TPS | Almidón - Polímeros termoplásticos, elastómeros y aditivos



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Almidón termoplástico - TPS

Biopolimeros a partir de almidon

El almidón es un biopolímero prometedor para producir materiales biocompuestos porque es renovable, completamente biodegradable y fácilmente disponible a un bajo costo. El almidón termoplástico (TPS), en sí mismo, presenta propiedades mecánicas pobres, como baja resistencia a la tracción y deformaciones severas, lo que limita su aplicación en envases o películas. Además, TPS presenta alta higroscopicidad. El uso de agentes de refuerzo en la matriz de almidón es un medio eficaz para superar estos inconvenientes y se han utilizado varios tipos de refuerzos biodegradables, como fibras celulósicas, bigotes y nanofibras, para desarrollar biocompuestos de almidón nuevos y económicos.  El almidón nativo es un material no plastificado debido a los enlaces de hidrógeno intra e intermoleculares entre los grupos hidroxilo de las moléculas de almidón. Durante el proceso termoplástico, en presencia de un plastificante, un gránulo semicristalino de almidón se transforma en un material homogéneo con división de enlaces de hidrógeno entre las moléculas de almidón, lo que conduce a la pérdida de la cristalinidad. Las propiedades físicas del almidón termoplástico están muy influenciadas por la cantidad de plastificante presente. En la mayoría de la literatura para el almidón termoplástico, los polioles generalmente se usaban como plastificantes, de los cuales el glicerol es el principal. El efecto del nivel de plastificación en la transición vítrea del almidón termoplástico. Los polímeros derivados del almidón dominan el mercado de polímeros biogenerados liderando la producción mundial con un 70-80% de la misma. Los productores más importantes establecidos en el mercado. Los productos de cultivo de almidón más utilizados son el maíz (el de mayor aplicación), el trigo, la papa y el arroz. Actualmente los copolímeros utilizados para mezclas o combinaciones constituyen hasta un 50% del total másico de los productos poliméricos derivados del almidón. Estos copolímeros son, en su mayoría, derivados de fuentes fósiles.

Biopolimeros a base de almidon

La funcionalidad del almidón se debe en gran parte a sus dos componentes de alto peso molecular: amilosa y amilopectina. La mayoría de los almidones contienen entre 20 y 30% de amilosa y 70 y 80% de amilopectina; estas proporciones dependen de la fuente de la planta. Las moléculas de amilosa constan de aproximadamente 200 a 20 000 unidades de glucosa unidas por enlaces glucósidos α-1,4. La estructura de la amilopectina es diferente a la de la amilosa; las moléculas de amilopectina contienen enlaces glicosídicos α ‐ 1,4 y α ‐ 1,6 en cadenas no ramificadas o hélice en espiral. Las láminas de almidón de patata acondicionar al 53% de humedad relativa (HR) y 23°C, plastificadas con glicerol con un alto contenido de amilosa (HAP) son más fuertes y rígidas que el almidón termoplástico normal con un contenido de amilosa típico para el almidón de papa común.  Para el NPS plastificado (almidón de patata nativo), el módulode aproximadamente es de160 MPa  aumentando el contenido de amilosa sube aproximadamente a 120 MPa. En ambos productos la tensión en la rotura fue de aproximadamente 50% para ambos materiales. La reticulación con CA mejora la resistencia mecánica y los extruidos con una tensión superior en la rotura y el alargamiento en la rotura.

Nombre y simbolo

  • TPS
  • Almidón de patata
  • Almidón termoplástico

Propiedades

  • compostable según DIN 54900
  • alta permeabilidad al vapor de agua
  • buena barrera al oxigeno
  • no recargable electrostáticamente
  • se puede procesar con las líneas de producción existentes de la industria de procesamiento de plástico

