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Fibra de Celulosa a partir de residuos de piña para empaques biodegradables

La fibra de celulosa es el material de biomasa más avanzado del mundo. Lo más importante es que es biodegradable.

Los problemas ambientales actuales han llevado a la academia y la industria a centrarse en aumentar la investigación y producción de materiales biodegradables naturales. La disponibilidad de biopolímeros, debido a su abundancia y accesibilidad en la naturaleza y su bajo costo, llevó a su uso en diferentes aplicaciones. Un claro ejemplo de biopolímeros con estas ventajas es la celulosa.

La celulosa es el polisacárido natural, renovable y biodegradable más abundante en el mundo. Contiene regiones amorfas en su estructura que son susceptibles al ataque ácido y permiten la formación de nanofibrillas. Estas nanofibrillas muestran una excelente dispersabilidad en agua y son fáciles de obtener, manipular y moldear. Además, las nanofibrillas pueden formar interacciones entre unidades a nanoescala, creando redes permeables conectadas por enlaces de hidrógeno. Esto da como resultado una buena dispersión en la matriz polimérica.

Materiales sostenibles

Las nanofibras de celulosa son materiales sostenibles con alto módulo elástico, resistencia a la tracción, transparencia, resistencia química, relación de aspecto (longitud/diámetro) y área de superficie específica. Además, tienen un bajo coeficiente de expansión térmica y notables propiedades ópticas, reológicas y formadoras de película. Debido a estas propiedades, los nanomateriales de celulosa tienen diferentes aplicaciones, como absorbentes en el tratamiento de agua y materiales antimicrobianos.

Generalmente se obtienen de fuentes agrícolas como paja de trigo, algodón, fibras de cáscara de coco, fibra de sisal, desechos de bambú y bagazo de caña de azúcar. Los desechos agroindustriales también podrían ser una buena fuente de nanofibras de celulos. La economía circular y las estrategias de revalorización son capaces de revalorizar residuos agroindustriales que podrían jugar un papel importante en una economía futura globalmente sostenible.

Colombia es uno de los diez países productores de piña en el mundo. Las hojas de piña son un desperdicio abundante, ya que las hojas representan entre el 65% y el 80% de la cosecha total. Estas hojas contienen de 2% a 3% de fibra y están compuestas de aproximadamente 70-80% de celulosa, 17% de hemicelulosa y 5% de lignina.

Los productos químicos concentrados y los métodos mecánicos degradan la celulosa durante el aislamiento de las nanofibras. Así se reduce el grado de polimerización en cadena. El uso de métodos combinados podría disminuir la degradación de la celulosa y optimizar la morfología y la relación de aspecto.

Fibra de celulosa a partir de hojas de piña

En un trabajo de la Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional de Colombia, se obtuvieron nanofibras a partir de hojas de piña, un gran residuo sólido en Colombia, mediante un método de extracción combinado (procedimientos químicos y ultrasonido). Las fibras nativas fueron blanqueadas, hidrolizadas, tratadas con ultrasonido y caracterizadas por microscopía electrónica de barrido (SEM), análisis infrarrojo (FTIR), análisis termogravimétrico (TGA) y microscopía electrónica de transmisión (TEM). Como comparación, se analizó una muestra de celulosa microcristalina comercial, que demostró la eficiencia de la extracción de celulosa. El análisis mostró la eficiencia del tratamiento ácido combinado con ultrasonido para obtener nanofibras y confirmó que los residuos de piña pueden valorizarse por este método.

Estos resultados indican que las matrices lignocelulósicas a partir de hojas de piña tienen potencial aplicación para la obtención de materiales compuestos de tipo polimérico. Debido a su morfología y propiedades físicas características, las nanofibras de celulosa podrían ser un material prometedor para su uso en una gran cantidad de campos y aplicaciones, como material de filtro, material de empaque de alta barrera a los gases, dispositivos electrónicos, alimentos, medicina, construcción, cosmética, farmacia y sanidad, entre otros.

Perspectivas futuras

En Colombia, recientemente se ha reglamentado el uso de plásticos petroquímicos, lo que exige el desarrollo de nuevos materiales de empaque biodegradables. Dichos materiales podrían reforzarse con fibras de nanocelulosa de hojas de piña, que podrían reforzar mecánicamente termoestables y termoplásticos. Las propiedades hidrofóbicas también podrían mejorarse mediante la adición de nanofibras de celulosa como nanocompuestos para la adhesión en compuestos reforzados con fibra, como los epoxis.

Las nanofibras de celulosa son una gran barrera contra el oxígeno (debido a su > 40% de cristalinidad) y tienen una baja expansión térmica. Además, estos materiales producidos podrían usarse como adsorbente, material antimicrobiano y para la administración controlada de fármacos.

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