Síntesis de vitrímeros biobasados para su aplicación en composites reciclables

Abstract

En las últimas décadas, los polímeros han constituido un grupo de materiales fundamentales para el desarrollo de productos utilizados en la vida cotidiana de las personas. No obstante, debido al uso de fuentes fósiles para la producción de materiales poliméricos y su posterior impacto medioambiental negativo por la disposición como residuo plástico, se ha vuelto imprescindible la búsqueda de nuevos materiales que provengan de fuentes renovables. De este modo, los materiales poliméricos biobasados han cobrado relevancia debido a su origen de fuentes orgánicas, alta capacidad de biodegradarse o reprocesarse, con el objetivo de aumentar el ciclo de vida útil del material y asegurar una correcta gestión ambiental del mismo. En el presente trabajo, se estudia la preparación de un tipo de polímero con comportamiento dual de termoplástico y termoestable, denominado vitrímero, obtenido a partir de fuentes orgánicas como la vanilina derivada de la lignina, diversos tipos de poliaminas alifáticas precursoras de agentes de curado (1,4-butandiamina (BDAm), dietilentriamina (DETA) y trietilentetramina (TETA)) y aceite de soja epoxidado (ESO). Mediante dicha preparación, se busca complementar el estudio con la caracterización del comportamiento mecánico de los vitrímeros reforzados con tejido de fibras de lino de diferentes gramajes (debido a su potencial sinergia entre materiales biobasados), y contribuir a la formación de composites potencialmente reprocesables y biodegradables. Mediante técnicas de caracterización de espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), resonancia magnética nuclear de protón (1H-NMR), calorímetría diferencial de barrido (DSC), análisis termogravimétrico (TGA) y ensayos de tracción se concluye que los composites preparados con una base de Schiff de vanilina (VSB) y BDAm presentan mejores propiedades mecánicas (módulo de Young: 5 [GPa]; tensión máxima: 44,4 [MPa]; deformación máxima de 17,5%) con mallados más finos de fibras de lino, en comparación a aquellas preparadas con DETA y TETA. No obstante, estas últimas permiten obtener composites que alcanzan una segunda temperatura de transición vítrea cercana a los 101ºC, siendo óptimas para materiales sometidos a altas temperaturas. Finalmente, se desprende mediante ensayos de recuperación del vitrímero a partir del composite que es posible separar los vitrímeros preparados con cada poliamina, de manera parcial o totalmente entre rangos del 80 a 100% en masa de vitrímero recuperado. Esto indica el potencial de reprocesabilidad de las fibras de lino, contribuyendo a la sostenibilidad de la preparación y reciclabilidad del los composites.

In last decades, polymers have constituted a group of fundamental materials for the development of products used in people's daily lives. However, due to the use of fossil sources for the production of polymeric materials and their subsequent negative environmental impact due to disposal as plastic waste, the search for new materials that come from renewable sources has become essential. In this way, biobased polymeric materials have gained relevance due to their origin from organic sources, high capacity to biodegrade or reprocess, in order to increase the useful life cycle of the material and ensure its correct environmental management. In the present work, the preparation of a type of polymer with dual behavior of thermoplastic and thermosetting, called vitrimer, obtained from organic sources such as vanillin derived from lignin, various types of aliphatic polyamines precursors of curing agents (1,4-butandiamine (BDAm), diethylenetriamine (DETA) and triethylenetetramine (TETA)) and epoxidized soybean oil (ESO) is studied. Through this preparation, it is sought to complement the study with the characterization of the mechanical behavior of vitrimers reinforced with flax fibers fabric of different grammages (due to its potential synergy between biobased materials), and contribute to the formation of potentially reprocessable and biodegradable composites. Using Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), proton nuclear magnetic resonance (1H-NMR), differential scanning calorimetry (DSC), thermogravimetric analysis (TGA) and tensile test characterization techniques, it is concluded that composites prepared with a vanillin Schiff base (VSB) and BDAm present better mechanical properties (Young's modulus: 5 [GPa]; maximum stress: 44.4 [MPa]; of maximum formation of 17.5%) with finer mesh of flax fibers, compared to those prepared with DETA and TETA. However, the VSB prepared with DETA and TETA make it possible to obtain composites that reach a second glass transition temperature close to 101ºC, being optimal for materials subjected to high temperatures. Finally, it is clear from vitrimer recovery tests from the composite, that it is possible to separate the vitrimers prepared with each polyamine, partially or totally between 80 to 100% by mass of recovered vitrimer. This indicate the high reprocessability potential of flax fibers, contributing to the sustainability of the preparation and recyclability of the composites.