque ha centrado su atención principalmente en

capas inorgánicas solidas como las arcillas y silicatos, debido a su disponibilidad y

bajo costo comparado con otro tipo de nanopartículas. La arcilla más ampliamente

estudiada es la montmorillonita (MMT) y su presencia en polímeros aumenta la

tortuosidad del camino difusivo de una molécula penetrante, proporcionando

excelentes propiedades de barrera (Bharadwaj et al., 2002). Por otra parte, se está

haciendo uso de nonofibras de celulosa, debido a que están constituidas por fibras

muy resistentes y presentan una amplia disponibilidad. Además, son

ambientalmente amigables y fáciles de reciclar. Todo esto hace que las nanofibras

de celulosa sean un atractivo más de los nanomateriales para la elaboración de

películas, debido a su alta resistencia mecánica (Helbert y Dufresne, 1996).

Wu et al. (2002) observaron que la adición de nanopartículas de sílice (nSiO2) a

películas de polipropileno, mejora el módulo de elasticidad y la elongación, por lo que

su incorporación en una matriz polimérica, se considera como mejoradora de

propiedades mecánicas. En otras investigaciones, como la de Kristo y Biliaderis.

(2007), reportaron que la adición de nanocristales de almidón (NCA), mejora la

resistencia a la tracción y el módulo elástico en películas de pululano, pero

disminuye su elongación. Valores mayores de temperatura de transición vítrea (Tg)

se encontraron al incorporar el contenido de NCA, esto se atribuyó a una restricción

de la movilidad de las cadenas de pululano, debido a la formación de fuertes

interacciones entre NCA en la matriz polimérica.

Actualmente, se está haciendo uso de nanopartículas de quitosano, dichas

nanopartículas, se pueden obtener por gelificación iónica, ya que sus grupos amino

cargados positivamente, forman interacciones electrostáticas con polianiones al

emplear reticulantes, tales como el tripolifosfato (TPP). De Moura et al. (2009)

prepararon nanopartículas de quitosán-tripolifosfato (CS-TPP), incorporándolos en

películas de hidroxipropilmetilcelulosa (HPMC). Observaron una mejora significativa

en las propiedades mecánicas y de barrera, atribuyendo esto, al efecto de las

nanopartículas, al llenar las discontinuidades en la matriz de HPMC.

12

2.4.1 Nanotubos de carbono (NTC)

Al variar los tipos de enlace entre átomos iguales, se pueden formar sustancias

elementales con propiedades físico-químicas diferentes, a este fenómeno se le

conoce como alotropía. El carbono posee formas alotrópicas como son: carbón

amorfo, diamante, grafito, fullerenos y nanotubos de carbono (NTC).

En 1985, mientras se investigaba el mecanismo de la formación de moléculas de

cadenas de carbono en el espacio exterior, por ablación de láser, se obtuvieron

esferas con dimensiones nanométricas, de estructura muy estable. A estas pequeñas

formas de carbono se les llamó buckiesferas (Kroto et al., 1991), en honor a

Buckminster Fuller. Posteriormente, a estas estructuras se les dio el nombre de

fullerenos y recibieron gran atención por parte de la comunidad científica, debido a

que estaban dotadas por propiedades físicas excepcionales. En 1991 Lijima en el

intento de producir fullerenos dopados con metales, resultó en el descubrimiento de

los nanotubos. Los NTC consisten en una hoja de grafito enrollada en sí misma hasta

formar un cilindro (Figura 2), con diámetros exteriores que varían de 0.4 a 5 nm

(Nikolaev et al., 1997; Peigney et al., 2001).

Figura 2. Esquema gráfico de nanotubos de carbono

Fuente: Alcca, 2008

13

2.4.1.1 Clasificación y estructura

Los NTC se clasifican como nanotubos de carbono de pared simple (NTCPS), que

están constituidos por átomos de carbono dispuestos en una red hexagonal

cilíndrica, de forma que su estructura es la misma que se obtendría si se enrollara

sobre sí misma una lámina de grafito, sus extremos pueden estar cerrados por media

esfera de fullerenos o pueden estar abiertos (Figura 3 a). Por otra parte, los

nanotubos de carbono de pared múltiple (NTCPM), tienen una estructura similar a

varios NTCPS concéntricos con diferentes diámetros (Figura 3 b). La estructura de

ambos tipos de NTC (NTCPS y NTCPM), consta de enlaces puros de carbono unidos

entre sí por un enlace covalente híbrido sp2 (Lijima, 1991).

a) b)

Figura 3. Nanotubos de carbono a) pared simple y b) pared múltiple

Fuente: Alcca, 2008

La morfología de los NTC está dictada por el ángulo de enrollamiento respecto a los

hexágonos formados por los enlaces de carbono. Existen tres morfologías de los

NTC (Figura 4), que son: silla, quiral y zig-zag (Hamada et al., 1992; Romero et al.,

2002). Diferente morfología proporciona diferentes propiedades a los NTC.

14

Figura 4. Morfología de los NTC según el ángulo de enrollamiento de la lámina de

grafito con morfología tipo a) silla, b) zig-zag y c) quiral.

Fuente: Baughman, 2002

2.4.1.2 Métodos de síntesis

Existen varios métodos de obtención de NTC, todos se basan en someter materiales

carbonáceos a altas temperaturas. A continuación se presenta una breve descripción

de los métodos que se utilizan en la actualidad, así como sus ventajas y desventajas,

con base en la revisión de Terrones (2004).

Método de descarga de arco

Se pueden producir NTCPS o NTCPM por medio del método de descarga de arco.

Aunque con algunas variantes entre tipos de NTC, el método esencialmente consiste

en el paso de una corriente directa a través de dos electrodos de grafito de alta

pureza en el interior de una atmósfera de He, lo cual origina un arco. Durante el

arqueo se forman depósitos sobre el cátodo, mientras que el ánodo se consume.

Estos depósitos se cubren con una capa gris dura en la periferia. El centro, oscuro y

blando, contiene nanotubos y partículas de grafeno. Para que los NTCPS se formen,

15

se requiere de un catalizador metálico. Esta técnica es costosa, ya que requiere de

electrodos de grafito de alta pureza, polvos metálicos, Ar y He también de alta

pureza. Por otro lado, no hay control sobre las dimensiones de los NTC y además de

éstos, se forman otras partículas, por lo que la purificación es un paso adicional del

proceso.

Vaporización con láser

Se pueden producir tanto NTCPS como NTCPM mediante una combinación de láser

de alta potencia y altas temperaturas. Particularmente, se generan NTCPM a través

de la vaporización por láser de grafito sellado en una atmósfera de Ar en un tubo de

sílice en el interior de un horno a 1200°C. Una desventaja es que la técnica no es

económica, ya que se utiliza grafito de alta pureza y los requerimientos de potencia

del láser son altos. Además, el rendimiento de los NTC producidos no es alto en

comparación con otros métodos.

Electrólisis

Por inmersión de electrodos de grafito en cloruro de litio fundido en atmósfera de Ar y

aplicando un voltaje entre los electrodos, se pueden obtener NTCPM con

rendimientos de 20-40%. Después de la electrólisis el equipo se enfría, y los

materiales carbonáceos se separan disolviendo la sal iónica en agua destilada.

Después de filtrar, en los sólidos se encuentran los NTC y otras nanoestructuras. A

pesar de que es una técnica no costosa, no es muy utilizada debido a la dificultad

para controlar el rendimiento y las dimensiones de los nanotubos. Un inconveniente

más de este método es la imposibilidad de obtener NTCPS.

Pirolisis de hidrocarburos (deposición química de vapor)

En presencia de un catalizador metálico (Co, Ni, Fe, Pt, o Pd) depositado sobre

sustratos como Si, grafito o sílice, la pirolisis de hidrocarburos (como metano,

benceno, acetileno, naftaleno o etileno) ofrece una alternativa para la producción de

fullerenos, NTC y otras nanoestructuras. A la pirolisis de hidrocarburos también se le

16

conoce como deposición química en fase de vapor y representa una alternativa para

la producción masiva de NTC; de hecho, la mayoría de los NTC comerciales

disponibles se sintetizan mediante este método.

