EFECTOS DE LA ADICIÓN DE ARCILLA MONTMORILLONITA EN …
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EFECTOS DE LA ADICIÓN DE ARCILLA MONTMORILLONITA EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y LA RETROGRADACIÓN DE COMPUESTOS DE ALMIDÓN SECO/GLICEROL. Ricardo Mauricio Calderón Jaimes Asesor Ph.D. Felipe Salcedo Galán Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Química Bogotá D.C. Colombia 2013
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EFECTOS DE LA ADICIÓN DE ARCILLA MONTMORILLONITA EN LAS
PROPIEDADES MECÁNICAS Y LA RETROGRADACIÓN DE COMPUESTOS DE
ALMIDÓN SECO/GLICEROL.
Ricardo Mauricio Calderón Jaimes
Asesor
Ph.D. Felipe Salcedo Galán
Universidad de Los Andes
Facultad de Ingeniería
Departamento de Ingeniería Química
Bogotá D.C. Colombia
2013
CONTENIDO
LISTA DE FIGURAS ............................................................................................................ 5
LISTA DE TABLAS .............................................................................................................. 6
1. INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 7
2. OBJETIVOS.................................................................................................................... 8
2.1.1 Objetivo general ............................................................................................... 8
2.1.2 Objetivos específicos ........................................................................................ 8
3. ESTADO DEL ARTE ..................................................................................................... 9
3.1 Almidón ................................................................................................................... 9
3.2 Gelatinización ........................................................................................................ 10
3.3 Retrogradación ....................................................................................................... 10
3.4 Arcilla Montmorillonita ......................................................................................... 11
4. MATERIALES.............................................................................................................. 13
5. MÉTODOS EXPERIMENTALES ............................................................................... 14
5.1 Caracterización de la materia prima ...................................................................... 14
5.1.1 Determinación del contenido de humedad en el almidón y curvas de secado 14
5.1.2 Determinación del contenido de amilosa en el almidón ................................. 14
5.2 Preparación del material ........................................................................................ 15
5.2.1 Formulación de las suspensiones .................................................................... 15
5.2.2 Plastificación en extrusora y moldeo por compresión .................................... 15
5.3 Caracterización del material .................................................................................. 16
5.3.1 Pruebas mecánicas de las formulaciones ........................................................ 16
5.3.2 Dispersión de la arcilla en el almidón ............................................................ 16
5.3.3 Cristalinidad del material................................................................................ 17
5.3.4 Adsorción de agua del material ...................................................................... 17
6. RESULTADOS Y ANÁLISIS ...................................................................................... 19
6.1 Caracterización de la materia prima ...................................................................... 19
6.1.1 Determinación del contenido de humedad en el almidón y curvas de secado 19
6.1.2 Determinación del contenido de amilosa en el almidón ................................. 20
6.2 Preparación del material ........................................................................................ 21
6.2.1 Plastificación en extrusora y moldeo por compresión .................................... 21
6.3 Caracterización del material .................................................................................. 23
6.3.1 Pruebas mecánicas de las formulaciones ........................................................ 23
6.3.2 Dispersión de la arcilla en el almidón ............................................................ 27
6.3.3 Cristalinidad del material................................................................................ 28
6.3.4 Adsorción de agua del material ...................................................................... 34
7. CONCLUSIONES ........................................................................................................ 37
8. REFERENCIAS ............................................................................................................ 38
AGRADECIMIENTOS
En primer lugar le agradezco especialmente al profesor Felipe Salcedo por la asesoría
brindada durante todo el desarrollo del proyecto, por sus recomendaciones y sugerencias
con el fin de cumplir los objetivos del mismo. También a Camila Lara por su ayuda para la
realización de las formulaciones y las pruebas de las mismas. Con la ayuda, apoyo y tiempo
de los dos se desarrolló el proyecto de manera exitosa.
A los técnicos y encargados de los laboratorios tanto de Ingeniería Química como de
Ingeniería Mecánica y Química por la colaboración y ayuda mientras se desarrollaron las
pruebas en los laboratorios de la Universidad de los Andes y a los técnicos y encargados del
laboratorio de Física en la Universidad Nacional.
A mi familia por su apoyo incondicional, la compañía y fuerza brindada. Por su amor,
dedicación, enseñanzas y ayuda a mi mamá Mariluz Jaimes, mi abuela Margarita Suárez,
mi tía Mercedes Suárez y mi hermana Angie Paola Calderón.
A los compañeros y amigos que hacen o no parte de la Universidad de los Andes por su
ayuda, compañía, apoyo, fuerza y enseñanzas.
Por último y no menos importante a Dios por todos los dones, virtudes y demás brindados y
el amor tanto por parte de él como de la Virgen María; también a conocidos y demás
personas que no haya mencionado y que me ayudaron de una u otra forma.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Representación de la estructura de la amilosa y la amilopectina. Adaptado de (BeMiller &
Whistler, 2009). ................................................................................................................................... 9
Figura 2. Estructura cristalina de la Montmorillonita (MMT). Adaptado de (Alexandre & Dubois,
2000). ................................................................................................................................................ 11
Figura 3. Curvas de secado del almidón de maíz respecto al tiempo, a diferentes temperaturas. ..... 19
Figura 4. Perfil del torque a través del tiempo de la extrusora en proceso continuo. ........................ 21
Figura 5. Probetas después del moldeo por compresión para la formulación TPS (izquierda) y TPS y
2% de arcilla (derecha). ..................................................................................................................... 22
Figura 6. Cambios del módulo de Young de las formulaciones a través del tiempo. ....................... 24
Figura 7. Cambios del esfuerzo tensil de las formulaciones a través del tiempo. ............................. 25
Figura 8. Cambios en la elongación de las formulaciones a través del tiempo. ................................ 25
Figura 9. Curvas esfuerzo vs. Deformación de especímenes representativos después de 40 días de
almacenamiento. ................................................................................................................................ 27
Figura 10. Difractogramas de rayos X de una muestra de la arcilla (Cloisita Na+) tomado de
(Porras, 2013) y de una muestra de TPS2% 58 días después del moldeo por compresión. .............. 28
Figura 11. Temperatura de fusión de cada una de las formulaciones a través del tiempo. ............... 29
Figura 12. Entalpía de fusión de cada una de las formulaciones a través del tiempo. ...................... 30
Figura 13. Grado de cristalinidad relativa de las formulaciones y sus cambios evaluados a partir de
DSC. Tomando como referencia la entalpía del TPS recién procesado. ........................................... 31
Figura 14. Difractogramas de rayos X para las dos formulaciones 58 días después del moldeo por
compresión. ....................................................................................................................................... 32
Figura 15. Termograma de la formulación TPS 2% arcilla 4 días después del moldeo por
compresión. ....................................................................................................................................... 33
Figura 16. Perfil de masa del TPS obtenido a partir de la prueba TGA. ........................................... 34
Figura 17. Porcentaje de absorción de las formulaciones a temperatura constante a través del tiempo
para la segunda prueba de absorción de agua.................................................................................... 35
Figura 18. Imagen tomada de la prueba de adsorción de agua de una probeta luego de ser sumergida
en agua desionizada a temperatura constante para TPS (derecha) y TPS y 2% de arcilla (izquierda).
