Grafeno y Bioplásticos:
Innovación para una Sostenibilidad Mejorada
La concientización sobre el cuidado del medio ambiente y el cumplimiento de los objetivos de la agenda de desarrollo sostenible 2030 de la Organización de las Naciones Unidas (ONU) ha impulsado el crecimiento de la industria del bioplástico, tratando de tomar la delantera dentro de la carrera contra los productos sintéticos que, si bien muchos de ellos son materiales no tóxicos y reciclables, no todos tienen la capacidad de ser biodegradables.
“Actualmente, solo el 1% del plástico total producido es bioplástico”
¿Qué es el bioplástico?
Los bioplásticos son materiales de origen natural y químico, producto de recursos renovables o derivados del petróleo y que en consecuencia tienen las grandes ventajas de ser completamente biodegradables, altamente reciclables y de generar una mínima huella de carbono. Aunado a esto, también tienen buenas propiedades ópticas, mecánicas, antioxidantes y antimicrobianas. No obstante, y como la mayoría de los materiales, los bioplásticos también tienen limitaciones. Las dos más conocidas son: poca resistencia a la tracción y a la humedad.
Pese a estas deficiencias y debido a que lo que se busca es reducir al máximo la huella de carbono y la circulación de polímeros sintéticos o de un solo uso, la industria del bioplástico ha tratado de evolucionar y de superar sus limitaciones gracias a la incorporación de agentes de refuerzo, como cargas, compatibilizantes, plastificantes o incluso, por la aplicación de la nanotecnología mediante el uso de nanopartículas.
Los bioplásticos más conocidos son el ácido poliláctico (PLA), polihidroxibutirato (PHB), derivados de celulosa, el almidón y el quitosano. Pero es el PLA el polímero termoplástico biodegradable, aprobado por la FDA, que en los últimos años ha tomado gran fuerza como alternativa para reemplazar a los polímeros fósiles no biodegradables tradicionalmente utilizados en la industria alimenticia, médica, agrícola, textil y automotriz, ya que es un material con características similares a las de algunos plásticos derivados del petróleo. Tan es así, que en el mercado ya existen numerosos productos fabricados a base de PLA como botellas moldeadas por soplado, tazas, cucharas y tenedores moldeados por inyección, tazas y bandejas termoformadas, recubrimientos de papel, fibras para la industria textil hasta insumos médicos.
“Más de 160 toneladas de PLA para embalaje se producen anualmente; esto corresponde a aproximadamente al 13% de todos los bioplásticos, siendo el segundo más utilizado del sector, después del almidón”
El PLA se produce a partir de ácido láctico a través de la fermentación de recursos renovables, como arroz, trigo, maíz, caña, papa, betabel, etc., y, como es de esperarse por su naturaleza, comparte las mismas limitaciones mecánicas y de barrera que otros biomateriales. Razón por la cual se han desarrollado diversas alternativas para mejorar sus características. Por ejemplo, para mejorar su cristalinidad y biodegradabilidad, el PLA se combina con polímeros como el polietilenglicol, alcohol vinílico de etileno o el poli (adipato de butileno-co-tereftalato); para mantener su compostabilidad se realizan mezclas reactivas con otros biopolímeros a base de almidón, como el maíz, la yuca y betabel y, finalmente, para mejorar la impermeabilidad, la resistencia a la tracción y la estabilidad térmica, el grafeno es el material que ha surgido como una gran promesa.
“Otras nanopartículas que también se utilizan en la industria del bioplástico son la plata, el óxido de magnesio, óxido de zinc, dióxido de titanito, hidroxiapatita, sílice, alúmina, magnetita, óxido de zirconio, carbonato de calcio y, recientemente, el grafeno”
¿Qué es el grafeno?
El grafeno es una nanoestructura que se extrae generalmente del grafito, el cual es un mineral compuesto únicamente por carbono. Pero, a diferencia de él, el grafeno es un material sustancialmente más pequeño, conformado por una o pocas láminas de átomos de carbono fuertemente entrelazados y que se pueden combinar con una gran cantidad de compuestos para mejorar sus propiedades mecánicas, térmicas, eléctricas, de barrera, antimicrobianas, etc.
Los beneficios que el grafeno aporta a biopolímeros como el PLA son diversos, por ejemplo, algunos estudios han integrado bajos porcentajes de grafeno para la fabricación de películas compostables de PLA con almidón termoplástico de yuca para uso alimenticio y agrícola. Sorprendentemente, el uso de tan solo el 0.1% de grafeno ha podido mejorar:
- la resistencia a la elongación en:~ 75%,
- la tenacidad de la película en un ~500%,
- el módulo de elasticidad en 100%
- la impermeabilidad al oxigeno entre el 35 y 50%.
