Obtención y caracterización de compósitos de nanofibras de celulosa y quitosano por formación nebulizada de películas.

Abstract

Uno de los desafíos actuales es reducir la producción y desecho de plásticos de origen fósil en la industria de empaques alimenticios. Se han estudiado diversas alternativas, entre ellas el uso de nanofibras de celulosa (NFC) y quitosano (CS). Si bien se han realizado diversas investigaciones relativas a cada material y el uso de NFC como refuerzo de CS, su mezcla con un enfoque más amplio ha recibido menos atención. Además, no se han realizado estudios exhaustivos sobre la interacción electrostática entre NFC y CS. Es por esto que el objetivo general de esta investigación fue desarrollar y caracterizar películas, obtenidas a partir de mezclas de NFC con la adición de quitosano. Se prepararon dos baterías de películas. La primera, fue obtenida variando la composición de NFC y CS. La segunda, fue preparada manteniendo constante la composición, y modificando el grado de protonación (α), por medio del ajuste del pH de las dispersiones. Respecto a la composición NFC/CS, se encontró que el aumento de CS disminuyó el módulo de Young, el límite elástico, y aumentó la permeabilidad al aire de las películas obtenidas. La modificación del grado de protonación del quitosano en películas, con mezcla de NFC y CS, pudo ser comprobado por variaciones en espectros FTIR y Raman. Un mayor grado de protonación aumentó significativamente el módulo de Young y límite elástico de películas. Esto fue atribuido al aumento en las interacciones electrostáticas entre NFC y CS, que ayudaron a reforzar la matriz de nanofibras. Las mediciones de ángulo de contacto revelaron que el aumento del porcentaje de CS en la mezcla NFC/CS ayuda a obtener mayores ángulos de contacto. Películas con 100%NFC resultaron hidrofílicas (43.5°), mientras que las 100%CS fueron hidrofóbicas (104.2°). Sin embargo, al aumentar el grado de protonación, fue posible obtener películas hidrofóbicas con mayor contenido de NFC. La combinación de NFC y CS, junto con la modificación de la protonación de CS, demostró potencial para obtener materiales compuestos como alternativas sostenibles para la industria de empaques de alimentos. Estos resultados sugieren que la modificación del pH puede ser una forma fácil y escalable de producir materiales más amigables con el medio ambiente.

One of the current challenges is to reduce the production and disposal of fossil-based plastics in the food packaging industry. In the search for a more sustainable industry, various alternatives have been studied, including nanofibrillated cellulose from plant biomass and chitosan. While individual contributions related to each material and the use of NFC as reinforcement for CS have been made, the broader mix of NFC and CS has received less attention. Additionally, comprehensive studies on the electrostatic interaction between NFC and CS are still lacking. Thus, the general objective of this research was to develop and characterize a sustainable material from NFC/CS mixtures with characteristics suitable for food packaging applications. For this, two sets of films were prepared. The first set varied the NFC/CS composition. The second set maintained a constant composition and varied the chitosan protonation degree, by adjusting the pH of the dispersions. Regarding the NFC/CS composition, it was found that increasing CS content reduced the Young's modulus, elastic limit, and increased air permeability of the films. The modification of chitosan protonation degree in films with NFC-CS mixture was confirmed by changes in FTIR and Raman spectra. A higher protonation degree significantly increased the Young's modulus and elastic limit of the films. This was attributed to the increase in electrostatic interactions between NFC and CS, reinforcing the nanofiber matrix. Contact angle measurements revealed that increasing CS percentage in the NFC-CS mixture resulted in higher contact angles. Films with 100% NFC were hydrophilic (43.5°), while those with 100% CS were hydrophobic (104.2°). However, by increasing the protonation degree, it was possible to obtain hydrophobic films with higher NFC content. The combination of NFC and CS, along with chitosan protonation modification, showed potential for producing composite materials as sustainable alternatives for the food packaging industry. These results suggest that pH modification can be a simple and scalable way to produce more environmentally friendly materials.