........................................................................................................................................................... 35
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Resultados de la prueba para la determinación del porcentaje de amilosa presente
en el almidón. ....................................................................................................................... 20
Tabla 2. Promedio de los resultados de las propiedades mecánicas de cada formulación de
almidón seco a lo largo del tiempo. ...................................................................................... 23
Tabla 3. Resultados de análisis térmico por DSC. Cambios de la temperatura y entalpía de
fusión para cada formulación a través del tiempo. ............................................................... 29
1. INTRODUCCIÓN
Un polímero es una sustancia química cuyas moléculas están constituidas de muchas
unidades pequeñas repetidas que están unidas entre sí por enlaces covalentes (MacGregor ,
2001). La palabra polímero proviene del griego que significa muchas partes (poli: muchas,
mero: unidades) (Painter & Coleman, 2009). Las unidades de las cuales se sintetizan los
polímeros se llaman monómeros.
Los polímeros pueden estar hechos por una sola clase de monómero (homo-polímeros) o a
partir de varias clases de monómeros (co-polímeros) (MacGregor , 2001). Su resistencia y
durabilidad, aunadas a su utilización masiva han generado un problema en el manejo de los
residuos. Y su lenta degradación es considerada, en parte, responsable de la contaminación
del medio ambiente (Estrada Mora, 2012). Los polímeros representan entre el 20% y 40%
en volumen de los desechos sólidos municipales en los países industrializados,
convirtiéndose de esta forma, en uno de los principales generadores de desechos no
orgánicos responsables de la contaminación del aire, suelos y sobre todo, de los océanos del
mundo (Ruiz, 2006).
Esta contaminación, al afectar los ecosistemas marinos y terrestres, agrava la problemática
mundial acerca del calentamiento global y compromete a la sociedad, no sólo con la
implementación de sistemas efectivos de manejo de residuos sólidos, sino, sobre todo, con
la difusión de prácticas adecuadas de consumo y desecho ya que por su lenta degradación
son considerados materiales contaminantes (Estrada Mora, 2012). Por tal motivo una
alternativa a este problema es la biodegradabilidad definida como un proceso mediante el
cual todos los fragmentos de materiales son consumidos por microorganismos como fuente
de alimento y de energía (Consejo integrado para el manejo de desechos, 2007), como los
polímeros biodegradables, aquellos que resultan degradados por acción natural de
microorganismos tales como bacterias, hongos y algas (Salmoral, González, Coladonato, &
Gavi, 2012).
Estos polímeros biodegradables pueden ser derivados de recursos naturales como maíz,
papa o microorganismos (biopolímeros) (Gargaud, 2011) o pueden ser de origen sintético
por ejemplo a partir de fuentes de petróleo. Lo que los hace biodegradables es la posibilidad
de inducir su escisión de las cadenas moleculares por actividad microbiana (Sinharay &
Bousmina, 2005).
2. OBJETIVOS
2.1.1 Objetivo general
Estudiar los efectos de la adición de Montmorillonita en las propiedades mecánicas y la
retrogradación de compuestos de almidón seco/glicerol.
2.1.2 Objetivos específicos
Evaluar la dispersión de la arcilla en matrices de almidón seco/glicerol.
Estudiar las propiedades mecánicas, y el cambio de éstas en el tiempo, de compuestos de
almidón seco/glicerol/Montmorillonita.
Estudiar la cristalinidad, y el cambio de ésta en el tiempo, de compuestos de almidón
seco/glicerol/Montmorillonita.
3. ESTADO DEL ARTE
3.1 Almidón
El almidón es un polisacárido producido por una gran cantidad de plantas como un medio
de almacenamiento de energía. Es almacenado intracelularmente en forma de gránulos
esféricos con un diámetro entre 2 y 100 µm (Kaplan, 1998). Es un polímero natural
formado por amilosa, cadenas lineales de glucosa unidas por un enlace α (1→4), y
amilopectina, cadenas ramificadas en los enlaces α (1→6) (ver figura 1) en una proporción
que puede variar entre 10-20% y 80-90% respectivamente, aunque esto depende de la
fuente (Sun, 2013).
Figura 1. Representación de la estructura de la amilosa y la amilopectina. Adaptado de (BeMiller & Whistler, 2009).
El almidón es conocido también por ser completamente biodegradable en agua y tierra, lo que
lo hace aún más interesante. También promueve la biodegradabilidad de plásticos no
degradables y también puede ser usado en plásticos sintéticos (Zhou, Willet, & Carriere,
2001) (Ke & Sun, 2001), para producir una mezcla biodegradable a bajo costo. El almidón
permanece en su forma granular en la matriz plástica y así puede servir como un filtro (Ray &
Bousmina, 2005).
3.2 Gelatinización
El almidón no es un polímero termoplástico pero en presencia de plastificantes como agua
o glicerina (Funke, Bergthaller, & Lindhauer, 1998) (Sandoval & Barreiro, 2007) (van
Soest & Vliegenthart, 1997) los gránulos de almidón se rompen y se mezclan con los
plastificantes bajo tratamiento termo-mecánico. Este proceso denominado gelatinización se
lleva a cabo calentando los gránulos de almidón en presencia de agua y/u otro plastificante
en exceso, este tratamiento provoca la pérdida de la estructura cristalina de los gránulos de
almidón y su hinchamiento. El proceso de gelatinización varía dependiendo de la
composición de almidón y del tipo (Singh, 2010). Para la realización del proceso de
gelatinización se hace necesario un aumento de la temperatura del sistema debido a la
insolubilidad de los gránulos de almidón en agua a temperatura ambiente. Una vez
terminado el proceso de gelatinización se obtiene almidón termoplástico (TPS por sus
siglas en inglés) que es un material amorfo o semi-cristalino compuesto de almidón
gelatinizado o desestructurado y es uno de los polímeros biodegradables más atractivos.
Puede ser repetidamente ablandado y endurecido, de modo que permite ser moldeado o
formado por acción de calor y fuerzas de cizallamiento (Carvalho, 2013).
