elocation-id: e4041
Las fibras de celulosa natural tienen propiedades y estructuras que las hacen adecuadas para distintos usos, como la fabricación de textiles, compuestos, pulpa y papel. Aunado a esto, existe un creciente interés en el uso de materiales alternativos de bajo impacto ambiental debido a la problemática relacionada al medio ambiente, por ende, es necesario la implementación de nuevas fuentes y procesos de obtención de celulosa. La investigación se inició en 2024. El objetivo fue la obtención de microfibras de celulosa cristalina a partir de residuos agroindustriales del cultivo del plátano mediante procesos de menor impacto ambiental. Las fibras de celulosa se obtuvieron a partir de las fibras del pseduo-tallo del plátano de la variedad Musa cavendish empleando tratamientos mediante explosión de vapor realizados en un reactor térmico y procesos de blanqueo con NaClO al 2% obteniéndose microfibras de celulosa suaves y frágiles. El análisis por TGA demostró que las fibras de celulosa obtenidas a partir de las fibras de plátano presentaron una mayor estabilidad térmica debido a la remoción de la hemicelulosa, misma que se pudo corroborar por FT-IR. El tratamiento mediante explosión de vapor es una alternativa viable y ecológica para la obtención de microfibras de celulosa a partir de fibras de plátano y otros residuos agroindustriales.
Musa cavendish, explosión de vapor, reactor, tratamiento.
Las fibras naturales tienen propiedades favorables como bajo costo, fácil disponibilidad, baja densidad y reciclabilidad, etc. Las desventajas del refuerzo natural, como es el caso de las fibras, es una mayor absorción de humedad y la mala compatibilidad del refuerzo y la matriz. Por lo tanto, existe una variedad de tratamientos químicos o físicos que se utilizan para modificar la superficie de la fibra y mejorar la adhesión entre la matriz y la fibra (Godara, 2019).
Las fibras naturales presentan algunas ventajas en comparación con las fibras artificiales, como, bajo costo, alta disponibilidad, baja densidad, no dañan el equipo de procesado, son reciclables y biodegradables (Rajwade et al., 2020; Reddy et al., 2020). Las fibras de celulosa natural tienen propiedades físicas y químicas que las hacen adecuadas para diversos usos, como la fabricación de textiles, compuestos poliméricos, pulpa y papel. Las fibras celulósicas para la producción de textiles y pulpa de papel siguen siendo productos comerciales no alimentarios importantes (Sheng et al., 2014).
El nicho de mercado para la celulosa natural se ha mantenido y están surgiendo numerosos nuevos mercados debido a la imagen ecológica ‘verde’ y baja huella de carbono de las fibras celulósicas. Dependiendo del tipo de biomasa lignocelulósica, generalmente, las fibras naturales contienen entre un 25 y un 45% en peso de celulosa, entre un 20 y un 40% en peso de hemicelulosa y entre un 10 y un 25% en peso de lignina (Sarker et al., 2021).
La celulosa es un homopolisacárido que consiste en cadenas lineales de subunidades de D-glucosa unidas por enlaces β-(1-4) glicósidos. La hemicelulosa es un polisacárido ramificado heterogéneo que consiste en galactosa, arabinosa, manosa, glucosa y xilosa. Mientras que la lignina es un polímero aromático de fenilpropano cuyos precursores están realizados principalmente de alcohol coniferílico, alcohol p-cumarílico y alcohol sinapílico. Tiene una función estructural en la célula vegetal, uniendo celulosa y hemicelulosa (Gupta et al., 2020).
También contiene extractos de los componentes no estructurales de la biomasa, como aceites esenciales, grasas, ceras, fenólicos y ácidos grasos, entre otros. Las hemicelulosas, la lignina y otros componentes no celulósicos deben separarse, disolverse y descomponerse parcialmente durante el proceso de macerado de las fibras de celulosa para uso textil (Xu et al., 2017). Sin embargo, la complejidad y variabilidad de la estructura lignocelulósica dificultan la biodegradación, en particular la hidrólisis de la materia orgánica es compleja para convertirla en compuestos solubles, que es el paso limitante de la velocidad de degradación (Capári et al., 2016).
