Espuma a base de cscara de pia

        

4.1 OBTENCIÓN DEL POLIURETANO

El poliuretano es la poliadición del uretano. Este último se obtiene al hacer reaccionar un poliol con un isocianato. El isocianato es una sal de cianato, proveniente del ácido isociánico. Al ácido isociánico (O=C=NH) se le agrega una sal, lo cual produce el grupo isocianato (O=C=N) unido a un ion de la sal, más un subproducto.

La reacción queda de la siguiente forma: O=C=NH  +  SAL ---> O=C=N---Ion sal  +  Subproducto.

El isocianato es altamente reactivo, ya que está compuesto de tres elementos muy fuertes, el oxígeno, el carbono y el nitrógeno, por lo que hace que tenga una tendencia a recuperar el hidrógeno que tenía en el ácido isociánico.

Hay cuatro tipos de isocianato que son preferidos en la industria por razones, económicas y ecológicas: Tolueno (TDI), Naftalina (NDI),  Difenilmetano (MDI) y  Hexa (HDI).

A continuación les voy a mostrar las fórmulas estructurales y los nombres de cada uno:

        

Tolueno-2,4-diisocianato (TDI)         Naftalina-1,5-diisocianato (NDI)

        O=C=N--- (CH2)6---N=C=O

Difenilmetano-4,4-diisocianatos (MDI)                Hexa-1,6-diisocianato (HDI)

La forma hexagonal que se presenta en el TDI, NDI y MDI significa que es una cadena cerrada de seis carbonos, y el círculo dentro de la cadena significa que hay tres dobles enlaces intercalados, que no son vecinos, y pueden estar en cualquier posición. Es decir, entre dos carbonos hay un doble enlace, en el siguiente carbono ya no se presenta, en el siguiente sí lo hay, y así sucesivamente. Esta clase de compuestos son llamados bencenos. Según J. M. Buist, en su libro “Developments in Polyurethane”, los isocianatos con mejores características para usarse en la industria de la espuma son el MDI y el TDI. El TDI fue el principal compuesto utilizado en la década de los 80, ya que este es muy reactivo, sin embargo al reemplazarlo por el MDI muchos problemas de toxicidad, que me voy a referir más adelante, fueron minimizados.

Como fue dicho anteriormente, el isocianato, por estar formado de oxígeno, carbono y nitrógeno que son altamente reactivos, tiene una gran tendencia a recuperar el hidrógeno que perdió en su estado de ácido isociánico. Por esta razón es que el isocianato resulta altamente reactivo con un poliol.

Un poliol es un compuesto orgánico que está formado por más de un grupo hidroxilo, es decir que un hidrocarburo se puede convertir en poliol si dos o más hidrógenos se sustituyen por grupos hidroxilo. El poliol más sencillo es el Polietilenglicol (PEG), que está formado por varios etanos disustituidos por dos grupos hidroxilos, lo cual explicaré en detalle más adelante cuando me refiera al reemplazo del poliol por la cáscara de la piña.

Según Sergio Andrés Rivera, en su trabajo de grado “Introducción a la manufactura del poliuretano”, al ser los radicales NCO y OH los que reaccionan, el grado de reactividad es mostrado por el número de OH y su clasificación de alcoholes primarios y secundarios, siendo los secundarios más reactivos. La diferencia entre los dos tipos de alcoholes es que los primarios están en los extremos de la cadena de carbonos a la que estén unidos, y los secundarios están unidos a los carbonos centrales o que están unidos, como mínimo a dos carbonos.

En general, los poliuretanos se obtienen a través de la reacción entre isocianatos y polioles. La reacción general es la siguiente: R1-NCO + OH-R2 → R1-NH-CO-O-R2. La fórmula estructural de los poliuretanos queda de la siguiente manera:

               H    O

      R1--- N---C---O---R2

En este caso, vemos que los radicales que reaccionan entre sí son el NCO y el OH, de lo que podemos deducir que la reactividad de la ecuación está dada por esos dos radicales.