3.3 Retrogradación
Las propiedades del TPS no son suficientes para ser empleado por sí solo como un material
funcional pues presenta una pobre resistencia al agua e inestabilidad en el tiempo. Esta
inestabilidad se divide en dos problemas, el primero es la adsorción de agua por parte del
TPS y el segundo es la retrogradación. Después de la gelatinización, el TPS, una vez
enfriado, presenta una reorganización molecular almacenada denominada retrogradación.
Se han descrito dos etapas principales en este proceso, la primera está asociada a la
reorganización de la amilosa (retrogradación a corto plazo) y la segunda está asociada a la
reorganización de la molécula de amilopectina (retrogradación a largo plazo) (BeMiller &
Whistler, 2009). Este fenómeno complejo está influenciado por factores como la
concentración del almidón, el tratamiento calentamiento-enfriamiento, la presencia de
lípidos, electrolitos, etc. También están implicadas la formación de cadenas enredadas,
orden molecular de corto alcance y la cristalización de los agregados de dobles hélices
(BeMiller & Whistler, 2009).
3.4 Arcilla Montmorillonita
Una solución planteada a este problema es mezclar el TPS con otros polímeros o
compuestos para reforzar sus propiedades. Uno de los compuestos que pueden solucionar
estas desventajas es la arcilla, que por su carácter polar, presenta una mejor dispersión que
el resto de alternativas en la matriz polimérica de almidón, obteniendo mejores propiedades
tensiles, menor tasa de transmisión de vapor de agua y mejor estabilidad térmica (Park,
Lee, Park, & Won-Je, 2003). Adicionalmente, si las capas de aluminosilicatos de las
arcillas se exfolian adecuadamente en la matriz de TPS, el gran área superficial de estas
capas (cargadas negativamente) podrían interactuar con los grupos hidroxilo (polares) del
almidón interrumpiendo los procesos de reorganización (retrogradación) de las cadenas de
amilosa y/o amilopectina dándole mayor estabilidad al material. Por otro lado, las arcillas
son materiales relativamente económicos, abundantes en la naturaleza y amigables con el
medio ambiente (Park, Lee, Park, & Won-Je, 2003) (Sinha & Bousmina, 2005). La arcilla
más utilizada de estas es la Montmorillonita (MMT). Este mineral exhibe una estructura
octaédrica de hidróxidos de aluminio o magnesio en medio de dos capas tetraédricas de
silicatos (Wool, 2005), ver figura 2.
Figura 2. Estructura cristalina de la Montmorillonita (MMT). Adaptado de (Alexandre & Dubois, 2000).
Algunas propiedades mecánicas, cristalinidad, biodegradabilidad y estabilidad de
compuestos de TPS/MMT se estudiaron en trabajos anteriores en la Universidad de los
Andes (Porras, 2013) (Gil & Mesa, 2013) como el módulo de Young, el porcentaje de
elongación y el esfuerzo tensil. En estos estudios la mezcla almidón-agua fue sometida a
exceso de agua, además el almidón inicial que se usó estaba sin secar y no se conocía la
cantidad de humedad presente en la muestra. Los resultados obtenidos respecto de la
evolución de las propiedades mecánicas del material termoplástico presentaron un
comportamiento no esperado, específicamente respecto a la plastificación del material
(disminución de órdenes de magnitud del módulo de Young) en el tiempo. Debido a lo
anterior, en estos trabajos no fue posible evaluar en forma consistente los posibles efectos
de la adición de arcilla en la retrogradación del almidón. En el presente trabajo se pretende
realizar un estudio similar a los de Gil & Mesa y Porras, evaluando los efectos de la arcilla
en las propiedades mecánicas y retrogradación del almidón, pero teniendo en cuenta un
control de la cantidad de humedad en compuestos de almidón/glicerol/MMT. En estudios
anteriores como “Analysis of the processability of thermoplastic Cassava starch (TPS)/Poly
(lactic acid) (Pla) Blends” de Ardila Nury (ARDILA GUALDRÓN, 2011), y Efectos de la
modificación de almidón de yuca y su mezcla con poli (ácido láctico) (Pla) sobre su
biodegradación de Rodríguez Mónica (RODRÍGUEZ CLAROS , 2012), se obtenía a partir
de almidón seco un material que presentaba mejores propiedades y comportamiento de
pseudoplástico característico de los materiales termoplásticos, con un buen porcentaje de
biodegradabilidad (RODRÍGUEZ CLAROS , 2012) (ARDILA GUALDRÓN, 2011).
4. MATERIALES
Para la fabricación del almidón termoplástico se utilizó almidón proveniente del maíz, que
fue suministrado por Bell Chem International S.A., con un contenido de amilosa reportado
de 28%.
La arcilla Montmorillonita (Cloisita Na+), sin ninguna modificación, adquirida de Southern
Clay Products, Inc. El glicerol USP puro, obtenido de Bell Chem International.
5. MÉTODOS EXPERIMENTALES
5.1 Caracterización de la materia prima
5.1.1 Determinación del contenido de humedad en el almidón y curvas de secado
Se tomaron 3 muestras de almidón cada una de 100g. De cada muestra se tomaron 5g con el
fin de determinar el contenido de humedad inicial en una termobalanza XM60 Precisa.
Después se depositó el resto de almidón (95g) de forma uniforme en un recipiente de
aluminio evitando aglomeración en algún punto que afectara la disminución del contenido
de humedad. El proceso de secado se realizó en un horno convectivo por 24 horas donde se
depositó el recipiente con el almidón con el fin de secarlo. Cada muestra se secó a
diferentes temperaturas, 80°C, 100°C y 120°C. Se tomaron estas temperaturas para
determinar la temperatura que permitiera obtener un almidón seco o con un porcentaje de
agua en la muestra mínimo. Cada media hora se tomaron 5g durante las primeras 6 horas y
se tomaron los últimos 5g 24 horas después de iniciado el proceso de secado. Para reducir
los efectos de la humedad del ambiente sobre la muestra inmediatamente tomada del horno,
si esta estuvo sometida a 80°C o a 100°C se llevó a una termobalanza ubicada cerca del
horno y si la muestra estuvo sometida a 120°C, antes de ser llevada a la termobalanza se
llevó a un desecador ubicado cerca del horno y de la termobalanza por unos 10 minutos y
luego se llevó a la termobalanza para evitar que el equipo se viera afectado por la alta
temperatura. Con los datos obtenidos se construyen las curvas de secado a partir del
contenido de humedad respecto al tiempo. Esta actividad se realizó en el laboratorio de
Procesos Químicos del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de los
Andes.