Esta resistencia estructural se puede romper mediante métodos de pretratamiento físicos, químicos y biológicos. El pretratamiento hidrotermal es un método en condiciones acuosas que combina procesos físicos y químicos (Barciela et al., 2023). Uno de ellos es la explosión con vapor, cuyo mecanismo se basa en la despolimerización de la lignina y la explosión de las fibrillas celulósicas mediante el tratamiento de la biomasa con vapor presurizado a alta temperatura, que suele oscilar entre 160 y 280 °C.
Para extraer las fibras de celulosa y mantener su integridad, la temperatura hidrotermal debe ser inferior a 240 °C. El agua contenida en el sustrato se evapora y se hincha rápidamente, lo que da lugar a cierto grado de hidrólisis (Pérez-Limiñana et al., 2022). Por lo tanto, en este trabajo de investigación se presentó un estudio sobre el pretratamiento hidrotermal, específicamente por explosión con vapor, para mejorar las propiedades de las fibras naturales en compuestos poliméricos.
La investigación se centra en cómo el control de las condiciones de temperatura y tiempo influye en la despolimerización de la lignina y en la preservación de la celulosa, optimizando así la compatibilidad fibra-matriz y la biodegradabilidad del material. Esta contribución ofrece una estrategia más eficiente y sostenible para el uso de fibras naturales en aplicaciones de materiales compuestos ecológicos.
Para este estudio se recolectaron fibras del pseudo tallo del plátano variedad Musa cavendish del estado de Tabasco. El proceso de blanqueo se realizó empleando hipoclorito de sodio (NaClO) grado analítico de Sigma-Aldrich. El tratamiento por explosión de vapor (SE) se realizó en un reactor Parr 4842 de 2 L de capacidad.
Se colocaron 10 g de fibra de plátano previamente humedecida en el portamuestras del reactor Parr, el cual evita que las fibras estén en contacto directo con las paredes del reactor y el agua, evitando la carbonización de estas. Se colocaron 300 ml de agua destilada en el reactor y se calentó a 185 °C por 10 min a una presión de 170 psi.
La muestra se explotó mediante una caída de presión, al liberarse ésta a través de la apertura de una válvula de alivio. Las fibras explotadas fueron secadas a 70 °C durante 24 h en una estufa. El diseño del reactor con el portamuestras adaptado para el proceso del tratamiento de las fibras se muestra en la Figura 1, este diseño se basó en un trabajo previamente reportado por Shamsudin et al. (2024).
Para la extracción de las microfibras se realizó un proceso de blanqueo en un vaso de precipitado y una parrilla de calentamiento, para ello se preparó previamente una solución de NaClO al 2% y se calentó a 50 °C con agitación constante. Una vez alcanzada la temperatura se colocaron 5 g de fibra explotada en 250 ml de solución por 1 h. Al terminar la reacción, las microfibras recuperadas fueron filtradas por gravedad y lavadas con abundante agua hasta que el exceso de NaClO fuese eliminado, las microfibras fueron secadas a temperatura ambiente por 24 h.
El análisis químico se realizó en un espectrofotómetro FT-IR marca Nicolet Nexus modelo 470 ESP en un rango de 600 a 4 000 cm-1, el análisis se realizó con el objetivo de determinar los grupos químicos funcionales presentes tanto en las fibras sin tratar como tratadas y poder realizar un análisis comparativo sobre los posibles efectos del tratamiento en las fibras.
