MATERIALES FOTODEGRADABLES

Ma. Elena Ramos Aguiñaga, Liliana Cantú S., Felipe Avalos B.

Departamento de Investigación en PolímerosFacultad de Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Coahuila.

Saltillo, Coah., MéxicoTel. (84) 15-70-15, 16-92-13

Fax. (84) 15-95-34

R E S U M E N

Uno de los problemas para la eliminación de desechos sólidos, lo constituyen losmateriales poliméricos, principal componente de los productos plásticos para empacado(botella, botes, bolsas, etc). Estos desechos muestran una resistencia al ataque de losmicroorganismos presentes en el suelo, así como al ataque por radiaciones solar y U.V.

El objetivo del trabajo es estudiar las vías de desintegración por radiación solar ybiológica de los plásticos. Para realizar este estudio se formuló el polietileno de bajadensidad formulado con diferentes concentraciones de almidón y un fotoactivador(benzofenona). Estos materiales fueron colocadas en un panel (intemperismo ambiental) yen una cámara de envejecimiento artificial para su evaluación. Se determinaron loscambios en sus propiedades físicas 8tensión-elongación), Calorimetría Diferencial deBarrido (DSC), y grado de oxidación (FTIR).

Los resultados obtenidos muestran una disminución en sus propiedades físicas,incremento en la banda de índice carbonilo a diferentes tiempos de envejecimiento.

I N T R O D U C C I O N

Actualmente los plásticos han venido a constituir una parte importante en nuestra vidacotidiana debido a la gran versatilidad de aplicaciones, ofreciendo las posibilidades desubstituir en muchos campos a los materiales tradicionales (acero, madera, papel, cartón,vidrio, metal, etc).

El papel actual de los plásticos en el tema de la contaminación, es cada vez máspreocupante, los materiales ligeros ocupan más volumen y como consecuencia suresolución es cada vez más difícil. Es conveniente evitar el problema de acumulación de

desechos plásticos contaminantes en los basureros municipales, océanos y mares y asíminimizar la contaminación.

En la actualidad se entiende que IGNORAR los residuos y desechos plásticos, sería comouna serpiente devorando su propia cola, lo cual amenaza su propia supervivencia.Las soluciones propuestas como alternativas para solucionar este problema son: elrciclaje, incineración y la degradación por influencia del medio ambiente, usando plásticosbiodegradables, fotodegradables o fotobiodegradables.

Por lo anterior es necesario la preparación de materiales plásticos biodegradables yfotodegradables, los cuales contemplan dos características fundamentales: la primera esde que estos plásticos deben de seguir prestando las características físicas y mecánicasque demande un determinado producto y la segunda que presente características de bioy/o fotodegradabilidad.

A N T E C E D E N T E S

Originalmente los plasticos fueron hechos para ser resistentes a la degradación y a lascondiciones ambientales, creando con esto un problema ambiental (1). Para solucionarestos problemas se ha planteado la modificación o formulación de dichos materialespoliméricos para obtener polímeros de vida controlada.

En algunos países se han implementado legislaciones que obligan a la disminución de lacantidad de plásticos en los basureros sólidos o al uso de materiales con característicasdegradables que aseguren su completa eliminación una vez cumplido su período de uso.

Según legisladores y ecologistas es ncesario implementar algunos sólidos adecuadospara resolver el problema de los basureros sólidos municipales, la reducción del materialde plástico ya sea por reciclado y/o incineración o bien por otras tecnologías que han sidoconsideradas de interés y en particular de plásticos degradables (2).El bajo costo que supone obtener películas fotodegradables es una de las razones queexplica este contínuo crecimiento, estimándose que el uso de concentrados que llevan losaditivos fotosensibles no incrementan el valor de la película en más de un 4% (3). Griffin,quien describió los compuestos de polietileno cargado con almidón en 1973, continuamanteniendo que los plásticos degradables son la única solución realista para resolver elproblema de la eliminación de los plásticos de desecho y de los basureros municipales(4,5).

Según Albertsson (6) para que se lleve a cabo la biodegradación inducida por el ataque demicroorganismos es conveniente considerar un plástico que contenga un aditivo orgánicoa base de almidón que sirva de alimento a los microorganismos.Al aumentar el contenido de almidón es mayor el efecto de degradación, es decir, quedisminuyen las propiedades mecánicas del polímero (7).

Kubota, H. Takahashi, K. (8, 9) han observado que la benzofenona influye en lafotodegradción del polietileno y que constituye el consumo de radicales libres producidopor la reacción de Norrish I, ocurriendo formación de dobles enlaces, lo cual promueve laformación de radicales alil y poli enil, los cuales dan lugar a la formación de doblesenlaces en la muestra.

P A R T E E X P E R I M EN T A L

1. Formulación de las películas de polietileno.

Las muestras fueron mezcladas con las concentraciones de 25%, 35% y 50% de almidóny 0.3 benzofenona en un mezclador interno de laboratorio marca HAAKE con unos rotorestipo roller con una velocidad de 50 rpm y una temperatura de la cámara de 140ºC.

2. Preparación de las películas.

Las películas se elaboraron mediante el método de compresión en una prensa hidráulicaWabash a una temperatura de 140ºC por 5 minutos y con una presión de 5 ton.;posteriormente, la muestra con los moldes es enfriada en otra prensa por circulación deagua fría.

3. Preparación de las muestras.

Las películas se prepararon cortando muestras de 5 x 12 cm en dirección máquina, semidieron su ancho y espesor, posteriormente se lavaron.

4. Colocación de las muestras.

Las muestras fueron colocadas en el panel (envejecimiento ambiental), y en la cámara(envejecimiento artificial acelerado) para su monitoreo a diferentes tiempos de exposición.