5.1.2 Determinación del contenido de amilosa en el almidón
Se preparó una solución de 100mg de almidón, 1mL de etanol, 9.2mL de NaOH 1N. Se
completó con agua destilada hasta 100mL y se dejó reaccionar toda la noche. Al día
siguiente se tomó una alícuota de 5mL de la solución y se adicionó 1mL de ácido acético
1N y 2mL de solución yódica (0.2% I2 y 2% KI), finalmente se completó con agua
destilada hasta 100mL. Se midió la absorbancia con una longitud de onda de 620nm usando
un blanco de 5mL de NaOH 0.09N, 1mL de ácido acético, 2mL de solución yódica y se
completó con agua destilada hasta 100mL. Esta actividad se realizó en el laboratorio de
Bioquímica Docente del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de los
Andes.
5.2 Preparación del material
5.2.1 Formulación de las suspensiones
A partir de las curvas de secado que se obtuvieron como se especifica en el numeral 2.2.1,
se secó en un horno convectivo 2Kg de almidón de maíz que se depositaron en un
recipiente de aluminio evitando aglomeración en algún punto que afectara la disminución
del contenido de humedad y se llevó en el recipiente al horno a 100°C, ya que es la
temperatura que permite obtener almidón seco en menor tiempo y sin generar un consumo
energético mayor y se dejó por 2 días con el fin secar el almidón totalmente. Finalizados los
2 días se depositó el almidón en un recipiente y se selló, no sin antes medir nuevamente el
contenido de humedad que fue de 0.18%; el recipiente se guardó para después realizar las
suspensiones. Se estudiaron 2 formulaciones de almidón seco/glicerol, una con 0% de
arcilla (TPS/0%MMT) y otra de 2% de arcilla (TPS/2%MMT). A partir de 40% glicerol y
60% de almidón seco que se agregó lentamente se mezclaron el glicerol y el almidón
usando un agitador de ancla a 200 rpm por 2 horas para la primera formulación. Para la
segunda formulación se dispersó la arcilla Montmorillonita usando glicerol a altas
velocidades por 15 minutos dada la no presencia de agua en este estudio. El almidón se
agregó lentamente en un procesador de alimentos. Esta actividad se realizó en el laboratorio
de Diseño de Productos del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de los
Andes.
5.2.2 Plastificación en extrusora y moldeo por compresión
La plastificación del material se realizó en la extrusora monotornillo Brabender Lab station.
Se procesó el material con un perfil de temperaturas de 140°C, 145°C, 155°C, 160°C a 60
rpm. La duración del proceso fue de 40 minutos para cada formulación, en la cual se
emplearon 450g para cada una de las formulaciones. Los valores de torque a lo largo del
proceso fueron monitoreados. El tamaño del material obtenido fue reducido en un molino
de cuchillas Bauknecht. Posteriormente se realizó el moldeo por compresión, donde se
obtuvieron 5 probetas en una hora. Se moldearon 15 probetas en total para cada una de las
dos formulaciones con el fin de usar cinco probetas en las pruebas de la caracterización del
material que se desarrollaron en 3 tiempos. Estas probetas se obtuvieron a partir de moldes
de acuerdo a la norma ASTM D638 (ASTM International, 2010). Este proceso se realizó en
una prensa hidráulica LabTech (Fenton, Michigan, Estados Unidos), a una temperatura de
160°C durante 30 minutos, divididos en un precalentamiento de 10 minutos, el moldeo por
compresión a 8.5MPa durante 4 minutos y el enfriamiento sin presión durante 15 minutos.
Un tercio de las probetas obtenidas se sometieron a una evaluación de las propiedades del
material recién obtenido. Las dos terceras partes de las probetas obtenidas, se almacenaron
en un desecador con sílica a 20°C para realizar un estudio de la caracterización del material
los otros dos diferentes intervalos de tiempo de 20 y 40 días después del moldeo por
compresión. Esta actividad se realizó en el laboratorio de Simulación en Procesos de
Polímeros del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes.
5.3 Caracterización del material
5.3.1 Pruebas mecánicas de las formulaciones
Para realizar estas pruebas se usó el equipo de ensayo de tensión Instron, serie 5900
(Norwood, Massachusetts, Estados Unidos) para determinar la resistencia a tracción de los
materiales plásticos. El ensayo se realizó sobre las probetas de acuerdo a la norma ASTM
D638 (ASTM International, 2010), con una velocidad de 10mm/min los días 4, 20 y 40
después de realizar el moldeo por compresión donde se sometió 5 probetas de cada
formulación en cada prueba realizada. Esta actividad se realizó en el laboratorio de
Propiedades Mecánicas, Temperatura y Humedad Controladas del Departamento de
Ingeniería Mecánica de la Universidad de los Andes.
5.3.2 Dispersión de la arcilla en el almidón
Para evaluar la dispersión de la arcilla se analizó la exfoliación de la misma usando un
difractómetro de rayos X (DRX) en un ángulo pequeño (SAXS). El estudio se realizó desde
un ángulo de 2θ que varía entre 6° y 10°. La velocidad de dispersión fue de 0.02°/s, un
diferencial de voltaje de 40KV, una corriente de 40mA y una longitud de onda de 0.154nm.
Esta prueba se realizó solamente a la muestra (TPS2%) y aquí se compara el resultado
contra el del difractograma de la arcilla pura obtenido en el trabajo anterior de Gil & Mesa
(Gil & Mesa, 2013). Esta actividad se realizó en el laboratorio Difracción de Rayos X del
Departamento de Física de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Bogotá.
5.3.3 Cristalinidad del material
Para el estudio de la cristalinidad se desarrolló una prueba de calorimetría diferencial de
barrido (DSC). Se utilizó un flujo de purga de nitrógeno de 50mL/min y alrededor de 6 a
14mg de muestra en una celda hermética de aluminio. El método utilizado fue
calentamiento-enfriamiento-calentamiento, desde 20°C hasta 275°C con rampas de
calentamiento y enfriamiento de 10oC/min. Para esta prueba se sometió una sola muestra de
cada formulación en cada uno de los tres tiempos de estudio. Esta actividad se realizó en el
laboratorio de Caracterización de Polímeros del Departamento de Ingeniería Mecánica de la
Universidad de los Andes. Para complementar este estudio se realizó una prueba de análisis
termogravimétrico o TGA en el Departamento de Química de la Universidad de los Andes.
