BENEMÉRITA UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE PUEBLA FACULTAD DE INGENIERÍA QUÍMICA

En la actualidad es difícil prescindir de los plásticos, no sólo por su utilidad sino también por la importancia económica que tienen. 1.Planteamiento del problema Una vez que los plásticos se han utilizado se convierten en residuos que forman parte de los residuos sólidos urbanos (RSU) generados en grandes cantidades. Los RSU originan problemas de contaminación del agua, aire y suelo, que impactan directamente al ambiente y a la salud

1.Planteamiento del problema El TPS (Thermoplastic Starch) presenta poca estabilidad cuando las condiciones de humedad son muy altas. Además de que es un material de naturaleza frágil. Debido a las propiedades de los polímeros espumados pueden utilizarse como amortiguadores de impacto y en aplicaciones de transporte. Sin embargo crean un gran problema ambiental debido a la mala compostabilidad siendo prácticamente no biodegradable.

1. Planteamiento del problema  El 99% de la totalidad de los plásticos se produce a partir de combustibles fósiles, lo que provoca una excesiva presión sobre las limitadas fuentes de energía no renovables. En la actualidad es difícil prescindir de los plásticos, no sólo por su utilidad sino también por la importancia económica que tienen. Esto se refleja en los índices de crecimiento de esta industria que, desde principios del siglo pasado, supera a casi todas las actividades industriales.  A pesar de su indiscutible utilidad en la vida cotidiana, una vez que los plásticos se han utilizado se convierten en residuos que forman parte de los residuos sólidos urbanos (RSU) generados en grandes cantidades. Los RSU originan problemas de contaminación del agua, aire y suelo, que impactan directamente al ambiente y a la salud [1]. El almidón termoplástico es un material que se obtiene por la modificación estructural que se da dentro del granulo de almidón cuando este es procesado con un bajo contenido de agua y la acción de fuerzas térmicas y mecánicas en presencia de que no se evaporan fácilmente durante el procesamiento [2].  Además, el TPS (Thermoplastic Starch) es un material que generalmente presenta poca estabilidad cuando las condiciones de humedad son muy altas, además de que su naturaleza es frágil, causada relativamente por su baja temperatura de transición vítrea (Tg), debido al encadenamiento molecular del almidón. Adicionalmente, la migración eventual de los plastificantes aumenta la fragilidad del material, sin embargo, son útiles para sustituir algunos materiales petrobasados como el poliestireno.  Los polímeros espumados se utilizan comúnmente para proporcionar amortiguación, protección y estabilización de los artículos embalados para su envío y han disfrutado de un crecimiento sostenido durante las últimas décadas, pero creando un gran problema ambiental debido a la mala compostabilidad siendo prácticamente no biodegradable.  Millones de toneladas de bolsas de plástico al por menor, película de embalaje, cajas sólidas son arrojados a la basura todos los días, lo que resulta en un animado debate en cuanto a la forma de sustituir o reducir su impacto negativo sobre el medio ambiente.

 Con el auge de la concientización ambiental y la búsqueda de nuevos materiales que remplacen a los derivados del petróleo, se han dedicado esfuerzos e investigaciones, donde se integran la química, la ingeniería y la sostenibilidad, para desarrollar materiales alternativos, nuevos productos y procesos amigables con el medio ambiente. El uso de materiales biodegradables los cuales son productos que pueden degradarse debido a la acción de agentes biológicos bajo condiciones naturales.  Es por ello el interés del estudio de materiales basados en recursos renovables como el almidón, gracias a sus bajos costos y a su disponibilidad.  Los TPS son materiales que se pueden obtener por medio de técnicas convencionales de procesamiento tales como la extrusión, donde el almidón natural o nativo puede convertirse en termoplástico en presencia de un bajo contenido de plastificante como el agua y la glicerina. El TPS presenta varios atributos además de su biodegradabilidad, es un material renovable, flexible y se puede acondicionar muy fácilmente a diferentes procesos de termoplastificación usando equipos estándar en la fabricación de polímeros sintéticos.  Las propiedades del almidón termoplástico dependen de propiedades físico-químicas, que afecta a los atributos de calidad del producto espumado [3]. Los parámetros de proceso de extrusión, la temperatura, velocidad de tornillo, velocidad de alimentación, de la humedad y tienen una influencia directa sobre la densidad, relación de expansión y otras propiedades físicas de las espumas extruidas y gracias al estudio se ha podido mejorar las propiedades mecánicas de los materiales a base de TPS, muchos aditivos diferentes se pueden aplicar, como emulsionantes, celulosa, fibras vegetales, cortezas, caolín, pectina y otros; y se han señalado útiles para sustituir algunos materiales petrobasados como el poliestireno.

