Aceite vegetales - Polímeros termoplásticos, elastómeros y aditivos



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Aceite vegetales

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Aplicaciones de los aceites vegetales en polímeros

Actualmente, uno de los productos más importantes de la industria química, a nivel cuantitativo, son los polímeros debido a su uso masivo en multitud de aplicaciones del día a día. Pero, es bien conocido que la mayoría de ellos se producen a partir de recursos fósiles, en concreto los derivados del petróleo. Sin embargo, el consumo de estas fuentes de materia y energía no renovables no es el único aspecto que rodea a los materiales poliméricos y sus productos. Los patrones de consumo actual han dado lugar a que estos productos sean, cada vez más, de un solo uso, siendo después desechados y entrando en el sistema de tratamiento de residuos, en muchas ocasiones en su acumulación en vertederos. Por ello hay que tener en cuenta que los polímeros suponen una contribución muy significativa a la acumulación de residuos sólidos, debido al amplio porcentaje de plásticos producidos a partir de fuentes petroquímicas que no son biodegradables con persistencias en el medio ambiente de centenares de años. Por otra parte, los esfuerzos realizados en materia de reciclaje y combustión en plantas de incineración se deben considerar de forma detallada desde la perspectiva tanto económica como ecológica. El uso de aceites vegetales y ácidos grasos en aplicaciones en la síntesis de polímeros o como aditivos tiene una larga tradición, no sólo por el creciente interés en encontrar alternativas al petróleo, sino también por sus especiales características químicas que los hacen adecuados en ciertos casos para sufrir procesos de polimerización. Los triglicéridos, de forma natural, son moléculas de baja reactividad, lo que a priori podría significar una desventaja de cara a su aplicación polimérica. Sin embargo, esta característica permite ampliar enormemente las posibilidades sintéticas de los aceites vegetales mediante la introducción de grupos funcionales fácilmente polimerizables en sus sitios reactivos. Se pueden diferenciar al menos tres usos diferentes de los aceites vegetales en aplicaciones en polímeros:

  • como aditivos de polímeros (plastificantes, estabilizantes, etc.)
  • como unidades generadoras de polímero (building blocks) en el caso de polímeros termoplásticos
  • como base para la síntesis de resinas termoestables

Por su parte, para la síntesis de aditivos a partir de aceites vegetales se ha utilizado tradicionalmente la modificación química de éstos y/o su polimerización, ya que, como se ha mencionado anteriormente, los dobles enlaces internos de los triglicéridos no poseen suficiente reactividad para llevar a cabo un proceso de polimerización (excepto para la polimerización catiónica). En este sentido, las modificaciones que se pueden llevar a cabo para activar estos procesos consisten en la introducción de grupos reactivos en las cadenas alifáticas, lo que predispondría a la molécula a una mayor capacidad para la polimerización. El mejor ejemplo de este tipo de modificación en el que está implicado el doble enlace interno C=C, y que también es el proceso más estudiado, es la epoxidación de aceites vegetales con alto contenido de insaturaciones. Dicha epoxidación puede llevarse a cabo por muy diversos métodos: a partir de ácido peracético o m-cloroperoxibenzoico, mediante el uso de dioxiranos, mediante la generación de perácidos a partir de aldehídos y oxígeno molecular, o también por auto-epoxidación quimioenzimática de ácidos grasos insaturados.