Propiedades Fisica


Los polímeros derivados del almidón son parcialmente cristalinos (pero mucho menos que los derivados de la celulosa). Su densidad es superior a la mayor parte de los termoplásticos convencionales y también de los biopolímeros. Las propiedades mecánicas de los plásticos a base de almidón de almidón de maíz nativo, papa, maíz ceroso y trigo, producidos por moldeo por compresión de almidón nativo y glicerol en la relación en peso de 0 a 3, dependían en gran medida del contenido de agua y la fuente de almidón. Una de las propiedades más importantes del almidón natural es su semicristalinidad y la amilopectina es el componente dominante para la cristalización en la mayoría de los almidones. Las importantes propiedades comerciales del almidón, como la resistencia mecánica y la flexibilidad, dependen de la resistencia y el carácter de la región cristalina, que a su vez depende de la relación amilosa / amilopectina y, por tanto, del tipo de planta; estas propiedades también dependen de la distribución del peso molecular, el grado de ramificación y el proceso de conformación de cada componente polimérico. Las propiedades mecánicas de un almidón termoplástico de baja y alta masa molecular se monitorizaron con contenidos de agua en el rango de 5-30% (p/p). Las propiedades de tensión-deformación de los materiales dependían del contenido de agua. Los materiales que contenían menos del 9% de agua tienen un módulo elástico entre 400 y 1000 MPa. Utilizando el glicerol como plastificante las temperaturas de transición vítrea y las propiedades mecánicas cambian en base a su percentaje. Por encima de ciertos contenidos de glicerol, dependiendo de la fuente de almidón, la temperatura de transición vítrea se baja (Tg) , disminuye el módulo y la resistencia a la tracción y aumenta la elongacionde.  El uso de agentes de refuerzo en la matriz de almidón es un medio eficaz para superar estos inconvenientes y se han utilizado varios tipos de refuerzos biodegradables como fibras celulósicas, bigotes y nanofibras de celulosa (CNF) para desarrollar biocompuestos de almidón nuevos y económicos.

Propiedades de barrera a los gases para una película de TPS

Las propiedades de barrera a los gases para una película de TPS incluyen la permeabilidad al vapor de agua (WVP), la permeabilidad al oxígeno y la permeabilidad al aroma. WVP se utiliza para describir la capacidad de la película para controlar el transporte de vapor de agua entre un sistema alimentario y su entorno. Las películas de TPS no se consideran buenas barreras al vapor de agua. Las películas de TPS tienen una baja permeabilidad a los gases, malas propiedades de barrera al vapor de agua y deben resistir las tensiones que surgen de su uso en envases. La mejora de las propiedades mecánicas y de barrera al agua mediante la adición de CNF (extraído de diferentes fuentes botánicas) puede depender de la correcta dispersión y la generación de una interfase activa de nano-refuerzo / matriz.

Propiedades Químicas

Las propiedades mecánicas de estos polímeros son generalmente inferiores a los polímeros derivados de la petroquímica. Son fáciles de procesar pero vulnerables a la degradación. Si bien tienen baja resistencia a solventes y aceites, esto puede ser mejorado por mezclado con otros componentes.

Estructuras almidón

La mayoría de los almidones contienen entre 20 y 30% de amilosa y 70 y 80% de amilopectina; Estas proporciones dependen de la fuente de la planta. Las moléculas de amilosa consisten en aproximadamente 200–20,000 unidades de glucosa unidas por enlaces glucósidos α - 1,4 en cadenas no ramificadas o hélices en espiral. La estructura de la amilopectina es diferente de la de la amilosa; Las moléculas de amilopectina contienen enlaces glucosídicos α-1,4 y α-1,6. Los enlaces glucosídicos se unen a las moléculas de glucosa en la cadena principal de amilopectina. A menudo se encuentran ramas de la cadena principal, que se deben a los enlaces glucosídicos α - 1.6 con otras moléculas de glucosa.

Propiedades térmicas almidón

La temperatura de transición vítrea (Tg) del almidón amorfo seco es experimentalmente inaccesible debido a la degradación térmica de los polímeros de almidón a temperaturas elevadas. Se estima que la Tg del almidón seco está en el rango de 240–250°C.  Para guisantes, trigo, papas y almidón de maíz ceroso, la Tg fue de 75°C, 143°C, 152°C y 158°C, respectivamente.

Plastificantes para almidón

Según el plastificante/almidón, el almidón termoplástico presenta una amplia gama de propiedades. Se han realizado varios estudios sobre los efectos de los plastificantes en las propiedades del almidón termoplástico. Los plastificantes utilizados incluyen polioles tales como glicerol, glicol, xilitol, sorbitol y azúcares y etanoloamina. También se han estudiado plastificantes que contienen grupos amida como urea, formamida y acetamida o una mezcla de plastificantes.  Los alcoholes monohidroxílicos y los glicoles de alto peso molecular no lograron plastificar el almidón, mientras que los glicoles más cortos son mas efectivos. Para producir una película a base de almidón, se requiere un alto contenido de agua o plastificante (glicerol, sorbitol). Estos materiales plastificados (aplicación de energía mecánica y térmica) se conocen como almidones termoplásticos TPS.