2.4.1.3 Seguridad y regulación

Es esencial y urgente evaluar no solo los beneficios, sino también los posibles

riesgos que plantean las nanopartículas y acordar medidas efectivas mediante

criterios reguladores adecuados. Bayer Material Science es una de las primeras

compañías en establecer estándares de seguridad específicos para nanotubos de

carbono, con la finalidad de prevenir algún efecto no deseado por estos materiales.

Smart et al. (2006) revisaron el tema de la citotoxicidad y la biocompatibilidad de los

NTC, encontrando que existen muchas áreas que requieren investigación respecto a

toxicidad. Además, mencionan que la modificación química o solubilización de los

nanotubos reduce su toxicidad, aunque es imperativo investigar sobre el efecto en

vías respiratorias y piel, por ser los principales puntos de exposición.

Respecto a la toxicidad, se resalta que en un trabajo reciente se encontró que al

administrar a ratones tanto NTCPS como NTCPM dopados con nitrógeno (CNx),

éstos últimos no causaron la muerte de ningún animal, contrario a lo que se encontró

cuando se administró NTCMP por las vías nasal, oral, intratraqueal, e intraperitoneal.

En este caso, se encontró que la inyección intratraqueal causaba la muerte de los

ratones por disnea, dependiendo la magnitud del efecto, de las dosis empleadas. Por

el contrario, dosis extremadamente altas de CNx administradas directamente en la

tráquea de los ratones, solo indujeron respuestas inflamatorias, mientras que todas

las demás rutas de administración no provocaron signos de estrés o cambios en los

tejidos de los ratones tratados. Por ello los autores sugieren que en este sentido, los

CNx pudiesen tener ventajas en aplicaciones biológicas (Carrero et al., 2006).

17

2.4.1.4 Propiedades y aplicaciones

La principal característica de los NTC que dará lugar a un buen número de

propiedades excepcionales, es que muestran una relación longitud/diámetro muy

elevada: su diámetro es del orden de los nanómetros y su longitud puede variar

desde unas micras hasta milímetros e incluso algunos centímetros. La investigación

sobre los nanotubos es muy interesante (por sus múltiples aplicaciones y

probabilidades) y compleja (por la variedad de sus propiedades eléctricas, térmicas y

estructurales que cambian según el diámetro, longitud y la forma de enrollarse)

(Rivas et al., 2007; Dresselhaus et al., 2004).

Los nanotubos de carbono forman un material que resulta 100 veces más duro que el

acero y seis veces más ligero (Lubbe et al., 2001). Por lo anterior, se pretenden

utilizar estos materiales en aviones, automóviles y otros medios de locomoción, pues

supondría una pérdida de peso y un aumento de su resistencia mecánica.

Las excepcionales propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, químicas y ópticas

de los nanotubos de carbono, permite utilizarlos en multitud de aplicaciones. En

general, en sectores como electrónica, materiales, sensores, biotecnología, química,

energía, mecánica, instrumentación científica y fotónica (Dresselhaus et al., 2004).

Los nanotubos de carbono pueden ser la base para la formación de nuevos

materiales (nanocompuestos) y pueden hacerlo de dos formas: agrupándose, ó bien,

mezclándose con otros materiales para formar compuestos (Rivas et al., 2007).

Algunos estudios reportan que la adición de pequeños porcentajes de nanotubos de

carbono a matrices poliméricas, incrementan aproximadamente un 40% la tensión

elástica y causan un crecimiento cercano al 25% de la resistencia a la tracción.

Además, se ha observado que los materiales compuestos por nanotubos de carbono

son cerca de 10 veces mejor que los compuestos de fibras de carbono

convencionales (Alcca, 2008). Los NTC tienen la capacidad de resistir grandes

deformaciones sin daño, aún cuando son combinados con otros componentes

(Quian, 2000; Wagner et al., 1998). Las potenciales aplicaciones biológicas de los

NTC de pared simple y múltiple (NTCPS y NTCPM) incluyen la cristalización de

18

proteínas (Balavoin et al., 1999), inmovilización de las especies biológicas con

NTCPS y NTCPM como biosensor potencial (Guo et al., 1998), bioelectrónica en

nanomateriales (Mcdonal et al., 2005) y estudios sobre la electrorespuesta en el

hinchamiento y las características de la gelatina inmovilizada con NTCPM (Sajjad et

al., 2007).

2.4.1.5 Dispersión en polímeros

La aplicación y potencial biológico de los NTC han sido escasamente probados

debido a su reciente descubrimiento (Georgakilas et al., 2002). La principal barrera a

vencer en lo que se refiere a la aplicación biológica de los NTC, es su

biocompatibilidad y solubilidad en soluciones acuosas.

El uso de disolventes es un factor muy importante para la dispersión de nanotubos

de carbono en cualquier medio acuoso; debido a la fuerza de atracción que existe

entre ellos, los hace insolubles en cualquier líquido. Sin embargo, existen varios

disolventes que se han utilizado en experimentaciones para maximizar la dispersión

de nanotubos de carbono en el reforzamiento de polímeros. Entre ellos, el uso de

surfactantes aniónicos, como el dodecil sulfato de sodio (DDS)(molécula anfifílica

que tiene una cadena de 12 átomos de carbono, pegadas a un grupo de sulfato)

cumple la función de reducir la tensión superficial y facilitar la solubilidad de los NTC

en medios acuosos (Sánchez, 2007).

Como se ha descrito anteriormente, los NTC son altamente insolubles en medios

acuosos y en la mayoría de los disolventes comunes; sin embargo, mediante el

acoplamiento de grupos químicos en la superficie, en los extremos y en la cavidad

interna, pueden volverse solubles en disolventes orgánicos y en soluciones acuosas.

A este proceso se le llama funcionalización y los NTC funcionalizados, pueden ser

posteriormente conjugados con aminoácidos, péptidos bioactivos, proteínas y otras

moléculas; encontrando así un gran número de aplicaciones biológicas potenciales

(Pompeo y Resasco, 2002; Dieckmann et al., 2003; Bianco y Prato, 2006). El uso de

surfactantes en NTC funcionalizados con soluciones ácidas (Rausch et al., 2010) y

19

en soluciones acuosas con quitosano a diferentes valores de pH (Yeong et al., 2010),

han mostrado buenos resultados para su dispersión.

20

III. JUSTIFICACIÓN

El uso indiscriminado de empaques plásticos, ha derivado en su acumulación como

desecho en el medio ambiente, siendo una de las principales fuentes de

contaminación en el mundo, ya que la gran mayoría de éstos materiales son

derivados del petróleo y se degradan en tiempos muy prolongados. Es por ello que

ha surgido la iniciativa de producir materiales menos nocivos con el medio ambiente,

que tengan el atributo de ser biodegradables y que puedan reducir y sustituir

parcialmente el uso de plásticos sintéticos. En este sentido, el uso de la gelatina para

la elaboración de biopelículas es una alternativa, ya que es una macromolécula con

expectativas como material de empaque, debido a que es una fuente renovable y de

bajo costo, que combinada con plastificantes como el glicerol, ha derivado en

películas menos quebradizas y más flexibles. Sin embargo, una desventaja de incluir

biopolímeros para la elaboración de plásticos es que el material es frágil y se limita

su eficiencia de uso en comparación con la de un plástico convencional al cien

porciento. Se ha reportado que los nanotubos de carbono (NTC) son materiales que

poseen flexibilidad, alta dureza y capacidad para deformarse reversiblemente, lo que

da la posibilidad de ser usados en matrices poliméricas. Por lo anteriormente

descrito, se pretende incorporar NTC y desarrollar películas nanoestructuradas, a

partir de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono, con el objetivo de

combinar las propiedades individuales que tienen cada uno de ellos, con la finalidad

de obtener películas que presenten adecuadas propiedades mecánicas, y que en

gran medida, compitan y sustituyan gradualmente a los empaques sintéticos.