        

        4.2 USOS DEL POLIURETANO

Los poliuretanos se pueden utilizar en espumas flexibles, espumas  rígidas, pieles integrales, poliuretanos sólidos, pinturas y recubrimientos, y adhesivos.

Las espumas flexibles poseen limitada resistencia a los esfuerzos aplicados. Son estructuras celulares abiertas, permeables al aire y reversiblemente deformables. Con este tipo de material se puede fabricar asientos, filtros de aire, absorsores de vibración, y en general elementos para la industria del mueble.
Las espumas rígidas, gracias a su densidad, fluidez, su resistencia mecánica, la estabilidad térmica, la combustibilidad, etc., son altamente adaptables a distintas necesidades, como en el área de refrigeración y de aislamiento térmico, en el área de construcción y en la aeronáutica. 

        

        2.3 EFECTOS AMBIENTALES NEGATIVOS DEL POLIURETANO EN LA FABRICACION DE ESPUMA

Como fue mencionado anteriormente, el poliuretano se obtiene a través de la reacción entre poliol e isocianato, sin embargo en la fabricación de espuma se utilizan aditivos para que esta salga con ciertas características deseadas, y el proceso de creación sea más económico y de menor duración. Los tres compuestos que se utilizan para producir espuma tienen efectos ecológicos negativos.

Por un lado, el isocianato al venir del grupo de los compuestos de cianuro, los cuales contienen Nitrógeno y carbono, resulta ser muy tóxico para el humano o animal que lo ingiera o lo inhale. Este compuesto puede producir traumas respiratorios y taponamiento en las venas, y si la ingestión de este compuesto es en grandes cantidades, puede causar la muerte. En Bhopal, India, en 1984, murieron 3800 personas cuando este compuesto se dejó escapar a la atmósfera.

Por otra parte, la espuma como desecho es muy contaminante al medio ambiente. Esto se debe a que debido a las características de la espuma de poliuretano flexible esta no puede ser biodegradada por procesos naturales, sino que solo puede ser quemada o reutilizada en ciertos casos. Cuando la espuma es quemada para eliminarla, no solo se producen gases de efecto invernadero que contaminarán más el medio ambiente y causaran el calentamiento global, sino también gases denominados Compuestos Orgánicos Volátiles (COV’s). Estos gases poseen propiedades volátiles, liposolubles, tóxicas e inflamables, además de ser destructores del ozono estratosférico. Otro problema es que no solamente destruyen el ozono que se encuentra en la estratosfera, generando que los rayos UV provenientes del sol penetren más fácil a la tierra produciendo enfermedades a los humanos, sino también provocan formaciones de ozono en el suelo. A este fenómeno se le conoce como el “smog fotoquímico”, y el ozono es perjudicial para humanos y plantas ya que puede causar problemas respiratorios, y es bastante tóxico para estos.

Los gases COV se liberan durante la producción de la espuma utilizando como materia prima el petróleo, o durante la quema de la espuma. El gas de tipo COV que más se libera durante su producción es el etilenglicol. Como se verá mas adelante en este escrito, este gas es el que se va a reemplazar, o por lo menos reducir la utilización de este compuesto en la fabricación de la espuma.

Según la cadena de noticias BBC Mundo, en su reporte “Desechos Plásticos Inundan la Tierra”, la mayoría de playas y océanos, inclusive las más remotas e inhabitadas encuentran algún nivel de contaminación de plástico. Este compuesto, al ser difícilmente degradado, viaja por los océanos y llega a las playas, ya sea con un tamaño grande, o en partículas pequeñas que fueron divididas por el oleaje y las rocas, pero que son igual de tóxicas. Este hecho presenta un daño ambiental muy grande ya que pone a la vida marina en peligro. Este polímero, al viajar por los océanos, es muy probable de que las especies marinas lo ingieran, y en especial cuando este se encuentra en partículas pequeñas. Entre los problemas más comunes que se han presentado de especies marinas afectadas por el plástico en los océanos, es un envenenamiento debido a la toxicidad del compuesto, un taponamiento de las vías respiratorias y el tracto respiratorio, pérdida de fertilidad y deformación entre otros.