Obtención de polímeros derivados del almidón

Se pueden distinguir tres grandes grupos de productos obtenidos a partir de un paso primario de proceso:

  • Polímeros derivados de almidón parcialmente fermentado
  • Polímeros derivados de almidón puro
  • Polímeros derivados de almidón modificado

El TPS es un material que se obtiene a través de la ruptura estructural (modificación) que ocurre dentro del gránulo de almidón cuando se procesa con un bajo contenido de agua y la acción de la fuerza de corte y la temperatura en presencia de plastificantes que no se evaporan fácilmente durante el procesamiento.

Polímeros derivados de almidón parcialmente fermentado

La materia prima deriva dal fluido de desecho de la papa originado en la industria alimenticia. Esto fluido consiste en almidón (71-73%),  el resto es proteínas (10-12%), grasas y aceites (2-4%), componentes inorgánicos (10-12%) y celulosa (2-4%). El fluido se almacena  por 2 semanas para permitir la estabilización y fermentación parcial. Durante estas dos semanas ocurre la conversión de una parte del almidón en ácido láctico por medio de bacterias presentes en el medio. El producto secado con un de contenido final de agua 10% es extruido para obtener granulos termoplásticas. Para mejorar las algunas propriedades se le agregan plastificantes, relleno y aditivos.

Polímeros derivados de almidón puro

Son aquellos materiales que no son alterados (en el primer paso del proceso) por fermentación o tratamiento químico. Esta es la etapa en la cual el almidón es convertido en un material termoplástico tanto por extrusión o por una combinación de pasos de extrusión y mezclado.

Otros tipos de polímeros derivados del almidón

La producción de otros tipos de polímeros derivados del almidón comienza con la extracción del mismo. El almidón es extraído de su fuente por medio de una solución ácida. Luego siguen los procesos de molido fino y posterior centrifugado que separa la proteína (menos densa) del almidón (más denso). El fluido almidonado es lavado en un centrifugador, deshidratado y secado previo a la extrusión o granulación. Asimismo, antes o después del proceso de secado, el almidón puede ser procesado para mejorar sus propiedades. El almidón modificado es aquel que ha sido tratado con químicos de manera que algunos grupos hidroxilos sean reemplazados por otros grupos, como por ejemplo, ésteres. El almidón modificado químicamente puede ser usado directamente en pelletizado u otra forma seca para ser transformado a producto final.

Trabajabilidad almidón

Las técnicas (extrusión, moldeo por inyección y colada de películas) para procesar materiales a base de almidón son similares a las utilizadas para los polímeros convencionales. Sin embargo, es importante señalar que aunque el procesamiento del almidón es complicado, se puede lograr con éxito si se desarrolla una formulación apropiada y se establecen las condiciones adecuadas de procesamiento. El procesamiento del almidón es mucho más difícil que los polímeros convencionales, se han utilizado modificaciones a las técnicas de procesamiento tradicionales, condiciones de procesamiento cuidadosamente controladas y el uso juicioso de aditivos para superar los diversos desafíos presentados en el procesamiento de polímeros a base de almidón. Se pueden procesar por extrusión, moldeo por compresión y moldeo por inyección. Las temperaturas de procesamiento están en el rango de 100–200°C, aunque se debe tener cuidado a temperaturas superiores a 175°C debido a la descomposición molecular del almidón. Para producir con éxito láminas o películas por extrusión, los almidones crudos normalmente se mezclan con otros aditivos y plastificantes para mejorar su procesabilidad y mejorar las propiedades de los productos finales. Los polímeros como el almidón dependen de su contenido de agua. Si se requieren dimensiones precisas, el procesamiento debe llevarse a cabo de manera que los productos se formen aproximadamente al equilibrio del contenido de agua en uso. Para el almidón de papa, por ejemplo, esto significa contenidos de agua de alrededor del 14% para uso en condiciones ambientales (50% de humedad relativa, 20–25°C). Si se usan contenidos de agua más altos en el procesamiento, se producirá distorsión y contracción ya que el contenido de agua de equilibrio se logra naturalmente después del procesamiento. Además, un mayor contenido de agua puede inducir una mayor degradación hidrolítica de las cadenas de almidón durante el procesamiento y también la gelatinización en lugar de la formación de masa fundida. Si se usan contenidos de agua más bajos, puede ocurrir degradación térmica durante el procesamiento, así como hinchazón después del procesamiento. Una técnica simple y bien establecida para producir láminas o películas por extrusión es el uso de una extrusora de doble tornillo con una hendidura o una matriz de película plana, seguida de un dispositivo de extracción para orientación y recolección. La extrusión espumante se ha utilizado principalmente para producir materiales de envasado de relleno suelto, de forma similar a la producción de snacks expandidos extruidos. La extrusión de doble tornillo es la más utilizada y se prefiere debido a su facilidad de alimentación, mayor tiempo de residencia, corte más extenso y control de temperatura más flexible. La alta viscosidad y las malas propiedades de flujo de los materiales a base de almidón presentan dificultades durante el moldeo por inyección, mientras que la falta de parámetros fiables dificulta el diseño de las condiciones óptimas de procesamiento. El moldeo por compresión para procesar plásticos a base de almidón, en la producción de envases de espuma, y ​​generalmente implica la gelatinización, expansión y secado del almidón. Además de los agentes de gelatinización, los agentes desmoldantes, como el estearato de magnesio y el ácido esteárico, también se utilizan a menudo en las formulaciones para evitar que el almidón se pegue al molde. La técnica de colada para preparar películas de almidón incluye la preparación de una dispersión, gelatinización a 95°C, colada en placas acrílicas o de teflón y un período de secado de aproximadamente 24 ha 40-75°C. El glicerol es el plastificante más utilizado en la preparación de películas de almidón. La película de almidón resultante puede tener un espesor entre 0,02 y 0,10 mm.