21

IV. OBJETIVOS

4.1 General

Evaluar el efecto de la incorporación de nanotubos de carbono a películas

elaboradas a partir de un compuesto gelatina/glicerol en las propiedades físicas,

fisicoquímicas, estructurales y mecánicas de éstas.

4.2 Específicos

• Preparar dispersiones acuosas de nanotubos de carbono a diferentes

concentraciones, empleando un surfactante aniónico (Dodecil Sulfato de

Sodio), para su posterior integración a la matriz polimérica.

• Elaborar películas a través del método de vaciado en placa (“Casting”), a partir

de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono.

• Caracterizar las películas realizándoles pruebas fisicoquímicas, físicas y

mecánicas.

• Analizar la estructura de las películas.

V. HIPÓTESIS

La inserción de nanotubos de carbono en películas elaboradas a base de gelatina y

glicerol, modifica la estructura de la matriz polimérica y con ello, las propiedades

físicas, fisicoquímicas y mecánicas de tales películas.

22

VI. MATERIALES Y MÉTODOS

6.1 Materiales

Para la elaboración de las películas se utilizó gelatina comercial de origen animal

(tipo “B”) de 225° Bloom (Sigma-Aldrich, USA); glicerol (de grado analítico) (Fermont,

México D. F.); nanotubos de carbono (NTC) proporcionados por la ENCB-IPN, con

características de pared múltiple (NTCPM) y dodecil sulfato de sodio (Reasol,

México).

6.2 Métodos

6.2.1 Dispersión de NTC mediante el uso de dodecil sulfato de sodio (DSS) en

medio acuoso

Los nanotubos de carbono fueron llevados a sonicación (homogeneización

ultrasónica) con la finalidad de reducir el diámetro medio de las partículas, además

de aumentar la cantidad de partículas individuales. El empleo de disolventes, como el

dodecil sulfato de sodio (DSS) maximiza la dispersión de NTC en soluciones acuosas

(Sánchez, 2007).

Se modifico el método propuesto por Sánchez (2007), el cual utilizó un baño

ultrasónico y un sonicador tip por un tiempo de 4 y 2 h respectivamente, para

dispersar los NTC e incorporarlos a películas de polivinil alcohol, en este caso solo

se utilizo un baño ultrasónico (BRANSON, México D.F., México). Por un tiempo de 4

h y se llevaron a sonicación tres diferentes concentraciones de NTC (0.001%,

0.002% y 0.004 % p/p) en solución acuosa (20 mL de agua desionizada) con DSS (a

la misma proporción que los NTC, respectivamente (Figura 5)), manteniendo la

temperatura menor a 60°C, ya que por encima de esta temperatura se puede dañar

la estructura de los nanotubos de carbono.

23

a) b) c)

Figura 5. Dispersión de nanotubos de carbono de pared múltiple (NTCPM) a

diferentes concentraciones a) 0.001 % p/p, b) 0.002 % p/p y c) 0.004 % p/p en

solución acuosa con DSS.

6.2.2 Elaboración de películas por vaciado en placa (“Casting”)

La gelatina es insoluble en agua fría, pero es fácilmente soluble en agua tibia.

Cuando la gelatina es añadida al agua fría, las partículas se hinchan absorbiendo

varias veces su peso en agua y una vez hidratadas, se disuelven fácilmente en

solución a una temperatura de 60 ºC (Gelita, 2011).

Se elaboraron cuatro tipos de películas considerando el método de vaciado en placa

(“Casting”) con las formulaciones siguientes: GG) gelatina/glicerol; GGNTC1),

GGNTC2), GGNTC4) gelatina/glicerol y NTC al 0.001,0.002 y 0.004% p/p

respectivamente, el cual consistió en preparar una solución de gelatina (previamente

hidratada) y glicerol (3% y 1% (p/p) respectivamente), se calentó hasta 60 °C con

agitación (125 rpm), a una velocidad de calentamiento constante (3 °C/min),

posteriormente, se le incorporaron a la solución formadora de película los NTCPM

dispersados a diferentes concentraciones y se sonicaron por un tiempo de 2 h, de

24

acuerdo a la metodología propuesta por Sajjad et al. (2007). Las películas fueron

preparadas por casting; la solución formadora de película se vació inmediatamente

sobre cajas Petri estériles de poliestireno (de 114 X 20 mm). Las suspensiones del

nanocompuesto se secaron a 60 °C en una estufa durante 48 h y las películas

elaboradas fueron obtenidas y guardadas en desecador a temperatura y humedad

constantes, para su posterior caracterización.

6.2.2.1 Acondicionamiento de las películas

Previo a los análisis, las películas fueron acondicionadas por 7 días en un desecador

a una temperatura de a 25 ± 2 °C a una humedad relativa (HR) (57 ± 2%),

conteniendo una solución saturada de Bromuro de sodio (NaBr) (Fermont, México).

6.2.2.2 Grosor de las películas

Se utilizó un micrómetro digital (Fowler, Massachussets, USA), para medir el grosor

de las películas. Se tomaron 10 mediciones en varios puntos de las películas,

calculando posteriormente el promedio para cada muestra.

6.3 Estructura de las películas

6.3.1 Análisis de imágenes

Las técnicas de análisis de imágenes (AI) pueden caracterizar cuantitativamente

características físicas como tamaño, morfología y propiedades de textura de

cualquier imagen digital. Generalmente la técnica de análisis de imágenes consiste

en cinco etapas: 1) adquisición de la imagen, 2) pre-procesamiento, 3) segmentación

4) extracción de características y 5) clasificación (Pedreschi y col., 2004). Los

parámetros que caracterizaron la textura de las películas fueron: Entropía (parámetro

que mide el grado de desorden o irregularidad de una imagen); dimensión fractal de

superficie (indica una superficie homogénea/heterogénea) y textura, que es una

medida que se relaciona con la rugosidad de una superficie de intensidad formada a

25

partir de una imagen; además, se calculó el porcentaje de área ocupada por los NTC

en la matriz polimérica (Monedero, 1999).

Se capturaron imágenes con un microscopio estereoscópico (NIKON modelo SMZ

1500, Japón) acoplado a una cámara digital (MTI modelo 3CCD, Dage-MTI Inc.,

Michigan, USA), utilizando una iluminación con luz transmitida, un filtro de 0.5 y 1.5X

con un aumento de 0.75, sin espejo y un formato de imagen Tif. Se capturaron 30

fotografías por cada muestra. El pre-procesamiento de cada imagen consistió en

segmentar la imagen en 480 x 480 px, convirtiéndola a 8 bits en escala de grises.

Posteriormente se calcularon los parámetros texturales; porcentaje de área ocupada

por nanotubos de carbono sobre área de la película, entropía, dimensión fractal de

textura y superficie. Las imágenes obtenidas fueron procesadas en el programa

imageJ.

6.3.2 Difracción de rayos X

Las estructuras atómicas ordenadas están presentes en una gran variedad de

materiales y éstas pueden apreciarse mediante patrones de difracción que se

presentan por la interacción de ciertas longitudes de onda, como los rayos X. Cuando

una muestra es difractada, un difractor de rayos X transforma esa señal en

intensidades que son una función del ángulo Bragg “2 θ”.

Los difractogramas se obtuvieron en un difractómetro Siemens D5000, operado con

una diferencia de potencial de 40 Kv y una intensidad de corriente de 30 mA,

equipado con una línea de radiación de Cu Kα. Las muestras de película se cortaron

en dimensiones de 1.5 x 2 cm y se colocaron en un portamuestra de aluminio para su

medición y se hizo el barrido en un intervalo angular de 3-40 grados (2θ) con un paso

angular de 0.05º y en un tiempo de conteo por paso angular de 15 s. El porcentaje de

cristalinidad se calculó siguiendo el método de Hayakawa et al. (1997) y Manful et al.