5. CÀSCARA DE PIÑA

        5.1        PROPIEDADES DE LA CÁSCARA DE PIÑA

La cáscara de piña (Ananas commusus), aparte de ser un recurso que países agrícolas como Colombia pueden obtener fácilmente, tiene ciertas características que hacen que ésta pueda reemplazar a derivados del petróleo en la producción de espuma. Lo que busco proponer en esta monografía es que, con elementos que se encuentren en este recurso, se creen grupos hidroxilos para reemplazar los que se crean con el petróleo en la fabricación de espuma.

La característica más importante que tiene la cáscara de piña es el alto contenido de lignocelulosa. Manuel Gonzalo Claros Díaz y otros profesores del Departamento de Biología Molecular y Bioquímica de la Universidad de Málaga (España), en su informe de “Métodos y técnicas experimentales en Bioquímica y Biología Molecular”, definen la lignocelulosa como “uno de los polímeros más abundantes en la biomasa. Se compone de tres tipos de polímeros: la celulosa (formada por unidades de glucosa unidas por un enlace glicosídico - 1,4 de forma lineal), la hemicelulosa (polímero no celulósico que incluye glucanos, mananos, galactanos y xilanos) y la lignina (polifenol complejo)”. En otras palabras, la lignocelulosa es un compuesto formado por celulosa, la hemicelulosa y la lignina.

La celulosa es el componente estructural principal de la pared celular de la planta, un polímero lineal de residuos de glucosa unido por enlaces glucósidos beta (1→4). La Lignina es un polímero de residuos del fenol, cuya función es endurecer las paredes celulares secundarias. La hemicelulosa es un polisacárido que reticula las microfibras de la celulosa en las paredes celulares de las plantas.. Según se expresa en la revista Iberoamericana de Polímeros, “Se ha reportado que este sustrato (la cáscara de piña), al poseer un alto contenido de lignina y hemicelulosa, posee un gran potencial para usarse como fuente de grupos hidroxilos.” En otras palabras, de la cáscara de piña se pueden obtener grupos hidroxilos, debido a que la pared celular de la piña, tiene hemicelulosa y lignina en grandes cantidades y ésta, al biodegradarse, produce los grupos OH que se necesita para producir la misma reacción de la que se obtiene el poliuretano.

Hay otros polímeros biodegradables que también tienen gran cantidad de lignocelulosa porque este compuesto se encuentra en las paredes celulares de otras frutas, en la madera y en otros vegetales. En la Revista Iberoamericana de Polímeros presentaron como ejemplo un experimento en el cual se obtenía grupos hidroxilos y carboxilos a través de la biodegradación de la cáscara de piña, el olote de maíz y el pergamino de café. Lo que se quería lograr con este experimento era que por medio de la solución entre Polietilenglicol (PEG) y el compuesto biológico, se liberaran los grupos hidroxilos que se necesitaban para la reacción del poliuretano.

El PEG hace parte del grupo de los glicoles, es decir que es etano disustituido, ya que se reemplazan dos átomos de hidrógeno por dos moléculas de hidroxilo, conforme se muestra en el siguiente dibujo:

                             H           H

        H                  C                C           H

                             OH       OH

Normalmente el etano son dos carbonos unidos, y cada carbono unido a tres hidrógenos (cada línea entre los átomos significa que están unidos), tal como se muestra en la figura anterior, con la única diferencia de que en vez de cada carbono estar unido a tres hidrógenos, está unido a dos hidrógenos y a un grupo OH-(grupo hidroxilo). El Polietilenglicol es la unión de varios compuestos de etilenglicol mostrado en la figura.

Ya definido el Polietilenglicol voy a retomar el experimento que se hizo para obtener grupos hidroxilos por medio de recursos biodegradables. La idea principal del experimento era mezclar el Polietilenglicol con tres compuestos biológicos, el olote de maíz, la cáscara de piña y el pergamino. El experimento consta de dos partes importantes.

