Almidón modificado &Plásticos a base de almidón

Propiedades

El almidón es uno de los biopolímeros más abundantes. Es completamente biodegradable, barato, renovable y puede ser fácilmente modificado químicamente. Por lo tanto, no es de extrañar que el almidón y sus derivados hayan recibido una mayor atención como alternativas biodegradables a los plásticos convencionales basados en el petróleo. El almidón de maíz, patata, tapioca y trigo son los almidones más abundantes y baratos.

Al igual que la celulosa, el almidón puede considerarse un polímero de condensación porque su hidrólisis produce moléculas de glucosa:

La estructura cíclica de las moléculas de almidón junto con el fuerte enlace de hidrógeno da al almidón una estructura rígida y da lugar a regiones cristalinas altamente ordenadas. Esto explica por qué el almidón tiene una temperatura de transición vítrea y un punto de fusión elevados y por qué el almidón no modificado sólo es soluble en agua caliente. Los gránulos primero se hinchan y pierden su estructura semicristalina y luego estallan. Las moléculas de amilosa y amilopectina liberadas se disuelven gradualmente y forman una red que retiene el agua. Este proceso se conoce como gelatinización del almidón y es la razón por la que durante la cocción el almidón se convierte en una pasta de alta viscosidad.

Para aplicaciones industriales y para algunas aplicaciones alimentarias, el almidón se modifica a veces químicamente. Esto incluye la esterificación, la eterificación y la oxidación. Estas modificaciones químicas se llevan a cabo mediante la adición de reactivos adecuados a lechadas acuosas de almidón mientras se controla el pH y la temperatura. A menudo se añade sulfato de sodio o cloruro de sodio para restringir el hinchamiento de los gránulos de almidón. Una vez finalizada la reacción, la papilla se neutraliza con ácido clorhídrico o sulfúrico y, a continuación, se filtra, se lava y se seca. El grado de sustitución del almidón comercial suele ser bastante bajo, pero cambia mucho sus propiedades. Dependiendo de los reactivos, las reacciones dan lugar a almidones no iónicos, catiónicos, aniónicos o hidrofóbicos que tienen propiedades notablemente diferentes. Por ejemplo, el tipo y el grado de sustitución modifican la temperatura de gelatinización y las propiedades viscoelásticas y mecánicas del almidón. También afecta a la estabilidad de los gránulos de almidón disueltos o dispersos al controlar o bloquear las asociaciones de las moléculas de amilosa y amilopectina. Ciertas modificaciones también mejoran la estabilidad a la congelación-descongelación, que es importante para los productos alimenticios congelados.

Esteres y éteres del almidón

Los dos derivados del almidón más comunes son el acetato de almidón preparado por esterificación con anhídrido acético y el hidroxipropil almidón preparado por eterificación con óxido de propileno. La esterificación suele llevarse a cabo a un pH de 7 a 9 y la eterificación a un pH de 11 a 12, y la temperatura suele mantenerse por debajo de los 60°C. Estas modificaciones químicas mejoran la estabilidad, disminuyen la viscosidad de la suspensión/solución y mejoran las propiedades de formación de películas del almidón debido a una mayor hidrofobicidad.

Dextrina y almidón adelgazado

El almidón a veces se despolimeriza parcialmente, lo que disminuye su viscosidad de solución. Esta forma de almidón suele denominarse almidón diluido. La despolimerización puede lograrse mediante un tratamiento ácido u oxidante, por ejemplo, tratando una suspensión de almidón granular con ácido acético, clorhídrico o sulfúrico diluido a 40 – 60°C. Las dextrinas tienen un peso molecular aún más bajo. Se producen exponiendo el almidón seco acidificado al calor seco.

Poliglucosa (Poliglucósidos)

La alquilpoliglucosa (también llamada alquilpoliglucósidos) como la laurilpoliglucosa se derivan de la glucosa o el almidón y los alcoholes grasos. A menudo se utilizan como co-tensioactivos no iónicos totalmente biodegradables en cosméticos (sin sulfatos), lavados corporales y champús.

