¿Puede el Poliuretano de origen natural convertirse en una alternativa para la Industria del Plástico actual? En este artículo, Ana Mangas Roca, investigadora de Mecanoquímica y Extrusión Reactiva, y Juliette Thomazo-Jégou, investigadora de Síntesis, en AIMPLAS, Instituto Tecnológico del Plástico, exploran las posibilidades de este polímero.
Hoy por hoy, la demanda de materiales derivados del petróleo está en auge, a pesar de las variaciones en el precio y en la disponibilidad de recursos de origen fósil, como es el caso de los materiales plásticos. Su demanda ha aumentado de manera destacada a nivel mundial, lo que multiplicó por veinte su producción desde los años 60. Además, en las próximas dos décadas, se espera un incremento todavía mayor [1].
No obstante, la escasez de estos recursos, junto con los efectos medioambientales como el calentamiento global y la contaminación, amenazan el futuro de la Industria del Plásticos
El contexto actual y la concienciación de la sociedad en materia ecológica ha propiciado una evolución en este sector. De hecho, existe una nueva cultura de sostenibilidad basada en la «bioeconomía», un concepto que se define como el uso de recursos naturales renovables y la conversión de sus residuos para generar productos de alto valor añadido (bioenergía, biomateriales, alimentos, entre otros).
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Esta cultura, aplicada en la Industria del Plástico, fomenta la innovación con el objetivo de producir materiales mucho más sostenibles, y de origen natural, como los biopolímeros. Ejemplo de ello es el desarrollo de Poliuretanos termoestables y termoplásticos de origen natural, los cuales se emplean en infinidad de sectores.
Los Poliuretanos de origen natural pueden sintetizarse de distintos modos: mediante síntesis química convencional o síntesis sin disolventes, y también empleando reactivos derivados de la biomasa.
Los Poliuretanos termoestables se obtienen mediante el entrecruzamiento de dos prepolímeros, normalmente un poliéster, o poliol poliéter, e isocianatos, a través de catálisis básica o ácida. Estos materiales destacan por su gran versatilidad.
Pueden obtenerse compacta o expandida, flexible o rígida, y con múltiples formas, pudiendo adaptarse a las necesidades de cada mercado. Por esta razón, la investigación en el desarrollo de Poliuretano de origen natural está en auge, puesto que estos son capaces de reducir los problemas ecológicos asociados a estos materiales, como su reciclado.
De origen sustentable
AIMPLAS participa en el proyecto DICKENS, en el que colabora junto con la empresa Tecno Caucho Rolls & Covers en la investigación de sustitutos verdes alternativos a aquellos de origen fósil, con el fin de producir Poliuretano de origen natural.
Para la producción de estos Poliuretanos de origen natural, por una parte, existe la opción de reemplazar parcialmente los isocianatos, como el diisocianato de difenilmetano o el diisocianato de tolueno por su alternativa comercial de origen natural.
Por otro lado, está la estrategia de obtener Poliuretano de origen natural a partir de productos de biomasa, como la lignina o aceites vegetales. Uno de los objetivos del proyecto es sustituir los polioles de origen fósil por polioles sintetizados de origen natural.
Para lograrlo, el primer paso fue definir el producto de biomasa que mejor se adaptaba para la formulación de Poliuretanos según su aplicación final. Se optó entonces por los aceites vegetales, debido a la estabilidad en precios y a la disponibilidad de materias primas, que, además, son de bajo costo.
Al mismo tiempo, su estructura química permite hacer multitud de modificaciones químicas, de manera que son versátiles e interesantes para el desarrollo de Poliuretano.
Finalmente, los polioles obtenidos a partir de aceites vegetales sirvieron para sustituir los reactivos de origen fósil en la formulación de Poliuretano termoestable. Jugando con los reactivos de partida usados, fue posible sintetizar, a partir de un solo tipo de aceite, varios polioles de origen natural con distintas propiedades, como son el peso molecular, la viscosidad o el índice de hidroxilo de cada una de estas muestras.
Este panel de polioles permitió que puedan formularse diversos Poliuretanos más o menos rígidos, pero con distintas propiedades mecánicas. Gracias a esto, podrán emplearse en multitud de aplicaciones.
Este proyecto ha demostrado que es posible desarrollar polímeros, en concreto el Poliuretano termoestable, en parte de origen natural, sin prescindir de las propiedades mecánicas que requieren los materiales termoestables y sin aumentar demasiado el precio de este tipo de producciones.
Conclusiones
La sostenibilidad del Poliuretano, en cuanto a composición química y tecnología de producción se refiere, es un aspecto importante en la industria de los polímeros, la cual se rige por estrategias de economía circular.
Por esta razón, se desarrollan nuevas tecnologías para hacer de él un proceso más sostenible teniendo en cuenta aspectos como los disolventes que se usan, el origen de los materiales, el consumo de energía y el impacto medioambiental, entre otros.
En este punto, entra en juego la extrusión reactiva o REX, considerada como un proceso muy potente e innovador en la polimerización. Dicha tecnología emplea una extrusora como reactor químico continuo en la que se puede realizar desde la síntesis o modificación de polímeros hasta su degradación o reciclado; todo ello en una sola etapa.
En la extrusión reactiva, las materias primas se introducen de forma continua en la extrusora y se someten a cizalla a media o alta temperatura. A diferencia de otras técnicas, este sistema trabaja en ausencia de disolventes, por lo que se alinea con los 12 principios de la química verde con su respectivo beneficio medioambiental.
En lo que refiere a la síntesis de Poliuretanos, éste se puede obtener a partir de sus principales componentes o a partir de una premezcla de una selección de dioles. El tiempo de residencia oscila entre los dos y los cinco minutos, así que se trata de una reacción rápida y efectiva, que puede llevarse a cabo de manera continua en escala planta piloto e industrial.
Se han notificado casos de éxito en los que la síntesis libre de disolventes puede llevarse a cabo con materiales de origen natural incluso a temperatura ambiente. Algunos ejemplos son el uso de polioles derivados de aceites naturales, los cuales tienen grupos funcionales reactivos, como los dioles o los diisocianatos, pero también a partir de dioles furanos, como el 2,5-bis(hidroximetil)furano, el Hidroximetilfurfural derivado de la celulosa y el furfural.
Asimismo, se pueden usarse dioles y diaminas de azúcar C5 y C6 para producir copolímeros y formar Poliuretano a partir de furano.
El desarrollo de Poliuretano de origen natural no es muy popular en la actualidad, puesto que existen varios factores que limitan su producción, como el acceso a las materias primas, la competencia con la industria fósil, las barreras legislativas y sociales, la financiación e inversión y la investigación y desarrollo (I+D) [2]. Sin embargo, algunos estudios recientes indican que existe una oportunidad técnica y económica real para producir estos polímeros usando biomasa.
Esta solución, que se presenta como una alternativa a los recursos derivados del petróleo, podría sintetizarse con un peso molecular mayor y propiedades físicas controladas mediante reacciones más sostenibles y sin disolventes, y podría escalarse a producciones industriales, contribuyendo así al impacto positivo en el medioambiente tan necesario hoy en día.
Referencias:
[1] A Sustainable Bioeconomy for Europe: Strengthening the Connection between Economy, Society and the Environment.
[2] Source: RoadToBio-European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under grant agreement No 745623.
