Uso de compatibilizante para la mejora en la dispersión de nanopartículas de celulosa en películas compuestas con polivinil alcohol.

Abstract

El polivinil alcohol (PVA) es un polímero biodegradable cristalino, hidrofílico, no tóxico y con capacidad de formar películas, por lo que tiene potencial como alternativa para el desarrollo de empaques ecológicos con aplicaciones en la industria de alimentos. Un desafío para ello es mejorar el desempeño mecánico de las películas. Una alternativa para abordar este desafío es usar nanofibras de celulosa (NFC), las que además complementan el carácter no tóxico y biodegradable del PVA. Sin embargo, la adición de NFC presenta problemas de dispersión en la matriz polimérica, debido a poca compatibilidad entre las fases de ambos materiales, impidiendo incorporar cantidades adecuadas de celulosa y, por lo tanto, limitando el potencial de refuerzo. Con el objetivo de abordar este problema se evaluó el efecto de la adición de poliacrilato de sodio, un agente dispersante iónico, sobre el grado de aceptación de carga de NFC de diferentes tamaños, y las características del material compuesto resultante. Para modificar el tamaño, se varió el número de pasadas a través de un homogeneizador, estableciendo dos configuraciones: 7 y 15 pasadas. Con base a análisis reológicos y de carga (potencial zeta) de diversas combinaciones de PVA, NFC y poliacrilato de sodio, se definieron composiciones adecuadas para su posterior evaluación en la formación de films. Los films producidos fueron caracterizados física y mecánicamente, y se evaluó su desempeño de resistencia al agua. Los resultados mostraron que el poliacrilato de sodio mejoró la dispersión de las NFC, disminuyendo la viscosidad aparente de 253,5 cP a 203,2 cP para NFC de 7 pasadas y de 325,8 cP a 216,2 cP para NFC de 15 pasadas, mientras que el potencial zeta disminuyó a menos de -120 mV. Se observaron mejoras en el aspecto visual de los films, también en el incremento del porcentaje de elongación a la rotura en un 46% y ángulo de contacto mejoró de 36° a valores por sobre los 70°. Sin embargo, disminuyó el módulo de Young y resistencia a la tracción los que sufrieron disminuciones del 50% con respecto al PVA puro.

Polyvinyl alcohol (PVA) is a crystalline, hydrophilic, non-toxic biodegradable polymer with film-forming capabilities, making it a potential alternative for eco-friendly packaging development with applications in the food industry. A challenge lies in enhancing the mechanical performance of these films. One solution to address this challenge involves the use of cellulose nanofibers (NFC), which also complement the non-toxic and biodegradable nature of PVA. However, the incorporation of NFC presents dispersion issues within the polymer matrix due to poor compatibility between the phases of both materials, hindering the proper integration of cellulose and thus limiting the reinforcement potential. To tackle this issue, the effect of adding sodium polyacrylate, an ionic dispersing agent, was assessed to enhance the acceptance of NFC loads of varying sizes, along with the resultant composite material characteristics. To manipulate the size, the number of passes through a homogenizer was adjusted, establishing two configurations: 7 and 15 passes. Based on rheological and charge (zeta potential) analyses of various combinations of PVA, NFC, and sodium polyacrylate, suitable compositions were defined for subsequent film formation. The produced films were physically and mechanically characterized, and their water resistance performance was evaluated. The results revealed that sodium polyacrylate improved the dispersion of NFC, reducing apparent viscosity from 253.5 cP to 203.2 cP for 7-pass NFC and from 325.8 cP to 216.2 cP for 15-pass NFC, while the zeta potential decreased to below -120 mV. Enhancements were observed in the visual appearance of the films, as well as in a 46% increase in elongation at break and an improvement in contact angle from 36° to values above 70°. However, the Young's modulus and tensile strength decreased by 50% compared to pure PVA.