Se realizó además una prueba en el difractómetro de rayos X (DRX) en un ángulo amplio
(WAXS). El estudio se realizó desde un ángulo de 2θ que varía entre 10° y 35°. La
velocidad de dispersión fue de 0.02°/s, un diferencial de voltaje de 40KV, una corriente de
40mA y una longitud de onda de 0.154nm. La prueba se realizó 4, 20 y 40 días después del
moldeo por compresión donde se sometió una sola probeta de cada formulación en cada
prueba realizada. Esta actividad se realizó en el laboratorio Difracción de Rayos X del
Departamento de Física de la Universidad Nacional de Colombia, Sede Bogotá.
5.3.4 Adsorción de agua del material
Para complementar el estudio de la estabilidad de los muestras (más allá de la medición de
las propiedades mecánicas y la cristalinidad y la forma en que éstas varían en el tiempo) se
decidió estudiar también la adsorción de agua de las mismas. Para este estudio de adsorción
se tomó una muestra de la formulación TPS y se pesó en una balanza con precisión de
0.001g. Luego se sumergió en un beaker con agua desionizada a una temperatura constante
de (para esto se dejó el beaker sobre un baño de agua a ).
Lo mismo se realizó para la formulación TPS2%. Este estudio se divide en dos partes, el
primero se realizó tomando el material del agua una hora después y se limpió con cuidado
la superficie usando un paño seco y se pesó inmediatamente el paño, al día siguiente se
repitió el procedimiento anterior y después de la medición se cambió el agua del beaker,
luego una semana después y también después de la medición se cambió el agua del beaker
y finalmente dos semanas después de la última medición se volvió a cambiar el agua del
beaker (ASTM International, 2010).
Dado a que el primer estudio presentó problemas durante su desarrollo, se decidió realizar
una modificación del procedimiento y realizar un segundo estudio. El segundo estudio
consistió en registrar el peso de la muestra cada hora hasta donde fue posible al menos los
primeros 2 días y cada día después de la medición se cambió el agua del beaker. Esto se
hizo debido a los problemas que se presentaron al realizar el primer estudio, por lo que se
modificó con el fin de evitar un daño en la muestra. Finalmente para los dos estudios se
obtuvo el cambio de peso a través del tiempo y se reportó la absorción de agua del material.
Esta actividad se realizó en el laboratorio de Bioquímica Docente del Departamento de
Ingeniería Química de la Universidad de los Andes.
6. RESULTADOS Y ANÁLISIS
6.1 Caracterización de la materia prima
6.1.1 Determinación del contenido de humedad en el almidón y curvas de secado
Finalizado el proceso de secado para cada una de las muestras se obtuvo, para cada 30
minutos de las primeras 6 horas de secado, un dato de porcentaje de humedad a una
temperatura específica. A partir de los datos obtenidos se construyeron las curvas de secado
(ver figuras 3).
Figura 3. Curvas de secado del almidón de maíz respecto al tiempo, a diferentes temperaturas.
Estas 3 temperaturas se escogieron teniendo en cuenta una temperatura cercana y otra
superior de la temperatura de ebullición del agua, además de los 100°C como una
temperatura promedio de las 2 anteriores con el fin de aplicar la mejor combinación para
obtener almidón seco. En la figura 3 se observa que una temperatura de 80°C no es tan
eficiente para obtener el almidón seco y una temperatura de 120°C genera mayor gasto
energético para obtener el almidón seco, que se consigue fácilmente a 100°C y en un
tiempo cercano al obtenido en 120°C.
6.1.2 Determinación del contenido de amilosa en el almidón
El contenido de amilosa se determinó a partir de la prueba de yodo que se describió en el
numeral 2.2.1 en la metodología.
Tabla 1. Resultados de la prueba para la determinación del porcentaje de amilosa presente en el almidón.
Prueba Absorbancia Fracción
amilosa
Fracción
amilopectina
1 0.386 0.316 0.684
2 0.329 0.214 0.786
3 0.399 0.338 0.662
4 0.342 0.239 0.762
Promedio 0.277 0.723
Desviación Estándar 0.060 0.060
Los datos obtenidos en el espectrofotómetro indicaron la absorbancia de las soluciones
realizadas y a partir de estas absorbancias se determinó la fracción de amilosa y de
amilopectina presente en el almidón de maíz como se muestra en la tabla 1.
(1)
A través de la ecuación 1 se calculó el porcentaje de amilosa presente en la muestra de
almidón. El porcentaje de amilopectina se calculó restándole al 100% el porcentaje de a
amilosa, ya que como se mencionó anteriormente el almidón está formado por estos dos
compuestos.
De esta forma se corrobora que el contenido de amilosa corresponde a la fuente de almidón
de maíz trabajado que es de 28% reportado por el proveedor, aunque en la literatura se
reportan valores entre 1-20% de amilosa pero esto depende de la fuente del almidón.
6.2 Preparación del material
6.2.1 Plastificación en extrusora y moldeo por compresión
Para conocer más del proceso de plastificación del material en la extrusora, se pueden
observar los perfiles de torque obtenidos durante este proceso donde el material se
encuentra en estado fundido que se presentan en la figura 4.
80706050403020100
50,0
47,5
45,0
42,5
40,0
37,5
35,0
Tiempo (min)
Torq
ue
(N
*m
)
Material previo
TPS
TPS-TPS2%
TPS2%
Promedio TPS
Promedio TPS2%
Figura 4. Perfil del torque a través del tiempo de la extrusora en proceso continuo.
El proceso de plastificación para las dos formulaciones se realizó de manera continua en la
extrusora, en la cual se desarrolló el proceso durante los primeros 35 minutos para la
formulación TPS y después se continuó con la formulación TPS 2% de arcilla (adiciona a la
extrusora a los 35 minutos). Como se observa en la figura 4, se pueden considerar 4
intervalos de tiempo en el proceso de extrusión de acuerdo con el material que se encuentra
dentro de la misma a lo largo del proceso. El primer intervalo (en color negro) representa la
adición de la mezcla de la formulación TPS. En ese instante en el interior del equipo se
encontraban residuos del material previamente trabajado (los cuales no se pueden remover
hasta que un nuevo material es adicionado); esto se observa en los resultados obtenidos del
torque donde se presenta una disminución de este en los primeros minutos. El segundo
intervalo de tiempo (en color rojo) indica que el material anterior no se encuentra en la
extrusora, sólo está presente el TPS, y se observa un aumento considerable del torque al
minuto 17 que representa el pico de la energía que se requirió para la plastificación del
material. El tercer intervalo (en color verde) representa la adición de la mezcla de la
formulación TPS 2% arcilla. En ese intervalo de tiempo de 35 a 48 minutos de la extrusora
se encuentran trazas de la primera formulación en la extrusora. Finalmente el cuarto
intervalo de tiempo (en color azul) representa la salida de la segunda formulación de la
extrusora sin la presencia de la primera formulación.