La primera es la obtención del material lignoceluloso. Para realizar esto se debe moler y secar la cáscara de piña o el sustrato utilizado; después mezclarlo con el PEG a una proporción de 0,5 gramos del sustrato y 0,5 del PEG y calentar la solución. Para una mejor producción de los grupos hidroxilos, se tiene que tomar la mejor temperatura para que la mayor cantidad de sustrato se mezcle con el PEG, probar con varios tamaños de partículas molidas del sustrato, dejarlo el tiempo indicado, tener la mejor proporción entre el sustrato y el PEG, y tomar un PEG con una masa molar específica para que los resultados sean los óptimos.

Con base en el experimento, se determinó que el control de las variables para que quedaran menos residuos sólidos del sustrato, tenía que ser de la siguiente manera:

Por una parte, para saber cuál era la mejor masa molar del PEG se  tenía que ver cuál era la que dejaba menor porcentaje de residuos sólidos. El valor que salió óptimo fue el de 400, con un porcentaje de residuo de 0.3, a diferencia del PEG-1000 que dejó un porcentaje de residuos sólidos superior a 4.2. La masa molar es la suma de las masas atómicas de los átomos del compuesto, y la masa atómica es el número de gramos que contiene el número de Avogadro. El número de Avogadro es 6.022 * 10^23.

Para el tamaño de la partícula del sustrato, se tomaron tamaños de partículas desde 10 a 170 mallas. El valor óptimo fue el de 100-120 mallas, dejando un porcentaje de residuos sólidos del sustrato de 0.5, mientras que, si se utilizaba un tamaño de 135-170 mallas, daba un porcentaje de residuos de 4.7.

Para la temperatura, se tomaron temperaturas entre los 200 y los 265 grados centígrados. La que dejó menos porcentaje de residuos sólidos fue 250ºC con un porcentaje de residuos sólidos de 2.1. A mayor temperatura había mayor solubilidad del sustrato en el PEG; sin embargo entre 225ºC y 265º había un ligero aumento en el porcentaje, por lo que el valor óptimo fue el de 250 grados centígrados.

Para la relación PEG/sustrato, se obtuvo que la mejor proporción era de 1/1, ya que si la cantidad de sustrato es mayor a la de PEG, el porcentaje de residuos sólidos es de 82, mientras que el de 1/1 es de 5. Si la cantidad de PEG fuera mayor a la de sustrato, la sustitución de hidrocarburos en la producción de espumas por compuestos biodegradables sería poca, concepto que explicaré más adelante.

Y por último, se controló la variable del tiempo para que se obtuviera una mayor solubilidad del sustrato. Se registraron tiempos desde 1 hora hasta 6 horas. El resultado fue que desde las 3 horas se obtenía la menor cantidad de partículas insolubles, es decir que la solución se debía dejar como mínimo 3 horas.

En general, los mejores datos para obtener un menor porcentaje de residuos sólidos del sustrato fue de:

Se repitió el mismo proceso con el olote de maíz, el pergamino y el PEG puro, examinando en cada caso cuáles eran las mejores características para que se produjeran más grupos hidroxilos. El mejor resultado de los compuestos biodegradables, es decir los que tenían más masa molar por gramo fue el de la piña, con un valor de 4.7 mmol/g, solo 0.4 menos que el PEG. Si lo comparamos con el del olote que fue de 3.7 mmol/g, o con el del pergamino que fue de 4.6 mmol/g. Conforme a lo anterior, podemos concluir que la cáscara de piña podría ser la más reactiva con el isocianato.

        5.2  EFECTOS AMBIENTALES NEGATIVOS DE LA CÁSCARA DE PIÑA

Según el departamento técnico de LUMOS LTDA., fábrica ubicada en la ciudad de Bogotá (Colombia), para obtener poliuretano con excelentes características de dureza, resistencia y compresión, sin incluir los aditivos que se le añaden al poliuretano, se necesita tener una proporción de:

Poliol: 78%

Isocianato: 22%

Ya teniendo en claro los efectos negativos que el poliol y el isocianato causan al medio ambiente y al hombre, y teniendo la proporción entre poliol e isocianato, podemos sacar cuál es el nivel de contaminación que produce la cáscara de piña. Como fue dicho anteriormente, durante el proceso de obtención de los grupos hidroxilos desde la cáscara de piña, para obtener más de estos grupos se debe tener una relación PEG/sustrato de 1/1, es decir que por cada 0.5 gramos que se utilice de sustrato, se deben utilizar 0.5 gramos de PEG. El PEG es un poliol, o también llamado un glicol, y es considerado el glicol más simple.