El análisis termogravimétrico (TGA) se realizó en un analizador térmico marca Linseis con el objetivo de evaluar la estabilidad térmica de las fibras, las muestras (13 mg ±3 mg) fueron calentadas en atmosfera de nitrógeno desde temperaturas de 30 a 700 °C a una velocidad de calentamiento de 10 °C min. Para el análisis superficial de las fibras se utilizó un microscopio óptico marca PrimoStar usando magnificaciones de 100 y 200 X.
Después del tratamiento por explosión de vapor y NaClO, las fibras de plátano únicamente presentaron un cambio en el color, debido a que el hipoclorito es un agente blanqueador que posee la capacidad de remover la hemicelulosa y la lignina de la fibra (Aridi et al., 2021). Por otro lado, las fibras tratadas únicamente con SE presentaron un color café oscuro debido a que las temperaturas empleadas tienden a carbonizar parcialmente las fibras, por su parte, las fibras tratadas con NaClO y SE mostraron una tonalidad blanca y una apariencia suave y frágil, producto del efecto del hipoclorito.
Esto situación se debió a que el proceso de SE evapora el agua contenida en las fibras y se expande rápidamente, lo que provoca la ruptura de la pared celular formando poros así como también promueve la deslignificación, y la hidrolización de las hemicelulosas (Ma et al., 2022), mientras que el tratamiento con NaClO aplicado a las fibras explotadas tiende a sepáralas en microfibras durante la remoción de la lignina y la hemicelulosa dando como resultado una consistencia suave y delgada, como se observa en la Figura 2d.
En la Figura 3 se muestran los espectros FT-IR de la fibra de plátano sin tratar, la fibra tratada con NaClO, la fibra tratada con SE y la fibra tratada con SE y NaClO. Tanto las fibras sin tratar como las tratadas presentaron las típicas bandas correspondientes a la celulosa, hemicelulosa y lignina. Se puede observar en todos los casos la banda de absorción de estiramiento de O-H alrededor de 3 331 cm−1, dichos grupos pueden provenir del agua absorbida producto del carácter higroscópico de las fibras, y de los alcoholes alifáticos primarios y secundarios presentes en la celulosa, hemicelulosa y ácidos carboxílicos (Ibrahim et al., 2010).
Los picos de absorción presentes en 2 918 cm-1 y 2 850 cm-1, son atribuidos a la vibración de estiramiento asimétrica de C-H en grupos metilo y la vibración de estiramiento simétrica de C-H en grupos metileno pertenecientes a la celulosa y hemicelulosas residuales, respectivamente. Los picos ubicados alrededor de 1 390-1 410 cm-1 en el espectro de deformación simétrica pertenece a los estiramientos C-H de la celulosa (Parre et al., 2020).
Los picos comprendidos entre 1 000-1 200 cm-1 indicaron un estiramiento de tipo asimétrico C-O-C producto de la celulosa y la hemicelulosa, así como también una vibración de estiramiento C-O y C-C. La intensidad de absorbancia del pico de 1 608 cm-1 característico de las hemicelulosas y atribuido al estiramiento C=O, disminuyó en todos los casos en comparación con la fibra sin tratar. Esto es debido a la disminución en contenido de hemicelulosa y lignina producto de los tratamientos (Ronald Aseer et al., 2013).
Con el objetivo de comparar las características de las fibras tratadas y sin tratar, las muestras de fibra de plátano se analizaron mediante análisis termogravimétrico. Las curvas termogravimétricas (TG) y termogravimétricas derivadas (DTG) de las fibras tratadas y sin tratar se muestran en la Figura 4a y 4b. Se pudo observar una ligera pérdida en peso entre los 50 y 100 °C indicativo de la perdida de humedad producto del agua absorbida por la fibra.
La principal señal de descomposición de las fibras sin tratar ocurre entre los 200 y 350 °C la cual se atribuye a la descomposición de la celulosa y componentes de la lignina, la curva DTG de la fibra de plátano sin tratar (Figura 4b) muestra un pico en 309.91 °C (pérdida de masa 63.44%) que se debe a la descomposición térmica de la α-celulosa (Deepa et al., 2011).