Se observa en la figura 4 que la segunda formulación presenta una mayor viscosidad y se
estabilizó (respecto del torque en la extrusora) en un menor tiempo en valores entre 45 y
47N*m pero con un valor promedio de torque de 45.56N*m. Aunque el torque de la
primera formulación aumento considerablemente para finalmente estabilizarse en los
valores entre 43 y 46N*m el valor promedio del torque fue de 44.47N*m. Claro está que la
estabilización se considera teniendo en cuenta el tiempo de residencia de cada uno de los
dos materiales de las formulaciones en la extrusora que se puede observar a inicios de los
20 minutos para el TPS y a inicios de los 60 minutos para el TPS2% arcilla aunque después
se ve afectado nuevamente el torque por la disminución de la alimentación de cada una de
las formulaciones.
Finalizado el proceso de plastificación y mezcla en la extrusora y después de moler el
material en un molino de cuchillas, se continúa con el moldeo por compresión. Después de
finalizado el moldeo se obtienen las probetas con las cuales se procede a estudiar las
propiedades mecánicas y la cristalización del material y la dispersión de la arcilla. Algunas
de las probetas obtenidas se observan en la figura 5.
Figura 5. Probetas después del moldeo por compresión para la formulación TPS (izquierda) y TPS y 2% de arcilla
(derecha).
6.3 Caracterización del material
6.3.1 Pruebas mecánicas de las formulaciones
En la tabla 2 se presenta un resumen de los datos promedios obtenidos de las pruebas
mecánicas para las dos formulaciones en los tiempos 4, 20 y 40 días después del moldeo
por compresión. Las figuras 6, 7 y 8 representan gráficamente las propiedades y los
resultados obtenidos. En cada prueba se evaluaron 5 probetas de cada formulación (en
algunas pruebas fueron 6 probetas) al equipo de ensayo de tensión en los tres tiempos. Cabe
aclarar que las pruebas de esfuerzo deformación que se realizaron se describen a partir de
las normas ASTM D638, D882 y D412 (Nielsen & Landel, 1993).
Tabla 2. Promedio de los resultados de las propiedades mecánicas de cada formulación de almidón seco a lo largo del
tiempo.
Formulación/
Propiedad
Tiempo
(Días)
Módulo de
Young (MPa)
Esfuerzo
Tensil (MPa)
Máxima
Elongación
(%)
TPS
4
20
40
TPS 2%
4
20
40
0
Como se describe en la tabla 2 el material formado a partir de la formulación TPS2% es
más rígido aunque 20 días después del moldeo sus propiedades no son mejores en
comparación con el material formado a partir de TPS. Para comparar el módulo de Young
se puede observar el comportamiento de las dos formulaciones en el tiempo en la figura 6.
Figura 6. Cambios del módulo de Young de las formulaciones a través del tiempo.
Al comparar las formulaciones del almidón seco de 0% y 2% de arcilla se obtuvo mayor
rigidez en la formulación con 2% a los 4 y 40 días, lo cual era esperable considerando que
el efecto típico al adicionar un aditivo inorgánico a una matriz polimérica es que ésta se
vuelva más rígida. Los datos a los 20 días parecen mostrar un comportamiento extraño ya
que el valor promedio del módulo del TPS con arcilla es (ligeramente) menor que el del
TPS sin arcilla; además, se observa una disminución del módulo en ambas muestras
comparadas con el dato del día 4 (lo cual no es lo esperado ya que al retrogradarse el
almidón el material típicamente se vuelve más rígido y frágil). Sin embargo, es importante
mencionar que los valores del módulo en los tres tiempos se encuentran en el rango del
error para la muestra de TPS2% mientras que para la muestra sin arcilla se ve un aumento
estadísticamente significativo del módulo (de alrededor del 50%). Este resultado permite
inferir que la arcilla estabiliza la rigidez del material en el tiempo lo que sugiere que
efectivamente ayuda a prevenir la retrogradación del almidón como se había postulado que
sucediera.
En lo que respecta al esfuerzo tensil, se observa un comportamiento completamente
análogo al observado con el módulo: la arcilla aumenta el esfuerzo tensil inicial del
almidón y el compuesto TPS2% no presenta un aumento estadísticamente significativo del
esfuerzo tensil a diferencia del almidón sin arcilla cuyo esfuerzo tensil aumenta en el
tiempo.
0.000
2.000
4.000
6.000
8.000
10.000
12.000
14.000
16.000
4 20 40
Mó
du
lo d
e Y
ou
ng
(MP
a)
Tiempo (Días)
TPS
TPS2%
Figura 7. Cambios del esfuerzo tensil de las formulaciones a través del tiempo.
El resultado anterior permite inferir también que la arcilla estabiliza las propiedades
mecánicas del TPS en el tiempo.
Finalmente en la figura 8 se observan los resultados de máxima elongación en donde se
observa que inicialmente (día 4) la adición de arcilla disminuye la tenacidad de la muestra,
lo cual era un resultado esperado. Otro resultado que se observa, y era esperable, es que hay
una tendencia a disminuir la elongación a la ruptura de la muestra de TPS.
Figura 8. Cambios en la elongación de las formulaciones a través del tiempo.
Al comparar las formulaciones del almidón seco de 0% y 2% de arcilla a tiempos mayores
se obtuvo menor elongación en la formulación con 2% a los 4 y 40 días respectivamente y
0.000
0.200
0.400
0.600
0.800
1.000
1.200
4 20 40
Esfu
erz
o t
en
sil (
MP
a)
Tiempo (Días)
TPS
TPS2%
0.000
50.000
100.000
150.000
200.000
250.000
4 20 40
Elo
nga
ció
n r
up
tura
te
nsi
ón
(%
)
Tiempo (Días)
TPS
TPS2%
una mayor elongación a los 20 días. Un resultado similar al observado aquí a los 20 días,
aumento de la elongación máxima al adicionar arcilla, ha sido reportado por otros estudios
realizados en condiciones similares (almidón seco y 2% de arcilla Montmorillonita)
(Aouada, Mattoso, & Longo, 2011). Sin embargo, los valores de máxima elongación para la
muestra de TPS2% se encuentran en el rango de error en los tres tiempos. En cambio en el
caso del TPS esto no sucede, lo que permite inferir que la arcilla también estabiliza esta
propiedad en el tiempo.
En resumen, en general de las tres propiedades mecánicas estudiadas se observó por un
lado un comportamiento esperado del material TPS2% que presenta mayor rigidez y menor
elongación a la ruptura en comparación al TPS en el tiempo inicial y por el otro la
estabilización del material en el tiempo gracias a la presencia de la arcilla Montmorillonita
sugiriendo que ésta dificulta el proceso de retrogradación del almidón.