El PEG, como fue dicho antes, consta de dos átomos de carbonos unidos con enlaces covalentes sencillos, y cada uno está unido, igualmente con enlaces sencillos a dos átomos de hidrógeno y a un grupo hidroxilo. Esto quiere decir que el PEG es un hidrocarburo y proviene del petróleo, siendo igual de tóxico y contaminante a los que se mencionaron anteriormente.

Por lo tanto, con la cáscara de piña u otro compuesto biodegradable y con la tecnología de hoy en día, no se puede reemplazar un 100% los hidrocarburos en la producción de poliuretano flexible, como sería la producción de espuma.

En el experimento realizado, el hidrocarburo es reemplazado un 50% por un producto biodegradable. Esto quiere decir que en la producción de poliuretano se está sustituyendo la mitad de la proporción del poliol en el hidrocarburo. En otras palabras, al utilizar la cáscara de piña solamente estamos reduciendo el uso del hidrocarburo en un 39%, casi un 40%.

Para dar datos concretos, paso a mostrar qué cantidad del hidrocarburo se utiliza reemplazando el 40% aproximadamente por cáscara de piña. Para producir 1 kilogramo de espuma se necesita 780 gramos de grupos hidroxilo, y 220 gramos de isocianato. Como estamos reemplazando la mitad de la producción de grupos hidroxilos con un recurso biodegradable, solo 390 gramos estarían contaminando si omitimos los efectos negativos que tiene el isocianato, los cuales mencioné anteriormente.

Según la Taiwán Turnkey Project Association, en su informe de Planta Productora de Espuma de Poliuretano Flexible, dice que una planta de espuma considerablemente grande, “operando un turno de ocho horas diarias, 25 días al mes, producirá aproximadamente 500 toneladas de espuma de poliuretano flexible por mes”. Estas 500 toneladas equivalen a quinientos mil kilogramos, así que si se reemplazara por la cáscara de piña, con los valores obtenidos, mensualmente se estarían cambiando 195 toneladas, o 195.000 kilogramos de hidrocarburo contaminante, por un producto totalmente biodegradable.

Por otra parte, sise reduce el porcentaje de etilenglicol en la espuma a un 50%, los efectos ambientales que se minimizan serían muy importantes. La emisión de gases Compuestos Orgánicos Volátiles (COV’s) se reduciría un 50% durante la fabricación de la espuma y cuando se quema espuma, además de ser este nuevo compuesto más fácil de degradar y no duraría cientos de años en degradarse, que es lo que dura normalmente la espuma en degradarse, sino aproximadamente unos veinte años por procesos naturales. Otro beneficio ambiental es que la toxicidad del polímero disminuye, y no será tan perjudicial para la vida marina este compuesto

4. CONCLUSIÓN

La espuma proviene del poliuretano, este es formado por la adición de polioles e isocianatos, los cuales durante la reacción generan dióxido de carbono que crean las burbujas presentes en la espuma. El isocianato es un rearreglo molecular, es decir que unas moléculas de oxígeno, carbono y nitrógeno se unen para formar el isocianato. El isocianato quedaría de esta forma: O=C=N.

Por otra parte, el poliol es un derivado del petróleo. Estos, también denominados alcoholes de azúcar son los que contribuyen en la producción de grupos hidroxilo (OH), los cuales se unen con el isocianato para producir el poliuretano. Como fue dicho antes, estos son derivados del petróleo, ya que es un gas proveniente de este que se une en forma de radical a un grupo hidroxilo. Los gases que provienen del petróleo son hidrocarburos, es decir que su composición es de Carbono e Hidrógeno, y la forma radical de estos, es que pierde un Hidrógeno para que el hidrocarburo se pueda unir al OH. En otras palabras, un Hidrógeno es reemplazado por un hidroxilo.