Almidones catiónicos

El almidón de amonio cuaternario es el almidón catiónico comercial más común. Se prepara tratando el almidón con cloruro de 3-cloro-2-hidroxipropiltrimetilamonio o derivados del mismo en condiciones alcalinas y a temperatura ambiente o ligeramente elevada. Los almidones catiónicos se utilizan ampliamente como aditivos para el papel, estabilizadores de emulsiones, agentes de floculación, agentes espesantes y agentes de encolado. Una de las aplicaciones más importantes es la producción de papel y cartón. Se sabe que los almidones catiónicos mejoran la resistencia al desgarro, ayudan a unir las partículas entre sí y en el material base del papel, y aumentan la retención de fibras y cargas

Almidón aniónico / oxidado

Los almidones aniónicos comercialmente importantes incluyen el almidón fosforilado, oxidado y carboxialquilado. La forma más común de almidón aniónico es el almidón fosforilado. Se prepara tratando el almidón con tripolifosfato de sodio. Cabe destacar también el almidón carboximetilado, que se prepara tratando el almidón con monocloroacetato de sodio, y el copolímero de injerto de poli(ácido acrílico)-almidón.

El almidón oxidado o carboxilado puede prepararse tratando una pasta de almidón acuosa o semiseca con peróxido de hidrógeno en condiciones alcalinas y a temperatura ambiente o ligeramente elevada. Este proceso da lugar a un almidón altamente carboxilado o a poli(ácidos hidroxicarboxílicos). En las condiciones adecuadas, también es posible oxidar selectivamente los grupos hidroximetilos a grupos carboxilos (almidón aniónico). El almidón oxidado tiene una biodegradabilidad mejorada, es decir, se degrada mucho más rápido que el almidón convencional.
Los almidones aniónicos se utilizan a menudo como modificadores reológicos, agentes espesantes, floculantes y estabilizadores de emulsiones, agentes de encolado, aglutinantes de papel y agentes de recubrimiento, especialmente para productos alimentarios.

Plásticos de almidón (almidón termoplástico)

El almidón y sus mezclas con biopolímeros alifáticos y derivados de la celulosa se consideran los candidatos más prometedores para desarrollar plásticos sostenibles. El almidón es completamente biodegradable, abundante, barato y se regenera a partir de dióxido de carbono y agua mediante la fotosíntesis en las plantas. Sin embargo, los plásticos basados en el almidón sin modificar tienen malas propiedades físicas. Por ejemplo, son hidrofílicos y se disuelven fácilmente en el agua, tienen propiedades mecánicas bastante pobres cuando están húmedos y son frágiles cuando están secos. Además, tienen una fuerte tendencia a recristalizar y encogen notablemente al secarse.

Se han llevado a cabo numerosos estudios para preparar películas, compuestos y colas a base de almidón con propiedades mejoradas y para una amplia variedad de aplicaciones que incluyen las industrias de la automoción, la construcción, el envasado, la marina, la electrónica y la aeroespacial.

La fragilidad del almidón puede disminuirse mezclándolo con diversos plastificantes naturales como el glicerol, el glicol y el sorbitol y mediante la esterificación o la eterificación. Desgraciadamente, estas mezclas y modificaciones tienen una pobre estabilidad dimensional y térmica y una baja resistencia mecánica. Las propiedades mecánicas pueden mejorarse en gran medida mediante el injerto de monómeros multifuncionales en la columna vertebral del polímero y la posterior reticulación. Los agentes de injerto y reticulación típicos son el cloruro de fósforo, los anhídridos ácidos, los metacrilatos, los epóxidos, la epiclorhidrina, el glioxal y el acrilonitrilo, entre otros muchos compuestos. Estas modificaciones químicas hacen que el almidón sea insoluble en agua y mejoran su rigidez y resistencia a la tracción. Sin embargo, la mayoría de estos procesos no son respetuosos con el medio ambiente. Una reacción de reticulación respetuosa con el medio ambiente es la esterificación del almidón con ácidos naturales o de origen biológico, como el ácido cítrico, succínico o itacónico, que reaccionan con múltiples grupos hidroxilos a temperatura elevada, por lo que la esterificación tiene lugar durante la fase de secado de la mezcla (película). Las mezclas suelen contener glicerol u otros polioles que también reaccionan con los diácidos, es decir, el poliol actúa como extensor de la cadena y como plastificante.