En la figura 9 se presentan las curvas esfuerzo vs deformación de las pruebas de tensión de
dos muestras representativas de las formulaciones TPS y TPS 2% arcilla. Como se observa
las dos formulaciones son materiales resistentes con un límite de elasticidad mayor que la
tensión de rotura. Es decir que se presenta una relación de tensión-deformación idealizada,
se presenta una tensión más baja a la cual la elongación aumenta sin el incremento del
estrés (esfuerzo tensil) (Brown, 2002).
Claro está que se presentan algunas diferencias en algunos casos significativas, entre los
resultados obtenidos para cada espécimen (probeta) entre muestras de la misma
formulación. Al observar las desviaciones estándar de las tres propiedades mecánicas, estas
siempre son mayores en el caso de la formulación TPS2% que en el TPS. Lo más probable
es que esto se deba a que el material TPS2% no es tan homogéneo, pero esto no es extraño
ya que es un material compuesto y es posible que no sea tan homogéneo como lo es el TPS.
Esto ocasionaría esa desviación estándar mayor en el TPS2% en comparación con el
material TPS, pero a su vez al encontrarse los datos en el margen de error se consideran
aceptados para realizar un análisis a partir de ellos.
Figura 9. Curvas esfuerzo vs. Deformación de especímenes representativos después de 40 días de almacenamiento.
6.3.2 Dispersión de la arcilla en el almidón
En la figura 10 se presenta el resultado de una muestra de arcilla Montmorillonita pura, sin
modificar ni incorporar al almidón, en ángulo pequeño tomado del trabajo de Porras y el
resultado de una muestra de TPS2% en ángulo pequeño realizada 58 días después del
moldeo por compresión. El resultado del TPS2% fue normalizado y se desplazó en sentido
vertical para poder compararlo con el resultado de la muestra de arcilla pura.
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 50 100 150
Esfu
erz
o d
e t
racc
ión
(M
Pa)
Deformación por tracción (%)
TPS2%
TPS
109876
1750
1500
1250
1000
750
500
2θ
Inte
nsid
ad
(U
*a
)
MMT
TPS2%
Figura 10. Difractogramas de rayos X de una muestra de la arcilla (Cloisita Na+) tomado de (Porras, 2013) y de una
muestra de TPS2% 58 días después del moldeo por compresión.
Como se puede observar en la figura 10, la arcilla está exfoliada porque no se presenta
ningún pico. Esto indica que no hay estructuras ordenadas en el compuesto TPS2%, es
decir que las láminas de alumino-silicatos de la arcilla se han exfoliado y la arcilla se ha
dispersado en la matriz de almidón seco/glicerol.
6.3.3 Cristalinidad del material
En la tabla 3 se muestran los resultados obtenidos en los tres tiempo de estudio para las
formulaciones con almidón seco. En los tres tiempos sólo se analizó una muestra de cada
material en la prueba de DSC:
Tabla 3. Resultados de análisis térmico por DSC. Cambios de la temperatura y entalpía de fusión para cada formulación a
través del tiempo.
Tiempo
(Días)
TPS TPS2%MMT
Temperatura
fusión (°C)
Entalpía
fusión (J/g)
Temperatura
fusión (°C)
Entalpía
fusión (J/g)
4 218.94 72.22 214.04 85.74
20 222.01 81.99 216.95 91.08
42 214.65 88.44 231.69 79.80
Como se observa en los resultados, el material obtenido a partir de almidón seco presenta
un comportamiento esperado. Los cambios de la temperatura y entalpía de fusión a través
del tiempo se representan en las figuras 11 y 12 respectivamente.
50403020100
245
240
235
230
225
220
215
210
205
Tiempo (Días)
Te
mp
era
tura
(°C
)
TPS
TPS2%
Figura 11. Temperatura de fusión de cada una de las formulaciones a través del tiempo.
Al analizar la temperatura de fusión en los tiempos cero y uno se obtiene una temperatura
menor cuando hay presencia de arcilla a los 4 y 20 días después del moldeo por
compresión, 40 días después del moldeo no sucede esto. Por esta razón se plantearía repetir
al menos la prueba después de 40 días de almacenamiento para el TPS2%. Además este
último resultado es contradictorio con el resultado de cristalinidad obtenido a partir de la
prueba de DRX que se presenta en la figura 14, donde se ve que la estructura cristalina del
TPS es muy parecida a la del TPS2%. Cabe aclarar que el análisis térmico por DSC tanto
en este estudio como en el estudio de Gil & Mesa modificó el material considerablemente
al momento de hacer las mediciones. Esto se evidenció en la figura 15, donde al realizar el
enfriamiento y el segundo calentamiento sobre la muestra no volvió a observar ningún pico
ni transición térmica.
50403020100
95
90
85
80
75
70
65
Tiempo (Días)
En
talp
ía (
J/g
)
TPS
TPS2%
Figura 12. Entalpía de fusión de cada una de las formulaciones a través del tiempo.
Los datos obtenidos de entalpía muestran un incremento de la misma dada la presencia de
arcilla entre los tiempos cero y uno, pero en el tiempo dos disminuyen para el TPS2% y
sigue aumentando para el TPS.
(2)
Se calculó el grado de cristalinidad relativa para cada muestra como la razón entre la
entalpía registrada en cada momento sobre la primera entalpía medida del TPS como se
observa en la ecuación 2; puesto que este es el material de referencia. En la figura 13 se
puede observar el comportamiento del grado de cristalinidad a través del tiempo.
50403020100
1,35
1,30
1,25
1,20
1,15
1,10
1,05
1,00
Tiempo (Días)
Gra
do
de
Cri
sta
linid
ad
Re
lati
vo
TPS
TPS2%
Figura 13. Grado de cristalinidad relativa de las formulaciones y sus cambios evaluados a partir de DSC. Tomando como
referencia la entalpía del TPS recién procesado.
Al observar el comportamiento del grado de cristalinidad, en el caso del TPS este aumenta
como se espera ya que este aumento es propio del proceso de la retrogradación. Al
contrario en el caso del TPS2% aunque inicialmente aumenta en el tiempo uno, al final el
grado de cristalinidad disminuye dando indicio de una efectiva reducción de la
retrogradación del almidón al adicionar la arcilla en la matriz del almidón seco/glicerol.
Para complementar el análisis de la cristalinidad del material se pueden observar los
resultados de la difracción de rayos X en ángulo amplio un rango de 2θ mayores a 10°. En
la figura 14 se observan los resultados de la difracción.
