El parachoques de su automóvil probablemente esté hecho de un polímero termoplástico moldeable llamado ABS, abreviatura de sus componentes de acrilonitrilo, butadieno y estireno. Ligero, fuerte y resistente, también es materia de tubos de ventilación, protectores para la cabeza, electrodomésticos de cocina, ladrillos de Lego ymuchos otros productos de consumo. Útil como es, uno de sus inconvenientes es que está hecho con productos químicos derivados del petróleo.
Ahora, los investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han hecho un mejor termoplástico al reemplazar el estireno con lignina, un polímero rígido y quebradizo que, con celulosa, forma las paredes celulares leñosas de las plantas. Al hacerlo, han inventadoUn proceso de producción sin solventes que interconecta partes iguales de lignina a nanoescala dispersa en una matriz de caucho sintético para producir un material fundible, moldeable y dúctil que es al menos diez veces más resistente que el ABS. El termoplástico resultante, llamado ABL para acrilonitrilo, butadieno, lignina- es reciclable, ya que se puede derretir tres veces y aún así funcionar bien. Los resultados, publicados en la revista Materiales funcionales avanzados puede traer materias primas más limpias y baratas a diversos fabricantes.
"El nuevo termoplástico ORNL tiene un mejor rendimiento que los plásticos básicos como el ABS", dijo el autor principal Amit Naskar en la División de Ciencia y Tecnología de Materiales de ORNL, quien junto con el co-inventor Chau Tran ha presentado una solicitud de patente para el proceso para hacer el nuevo"Podemos llamarlo un producto verde porque el 50 por ciento de su contenido es renovable, y la tecnología para permitir su explotación comercial reduciría la necesidad de productos petroquímicos".
La tecnología podría hacer uso de la corriente de subproductos de biomasa rica en lignina de las biorrefinerías y fábricas de pulpa y papel. Con los precios del gas natural y la caída del petróleo, los combustibles renovables no pueden competir con los combustibles fósiles, por lo que las biorrefinerías están explorando opciones para desarrollarotros productos económicamente viables. Entre la celulosa, la hemicelulosa y la lignina, los principales componentes estructurales de las plantas, la lignina es la más subutilizada comercialmente. El estudio ORNL tuvo como objetivo utilizarla para producir, con miras a la comercialización, un termoplástico renovable con propiedades que compitan con las dealternativas actuales derivadas del petróleo.
Para producir un método eficiente de energía para sintetizar y extrudir elastómeros termoplásticos de alto rendimiento basados en lignina, el equipo de ORNL necesitaba responder varias preguntas: ¿Se pueden superar las variaciones en las materias primas de lignina para hacer un producto con un rendimiento superior? ¿Se puede integrar la lignina enmatrices de polímeros blandos? ¿Se puede entender que la química y la física de los polímeros derivados de lignina permiten un mejor control de sus propiedades? ¿Se puede diseñar el proceso para producir polímeros derivados de lignina?
"La lignina es un polímero natural muy frágil, por lo que debe endurecerse", explicó Naskar, líder del grupo de compuestos y carbono de ORNL. Un objetivo principal del grupo es producir polímeros industriales que sean lo suficientemente fuertes y resistentes para deformarse sinfractura ". Necesitamos combinar químicamente materia blanda con lignina. Esa matriz blanda sería dúctil para que pueda ser maleable o estirable. Los segmentos de lignina muy rígidos ofrecerían resistencia a la deformación y por lo tanto proporcionarían rigidez".
Todas las ligninas no son iguales en términos de estabilidad al calor. Para determinar qué tipo sería la mejor materia prima termoplástica, los científicos evaluaron la lignina de la paja de trigo, las maderas blandas como el pino y las maderas duras como el roble. Descubrieron que la lignina de madera dura es la más estable térmicamente,y algunos tipos de ligninas de madera blanda también son estables al fundido.
Luego, los investigadores necesitaban unir la lignina con la materia blanda. Los químicos generalmente logran esto sintetizando polímeros en presencia de solventes. Debido a que la lignina y un caucho sintético que contiene acrilonitrilo y butadieno, llamado caucho de nitrilo, ambos tienen grupos químicos en los que los electronesestán distribuidos de manera desigual y, por lo tanto, es probable que interactúen, Naskar y Chau Tran que realizaron experimentos de mezcla y caracterización de la masa fundida trataron de acoplar los dos en una fase fundida sin solventes.
En una cámara calentada con dos rotores, los investigadores "amasaron" una mezcla fundida de partes iguales de lignina en polvo y caucho de nitrilo. Durante la mezcla, los aglomerados de lignina se rompieron en capas o láminas interpenetrantes de 10 a 200 nanómetros que se dispersaron bien e interactuaron conel caucho. Sin la selección adecuada de una matriz blanda y condiciones de mezcla, los aglomerados de lignina son al menos 10 veces más grandes que los obtenidos con el proceso ORNL. El producto que se formó no tenía propiedades de lignina ni caucho, sino algo intermedio, con uncombinación de rigidez de lignina y elasticidad del caucho de nitrilo.
Al alterar las cantidades de acrilonitrilo en la matriz blanda, los investigadores esperaban mejorar aún más las propiedades mecánicas del material. Probaron el 33, 41 y 51 por ciento de acrilonitrilo y encontraron que el 41 por ciento dio un equilibrio óptimo entre dureza y rigidez.
Luego, los investigadores querían averiguar si controlar las condiciones de procesamiento podría mejorar el rendimiento de su aleación de polímero. Por ejemplo, el contenido de acrilonitrilo al 33 por ciento produjo un material que era elástico pero no fuerte, comportándose más como el caucho que el plástico.En las proporciones de acrilonitrilo, los investigadores vieron cómo los materiales se fortalecían debido a la interacción eficiente entre los componentes. También quisieron saber a qué temperatura se deben mezclar los componentes para optimizar las propiedades del material. Encontraron que los componentes de calentamiento entre 140 y 160 grados Celsius formaronfase híbrida deseada
Utilizando recursos en ORNL, incluido el Centro de Ciencias de Materiales de Nanofase, una Instalación de Usuario de la Oficina de Ciencia del DOE, los científicos analizaron las morfologías de las mezclas. La microscopía electrónica de barrido, realizada por Chau Tran, exploró las superficies de los materiales. Jihua Chen yTran caracterizó las fases de la materia blanda utilizando microscopía electrónica de transmisión, colocando una delgada rodaja de material en la trayectoria de un haz de electrones para revelar la estructura a través de diferencias de contraste en las fases de lignina y caucho.ciertos dominios o tamaños de capa. La espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier identificó grupos funcionales químicos y sus interacciones.
Los estudios futuros explorarán diferentes materias primas, en particular las de biorrefinerías, y las correlaciones entre las condiciones de procesamiento, la estructura del material y el rendimiento. Las investigaciones también están planificadas para estudiar el rendimiento del nuevo termoplástico de ORNL en compuestos reforzados con fibra de carbono.
"Probablemente se usarán más materiales renovables en el futuro", dijo Naskar. "Me alegra que podamos continuar trabajando en materiales renovables, no solo para aplicaciones automotrices sino incluso para el uso de productos básicos".
El título del documento es "Una nueva clase de termoplásticos renovables con un rendimiento extraordinario de elastómeros de lignina nanoestructurados".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional de Oak Ridge . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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