Aceites vegetales como aditivos de polímeros termoplásticos

Para mejorar las propiedades de los distintos tipos de plásticos se puede utilizar una amplia gama de aditivos modificadores que permite ablandarlos, colorearlos, facilitar su procesado, hacerlos más duraderos, etc. En general, se consideran aditivos aquellos materiales que van dispersos físicamente en una matriz polimérica, sin afectar a su estructura molecular pero que modifican de forma notable una o varias de sus propiedades. Todos los aditivos deben cumplir una serie de requisitos técnicos; es decir, se espera de ellos que sean eficaces, de modo que consigan los objetivos de modificación propuestos a una concentración que no suponga un aumento excesivo del coste del producto final. Además, no deben ser volátiles en las condiciones del proceso de transformación y tampoco deben exudar durante su vida útil, ya que podrían dar lugar a problemas de estética, a la pérdida de eficacia por eliminación del aditivo y, por supuesto, no deben ser tóxicos para la salud del personal que los manipule ni de los usuarios, especialmente en el caso de aplicaciones sensibles como juguetes o materiales que vayan a entrar en contacto directo con alimentos o fármacos. En estos casos, la tendencia a la exudación y migración del aditivo se debe controlar de forma especial por el riesgo que puede implicar para la salud humana. En el caso de los lubricantes, los aceites vegetales son materias primas que poseen excelentes propiedades de fricción, baja volatilidad, elevado índice de viscosidad y que son capaces de disolverse con facilidad en otros aditivos que se suelen añadir a los lubricantes [56]. Los lubricantes se utilizan en la industria de transformación de plásticos para disminuir las fuerzas de fricción que se pueden producir en las tolvas de alimentación de la granza del polímero, o entre el polímero fundido y las superficies metálicas de los equipos de transformación, por ejemplo. El comportamiento de estos aceites vegetales como lubricantes tanto a bajas como a altas temperaturas, es una de las principales limitaciones durante su estudio y desarrollo, así como ocurre con su viscosidad e índice de fluidez.

Aceites vegetales como matrices de polímeros termoplásticos

Los materiales termoestables obtenidos a partir de aceites vegetales encontrán mucho exito. Esto es debido, en parte, a la composición mayoritaria que tienen los aceites vegetales en su estado natural, al estar formado por triglicéridos que contenen diversos tipos de ácidos grasos con diferente número de insaturaciones en su cadena. Así, los aceites de semillas son mayoritariamente ricos en ácidos grasos poliinsaturados, el que permite la formación de materiales de alta rigidez y resistentes a la temperatura con un alto grado de reticulación. En estos casos las cadenas carbonadas constituyentes de los aceites se entrecruzan a través de los sitios activos de la molécula de triglicérido; en concret en sus dobles enlaces. De esta forma  en la que si muestra los contenidos en ácidos grasos presentes en distinctos aceites vegetales, si se puede comprobar que, en general, los aceites de semillas tienen como componente predominante en su perfil lipídico y ácido grasa con 2 o 3 insaturación; a excepción de los aceites de ricino, aceituna y colza que se presenta como componente mayoritario de un ácido graso monoinsaturado. De este modo, para la obtención de materiales termoestables si han utilizado aceites ricos en ácidos grasos poliinsaturados como el de soja, girasol o linaza, ya que forman materiales con un alto grado de entrecruzamiento, y por lo tanto, de alta resistencia mecánica y térmica. Por su parte, el aceite de ricino tiene un alto contenido en ácido ricinoleico (87,5% en peso del aceite) y en el sitio activo está ocupado por un grupo alcohol, mientras que los aceites de oliva y colza presenta un contenido importante en ácido monoinsaturado. oleico (71,1 y 60,9% en peso del aceite, respectivamente). Por ello, para lograr una estructura termoplástica mediante polimerización a partir de un aceite vegetal, los monómeros o unidades generadoras de polímero deben tener un enlace doble C = C en el caso de polimerización por adición; o bien dos grupos reactivos en el caso de polimerización por condensación. De este modo, como ya se comentó anteriormente, los triglicéridos necesitan ser modificados y funcionalizados antes de ser polimerizados. No obstante, existen varios ejemplos de bio-compuestos termoplásticos que ya se han desarrollado; sobre todo a partir de aceite de ricino que se encuentra funcionalizado de forma natural y su composición es prácticamente homogénea, lo que permite una polimerización relativamente sencilla y con rendimientos aceptables. Las principales familias de polímeros termoplásticos que se han desarrollado a partir de aceites vegetales a nivel de investigación son: poliuretano termoplástico (TPU), poliamidas (PA), poliésteres termoplásticos, poliesteramidas y polianhídridos. En particular, el desarrollo de TPUs a partir de aceites vegetales ha sido objeto de investigación en este trabajo y por ello, en el tercer y cuarto capítulos se presentan los resultados obtenidos para el desarrollo de polianos termoplásticos a partir de aceite de colza.
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