353025201510
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
2θ
Inte
nsid
ad
(U
*a
)
TPS
TPS2%
Figura 14. Difractogramas de rayos X para las dos formulaciones 58 días después del moldeo por compresión.
En el caso del almidón de maíz, los principales picos que se reportan en la literatura se
encuentran en 15.1°, 17.1°, 18°, 20° y 23° (Imberty, Buéon , Tran, & Pérez, 1991). En el
caso del TPS se obtienen los principales picos en 13.11°, 20° y 20.88° es decir que durante
el proceso de plastificación la estructura cristalina del almidón se pierde pero se forman
nuevas estructuras. Para el TPS2% se observan picos en 13.16°, 20.04° y 20.91° que se
presenten también debido al proceso de plastificación y que son muy parecidos a los
obtenidos para TPS indicando que la adición de arcillas no modifican apreciablemente la
estructura cristalina del almidón. Aunque se presentan estructuras cristalinas similares para
las dos formulaciones a partir de los resultados de las pruebas de DSC se sabe que el
TPS2% no se va a ver afectado por la retrogradación como si lo va a ser el TPS.
300250200150100500
0
-5
-10
-15
-20
-25
Temperatura (°C)
Fluj
o de
Cal
or (
W/g
)
Calentamiento 1
Enfriamiento
Calentamiento 2
Figura 15. Termograma de la formulación TPS 2% arcilla 4 días después del moldeo por compresión.
En la figuras 15 se observa el termograma de la formulación TPS2% 4 días después del
moldeo, que fue sometida a un calentamiento-enfriamiento-calentamiento. En el primer
proceso de calentamiento se obtienen dos picos, el mayor indica la temperatura y entalpía
de fusión del material.
600550500450400350300250200150100500
100
80
60
40
20
0
Temperatura (°C)
%M
asa
Figura 16. Perfil de masa del TPS obtenido a partir de la prueba TGA.
En la figura 16 se observa el perfil del TPS a medida que aumenta la temperatura, obtenido
a partir de una prueba de análisis termogravimétrico (TGA) que indica un posible
almacenamiento de agua dentro del material (tanto el TPS como el TPS2% presentaron este
comportamiento) y que se evaporó después de los 150°C como se presenta en las figura 15
en el pico y que ahora se sustenta con la figura 16 en un escalón. Además se observa otro
escalón cerca de los 350°C donde se desintegra el polímero.
6.3.4 Adsorción de agua del material
En la figura 16 se muestra los resultados del estudio, donde se representa gráficamente el
comportamiento del material cuando este es sumergido en agua a temperatura constante. Se
tomaron datos por 7 horas y un último dato 54 horas después de haber sumergido el
material en agua. Finalizado el estudio se realizaron dos réplicas.
Figura 17. Porcentaje de absorción de las formulaciones a temperatura constante a través del tiempo para la segunda
prueba de absorción de agua.
Como se observa en la figura 17, el comportamiento del incremento en peso es similar para
las dos formulaciones aunque esta prueba se realizó 40 días después del moldeo por
compresión, aunque después de 7 horas se estabilizó el porcentaje de adsorción para las dos
formulaciones.
Figura 18. Imagen tomada de la prueba de adsorción de agua de una probeta luego de ser sumergida en agua desionizada
a temperatura constante para TPS (derecha) y TPS y 2% de arcilla (izquierda).
Cabe aclarar que en las pruebas realizadas, las muestras adsorben una cantidad similar y
constante de agua a través del tiempo como se observa en la figura 17 ya que los datos se
encuentran dentro del margen de error, es decir, estadísticamente los dos materiales se
comportan igual al ser sumergidos en agua desionizada a temperatura constante.
0.00%
20.00%
40.00%
60.00%
80.00%
100.00%
120.00%
140.00%
1 2 3 6 7 54
Incr
em
en
to e
n p
eso
Tiempo (h)
TPS
TPS2%
En la figura 18 se observa una probeta que ha sido sometida a la prueba de adsorción.
Como se puede observar, esta presenta fracturas o grietas. Cuando el material es TPS la
muestra presenta más fracturas y se tiende a dividir más hasta el punto de desintegrarse
parte de la muestra original de la prueba, caso contrario al TPS2% que no se fractura tan
rápido y no se divide en partes las muestra original de la prueba. Para explicar el porqué de
la mayor absorción de agua por parte de la formulación con arcilla, esto se puede deber al
carácter hidrófilo de la misma, como se observa en la figura 2 la arcilla Montmorillonita
presenta grupos OH. Aunque la arcilla tiene propiedades de barrera cuando está exfoliada
en la matriz del almidón seco/glicerol, también puede permitir un mayor contacto de la
estructura interna con el material.
7. CONCLUSIONES
Las pruebas realizadas en este estudio permitieron conocer los posibles efectos de la
formulación y el procesabilidad en la relación propiedad-estructura de un material
termoplástico desarrollado a partir de almidón de maíz con la adición de arcillas.
Los resultados de difracción de rayos X mostraron que las láminas de alumino-silicatos de
las arcillas se exfolian en la matriz del almidón lo cual permite que haya una mayor área
interfacial de contacto entre éstas y las cadenas de amilosa y amilopectina del almidón. Se
observó que la adición de arcillas produce efectos esperados en el material recién
procesado: aumento de la rigidez y disminución de la tenacidad según lo visto en las
propiedades mecánicas, y no aparición de cambios significativos en la cristalinidad según
lo visto en la difracción de rayos X.
Las propiedades mecánicas del almidón termoplástico se estabilizan en el tiempo gracias a
la presencia de la arcilla, lo que es buen indicador de que la solución planteada para el
problema inicial, reducción de la retrogradación al adicionar arcillas, fue satisfactoria. Esto
podría deberse a las interacciones intermoleculares favorables entre las superficies cargadas
negativamente de las arcillas y las cadenas (polares) del almidón estarían reteniendo a las
cadenas del almidón disminuyendo su retrogradación. Estos resultados posicionan a la
arcilla Montmorillonita como un aditivo potencial para prevenir este problema en el
almidón termoplástico.
Los resultados de las pruebas de calorimetría DSC mostraron un comportamiento no
esperado en la temperatura de fusión, pero esto confirma que son más confiables los
resultados de las pruebas de difracción de rayos X que el DSC cuando se estudia la
cristalinidad de este tipo de muestras.
Los resultados de las pruebas de adsorción mostraron un comportamiento estadístico
similar para los dos materiales en el tiempo y aunque la arcilla tiene propiedades de barrera
cuando está exfoliada en la matriz del almidón seco/glicerol, también puede permitir un
mayor contacto de la estructura interna con el material debido a su carácter hidrófilo.
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