Los investigadores coreanos utilizan residuos de cáñamo para fortalecer películas biodegradables de TPS/PBAT mientras mejoran el rendimiento como barrera contra la humedad y el oxígeno.
Investigadores en Corea del Sur han desarrollado una nueva forma de usar los residuos industriales del cáñamo como material de refuerzo para películas plásticas biodegradables, mejorando la resistencia mecánica y también el rendimiento como barrera contra la humedad y el oxígeno.
El equipo de investigación del Instituto Coreano de Tecnología Química (KRICT) extrajo celulosa del hurd de cáñamo, el núcleo leñoso interior de los tallos de cáñamo industrial, y la convirtió en celulosa microfibrilada para usarla como relleno de base biológica.
El enfoque podría proporcionar un nuevo uso para un gran residuo agrícola mientras mejora el rendimiento de materiales de embalaje biodegradables basados en almidón termoplástico y PBAT.
El hurd de cáñamo representa una corriente de biomasa en gran parte subutilizadaLos tallos de cáñamo industrial contienen una capa externa de fibra que puede usarse para textiles y otras aplicaciones, mientras que el núcleo leñoso interior, conocido como hurd de cáñamo, tradicionalmente ha tenido menos usos de alto valor.
El hurd puede representar aproximadamente el 70% del peso del tallo, lo que lo convierte en una fuente potencialmente significativa de celulosa.
En lugar de usar pulpa comercial de madera o algodón como material inicial para el refuerzo, los investigadores del KRICT están usando este residuo agrícola para producir celulosa microfibrilada.
El refuerzo con celulosa mejora las películas biodegradablesLos investigadores incorporaron la celulosa derivada del cáñamo en películas hechas de almidón termoplástico y poli(butileno adipato-co-tereftalato), o PBAT.
Estos polímeros biodegradables ya están siendo investigados para aplicaciones en embalaje y películas agrícolas, pero su resistencia mecánica y resistencia a la humedad pueden limitar su uso práctico.
Agregar microfibrillas de celulosa crea una red de refuerzo dentro de la matriz polimérica, permitiendo que el estrés mecánico se distribuya de manera más efectiva a través de la película.
Nuevo proceso de secado previene la agregación de fibrasUn desafío técnico importante es que las microfibrillas de celulosa tienden a colapsar y formar agregados fuertes cuando se secan.
Este fenómeno, conocido como hornificación, puede destruir la estructura fibrilar fina necesaria para un refuerzo efectivo.
El secado por congelación y el secado por pulverización pueden reducir la agregación, pero estos métodos requieren energía adicional y equipo especializado, lo que los hace menos atractivos para la producción a gran escala.
El equipo del KRICT desarrolló en cambio un proceso basado en controlar el contenido de humedad de la celulosa durante el molido y secado, combinado con un tratamiento superficial usando dímero de ceteno alquilo.
El secado convencional en horno se vuelve posibleLos investigadores identificaron el punto de saturación de fibra de la celulosa derivada del cáñamo y mantuvieron suficiente humedad durante el procesamiento para evitar un exceso de enlaces de hidrógeno entre microfibrillas vecinas.
Luego usaron AKD para introducir cadenas alquilo hidrofóbicas en la superficie de la celulosa, creando una separación estérica adicional entre las fibrillas.
Esta combinación permitió preservar la estructura fina durante el secado convencional en horno en lugar de requerir el secado por congelación, que consume mucha energía.
La resistencia a la tracción aumenta un 26.2%La mejora en el rendimiento fue significativa cuando la celulosa procesada se incorporó en un 10% en peso en la película TPS/PBAT.
La celulosa preparada usando secado convencional aumentó la resistencia a la tracción solo en un 1.5%, mientras que la celulosa producida mediante el nuevo proceso de control de humedad y tratamiento superficial aumentó la resistencia a la tracción en un 26.2%.
El resultado demuestra la importancia de preservar la estructura microfibrilar en lugar de simplemente añadir fibras agrícolas sin tratar a un polímero biodegradable.
También mejora el rendimiento como barreraLa película reforzada mostró mejoras más allá de la resistencia mecánica.
La transmisión de vapor de agua se redujo aproximadamente un 17%, mientras que la transmisión de oxígeno disminuyó alrededor de un 9% en comparación con el material sin refuerzo correspondiente.
Estas mejoras son particularmente relevantes para el embalaje porque las barreras contra la humedad y el oxígeno influyen en la estabilidad del producto y la vida útil.
Los residuos agrícolas se convierten en un ingrediente funcional para embalajeEl desarrollo ilustra un enfoque más amplio para la utilización de biomasa en el que los residuos agrícolas se transforman en componentes funcionales en lugar de usarse simplemente para recuperación de energía de bajo valor.
El hurd de cáñamo podría proporcionar una fuente renovable de refuerzo de celulosa mientras reduce simultáneamente la cantidad de residuos agrícolas que requieren disposición o tratamiento alternativo.
El mismo enfoque podría extenderse potencialmente a otros residuos ricos en celulosa, incluyendo tallos de soja y paja de arroz.
La ampliación sigue siendo el próximo desafíoLa investigación aún está en etapa de desarrollo y se requerirá trabajo adicional antes de que el material pueda considerarse para aplicaciones comerciales de embalaje.
Los estudios futuros deberán evaluar el procesamiento a gran escala, la consistencia de las materias primas agrícolas, la idoneidad para contacto con alimentos, el comportamiento de sellado, el rendimiento de vida útil y las condiciones al final de la vida útil.
La economía de la recolección y procesamiento del hurd de cáñamo también determinará si el material puede competir con fuentes establecidas de celulosa y otras tecnologías de refuerzo biodegradables.
El refuerzo derivado de residuos podría expandir el embalaje biodegradableLa investigación del KRICT demuestra cómo mejorar la estructura interna de una película biodegradable puede abordar algunas de las limitaciones de rendimiento que han restringido una adopción más amplia.
Combinar polímeros biodegradables con celulosa derivada de residuos agrícolas podría proporcionar una ruta hacia películas que usan recursos renovables mientras ofrecen un rendimiento mecánico y de barrera más fuerte.
El siguiente paso será determinar si las mejoras a escala de laboratorio pueden traducirse en producción industrial confiable y formatos de
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