(2008), en donde se utilizó el área total del pico de cristalinidad del patrón de

difracción usando una línea base calculada entre 8 y 30°. El porcentaje de

cristalinidad fue calculado utilizando la siguiente ecuación:

26

6.4 Propiedades físicas

6.4.1 Determinación de color en las películas

A través del sistema CIE-LAB (L* a* b*), se pueden relacionar la respuesta del ojo

humano al color. Este sistema define un espacio cromático en coordenadas

rectangulares, donde L* indica los grados de luminosidad, de 0 para el negro a 100

para blanco; a* indica el grado de rojo (+a*) y de verde (-a*); y b* indica el grado de

amarillo (+b*) y de azul (-b*) con los que se obtiene el cálculo de croma (C) y ángulo

hue (°h) que son análogos a la intensidad, saturación y tonalidad del color (Ihl et al.,

1994;Giese, 1995).

El color de las películas se determinó utilizando un Colorímetro Universal Milton Roy

modelo Color Mate, con un iluminante D65 y un ángulo de observación de 10 º. El

equipo se calibró con un estándar de color blanco. Las lecturas se tomaron de puntos

aleatorios sobre la superficie de las muestras de películas. Se registraron un

promedio de 5 lecturas por muestra. Las lecturas se reportaron en el sistema CIELAB

(L*, a*, b*). Los parámetros de cromaticidad (C) y ángulo hue (°h) se calcularon

aplicando las siguientes ecuaciones:

C = (a*2 + b*2)1/2 [2]

0h = tan-1(b*/a*) cuando a* > 0 y b* ≥ 0 [3]

0h = 180 + tan-1 (b*/a*) cuando a* < 0 [4]

Las mediciones del color se realizaron por triplicado para cada tipo de película.

27

6.4.2 Determinación del contenido de humedad de las películas

El contenido de humedad de las películas se determinó de acuerdo al método 14.004

de la AOAC de 1980, midiendo la pérdida en peso de las películas, para esto, se

pesaron 0.5 g de las películas las cuales se secaron en una estufa a 110 ºC durante

2 h. Las muestras se analizaron por triplicado. El contenido de humedad (%) se

calculó mediante la siguiente ecuación:

% Humedad = [(Peso inicial de la muestra/peso seco de la muestra) – 1] x 100 [5]

6.4.3 Determinación de actividad de agua de las películas

Se utilizó un medidor de actividad de agua (AQUA LAB 4TE, USA), para medir la

actividad acuosa de las películas y los resultados fueron un promedio de tres

mediciones por muestra (Método 978.18 de la AOAC de 1980).

6.4.4 Permeabilidad al vapor de agua (PVA)

El deterioro de la calidad de los alimentos, se debe a los cambios fisicoquímicos ó a

reacciones químicas provocadas por fenómenos de transferencia de masa, entre el

alimento y el medio que lo rodea, o en el interior del producto (Morillon et al., 2002).

Determinar la sensibilidad al agua, es un parámetro importante para poder conocer

las posibles aplicaciones de un producto elaborado a partir de proteínas.

La permeabilidad al vapor de agua de las películas (PVA) se determina comúnmente

por el método modificado de la ASTM, E-96-80 (ASTM, 1989), conocido como el

método de la “copa” o “celda de prueba” que consistió en lo siguiente: las películas

se acondicionaron en una celda con una atmosfera que tenía 57% de HR,

posteriormente, se colocaron de manera tal que se sellara la parte superior de las

celdas de permeación, sobre una abertura circular de 0.0005439 m2. Para mantener

un gradiente de HR a través de las películas, se colocó sílica gel dentro de la celda

de permeación (0.11 %) y las celdas fueron colocadas dentro de un desecador que a

su vez contenía una solución saturada de NaCl (75 % HR). La ganancia de peso se

28

determinó gravimétricamente cada hora, hasta el momento que se alcanzó el

equilibrio.

Después de la prueba de permeación, se midió el espesor de las películas y la PVA

(g Pa-1s-1m-1) fue calculada mediante la siguiente ecuación:

( [6]

Donde: S=Presión de vapor saturado del agua a la temperatura de prueba, R1, es la

HR del desecador, R2, la HR de la celda de permeación y d es el espesor de la

película (mm).

6.4.5 Determinación del porcentaje de solubilidad de las películas

El porcentaje de solubilidad de las películas se determinó de acuerdo a la

metodología propuesta por García et al. (2004), la cual consistió en cortar piezas de

cada película con las dimensiones de 2 cm x 3 cm y se almacenaron en un

desecador a una humedad relativa cercana al 0 % (provista por sílica gel) durante 7

días. Después de este tiempo, las muestras se pesaron y cada una se colocó en un

vaso de precipitados de 100 mL y se les agregaron 80 mL de agua desionizada. Las

muestras se mantuvieron en agitación constante (125 rpm) por 1 h a temperatura

ambiente (25 ºC) o a temperatura de ebullición (80 ºC). Transcurrido el tiempo de

agitación, las piezas de películas se secaron en una estufa a 60 ºC durante 2 h. El

porcentaje de materia soluble (% solubilidad) se calculó de la siguiente manera:

%solubilidad = [(Peso inicial seco – Peso final seco)/Peso inicial seco] x 100 [7]

Las muestras se analizaron por triplicado.

29

6.5 Caracterización fisicoquímica

6.5.1 Calorimetría diferencial de barrido (CDB)

Se utilizó un calorímetro diferencial de barrido (CDB) marca TA modelo 2010 (TA

Instruments, New Castle, DE), conectado a una computadora para el control y

análisis de datos. El equipo se calibró con Indio, el cual tiene un punto de fusión de

156.4 ºC y una entalpía H= 6.8 cal/g. Posteriormente se determinó la temperatura

(Tf) y la entalpía (ΔH) de fusión de las películas, calentando las muestras de

temperatura ambiente hasta 250 ºC.

Por otro lado, se determinó la temperatura de transición vítrea (Tg) en las películas,

para lo cual, se pesaron 2.1 ± 0.03 mg de las películas, en una micro balanza

(modelo AD2Z, Perking-Elmer Corp., St Louis, MO, USA), con una precisión de ±

0.01 mg y se colocaron en charolas de aluminio que fueron selladas mediante una

prensa mecánica. La medición se realizó enfriando la muestra de película a -150 ºC y

a continuación calentando hasta 250 ºC. Este procedimiento se realizó tres veces a

cada muestra. Los parámetros térmicos fueron calculados de los resultados de la

segunda corrida, con el programa TA Instruments Universal Analysis 2000.

6.6 Propiedades mecánicas de las películas

Las pruebas mecánicas consistieron en ensayos de tensión para la determinación

de la tensión a la fractura (TF), el porcentaje de elongación (% E) y el módulo de

elasticidad (ME). Para determinar la resistencia de las películas a la tensión, las

pruebas se realizaron de acuerdo con el método estándar de la ASTM, D-882-95a

(ASTM, 1995) en un equipo de textura TAXT2i (Stable Micro Systems, Surrey, UK)

usando una celda de carga de 25 kg. Para la prueba de tensión, las muestras de

películas se cortaron en rectángulos con las medidas de 10 cm de largo por 1 cm de

ancho. Los rectángulos de las películas se mantuvieron por al menos 5 días en

desecadores, los cuales contuvieron una solución salina saturada de NaBr (57 %

HR). El espesor de cada uno de los rectángulos se determinó usando un micrómetro

manual electrónico (Fowler, Massachussets, USA) en 10 posiciones aleatorias a lo

30

largo del rectángulo. El promedio de estas determinaciones se utilizó para calcular el

área de sección transversal sobre la cual se ejerció la fuerza de tensión. Una vez

determinado el espesor promedio de cada uno de los rectángulos de las películas, se

procedió a colocarlas entre las mordazas de sujeción del equipo en un rectángulo

representativo de la película. La separación entre las pinzas fue de 6 cm. Se

colocaron 2 cm del rectángulo de película en cada una de las pinzas de sujeción. Se

utilizó una velocidad de deformación de 24 mm min-1. El esfuerzo de tensión se

calculó por la división de la fuerza máxima sobre la película durante la fractura, entre

el área de sección transversal (espesor por el ancho). El porcentaje de elongación a

la fractura se calculó por la medición de la extensión máxima de la película, entre la

separación final e inicial de las pinzas. El módulo de elasticidad se calculó con la

pendiente que se formó durante el comportamiento lineal de la curva de esfuerzo-

deformación.

