Elaboración de un compuesto biodegradable, de matriz polihidroxibutirato (phb) y refuerzos vegetales de avena y olote: procesamiento, caracterización y simulación de propiedades mecánicas

Abstract

Actualmente, se están desarrollando iniciativas para reducir los residuos plásticos. En este contexto, la Unión Europea y organizaciones públicas y privadas de varios países están liderando la implementación de regulaciones enfocadas en los plásticos de un solo uso. Se propone que para el año 2030, los envases de plástico y los contenedores de alimentos sean reutilizables o reciclables. Esta situación ha impulsado las investigaciones en biopolímeros. Un ejemplo de ellos son los desarrollos de materiales termoplásticos biodegradables, como los polihidroxialcanoatos (PHA), almidones termoplásticos (TPS), ácido poliláctico (PLA), y plásticos derivados de proteínas y lípidos, entre otros [1, 2]. Estos materiales están orientados en reemplazar los materiales derivados de fuentes fósiles. Sin embargo, la capacidad actual de producción de estos materiales, los altos costos de procesamiento y sus limitadas propiedades mecánicas representan obstáculos para la aplicación a mayor escala. Para superar estas barreras, se están explorando estrategias como el refuerzo de los biomateriales con otros polímeros y con diferentes tipos de fibras, aunque esto introduce complejidades adicionales en diseño y procesamiento. Para acelerar el diseño y minimizar los costos de producción, se pueden emplear diversos métodos de simulación, que pueden contribuir en agilizar el proceso y reducir costos de producción y caracterización. Para la simulación de materiales compuestos es importante considerar los aspectos como: la representación geométricade la micro estructura, seleccionar los elementos que se usarán para generar la malla (discretización), establecer condiciones de contorno apropiadas que representen las fuerzas del sistema, y la adopción de métodos numéricos eficientes y la integración de herramientas estadísticas, incluyendo diseños xperimentales y modelos de regresión y predicción. En este trabajo se procesó un material compuesto basado en una matriz de PHA, almidón termoplástico (TPS) y refuerzos vegetales. Evaluadas sus propiedades térmicas y mecánicas, se sugiere su aplicación en empaques, material aislante, aligeramiento de estructuras. Además, se presenta una metodología para la predicción de propiedades que abarca los aspectos mencionados anteriormente. Se utilizó un volumen representativo (RVE) y el Método de Homogeneización Numérica (NHM) para el cálculo del comportamiento macro mecánico de los compuestos. Los resultados fueron validados mediante el Método de Homogeneización Asintótica (AHM) y datos experimentales, con estimaciones de error de 0,0019 % y 7 %, respectivamente. Este modelo es valioso para predecir los módulos elásticos longitudinales y transversales, el módulo de corte y el coeficiente de Poisson, lo que enfatiza su importancia en la investigación de materiales compuestos.