Compositos Biodegradables

Biodegradable Poly(butylene succinate)

Composites Reinforced by Cotton Fiber with

Silane Coupling Agent

Compositos biodegradables de succinato de

polibutileno reforzados con fibra de algodón,

utilizando como agente de acoplamiento

silanos

Polymers, 2013, 5, 128-141National Institute of Advanced

Industrial Science and Technology, Japan

• Fibra de algodón como reforzante (filler), en elpolímero PBS Succinato de PoliButileno

• Tratamiento con silano

• Estudio de las propiedades mecánicas,estabilidad térmica, biodegradabilidad de loscompositos

• Problema : acumulación de residuos no degradables, sobre todo de PE

• Solución : desarrollo de plásticos biodegradables

• Tipos de polímeros degradables: poliésteres alifáticos

Filler / Reforzante

Aditivo polimérico

Se añaden para mejorar la fuerza tensil, resistencia a laabrasión, estabilidad térmica, etc. Reemplazan elvolumen de materiales, reduciendo costos.

Aserrín, sílica, arena, vidrio, arcilla, talco, polímerossintéticos

Pueden verse como compositos

Polímeros biodegradables

Ventajas

• Fundido adecuado para procesamiento

• Degradabilidad

Desventajas

• Costo

• Módulo elástico de bajo valor

• Fuerza tensil

• Barrera pobre a los gases

Solución a las numerosas desventajas de los polímeros biodegradables

• Mezclas con agentes de refuerzo que modifiquen sus propiedades

• Mezclado es fácil, rápido, eficiente y económico

• Qué tipo de agentes de refuerzo? Biodegradables, fibras naturales

Rice straw

Cáñamo de manilakenaf

yute

almidón

lignina

bambu

Bambú de agua

aserrín

CF cotton fiber/fibra de algodón

celulosa

Ventajas de las fibras naturales

• Poco costosas

• Amigables con el ambiente

• Renovables

• Biodegradables

• Disponible en grandes cantidades

Desventajas de las fibras naturales

• Absorción de humedad alta

• Variación en la calidad

• Baja estabilidad térmica

• Baja compatibilidad con sustratos poliméricos hidrofóbicos

… pueden mejorarse con el tratamiento químico o físico, como MODIFICACIÓN DE SUPERFICIES con agentes de

acoplamiento

Silanización

• Método químico de acoplamiento utilizadopara compositos de celulosa

• Los silanos como agentes de acoplamiento seutilizan como AGENTES INTERFACIALES , paramejorar la interacción entre el filler y elpolímero.

Coupling agentsagentes de acoplamiento: silanos

Objetivos del trabajo

Investigar el efecto de la concentración de CF(fibra de algodón) en las PROPIEDADESMECÁNICAS, ESTABILIDAD TÉRMICA yBIODEGRADABILIDAD de compositos PBS/CF,con y sin tratamiento con silanos.

Herramientas para la obtención de resultados

• DSC calorimetría diferencial

• SEM scanning electron microscopyMicroscopía electrónica de barrido

• TG Termogravimetría

• AMS espectrometría de aceleración de masas

• MODA, microbial oxidative degradationanalyzer apparatus

Parte experimental

Materiales

1. Succinato de poli(1,4-butileno)

2. Toalla de papel de algodón comercialcelulosa

3. Silanos: APTES, APTMS, TMSPDET

3-aminopropiltrietoxisilano

3-aminopropiltrimetoxisilano

N1-3-trimetoxisililpropildietilentriamina

1. PBS

1. Succinato de polibutileno PBS

• PBS familia de polímeros «degradables»

2. Toalla de algodón comercial

CF

3. SILANOS

APTES

APTMS

TMSPDET

Tratamiento de CF con silanos

Presecar CF al vacío

80C, 24h

Remojar el CF en solución 100mL de silanos(EtOH:H2O 8:2)

24h, T.ambiente

La concentración de silanos varía de 0-3%, pH

ajustado a 4.5-5.0 por adición de ácido acético

Secar las muestras,

Tratamiento térmico a 110C por 2h para

promover el ACOPLAMIENTO

Preparación de los compositos

Pulverizar PBS

Mezclador mecánico rotatorio

10 000rpm, 3L

Enfriar con hielo seco

Repetir el procedimiento 15

veces

Secar a presión reducida a T

ambiente

Filtrar por una red de 60-mesh, 250

micrómetros

Tramiento en vibrador de polvos

por 15min

Secar el polvo al vacío a 60C, 24h

Impregnar el CF con la

concentración adecuada de

PBS pulverizado en ambas caras de

las hojas

Los moldes se comprimen a

150C, bajo una carga de 2000kg

por 5min

Resultados: Propiedades mecánicas

Fuerza tensil de compositos PBS:CF 9:1, con distintas concentraciones de silanos

APTMS

Resultados: propiedades mecánicas

• En general, la fuerza tensil aumenta cuando la concentración de agente de acoplamiento lo hace, excepto para APTES