6.7 Análisis estadístico

Se utilizó un análisis de varianza (ANDEVA) a un nivel de significancia del 5 %

(α=0.05). Para la obtención de los resultados se utilizó el paquete estadístico Sigma

Plot (Germany, versión 11.0 para Windows). Cuando se encontraron diferencias

significativas entre las medias, se aplicó la prueba de comparación múltiple de

Tukey.

31

VII. RESULTADOS Y DISCUSIÓN

7.1 Grosor de las películas

El grosor entre las películas (Cuadro 1), no mostró diferencias estadísticas

significativas (p˃0.05), esto debido principalmente al uso de la misma cantidad de

solución filmogénica (en mililitros) vaciada en la placa y a una previa nivelación de la

estufa, donde fueron secadas las películas. La importancia de determinar este

parámetro, fue debido a que se utilizó en los cálculos de algunas pruebas de

caracterización de las películas elaboradas a partir de un compuesto gelatina/glicerol

y nanotubos de carbono.

Cuadro 1. Resultado del análisis de grosor de las películas elaboradas a partir de un

compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono

Muestra Grosor (mm)*

GG 0.43 ± 0.02a

GGNTC1 0.48 ± 0.01a

GGNTC2 0.49 ± 0.01a

GGNTC4 0.46 ± 0.01a *Media aritmética de diez repeticiones ± error estándar. Valores dentro de cada columna con la misma letra no son significativamente diferentes (p˃0.05).

7.2 Color de las películas

La evaluación de color es importante ya que es un parámetro de calidad en las

posibles aplicaciones industriales de las películas. Se observaron diferencias

significativas (p<0.05) entre el valor de luminosidad (L*) de todas las películas

elaboradas (Figura 6). La película GG, elaborada a partir de gelatina bovina, mostró

un valor de L* de 84.50 (tendiente al blanco).

32

Muestra evaluada

GG GGNTC1 GGNTC2 GGNTC4

Fa

cto

r d

e L

um

ino

sid

ad

(L

*)

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

84.50

61.10

42.4939.02

a

b

d

c

Figura 6. Evaluación del color en las películas elaboradas a partir de un compuesto

gelatina/glicerol y nanotubos de carbono (utilizando el factor de luminosidad L* del

sistema CIELAB, 1976). Barras de error estándar con letras iguales no son

estadísticamente significativas (p˃0.05).

33

Este resultado fue similar al reportado por Vásquez (2005), quien obtuvo un valor de

L* de 84.20 en películas elaboradas a base a gelatina de pescado. Por lo tanto, la

transparencia de las películas elaboradas a partir de gelatina, depende de la fuente

de donde esta fue obtenida (bovina, porcina, de peces o aves) y de la fuerza del gel

(bloom). Beldin (1993) menciona que la gelatina de piel de cerdo, generalmente tiene

menos color que aquellas obtenidas de hueso de otras fuentes. Además, se ha

reportado que en los productos en los que no se desea influencia en el color, se

utilizan gelatinas con un alto valor bloom, ya que el típico color amarillento de la

gelatina disminuye conforme el valor bloom se incrementa (Gelita, 2011).

En general, la película GG presentó el valor de L* más alto, mientras que la adición

de NTC y su incremento, originó que el valor de L* disminuyera, obteniéndose en la

película GGNTC4 el valor más bajo (39.02), indicando un material de color menos

claro, como se puede observar en la Figura 7. Lo anterior sugiere que las variaciones

en el parámetro de color L*, se debieron a que los NTC adicionados a la matriz

polimérica confirieron en diferente proporción, el color negro propio del carbón al

sistema, dicho color se forma por la descomposición térmica o combustión

incompleta de hidrocarburos (Doerner, 1984). Actualmente, se pueden encontrar

películas en diversos colores (amarillas, negras, transparentes etc.), por lo que se

considera que la disminución en el valor de L* de las películas con NTC, y

dependiendo de la aplicación que se dé a la misma, su aceptación pudiera ser viable,

puesto que se podrían emplear como materiales de empaque en productos que

solamente requieran estar protegidos de factores físicos contaminantes, como son el

polvo o los insectos.

La película control (GG) tuvo el menor valor de a* y el mayor de b* (Cuadro 2). Se

observó una tendencia inversa en las películas con NTC, ya que al incrementar su

concentración, los valores de a* y b* aumentaban y disminuían respectivamente,

indicando que el color de las películas se ubicó en el cuadrante rojo-amarillo. Los

valores obtenidos de Croma (C*) mostraron tendencias similares a las de b*. La

película control (GG) tuvo el mayor valor de C* y se observó una disminución en las

películas con NTC, lo que indica que el color en estas películas estuvo menos

34

saturado que en la película control (GG). El valor del ángulo hue (°h), que indica la

tonalidad del color, fue mayor en la película control GG que en las películas con

NTC. Un ángulo hue de 90 es indicativo del color amarillo puro, y es aquí donde se

situaría la película control. Las películas con NTC presentaron un color amarillo

rojizo.

35

Figura 7. Películas elaboradas a partir de un compuesto gelatina/glicerol y

nanotubos de carbono. a) GG, b) GGNTC1, c) GGNTC2 y d) GGNTC4

36

Cuadro 2. Parámetros a*, b*, croma (C) y ángulo hue (ºh) de las películas

elaboradas a partir de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono

Muestra a*1 b*1 C1 ºh1

GG 0.20 ± 0.06a 27.81 ± 0.95a 27.81 ± 0.44a 89.57 ± 0.14a

GGNTC1 0.92 ± 0.10b 22.77 ± 0.16b 22.79 ± 0.06b 87.68 ± 0.24b

GGNTC2 1.18 ± 0.06bc 13.67 ± 0.41c 13.72 ± 0.02c 85.05 ± 0.19c

GGNTC4 1.44 ± 0.10c 9.64 ± 0.17d 9.74 ± 0.11d 81.52 ± 0.47d

1Media aritmética de tres repeticiones ± error estándar

Valores dentro de cada columna con la misma letra no son significativamente diferentes (p˃0.05)

37

7.3 Contenido de humedad y actividad de agua en las películas

Como se puede observar en el Cuadro 3, el contenido de humedad y la actividad de

agua (Aw) en las películas no mostraron diferencias significativas (p˃0.05), no

habiendo efectos considerables por la adición de NTC. La evaluación del contenido

de humedad es importante debido al efecto anti-plastificante de los polímeros, esto

influye en las interacciones polímero-polímero y consecuentemente, en las

propiedades fisicoquímicas y funcionales de las películas durante el procesamiento y

almacenamiento (Slade y col., 1989). Además, su distribución no es proporcional y

se le conoce como agua de hidratación, ya que está ligada a las proteínas (Cybulska

y Doe, 2002). Sin embargo, se ha reportado que el aumento en la humedad de las

películas, puede atribuirse a la presencia de plastificantes, lo que confiere a la

película mayor tendencia a hidratarse y aumentar su carácter hidrofílico (Mali y col.,

2002).

Por otra parte, los valores de Aw se encontraron en el intervalo de 0.36-0.37 para la

película GG y las elaboradas con NTC respectivamente. La Aw representa el agua

disponible para la realización de reacciones químicas, enzimáticas y microbiológicas

(Rahman y Sablani, 2009) según su contenido de la misma, en el intervalo de 0 a 1.

De manera análoga, la importancia de evaluar la Aw en las películas biodegradables,

radica en el sentido de medir cuantitativamente su vida útil y degradabilidad.

De acuerdo a lo anteriormente descrito, productos con una Aw=0.3, como es el caso

de las películas en estudio, serian probablemente susceptibles a la actividad

enzimática. Esto podría sugerir condiciones de almacenamiento, con el propósito de

conservar las propiedades propias de las películas. Además, se podría predecir que

la degradación de las películas seria principalmente por la acción de enzimas en

base a la actividad de agua que presentan.