Otro enfoque para superar la baja resiliencia, la alta sensibilidad a la humedad y la alta contracción del almidón (termoplástico) es la mezcla con poliésteres naturales y sintéticos como el ácido poliláctico, la policaprolactona y el polihidroxibutirato. Para mejorar la compatibilidad de las mezclas de almidón y poliéster, a menudo se añaden compatibilizadores adecuados, como el PVA y los polímeros de almidón1 , que también mejoran las propiedades mecánicas. Estos enfoques no comprometen la biodegradabilidad del almidón y muchas de las composiciones son totalmente compostables. Además, mejoran mucho la resistencia al impacto y la estabilidad dimensional. Sin embargo, las mezclas de poliéster y almidón son menos resistentes que el almidón reticulado.

El almidón granular también se ha utilizado como relleno para mejorar la biodegradabilidad de plásticos básicos como el polietileno, el polipropileno y el poliestireno. Para mejorar la compatibilidad con las poliolefinas, los gránulos de almidón suelen tratarse en la superficie o modificarse químicamente para producir un almidón hidrofóbico.

El almidón es totalmente compatible con cualquier compuesto de fuerte enlace de hidrógeno, como el poli(etileno-co-alcohol vinílico) y/o el poli(alcohol vinílico). Estos compuestos también pueden funcionar como compatibilizadores para las mezclas de poliéster y almidón. Las mezclas típicas consisten en almidón, PVA (o copolímero), glicerol y urea. Estas composiciones son totalmente biodegradables y tienen propiedades mecánicas entre las del LDPE y el HDPE.

Otro enfoque utiliza copolímeros de olefinas y monómeros polares como el ácido (met)acrílico, este último actúa como compatibilizador. Se han preparado mezclas termoplásticas de hasta un 50% de almidón y poli(ácido etileno-coacrílico) (EAA). Estos reactivos difuncionales son capaces de reticular el almidón al reaccionar con más de un grupo hidroxilo y, por tanto, reforzar los gránulos.

A menudo, el almidón modificado y no modificado se mezcla con otros polímeros de base biológica para mejorar sus propiedades y/o reducir su coste. Las películas fabricadas con estos plásticos suelen ser transparentes, flexibles y con propiedades físicas buenas o aceptables.

Se prevé que el mercado de los bioplásticos alcance más de 30.000 millones de dólares en 2020.2

Bioplásticos comerciales

Los principales fabricantes de bioplásticos (a base de almidón) son Futerro, Novamont, Biotec, BioBag, PSI, Huhtamaki, Hitachi y NatureWorks.

APLICACIONES

El almidón y sus derivados se utilizan con frecuencia como aditivos en los alimentos, los cosméticos y los productos farmacéuticos, por ejemplo como espesantes, gelificantes y agentes encapsulantes. En la fabricación de papel, el almidón modificado químicamente se utiliza como aditivo para aumentar la resistencia en seco y para aglutinar pigmentos, y en la fabricación de textiles, se utiliza como agente de apresto para reducir el desgaste y la urdimbre durante el tejido.

Los adhesivos a base de almidón se utilizan con frecuencia para unir aglutinantes, papel de pared, sobres, cartón ondulado, bolsas, etiquetas, laminados, puntas de cigarrillos y costuras laterales. A veces se añaden varios derivados del almidón a los fluidos de perforación para controlar la pérdida de fluidos en las operaciones de perforación.

Los bioplásticos se utilizan principalmente para envases como tazas, cuencos, botellas, cubiertos, cartones de huevos y pajitas. Otras aplicaciones son las bolsas desechables y los revestimientos de basura, así como las películas compostables para la agricultura.

1La copolimerización artesanal se utiliza a menudo para modificar las propiedades del almidón. Los poliésteres se unen químicamente al almidón. Estos copolímeros de injerto pueden utilizarse directamente como termoplásticos o como compatibilizadores de otros plásticos basados en el almidón

2K. Laird, Plastics Today, Packaging Materials, 23 de noviembre de 2015

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