Después de los 400 °C la perdida en peso fue lenta hasta los 800 °C apreciándose pequeñas señales producto probablemente de la lignina residual (Kataria et al., 2017). La DTG de las fibras tratadas con NaClO presentó dos picos, el pico inicial aproximadamente a 85 °C corresponde a una pérdida de masa de agua adsorbida; sin embargo, el pico principal de descomposición en las fibras tratadas con NaClO aumentó hasta aproximadamente 325.33 °C (pérdida de masa 66.73%) debido principalmente a la remoción de la hemicelulosa y la lignina durante el tratamiento.
Se ha reportado que el hipoclorito de sodio al 5% ha sido el mejor agente blanqueador para eliminar la hemicelulosa y la lignina de la fibra (Aridi et al., 2020). De la curva DTG de las fibras tratadas con SE, se observa un pico de descomposición importante a 322.51 °C (pérdida de masa del 68.91%) debido principalmente a la descomposición de la α-celulosa.
Po su parte, la curva de DTG de la fibra tratada con SE y NaClO presentó un pico mayoritario a 346.78 ºC (pérdida de masa del 78.36%) producto de la descomposición de la α-celulosa, es evidente que existe un cambio en la temperatura de descomposición principal de 309.91 a 346.78 °C mientras se realiza la transición de la fibra sin tratar a la fibra tratada con SE y NaClO.
Las fibras tratadas muestran en todos los casos un aumento en la temperatura de pérdida en masa. El proceso de blanqueo por NaClO coadyuba a eliminar la lignina residual después del proceso mediante explosión con vapor. El mecanismo de blanqueo implica la oxidación de la lignina, lo que conduce a la depolimerización de la lignina dejando a la α-celulosa como material residual la cual se ha reportado posee propiedades cristalinas. Los aumentos en la temperatura de degradación ocurren debido al mayor contenido de celulosa y a la alta cristalinidad de las fibras tratadas, lo que permite que las fibras sean capaces de soportar mayor temperatura de descomposición (Meng et al., 2019).
En la Figura 5 se estudió en que las fibras tratadas con SE Y NaClO poseen tamaños desde las 9 μm hasta las 39 μm de espesor siendo la razón principal de que las fibras posean una consistencia suave y blanda en comparación con las fibras sin tratar; sin embargo, aun con el tratamiento realizado se pudieron encontrar de manera minoritaria fibras con tamaños superiores a las 100 μm indicando que el proceso de desfibrilación no es del todo homogéneo, se sabe que las condiciones de operación en los tratamientos con vapor a alta temperatura y las concentraciones del agente blanqueador son altamente determinantes para la liberación de microfibras.
Los tratamientos combinados de explosión de vapor con hipoclorito han demostrado ser altamente eficaces en la reducción drástica de las largas cadenas empaquetadas de fibras a microfibrillas al actuar principalmente en la región interfibrilar durante la explosión de vapor a alta presión. Esta desestructuración facilita una mayor accesibilidad y dispersión de las microfibrillas, mejorando significativamente sus propiedades.
Los resultados obtenidos indican que las microfibras producidas presentan una notable mejora en sus características químicas y térmicas en comparación con las fibras sin tratar. Estas propiedades mejoradas, permiten una mayor superficie de contacto con diversas matrices poliméricas, lo que las hacen altamente aptas para su uso como materiales de refuerzo en la fabricación de compuestos, ofreciendo así un camino prometedor hacia la producción de materiales más sostenibles y de alto rendimiento.
Barciela, P. A.; Perez-Vazquez, A.; Carpena, M. R.; Seyyedi-Mansour, S.; Donn, P.; Fraga-Corral, M.; Otero, P.; Xiao, J.; Simal-Gandara, J.; Prieto, M. A. and Cassani, L. 2023. Insight into steam explosion pretreatment of sugarcane bagasse for bioethanol production †. Engineering proceedings. 37(1): 1-6.