38

Cuadro 3. Análisis de humedad y actividad de agua de las películas elaboradas a

partir de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono

Muestra % Humedad* Aw*

GG 14.38 ± 0.17a 0.36 ± 0.01a

GGNTC1 14.35 ± 0.60a 0.37 ± 0.01a

GGNTC2 14.21 ± 0.09a 0.37 ± 0.01a

GGNTC1 14.53 ± 0.40a 0.37 ± 0.01a

*Media aritmética de tres repeticiones ± error estándar Valores dentro de cada columna con la misma letra no son significativamente diferentes (p˃0.05)

39

7.4 Permeabilidad de vapor de agua en las películas

Es bien conocido que los polisacáridos y las proteínas son buenos formadores de

películas, además, estas resultan efectivas como barreras frente a gases (O2 y CO2),

pero la velocidad de transmisión de vapor de agua es dentro de los intervalos

conocidos, elevada (Arvanitoyannis et al., 1998 b). En la Figura 8 se observan los

resultados de la determinación de permeabilidad al vapor de agua (PVA) de las

películas estudiadas. Se observó un aumento significativo en la PVA (p<0.05) en la

películas GGNTC4 y GGNTC2 con respecto a las demás muestras. Esto puede

atribuirse en primer instancia, a la plastificación que el glicerol ejerce en las películas,

ya que por su hifrofilicidad, hace más fácil la interacción con las moléculas de agua,

haciéndolas más móviles, causando que la movilidad promedio de las moléculas de

agua en la matriz aumenten y tiendan a emigrar a la superficie de la película, dando

como resultado un aumento de la PVA (Park, 1993; McHugh, 1994). Por otro lado, es

probable que el DSS utilizado previamente en la dispersión de los NTC, modificó el

área de contacto y esto posiblemente se asocia al aumento del carácter hidrofílico de

las películas, lo que también llevó a un aumento del porcentaje de solubilidad

determinado a 25°C y a 80°C (Figura 9).

La película GG mostró los valores más bajos de PVA, esto se atribuye a que la

película posee una estructura más compacta, evitando así el paso de agua a través

de esta. Se observó un efecto directamente proporcional a la concentración de los

NTC, ya que al aumentar esta, se incrementaron los valores de PVA, esto implica

que posiblemente la cristalinidad en estas películas disminuyó (ver 7.7), ocasionando

el aumento de los espacios libres en su estructura, promoviendo así el paso del agua

a través de las películas. Los valores aquí reportados son similares con los obtenidos

por Gennadios et al. (1994) en películas elaboradas a base a gluten de trigo

(proteína) usando glicerol como plastificante (7.0 x 10-10 g.m-1.s-1.Pa-1) y a los

encontrados por Rivero et al. (2010) en películas de gelatina a diferentes

concentraciones de glicerol (3.87 x 10-10 g.m-1.s-1.Pa-1).

40

Existen otros factores no menos importantes que afectan el aumento o disminución

de la PVA de las películas, como son el grado de cristalinidad del polímero, la

presencia de un plastificante durante su elaboración, el tamaño y forma de la

molécula, el espesor y presencia de poros, grietas ó fracturas en la película. El

transporte de vapor a través del polímero también aumenta en función de la

humedad relativa, la cual trae como consecuencia el hinchamiento del material y en

consecuencia, la permeabilidad aumenta rápidamente (Pascat, 1986).

41

Figura 8. Permeabilidad al vapor de agua (PVA) de las películas elaboradas a partir

de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono. Barras de error estándar

con letras iguales no son estadísticamente significativas (p˃0.05).

Muestra evaluada

GG GGNTC1 GGNTC2 GGNTC4

PV

A x

10

-10(g

/ m

.s.P

a)

0

2e-10

4e-10

6e-10

8e-10

a

a

c

b

2.53 2.99

5.75

7.38

42

7.5 Solubilidad en las películas

La solubilidad en agua es una propiedad importante de las películas. La solubilidad

de proteínas depende de que las interacciones proteína-disolvente tengan una menor

cantidad de energía libre que la suma de las interacciones proteína - proteína y

disolvente - proteína (Mangino, 1984).

El porcentaje de solubilidad de las películas estuvo dentro del intervalo de 11.49-

34.21% para la solubilidad determinada a 25 ºC (Figura 9). Las películas elaboradas

con NTC presentaron los mayores porcentajes de solubilidad, esto pudo deberse a la

adición del DSS, el cual impartió cierto carácter hidrofilíco a la película, lo que la hace

más soluble en agua. Mahmoud y Savello (1993), también observaron el aumento de

la solubilidad en películas a base de proteínas y esto puede explicarse como un

resultado de la disminución de las interacciones de las proteínas en la matriz

polimérica, lo cual sugiere que la adición de NTC interactúa con el sistema

multicomponente gelatina-glicerol y agua.

El porcentaje de solubilidad, determinado a la temperatura de 80 ºC fue de 19.58 %

para la película GG, incrementándose al intervalo de 26.34-46.91% para las películas

con NTC. Estos porcentajes de solubilidad a 80 ºC fueron mayores que los valores

de solubilidad a 25 ºC, el mismo comportamiento se ha observado previamente en

películas a base de hidrocoloides (García y col., 2004). El porcentaje de solubilidad

determinado a 80 ºC, presentó la misma tendencia que el observado a 25 ºC, es

decir, fue menor para la película GG y aumentó a medida que se incrementó el

porcentaje de NTC. Además, la evaluación de la solubilidad en agua de las películas

es un factor importante para evaluar la degradabilidad, ya que a que a mayor

solubilidad, los polímeros son más susceptibles a la degradación, pues sus

componentes serian más fáciles de hidrolizar y por consecuencia, ser convertidos a

moléculas más pequeñas.

43

Figura 9. Porcentaje de solubilidad de las películas elaboradas a partir de un

compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono, determinado a 25 ºC y 80 ºC.

Barras de error estándar con letras iguales no son estadísticamente significativas

(p˃0.05).

Muestra evaluada

GG GGNTC1 GGNTC2 GGNTC4

So

lub

ilid

ad

(%

)

0

10

20

30

40

50

60

Solubilidad (%) a 25°C

Solubilidad (%) a 80°C

11.49

19.5817.21

26.34 26.08

34.99 34.21

46.91

a

a b

b c

c d

d

44

7.6 Propiedades mecánicas de las películas

En general, se ha observado que las propiedades mecánicas y de barrera de las

películas basadas en proteínas, son superiores a las que presentan las películas de

polisacáridos (Iwata et al., 1993). En la evaluación de las propiedades mecánicas de

las películas elaboradas de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono,

se evaluó el módulo de elasticidad (ME), tensión a la fractura (TF) y el porcentaje de

elongación (%E).

Se observa en la Figura 10, una disminución progresiva de la TF al aumentar la

concentración de NTC, al igual que en el ME (Figura 11), aunque en ambos casos, no

se observaron diferencias significativas entre las muestras (p˃0.05). La película GG

mostró la típica característica de los materiales frágiles y rígidos, ya que exhibe altos

valores de TF y bajos valores de %E. Tendencias similares se han encontrado en

películas de gelatina sin o con baja concentración de plastificante (Rivero et al., 2010)

y en formuladas de gelatina con hidroxipropil almidón y mezclas de almidón con

caseinato de sodio (Arvanitoyannis et al., 1998a; Arvanitoyannis y Biliaderis, 1998).

En general, la tensión a la fractura disminuyó ligeramente a medida que se

incrementó la concentración de NTC en las películas, esto pudo deberse a que aún

cuando no en grado significativo, los NTC confirieron menor integridad estructural a la

matriz polimérica, lo que causó la disminución en la fuerza necesaria para producir la

fractura en la película.

La tendencia observada en él %E (Figura 12) fue inversamente proporcional a la TF y

ME, es decir, el %E se incrementó de la película control GG a la película GGNTC4 en

un 26%, mostrando diferencias significativas entre todas las muestras (p<0.05).

Rivero et al. (2004) reportaron valores del porcentaje de elongación en el intervalo de

0 a 180% en películas elaboradas con gelatina sin plastificar y plastificadas con 0 a

100 % (p/p), de glicerol respectivamente; ellos atribuyeron el aumento significativo en

el %E, al efecto plastificante del glicerol en las películas.