• APTMS fue el mejor agente de acoplamiento, dando los valores más grandes de fuerza tensil37MPa con 3%

Más hidrofóbico, el acoplamiento no es completo

• Como se encontró que APTMS es el mejoragente de acoplamiento, se utilizó enconcentración de 3% en las pruebassubsecuentes…

3%

Resultados: estudio del contenido de fibra de algodón CF en el composito

Fuerza tensil

La incorporación de CF, aumenta la fuerza tensil

La adición de APTMS incrementa aun más la

resistencia del composito, hasta un valor mayor a

60MPa

Resultados: estudio del contenido de fibra de algodón CF en el composito

Elongación al rompimiento

Disminuye al incrementar el contenido de CF, ya que se reduce la movilidad del composito, un aumento de CF, disminuye el % de PBS (polímero que otorga la resistencia a la ruptura)

Resultados: Análisis DSCcalorimetría diferencial

Se evaluaron las propiedades

Tm, ∆∆∆∆Hm, %cristalinidad (Xc)

Xc se calcula de ∆∆∆∆Hm / ∆∆∆∆Hom

∆∆∆∆Hom es la entalpía de fusión para PBS 100%

cristalino, reportada=110 J/g

El mismo con o sin APTMS

Aumenta con la adición de CFIncremento con APTMS, por la compatibilidad

Resultados: Análisis termogravimétricoTG

Curvas TG y derivadas

El pico en 402C es el mayor para PBS

La degradación térmica de CF se lleva a cabo en 3 etapas

En el composito, se observan 2 picos:

345C (degradación de celulosa)

400C (descomposición de la matriz PBS)

Calor de vaporización de agua de la fibra

Degradación de mat. celulósico

Descomposición total

Resultados: Morfología de los compositos PBS/CF

Espacios vacíos numerosos

Fibras libres en la superficie

Interacción entre CF y PBS es débil, hay menos adhesión interfacial Micrografía SEM fractura de superficie

PBS/CF 6:4 sin silano

SEM Microscopía electrónica de barrido

Resultados: Morfología de los compositos PBS/CF con APTMS

Los espacios estánreducidos en el tratadocon silano

Compatibilidad de CF yPBS con el silano Micrografía SEM para PBS/CF

con 3% de APTMS

Análisis de FTIR muestraque el grupo aminoforma puentes de H entrePBS y los carbonilos,haciendo ambassuperficies compatibles

Puente de H reeforzando el composito

Resultados: Biodegradabilidad de los compositosCF/PBS Norma ISO 14855-2

1ra. Etapa 0-30díasdegradación de PBS es más lenta que la de PBS/CF 60%PBS/CF sin silano mayor vel. De degradación (65%)Mayor alcance de las enzimas en la superficie2da. etapa 30-50díasPBS/CF mayor vel. que el no tratado, ya que la superficie fue degradada en 30días, más accesible a los microorganismos3ra. Etapa 60 díasNiveles de biodegradación para PBS/CF 90% y PBS 60% (celulosa 83%)

90-100 díasPBS/CF 95%

El silano NO afecta la velocidad debiodegradación de los compositos

En resumen:

• La fuerza tensil del material compuesto semejora (del 15 inicial al 78%) con laincorporación de CF y se aumenta aun máscon la adición del silano (agente deacoplamiento) 25-118%

• Observación de la superficie por SEM, muestrael acoplamiento de los materiales y delcomposito final.

En resumen:

• TG termogravimetría muestra que elcomposito es menos estable que el polímero,pero con propiedades muy cercanas a él.

• La incorporación de CF en PBS aumenta labiodegradabilidad de los compositos

CONCLUSIONES

Conclusiones

• CF es un filler efectivo para PBS, como lomuestran los resultados de fuerza tensil yvelocidad de degradación en los compositos

• La adición del agente de acoplamiento APTMSmejora la fuerza tensil y la cristalinidad de loscompositos

Conclusiones

• La adición de silano lleva a un aumento deestabilidad térmica de los compositos

• La adhesión interfacial entre CF y PBS semejora cuando se usa APTMS

Conclusiones

• Los compositos tienen un mejor nivel debiodegradación que PBS en compostas a 58C.Y la adición de APTMS brinda buenosresultados.

Los materiales compuestos son una opción viable que mejora tanto las propiedades

mecánicas del material, como la biodegradación.

PBATpolibutilen adipato tereftalato reforzado con

celulosa

Agente de acoplamiento: anhídrido maléico

C. Wu, Carbohydrate Polymers, 2012, 87 (2), 1249–1256