2. Justificación Concientización ambiental y la búsqueda de nuevos materiales. Reemplacen a los derivados del petróleo Investigaciones Se integran la química, la ingeniería y la sostenibilidad, para desarrollar materiales alternativos y procesos amigables con el medio ambiente Almidón Puede degradarse debido a la acción de agentes biológicos bajo condiciones naturales. Es por ello el interés del estudio de materiales basados en recursos renovables como el almidón, gracias a sus bajos costos y a su disponibilidad.

2. JUSTIFICACIÓN Materia prima renovable Modificación estructural Técnicas convencionales Bioplastico

3. Objetivos  3.1 Objetivo principal  Evaluar los agentes de nucleación en la relación de nucleación/expansión de TPS y TPS espumado.  3.2 Objetivos particulares  Estudiar la morfología del TPS y TPS espumado mediante microscopia.  Estudiar de las modificaciones físicas y químicas del TPS por DSC, TGA.  Evaluar propiedades del material por flujo Melt Índex y densidad.  Establecer los perfiles de extrusión, plastificantes, así como los diferentes tipos y concentraciones de agente de nucleación y expansión, para optimizar material.

4. Hipótesis Desarrollar un proceso para la obtención de almidón termoplástico espumado vía extrusión. Perfiles: temperatura presión y Velocidad del husillo Morfología Concentración de nucleantes Plastificantes Afectando considerablemente la relación nucleación-expansión y por lo tanto la densidad del material, esperando obtener un espumado con características físicas, químicas y mecánicas eficientes.

 Hipótesis  Se espera desarrollar un proceso para la obtención de almidón termoplástico espumado vía extrusión de plásticos.  Para lograr esto se pretende estudiar la morfología y concentraciones del agente de nucleación incorporaran al almidón, así como los niveles de plastificante, que a su vez entraran en función con los perfiles de temperatura, presión y velocidad de extrusión, afectando considerablemente la relación nucleación-expansión y por lo tanto la densidad del material, esperando obtener un espumado con características físicas, químicas y mecánicas eficientes.

5. Marco teórico  Polímeros y sus aplicaciones

5. Marco teórico  Polímeros termoplásticos

5. Marco teórico  Transición vítrea Transiciones térmicas y las posibles ventanas de procesamiento

 La naturaleza vítrea es debido a la movilidad molecular congelada de las moléculas de cadena larga. La transición de vítreo hacia gomoso, corresponde al inicio del movimiento segmental en las cadenas. El aumento del movimiento molecular está indicado por un abrupto aumento tanto del coeficiente de expansión y la capacidad calorífica a medida que se eleva la temperatura.   En general, la temperatura de transición vítrea depende de la historia térmica del material, el peso molecular y la distribución del peso molecular de las cadenas de polímero, el grado de cristalinidad, y la presencia de plastificantes. La importancia de la temperatura de transición vítrea se ha reconocido en la determinación de la procesabilidad de los polímeros amorfos (Figura 5.3) [6].

5. Marco teórico  Almidón y sus características Morfología granular: (A) Almidón de maíz, (B) Almidón de trigo y (C) Almidón de patata. PROPIEDADESUNIDADESCONDICIONESVALORES Tamaño de grano µmFuente y forma Maíz-poligonal o redondo Patata: ovalada con forma de huevo Temperatura de gelatinización °CFuente Maíz Trigo Temperatura de transición vítrea (Tg) °CAlmidón de maíz Temperatura de fusión (Tm) °CPoliformos A (+/-) B Maíz A Trigo A Patata B

 El almidón es el carbohidrato más abundante en la naturaleza, es sintetizado durante la fotosíntesis y almacenado en los amiloplastos de la células vegetales [6]; El almidón es un gránulo parcialmente cristalino e insoluble en agua a temperatura ambiente. Los gránulos de almidón tienen diferentes tamaños y formas dependiendo de la fuente biológica de donde provengan (Tabla 1.1). La forma puede ser redonda, elíptica, ovalada, lenticular o poligonal (Figura 1.6) [7].

5. Marco teórico  Composición del almidón

5. Marco teórico  Tecnología de extrusión para la cocción de almidón

5. Marco teórico  Plastificantes y su efecto en el almidón  Agua  Glicerina

5. Marco teórico  Polímeros espumados

5. Marco teórico  Agentes de nucleación  Agentes espumantes

6. Metodología experimental Revisión bibliografica Diseño de experimento de datos Caracrterizacion del material Extrusión TPS Diseño de experimento de datos Caracrterizacion del material Extrusión TPS espumado Conclusion y discusion de datos Análisis de Resultados

7. BIBLIOGRAFIA