La creciente concientización en cuestiones medioambientales y de gestión de residuos, la disminución de los recursos fósiles y el aumento de los precios del petróleo son algunas de las razones por las que los agentes espumantes se promueven cada vez más para la fabricación de materiales más ligeros o de menor densidad.
Las espumas poliméricas han desempeñado un papel importante en la vida cotidiana. Debido a sus características especiales, se han convertido en un producto atractivo para muchas aplicaciones industriales y domésticas. Los atributos más importantes de las espumas poliméricas son su peso ligero y su buena propiedad de aislamiento térmico. Otras ventajas son una resistencia relativamente alta por unidad de peso, facilidad de moldeo, resistencia al impacto y una constante dieléctrica más baja en comparación con los polímeros sólidos.
Las espumas poliméricas son mezclas de polímero y gas que dan como resultado una estructura celular porosa. Las etapas para generar una espuma son tres: formación de burbujas, crecimiento de burbujas y estabilización de burbujas. Las propiedades de la espuma de un producto están controladas por su sistema tensoactivo y la presencia de componentes antiespumantes. De aquí, que uno de los principales componentes en la formulación de una espuma es el agente espumante, que es un tensoactivo que estabiliza las burbujas de la espuma contra la coalescencia. Los agentes espumantes utilizados en la producción de espumas son tanto de acción química como física, Tabla 1. La selección de un agente espumante se realiza en función de qué tipo de espuma se quiere obtener (de alta, media o baja densidad), lo cual está directamente relacionado a la aplicación.
Figura 1. (Izquierda) Material espumado de polietileno con polvo de fibra de agave. (Derecha) Frascos de polietileno reforzado con polvo de agave elaborado en CIQA.
La azodicarbonamida es uno de los agentes espumantes químicos más utilizado. Sin embargo, en el 2005 se prohibió su uso en la Unión Europea porque se transforma en semicarbazida (agente cancerígeno) debido a la temperatura de procesamiento del producto. Esto denotó la necesidad de buscar agentes espumantes no tóxicos de origen natural. Actualmente, en la industria de los plásticos la escasez de agentes espumantes de fuentes naturales prevalece, siendo pocos los ejemplos (queratina-albúmina, urea y café molido usado) reportados en la literatura. En el 2021, Nisha y colaboradores reportaron, en la revista Food Hydrocolloids, que el café molido usado puede ser aprovechado como fuente natural de agentes espumantes y ser una alternativa eficaz a los tensioactivos sintéticos utilizados en la actualidad en los alimentos. También demostraron la actividad antiespumante del aceite de café contenido en los residuos molidos usados. Esto es relevante ya que aún no se dispone de investigaciones exhaustivas sobre la naturaleza de los tensioactivo del café o la actividad antiespumante del aceite de café.
Por otro lado, recientemente científicos del Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA) y del Laboratorio Nacional en Innovación y Desarrollo de Materiales Ligeros para la Industria Automotriz (LANIAUTO-CIQA), en Saltillo Coahuila-México, han desarrollado materiales ligeros a partir de polímeros y residuos agrícolas (de la industria del agave), con el propósito de generar nuevos materiales para ser aplicados en la reducción de peso de algunas autopartes plásticas y de esta manera contribuir a incrementar la eficiencia en el consumo de combustible y reducir la emisión de gases de efecto invernadero. Además de la sustentabilidad de estos materiales, tienen como ventaja su bajo costo y un fácil procesamiento (en continuo), y reciclabilidad de los materiales.
Durante las pruebas de prototipado de botes a partir de polietileno con polvo de fibra de agave mediante el proceso de soplado, los investigadores del CIQA observaron que en las primeras pruebas las piezas presentaban una falla por donde el aire se escapaba y cuando se analizó la superficie de la falla se observó en todas las muestras la presencia de una morfología celular característica de los materiales espumados. Al estudiar las razones de este fenómeno, se encontró que al momento de procesar el material bajo ciertas condiciones se promueve la descomposición térmica de algunos componentes de la fibra de agave, los cuales generan un gas que queda atrapado en el material, produciendo así un material espumado. También parte del aire utilizado para soplar el bote se difunde al interior del material produciendo esta espuma.
En cuanto al desempeño de las propiedades mecánicas de estos materiales ligeros sustentables se ha observado buena resistencia al impacto (incremento del 25%), también alto módulo de Young (incremento del 30%), buena estabilidad térmica, además de la estabilización a nivel de proceso. En la evaluación de la propiedad termooxidativa (como parte de la estabilidad térmica), los datos indican que se incrementa el tiempo de oxidación del polímero en proceso, de cinco a diez minutos.
En el área de conocimiento de espumas poliméricas hay una enorme necesidad de innovar en agentes espumantes naturales que permitan sustituir los sintéticos que se utilizan actualmente, sobretodo, en las industrias de los plásticos y alimentaria. Los residuos agrícolas prometen alternativas eficaces. Sin embargo, este campo es completamente virgen y falta realizar investigaciones exhaustivas para entender la composición de los tensioactivos de origen natural, así como la actividad antiespumante de los mismos. Otro aspecto a destacar es que son escasos los ejemplos de espumas poliméricas reforzadas con fibras naturales nanocelulares reportadas en la literatura, la mayoría son macrocelulares.
Por lo cual, el CIQA y LANIAUTO están trabajando en el desarrollo de esta línea de investigación que se espera en el mediano plazo tener soluciones completas de algunos materiales plásticos más ligeros y con una buena combinación de propiedades fisicoquímicas que sean de interés para las diversas aplicaciones que demandan los diversos sectores.
Zureima García Hernández *
zureima.garcia@ciqa.edu.mx
Ernesto Hernández Hernández *
ernesto.hernandez@ciqa.edu.mx
José Francisco Hernández Gámez
Centro de Investigación en Química Aplicada