45

Posiblemente, el aumento en el porcentaje de elongación fue debido a que los NTC,

al igual que el glicerol, interfieren con el arreglo de las cadenas del polímero y con los

enlaces de hidrógeno, además, disminuyen la interacción del polímero y la

cohesividad, afectando ambos la cristalinidad y con ello; la modificación del patrón

mecánico, que corresponde al de un material dúctil y flexible.

46

Figura 10. Tensión a la fractura de las películas elaboradas a partir de un compuesto

gelatina/glicerol y nanotubos de carbono. Barras de error estándar con letras iguales

no son estadísticamente significativas (p˃0.05).

Figura 11. Módulo de elasticidad de las películas elaboradas a partir de un

compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono. Barras de error estándar con

letras iguales no son estadísticamente significativas (p˃0.05).

Muestra evaluada

GG GGNTC1 GGNTC2 GGNTC4

Ten

sió

n a

la f

ractu

ra (

Mp

a)

0

5

10

15

20

25

30

35

24.91

22.73

18.56

19.91

a

a

a

a

Muestra evaluada

GG GGNTC1 GGNTC2 GGNTC4

Mó

du

lo e

las

tic

o (

MP

a)

0

5

10

15

20

25

16.35

14.10

12.52

11.70

a

a

aa

47

Figura 12. Porcentaje de elongación de las películas elaboradas a partir de un

compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono. Barras de error estándar con

letras iguales no son estadísticamente significativas (p˃0.05).

Muestra evaluada

GG GGNTC1 GGNTC2 GGNTC4

% d

e E

lon

gac

ión

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

a

139.73

146.09 146.28

166.43a a

b

48

7.7 Difracción de rayos X

En la Figura 13 se muestran los difractogramas obtenidos de las películas. En estos

patrones se observan picos de absorción que representan la cristalinidad del material

y una zona amorfa; a mayor cantidad de zona amorfa, la cristalinidad de la muestra

es menor y viceversa. La gelatina tipo B usada en este trabajo para la elaboración de

las películas, presentó un patrón de difracción de rayos X característico de un

material parcialmente cristalino, con un máximo de absorción (pico) ancho localizado

a 2 theta= 20°, de acuerdo a Tanioka et al. (1996), este máximo ó pico, indica la

reconstitución de la estructura triple hélice del colágeno.

La película GG mostró un pico a 2 theta a los 8°, al ser este pico muy pronunciado,

tiene una mayor intensidad, dicho pico se encuentra relacionado al diámetro de la

triple hélice y su intensidad también se asociaría al contenido de triple hélice en las

películas (Bigi et al., 2004). Este patrón de cristalinidad no fue observado en las

películas con NTC, al no mostrar ningún pico en la misma intensidad en 8°, esto

indica, que las películas con NTC presentaron una disminución de la triple hélice

propia de la gelatina, ya que desaparecen dichos picos de cristalinidad. Los patrones

obtenidos de las películas con NTC fueron similares entre ellos para todas las

concentraciones evaluadas, aunque mostraron una ligera disminución en el

porcentaje de cristalinidad en el intervalo de 83.83-83.44% con respecto a la película

control GG (83.84%). Se pueden atribuir cambios estructurales por la adición de

glicerol a las películas, ya que de acuerdo a Langmaier et al. (2008), este cambio

estructural pudiera asociarse a las propiedades del glicerol, manifestado tanto por su

alta afinidad al agua, como por la interferencia en su interacción con los polímeros.

49

Figura 13. Difractogramas de las películas elaboradas a partir del compuesto

gelatina/glicerol y nanotubos de carbono

50

7.8 Parámetros térmicos de las películas

En los termogramas obtenidos (Figura 14), se observó que todas las películas

presentaron una transición endotérmica, el mínimo flujo de calor (pico) ancho

presentado fue disminuyendo al aumentar la concentración de NTC, debido a la

disminución en la cristalinidad de su estructura. Varios autores atribuyen este pico

endotérmico a la superposición de diferentes procesos, como la evaporación del

agua, fusión y recristalización de los cristales de la gelatina (Dai et al.2006;

Langmaier et al, 2008; Patil et al, 2000). La importancia de conocer la temperatura de

fusión (Tf) en las películas, fue el observar la temperatura en la cual ocurre un

probable cambio de sólido cristalino a líquido, ya que implica que los componentes

pasan de estar en un retículo con cierto grado de orden, a desordenarse en un

estado líquido, en consecuencia, aumenta enormemente la movilidad de las

moléculas (Martínez et al., 1999).

Figura 14. Termogramas por calorimetría diferencial de barrido, de las películas

elaboradas a partir de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono.

51

El valor de Tf para la película GG fue de 156°C y disminuyó en función de la

concentración de NTC adicionado, siendo de 132°C para GGNTC4 (Cuadro 4) que

fue significativamente diferente a todas las muestras (p<0.05). Estas temperaturas

fueron similares a las publicadas por Arvanitoyannis et al. (1997) para películas

elaboradas a base de gelatina-almidón-glicerol (115.6-144.2°C) y Rivero et al. (2010)

en películas de gelatina a diferentes concentraciones de glicerol (87.9-132.4°C). Al

presentar la película GG una Tf mayor, su ΔH fue directamente proporcional (40.40

J/g), ya que una mayor entalpía, se puede relacionar con un nivel de cristalinidad

mayor (Jane et al., 1999; Patindol et al., 2002).

La transición vítrea es una transición que se manifiesta en los polímeros

semicristalinos; es decir, polímeros cuyas cadenas no están dispuestas según un

ordenamiento cristalino, sino que están esparcidas en cualquier ordenamiento

azaroso, aún en estado sólido de los polímeros, la cual es importante por su relación

con las propiedades mecánicas de las películas, ya que el comportamiento de los

polímeros a valores bajos de Tg, es de un polímero dúctil, debido a que su estructura

es menos compacta (Kalichevsky y Blanshard, 1993). Algunos autores como

Arvanitoyannis et al. (1997), señalan que es difícil detectar la transición vítrea en

sistemas muy complejos, tales como gelatina-almidón-poliol-agua, en particular a

bajos contenidos de humedad (<7%). En el presente trabajo se pudo detectar la Tg

de las películas (Cuadro 4) que fue mayor para GG, la cual fue significativamente

diferente (p<0.05) al valor de Tg de las otras películas, esto probablemente fue

debido a que esta película presentó un mayor número de picos cristalinos, como fue

observado en el difractograma de la Figura 13. Un efecto diferente se observó en las

películas con NTC al disminuirse la Tg en las películas, este resultado podría

atribuirse a la ligera disminución de miscibilidad entre los NTC y la gelatina. Por otra

parte, en otros trabajos se ha considerado que el contenido de humedad puede

modificar la Tg, de acuerdo a Dai et al. (2006), el agua libre plastifica la fase amorfa

de la matriz, contribuyendo a una depresión de la Tg.

52

Cuadro 4. Parámetros térmicos de las películas elaboradas a partir de un compuesto

gelatina/glicerol y nanotubos de carbono

Muestra Tg(°C)* Tf (°C)* ΔH (J/g)*

GG 72.98 ± 0.80a 156.29 ± 0.28a 40.40 ± 0.63a

GGNTC1 57.26 ± 2.89b 153.04 ± 1.95a 37.46 ± 0.88a

GGNTC2 56.32 ± 3.20b 142.95 ± 1.21b 34.82 ± 2.68ab

GGNTC4 54.62 ± 0.84b 132.02 ± 3.32c 28.25 ± 0.99b

*Media aritmética de tres repeticiones ± error estándar Valores dentro de cada columna con la misma letra no son significativamente diferentes (p˃0.05) T

f = Temperatura de fusión

ΔH = Entalpía de fusión

Tg= Temperatura de transición vítrea

53

7.9 Análisis de imágenes aplicado a las películas

Las imágenes capturadas de las películas, a las cuales se les procedió hacer un

análisis de imágenes (AI) se muestran en la Figura 15. En cuanto a la dimensión

fractal de superficie (DFS) (Cuadro 5), se observó que la película GG mostró valores

cercanos a uno (por ausencia de pixeles en la imagen), al incorporar NTC a las

películas desde la mínima concentración (GGNTC1=1.56), se tuvo la evidencia de

una superficie irregular que de manera proporcional a la concentración de NTC,

disminuyó hasta presentar valores para GGNTC2 de 1.79 y GGNTC4 de 1.88

respectivamente, valores cercanos a una superficie regular (DFS=2.0).