En relación con las mejoras mecánicas, los estudios concluyen que, en los polímeros reforzados con grafeno expuestos a esfuerzos de tensión, las fracturas creadas en la superficie del polímero encuentran una vía de propagación libre o bien, una lámina de grafeno y, dado que el grafeno es un material rígido, la fractura se ve forzada a encontrar una vía alterna que continúa con la propagación de la fractura, hasta romper al material durante la deformación plástica. Con esto se genera un aumento de la energía de deformación, que finalmente se traduce en altos valores de elongación a la rotura.
“Bajas concentraciones de grafeno son suficientes para crear un mecanismo de puenteo de grietas durante los esfuerzos de tensión. Pero altas concentraciones pueden llevar a una aglomeración del nanomaterial y tener un efecto totalmente opuesto”
En lo que respecta al aumento en la impermeabilidad tanto al oxígeno como a la humedad, se debe al trayecto sinuoso que generan las láminas de grafeno dentro del polímero y que dificultan la penetración y el paso de las moléculas. Este fenómeno se relaciona con una buena compatibilidad y dispersión del grafeno dentro del polímero que evite la agregación del material. A este respecto, una manera de mejorar la compatibilidad del grafeno con los polímeros es la modificación química con grupos oxigenados, que da origen a su variante más conocida como Óxido de grafeno (GO) en el cual, la presencia de moléculas de oxígeno e hidrogeno a su vez permite funcionalizaciones adicionales con otras nanopartículas (p.ej., nanocristales de celulosa o de óxido de zinc) o compuestos (p.ej. grupos amina o amida) que modifican su comportamiento de acuerdo con el objetivo deseado.
Por ejemplo, en 2023 la revista Polymer testing publicó un estudio en el que se evaluaron los cambios en las propiedades de barrera del PLA utilizando GO funcionalizado con dos tipos de alquilaminas (decilamina (DA) y octadecilamina (ODA) con la finalidad de mejorar su desempeño en el empaque de alimentos. Los resultados reportaron una importante reducción en la permeabilidad al oxígeno del 30% con el uso de 0.7% del GO funcionalizado y una disminución en la permeabilidad del vapor de agua del 50% al utilizar 0.2% de GO, contribuyendo con esto a aumentar el tiempo en anaquel de los productos. De hecho, se prevé que, si el PLA lograse mejorar de manera importante sus propiedades, podría sustituir a materiales como el poliestireno o el PET, es decir, a los materiales más utilizados en la industria del empaque.
Protección Antimicrobian del Grafeno
Finalmente, y no menos importante, otra de las ventajas que el grafeno ofrece no solo al PLA sino a otros materiales, es su ampliamente documentada capacidad antimicrobiana y que no propiamente resulta de una actividad biocida. Es decir, uno de los mecanismos del grafeno es evitar la adhesión de microorganismos a las superficies mediante diversas vías y sin importar su naturaleza.
Para el caso específico del PLA con grafeno también existe información que la sustenta. En este caso los resultados de los estudios refieren que con el uso de 1% de GO, en películas de PLA no solo se reduce la porosidad de la película y con ello, la permeabilidad al oxígeno, sino que también demuestra una actividad antimicrobiana importante contra Staphylococcus aureus y Escherichia coli, fortaleciendo sus capacidades para el envasado y conservación de alimentos.
Para el desarrollo del presente artículo se tomó como modelo el PLA para ejemplificar las bondades que el grafeno puede ofrecer a la industria del bioplástico. Sin embargo, en la literatura pueden encontrarse otros biomateriales que también son susceptibles de ser mejorados como el quitosano, la celulosa o el almidón.
En general, los estudios demuestran que el grafeno tiene la capacidad de mejorar distintas características de un material, pero para ello es necesario:
- Identificar al grafeno adecuado,
- Su concentración óptima,
- Realizar modificaciones químicas que mejoren su desempeño dependiendo de los componentes y procesos de cada aplicación.
Siendo fundamental lograr un equilibrio favorable entre las propiedades mecánicas, de barrera, ópticas, etc. Aprovechando las características únicas del grafeno, la industria del bioplástico puede avanzar hacia materiales sostenibles y de alto rendimiento con un menor impacto ambiental.
Redacción: EF/DHS
Referencias
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