Biopolimeros aplicaciones almidón

Las películas de TPS tienen baja permeabilidad a los gases, pobres propiedades de barrera de vapor de agua y deben resistir las tensiones derivadas de su uso en el empaque. El primer producto comercial hecho de almidón termoplástico moldeado por inyección fue la cápsula de administración de fármacos , y están apareciendo gradualmente otros productos, por camisetas de golf, cubiertos, platos y recipientes para alimentos. Además, la extrusión se aplica para producir espumas rígidas, adecuadas para envases de relleno suelto. El almidón se puede transformar en materiales espumados utilizando una corriente de agua, reemplazando la espuma de poliestireno como material de embalaje. El embalaje es el área de aplicación dominante para los polímeros a base de almidón. Las principales áreas de aplicación incluyen:  espumas (para el mercado de espumas de relleno suelto), películas (para agricultura, por ejemplo, películas de mantillo) l bolsas de compras l productos moldeables (ollas, cubiertos, envases de comida rápida). El buen desempeño mecánico junto con la biodegradabilidad hacen a los productos termoplásticos combinados ideales para packaging compitiendo con los productos de poliestireno expandido (EPS). En la producción de espumas y productos solubles existe una gran oportunidad de sustitución del EPS, poliuretano (PUR) y papel.

Películas

El gran potencial (principalmente para los polímeros derivados de almidón modificado) para la sustitución de otros polímeros se encuentra principalmente en las poliolefinas: polietileno de baja densidad (LDPE), polietileno de alta densidad (HDPE) y polipropileno (PP). Mezclas con poliésteres sintéticos poseen propiedades mecánicas similares al LDPE y al HDPE como también al poliestireno (PS). Se pueden conseguir películas con un espesor de menos de 13 μm. Una película de 25 μm, basada en un compuesto que consta de un 50% de TPS y un 50% de PBAT (adipato de polibutileno-co-tereftalato) da como resultado una extensibilidad de aproximadamente 350% y una resistencia a la tracción de 25 MPa. La película de un compound de TPS tiene propiedades mecánicas, como las películas de PE que son de opacas a transparentes, imprimibles, sellables, encogibles y se pueden colorear. TPS es permeable al vapor y tiene buenas propiedades de barrera al oxígeno. TPS se puede utilizar de la misma forma que las láminas convencionales, por ejemplo, para sacos de basura, bolsas de la compra, embalajes, redes para envasado de alimentos, pañales, usos agrícolas o técnicos según DIN 54900. Los bioplásticos son completamente biodegradables y compostables. La innovación de esta tecnología bioplástica es un excelente ejemplo de desarrollo sostenible, lo que significa el uso responsable de los recursos naturales disponibles y los procesos productivos que tienen en cuenta los aspectos ambientales y las circulaciones naturales.

Extrusión y termoformado

  • Bolsas de transporte
  • Bolsas de frutas y verduras
  • Películas de mantillo
  • Bolsas de basura y bolsas de basura
  • Fibras no tejidas
  • Películas técnicas
  • Bandejas y vasos de comida
  • y muchos más

Moldeo por inyección

  • Clips y guías agrícolas
  • Macetas
  • Filamento de impresión 3D
  • Cuchillería
  • embalaje
  • Productos sanitarios
  • y muchos más

Estándar DIN 54900

DIN 54900 "Priifung der Kompostierbarkeit von polymeren Werkstoffen ’ ("Prueba de la compostabilidad de materiales poliméricos") .
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