Adicionalmente, el comportamiento de la dimensión fractal de textura (DFT) (Cuadro

5) incrementó numéricamente de 2.785 para GG a 2.801 para GGNTC4, dejando en

claro que el sistema con mayor concentración de NTC, resultó con una textura más

homogénea, debido al llenado de los espacios vacios en la película de gelatina por

los NTC. La DFS mostró altos índices de correlación con respecto a los parámetros

mecánicos de tensión a la fractura TF (r=0.91) y módulo elástico ME (r=0.98) (Figura

16), señalando que el incremento de la homogeneidad de las películas, por la adición

de NTC, originó tener películas más elásticas.

El porcentaje de área (%A) (Cuadro 5) en la que se encuentran dispersos los NTC

con respecto a la concentración de estos en la película, presentó un coeficiente de

determinación r2=0.98 (Figura 17), evidenciando mediante un análisis de imágenes,

que una pequeña cantidad de NTC (0.004 g) en la película GGNTC4, logró

dispersarse en la matriz de gelatina de manera tal, que estos abarcaron un 44.79%

de la superficie total de la película. Lo anterior sugiere, que según el ordenamiento

de los NTC; aportan soporte, mayor flexibilidad y una naturaleza distinta a las

películas. Tal como se corroboró en la evaluación de las propiedades mecánicas, el

porcentaje de elongación en la película GGNTC4 incrementó en un 26% en

comparación con la película control GG.

54

Cuadro 5. Parámetros texturales obtenidos por análisis de imágenes de películas

elaboradas a partir de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono

Muestra DFS* DFT* Entropía* %Área*

GG 0.983 ± 0.01a 2.785 ± 0.01a 7.120 ± 0.02a 0.026 ± 0.01a

GGNTC1 1.560 ± 0.02b 2.766 ± 0.01b 9.212 ± 0.05b 18.715 ±1.04b

GGNTC2 1.791 ± 0.01c 2.775 ± 0.01c 10.189 ± 0.01c 34.168 ± 0.43c

GGNTC4 1.886 ± 0.01d 2.801 ± 0.01d 10.414 ± 0.02d 44.795 ± 0.43d

*Media aritmética de tres repeticiones ± error estándar Valores dentro de cada columna con la misma letra no son significativamente diferentes (p˃0.05) DFS= Dimensión fractal de superficie DFT= Dimensión fractal de textura

55

a) b)

c) d)

Figura 15. Imágenes de las películas obtenidas a partir de un compuesto

gelatina/glicerol y nanotubos de carbono a)GG, b)GGNTC1,c)GGNTC2 y

d)GGNTC4.

56

Figura 16. Correlación de dimensión fractal de superficie (DFS), con respecto a

parámetros mecánicos de las películas elaboradas a partir de un compuesto

gelatina/glicerol y nanotubos de carbono.

Figura 17. Porcentaje del área ocupada por NTC en las películas elaboradas a partir

de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono.

Muestra evaluada

GG GGNTC1 GGNTC2 GGNTC4

% A

rea

0

10

20

30

40

50

r ² = 0.9856

Parámetro mécanico

10 12 14 16 18 20 22 24 26

DF

S

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

Módulo elastico

Tension a la fractura

r = 0.9937

r = 0.9160

57

Se obtuvieron altos índices de correlación entre el %A y los valores encontrados de

PVA (r= 0.95) y de L* (r=0.98), con lo que se puede afirmar que al ocupar los NTC

cierta área de la matriz polimérica, muestran una área de contacto diferente a la

película control GG y de aquí, probablemente se derivan los resultados mayores de

PVA en las muestras con NTC. Además, al impedir los NTC el paso de la luz, dan

evidencia de el por qué el factor de luminosidad (L*) disminuyó.

El parámetro de entropía (Cuadro 5) mostró altos índices de correlación (Figura 18)

r=0.93 y r= 0.99 entre los resultados obtenidos de difracción de rayos X y

temperatura de fusión respectivamente; valores que disminuyeron al incrementar la

concentración de NTC en las películas. Con esto se puede inferir que a mayor

concentración de NTC, se tiene una estructura más amorfa dentro de la matriz

polimérica, es decir, a un valor mayor de entropía calculado mediante AI, se tiene un

menor porcentaje de cristalinidad en los patrones de difracción de rayos X, y una

menor temperatura de fusión en las películas.

Figura 18. Correlación de entropía con parámetros de estabilidad de las películas

elaboradas a partir de un compuesto gelatina/glicerol y nanotubos de carbono.

Parámetros de estabilidad

20 40 60 80 100 120 140 160 180

En

tro

pia

6

7

8

9

10

11

%Cristalinidad

Temperatura de fusión

r = = 0.9939

r = 0.9332

58

VIII. CONCLUSIONES -El uso de sonicación y de un surfactante aniónico, resultó un método conveniente

para mejorar la dispersión de NTC en la matriz polimérica de la gelatina, para la

formación de las películas.

-Los valores de luminosidad de las películas elaboradas con NTC, fueron más bajos

y cercanos a cero, en comparación con la película control (GG), la cual presentó el

valor más alto; por lo que las películas con NTC fueron más obscuras.

-El contenido de humedad y Aw no mostró cambios significativos en las películas,

independientemente de la formulación.

-En general, se encontró que los NTC causaron un aumento en la PVA de las

películas, disminuyendo la cristalinidad de estas, ocasionando posiblemente el

aumento de los espacios libres en su estructura, promoviendo así el paso del agua a

través de las películas.

- La adición de DSS en la previa dispersión de los NTC, aumentó el porcentaje de

solubilidad de las películas.

- La película GGNTC4 incrementó en un 26% el porcentaje de elongación con

respecto a la película GG, evidenciando la característica de una película dúctil y

flexible.

-Los difractrogramas indicaron que las películas elaboradas con NTC, disminuyeron

ligeramente su porcentaje de cristalinidad, y en consecuencia, el diámetro y el

contenido de la estructura triple hélice, propias de la gelatina disminuyeron.

-La Tf de las películas en las concentraciones de NTC de 2 y 4 % fueron más bajas

en comparación con la película GG, obteniéndose decrementos de alrededor de

20°C. La entalpia de las películas con NTC, disminuyó conforme se incrementó la

concentración de los mismos.

59

-Los parámetros texturales obtenidos por AI, revelaron que las películas con mayor

porcentaje de NTC (GGNTC4), presentaron una superficie más homogénea, más

desordenada, pero con una mayor distribución en la matriz polimérica de gelatina.

.

60

IX. PERSPECTIVAS

Como perspectivas futuras para complementar el presente trabajo; y con la finalidad

de darle más eficiencia a la dispersión de los NTC, se sugiere incorporar NTC

previamente funcionalizados a la matriz polimérica, haciendo dispersiones con

diferentes equipos de sonicación y probando el uso de otro surfactante. Se

recomienda aumentar la concentración de NTC, con la finalidad de observar su efecto

en las propiedades mecánicas y de barrera de las películas.

Por otro lado, se sugiere analizar la estructura de los NTC mediante microscopia

atómica, con el propósito de conocer más a cerca de la estructura interna que

presentan las películas degradables y poder visualizar su posible interacción con la

matriz polimérica. Así mismo, sería interesante realizar pruebas de biodegradación,

ya que de esta manera se podría conocer el tiempo de vida que tienen estas

películas.

Todo lo anterior, sería con la intención de complementar el presente trabajo y así,

tener una idea más clara de la posible aplicación que pudieran derivarse las

películas involucradas.

61

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