5. Evaluación de las películas.

El efecto de la degradación del material se siguió evaluando el cambio en suspropiedades mecánicas (tensión-elongación) aplicando la norma Astar D-882. Tambiénse realizaron evaluaciones en calorimetría diferencial de barrido (DSC) con el objeto dedetectar variaciones en puntos de fusión y/o cristalización y de espectroscopía infrarrojapara ver el posible incremento en grupos funcionales específicos que indicaran ladegradación del material.

R E S U L T A D O S

La degradación de los polímeros, se determina frecuentemente por la pérdida depropiedades mecánicas, las cuales son de gran valor apra la caracterización yseguimiento de envejecimiento de dichos materiales.

En el presente trabajo se evaluaron las porpiedades mecánicas de resistencia tensil yelongación como criterio para determinar el efecto que tuvo la radiación solar (ultra violeta)sobre las propiedades originales del polietileno sin aditivos y las formulaciones.

En la figura 1 y 2 se muestran los resultados de envejecimiento natural de los materialescolocados en bastidores durante un período de 4 meses. Se observa que después de 2meses de exposición las películas formuladas han perdido el 50% de elongación y el 25%de resistencia tensil y a los 4 meses han perdido el 100% de la elongación y el 40% de laresistencia tensil. Se observa una mayor pérdida en propiedades al aumentar laconcentración de almidón. Asimismo, puede verse que el PE sin aditivos alcanza el 50%de pérdida de elongación a los 3.7 meses de exposición.

6065707580859095

100105

0 30 60 90 120

Tiempo (días)

R. T

ensi

ón

Res

idu

al (

%)

PE25

PE35

PE50

PE

Figura 1. Pérdida de resistencia tensil (envejecimiento natural).

0

20

40

60

80

100

120

0 30 60 90 120

Tiempo (días)

Elo

ng

. Res

idu

al (

%)

PE25

PE35

PE50

PE

Figura 2. Cambio en % elongación residual (envejecimiento natural).

En las figuras 3 y 4 se observan los resultados de envejecimiento artificial, acelerado encámara durante 12 días de exposición. Se puede ver que después de 6 días deexposición se alcanza un 50% de pérdida de elongación en las películas formuladas conalmidón, mientras que la película sin aditivos necesita 9 días de exposición para alcanzarel 50% de pérdida.

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12

Tiempo (días)

R. T

ensi

ón

Res

idu

al (

%)

PE25

PE35

PE50

PE

Figura 3. Pérdida de resistencia tensil (envejecimiento acelerado).

0

20

40

60

80

100

0 2 4 6 8 10 12

Tiempo (días)

Elo

ng

. Res

idu

al (

%)

PE25

PE35PE50

PE

Figura 4. Cambio en % de elongación residual (envejecimiento acelerado).

Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC)

Con lo que respecta al % de cristalinidad se observa una pequeña variación dada por lacarga de las muestras. en la tabla 1 se encuentran los resultados de % de cristalinidaddonde las variaciones se consideran despreciables, considerando que el polietileno virgentiene un 25.66% de cristalinidad.

Tabla 1.- Porciento de cristalinidad de envejecimiento ambiental y acelerado.

% carga Mezcla E Natural E Acelerado

25 21.01% 21.12% 21.38% 35 21.96% 23.11% 22.50% 50 18.22% 21.5 % 19.69%

Cambios en estructura química (IR)

El presente análisis se llevo a cabo con el fin de obtener información sobre los cambiosquímicos causados por la fotodegradación en envejecimiento natural y acelerado.

El PE degradado sufre una modificación química, ya que se observan cambios en laregión de los grupos carbonilo en la 1715 cm-1, confirmandose que la muestra se hadegradado tanto en envejecimiento acelerado como en envejecimiento natural.

C O N C L U S I O N E S

- Es posible obtener formulaciones para elaborar películas de polietileno de baja densidadcon características fotodegradables a base de almidón, debido al ataque de la radiaciónque ocasiona que se debilite la película.

- Se logró establecer una correlación que permite predecir el tiempo de vida útil a laintemperie en la región de Saltillo.

- Estas películas podrían utilizarse en aplicaciones donde se requiere un período corto devida provocado por la combinación de biodegradación y fotodegradación.

B I B L I O G R A F I A

1. C. Peinado; F. Catalina. Materiales polímeros degradables; Revista de PlásticosModernos, Núm. 479 (mayo 1996).

2. R. wilder; Envase degradable. Sueño o realidad. Revista Plásticos Modernos. Núm. 404(febrero 1990).

3. Revista Plásticos Modernos. Núm. 401 p. 770, Noviembre 1989.

4. G.J.L. Griffin. Symp. Degrad. Plast., Jun 10, Washington, D.C. (1987) pp. 47-50.

5. E. Chiellini, F. Cioni. Starch Filled Polyethylene in Composting Environment: Evidencefor polyethylene matrix oxidation; Journal of Environmental Polymer Degradation. Vol. 1,No. 2, 167- 170.

6. Ann Christine Albertsson, Camilla Barenstedt and Sigbritt Karlsson. Degradation ofEnchanced Environmentally Degradable polyethylene in Biological Aqueous Media: MechanismsDuring the first Stages. Journal of Applied Polymer Science, Vol. 512, 1097-1105(1994).

7. Hueta Ortega J.I. Poliolefinas Biodegradables. Plastinoticias. Septiembre 1989.

8. Hitoshi Kubota, Kazuo Takahashi & Yoshitaka Ogiwara; Benzophenone - Sensitized photodegradation of polyolefins. Influence of benzophenone on ModelCompounds Polymer Degradation and Stability. 33, 115-123 (1991).

9. Kubota H., Takahashi K & Ogiwara Y., Polym. Deg. and Stab., 29, 207 (1990).