Con la cáscara de piña se conseguirá el mismo poliuretano pero reemplazando el petróleo en la producción de este. El isocianato sigue siendo un reactivo para la producción del poliuretano, pero en vez de utilizar el poliol derivado del petróleo se buscará utilizar un poliol biológico. Esto se hace a través de transformaciones que se le hacen a la cáscara de piña, las cuales dan como resultado residuos de grupos hidroxilos y carboxilos (COOH), los cuales se utilizan para crear el poliuretano. Se escogió la piña debido a que esta tiene un gran contenido de Hemicelulosa y lignina, lo que genera lignocelulosa. La lignocelulosa es un componente que se encuentra en las paredes de las plantas, pero la cantidad de esto difiere una de otras, y es por eso que utilizar la cáscara de piña u olote de maíz es mejor a utilizar otra planta, y en este caso se decidió utilizar la cáscara de la piña.

En conclusión, aunque el reemplazo del hidrocarburo por la cáscara de piña no es totalmente efectivo, hasta un 40% de materia prima contaminante es reemplazado. Esto quiere decir que aproximadamente 195 toneladas por empresa, por mes, dejarán de ser contaminantes para el ambiente. Esta cifra justifica el reemplazo por el producto biológico, y la compra de maquinaria para obtener este nuevo tipo de espuma, lo que en otras palabras quiero decir, es que las empresas de fabricación de espuma deberían empezar a utilizar este deshecho biológico y buscar maneras en las cuales el petróleo logre ser totalmente reemplazado.

5. BIBLIOGRAFIA

• “Obtención y Caracterización de disoluciones en polietilenglicol (PEG) a partir de residuos de olote de la agroindustria del maíz. Síntesis de polímeros potencialmente biodegradables”. Revista Iberoamericana de polímeros. Octubre de 2005.   <http://www.ehu.es/reviberpol/pdf/OCT05/vega.pdf>

• Rivera, Sergio Andres. “Introducción a la Manufactura del Poliuretano”. Capítulo 4, página 10-30. Tesis de Grado. Universidad de los Andes, Bogota, 1992.

• Buist, Jack Mitchell. Developments in Polyurethane. 52 VANDERBILT AVENUE, NEW YORK, NY 10017, USA, 2001.

• Sadava, David, et al. LIFE: The Science of Biology. Octava Edición Gordonsville, Va: U.S.A.

• Uhlig, Konrad. DISCOVERING POLYURETHANES. Munich, Alemania, 1999.

• Harris, Daniel. Exploring Chemical Analysis. Tercera Edición. China Lake, California, 2005.

• Cooper, Geoffrey, et al. THE CELL: A Molecular Approach. Cuarta Edición. The American Society for Microbiology, Washington, DC, U.S.A., 2007.

• “Illinois Department of PUBLIC HEALTH”. Hojas de datos sobre agentes químicos/biológicos. Accedido el 20 de diciembre de 2008.  <http://www.mchc.org/ipc/PoisoningHazards/Disasters/MI_spa.pdf>

 

• Taiwán Turnkey Project Association. “Proyecto Preliminares para las Plantas Industriales”. Planta Productora de Espuma de Poliuretano Flexible. Accedido el 25 de octubre de 2008. <http://turnkey.taiwantrade.com.tw/showpage.asp?subid=006&fdname=RUBBER+%26+PLASTICS&pagename=Planta+de+produccion+de+espuma+de+poliuretano+flexible>

 

• Lumos LTDA. Modo de Empleo Manual para sistema de Poliuretano para filtros pequeños y cuadrados de menos de 100 gramos. Accedido el 25 de octubre de 2008. <http://www.lumosltda.com/filtros%20peq.htm>.

• “BBC Mundo”. Desechos Plásticos Inundan la Tierra. Accedido el 15 de marzo de 2009. <http://news.bbc.co.uk/hi/spanish/science/newsid_3692000/3692397.stm>

• “Ciencia y Biología”. Compuestos Orgánicos Volátiles (COV’s o VOC’s). Accedido el 15 de marzo de 2009. <http://www.cienciaybiologia.com/medio-ambiente/atmosfera/compuestos-organicos-volatiles.htm>

---