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(Noticias de Nanowerk) El equipo de Química de Bioproductos de la Universidad Aalto ha desarrollado un método sostenible para producir películas de celulosa fuertes y flexibles que retienen su fuerza increíblemente incluso cuando están mojadas (Materiales avanzados«Nanopartículas de lignina como moduladores interfaciales en nanocompuestos de celulosa-policaprolactona resistentes y multirresistentes basados en una estrategia de emulsión de Pickering»).
El material está hecho a través de una combinación innovadora de polímeros a base de madera y biodegradables sin modificación química, utilizando el máximo beneficio de cada componente. Para los coautores de este estudio, la sustentabilidad es un motivador importante para comprender la química de cómo estos materiales podrían funcionar juntos y diseñar los materiales del mañana con la funcionalidad que esperamos hoy.
Los materiales celulósicos derivados de las paredes de las células vegetales se han convertido en un reemplazo atractivo y sostenible de los plásticos tradicionales. Sin embargo, la sensibilidad a la humedad de la celulosa y su incompatibilidad con muchos polímeros hidrofóbicos blandos plantean desafíos para su aplicación generalizada.
Desde el punto de vista del diseño de materiales, es desconcertante aprovechar simultáneamente la celulosa hidrófila y los polímeros hidrófobos sin tratar químicamente las materias primas. Pero, ¿y si pudiéramos diseñar su interfaz con un tercer componente que tenga interacciones favorables tanto con la celulosa como con polímeros blandos como la policaprolactona (PCL)?
Para lograr este objetivo, el equipo demostró que las nanopartículas de lignina, con su morfología y superficies activas bien definidas, pueden interactuar tanto con la celulosa, en este caso las nanofibrillas de celulosa, como con la PCL, y actúan como compatibilizadores entre la celulosa hidrófila y la PCL hidrófoba. Aunque parezca complicado, la solución es sencilla.
Primero, PCL disuelto en un solvente orgánico se mezcla con las nanopartículas de lignina en agua. Las partículas de lignina se acumulan en la interfase aceite-agua y estabilizan la emulsión. Las emulsiones estabilizadas con partículas sólidas se denominan emulsiones de Pickering. Luego, esta emulsión se mezcla con una suspensión acuosa de CNF antes de la formación de la película.
Esta estrategia de emulsión de Pickering crea una distribución uniforme de un polímero dentro de la red celulósica, lo que aumenta la resistencia en húmedo y la resistencia al agua del material compuesto mientras conserva las propiedades beneficiosas de las fibras o fibrillas celulósicas. Los resultados son excelentes: el compuesto desarrollado tiene mayor resistencia que el nanopapel CNF puro o el polímero puro tanto en condiciones secas como húmedas, incluso después de estar completamente sumergido en agua durante un día.
«Cuando se sacó la película del agua, se veía igual que cuando se puso en el agua», dice Kimiaei. La razón de esto es que el polímero hidrofóbico, con la ayuda de las nanopartículas de lignina, ahora cubre la superficie de la celulosa y la protege del agua.
El compuesto demostró una resistencia en húmedo de hasta 87 MPa, la mayor resistencia en húmedo para los compuestos celulósicos desarrollados sin modificaciones de superficie covalentes directas ni aditivos sintéticos. Además, esta estrategia agregó funciones adicionales como protección UV y propiedades antioxidantes a los compuestos desarrollados, haciéndolos interesantes para aplicaciones de empaque.
El equipo de la Universidad Aalto de Finlandia, un país que podría decirse que cuenta con los principales expertos forestales del mundo, se centra en aprovechar al máximo estos recursos naturales e industriales. «Construir el futuro con bosques requiere un compromiso con la gestión forestal sostenible y la creación de valor adicional más allá de las típicas industrias de biorrefinería y pulpa y papel», dice el coautor Erfan Kimiaei, estudiante de doctorado en la Facultad de Ingeniería Química de la Universidad Aalto. «Comprender la química interfacial de los componentes de la madera puede ser clave para aprovechar al máximo este valioso recurso para construir un futuro sostenible», agrega la profesora Monika Österberg.
Para los expertos en la materia, este enfoque abre nuevas posibilidades para eliminar la necesidad de modificar químicamente la celulosa para impartir nuevas funcionalidades y promover el uso sostenible de los recursos forestales naturales. Además, esta investigación proporciona una base genérica para combinar celulosa hidrofílica con varios polímeros blandos hidrofóbicos para diseñar compuestos celulósicos multifuncionales utilizando solo polímeros biodegradables y materiales lignocelulósicos, dando un gran paso hacia el uso totalmente sostenible de los recursos naturales.
Como seguimiento, los investigadores ahora están investigando un marco amplio para identificar la sostenibilidad de esta tecnología en etapa inicial desde una perspectiva ambiental y económica mediante la integración de evaluaciones tecnoeconómicas y de ciclo de vida.
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