Desarrollo de biocompuestos a partir de almidón de yuca con alginato de sodio para aplicaciones de termoformado

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(1)DESARROLLO DE BIOCOMPUESTOS A PARTIR DE ALMIDÓN DE YUCA CON ALGINATO DE SODIO PARA APLICACIONES DE TERMOFORMADO. NATHALIA ANDREA ÁLVAREZ PÉREZ CLARA LUISA SAAVEDRA SOLER. UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA QUÍMICA BOGOTÁ D.C. COLOMBIA 2012.

(2) DESARROLLO DE BIOCOMPUESTOS A PARTIR DE ALMIDÓN DE YUCA CON ALGINATO DE SODIO PARA APLICACIONES DE TERMOFORMADO. NATHALIA ANDREA ÁLVAREZ PÉREZ CLARA LUISA SAAVEDRA SOLER. PROYECTO DE GRADO. Asesor Mauricio González Garzón. M. Sc Profesor Instructor. Universidad de Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Química Bogotá D.C. Colombia 2012 2.

(3) AGRADECIMIENTOS. Este trabajo se lo dedico a todas las personas que creyeron en mí e hicieron posible este nuevo logro. Especialmente a mis tres hermosas familias las cuales me motivaron a lo largo de esta etapa de mi vida, a mis padres: Aura y Jorge que son el motor de mi vida, a mami Sharon que por ella soy una ingeniera química y a mom Susanne que jamás deja de creer en mí y es un ejemplo a seguir. También a esa persona que estuvo ahí y con la que conformamos el mejor equipo de trabajo: Clara. Nathalia Andrea Álvarez Pérez. Quiero agradecerle principalmente a Dios por darme la fortaleza y la sabiduría para lograr este gran reto, pero sobre todo por darme la gran familia que tengo. A mis papas Hernán y Clara que siempre han sido mi mayor motivación para escalar y superar cada obstáculo en la vida. Gracias padres por creer en mí, motivarme y apoyarme para llegar hoy a este momento de satisfacción personal. Otra parte fundamental en este proceso fue el acompañamiento y apoyo de mis hermanas Nathalia, Hannell y Anna maría, gracias hermanas por estar siempre y creer que lo podía lograr. A mis abuelas, por siempre estar pendientes de mi desarrollo, por su preocupación, por sus velitas y oraciones que siempre iluminaron mi camino. A todos los profesores que aportaron a mi crecimiento académico, que me hicieron valorar el esfuerzo y la oportunidad de poder ser una profesional integra. A mi asesor de tesis Mauricio González, el cual me acompaño en otras clases y me enseñó lecciones para ser una buena Ingeniera Química. También quiero agradecerle a mis amigas que construyeron conmigo esta meta: Cynthia, Camila, Angela, Laura, Vivian y a Nathalia, mi compañera en las batallas más difíciles pero que siempre logramos librarlas positivamente.. Clara Luisa Fernanda Saavedra Soler. 3.

(4) Contenido RESUMEN ............................................................................................................................................ 7 TITULO ...................................................................................................................................... 7. 1.. DESARROLLO DE BIOCOMPUESTOS A PARTIR DE ALMIDÓN DE YUCA CON ALGINATO DE SODIO PARA APLICACIONES DE TERMOFORMADO. ................................. 7 INTRODUCCIÓN ...................................................................................................................... 8. 2.. OBJETIVOS ......................................................................................................................... 10. 3.. 4.. 5.. 6.. 3.1. Objetivo general ................................................................................................................ 10. 3.2. Objetivos específicos......................................................................................................... 10. ESTADO DEL ARTE ............................................................................................................... 11 4.1. ALMIDÓN ........................................................................................................................ 11. 4.2. ALMIDÓN DE YUCA ..................................................................................................... 12. 4.3. GELATINIZACIÓN ......................................................................................................... 12. 4.4. ALMIDÓN TERMOPLÁSTICO ...................................................................................... 12. 4.5. MATERIAL DE REFUERZO .......................................................................................... 13. 4.6. ALGINATO DE SODIO ................................................................................................... 13. 4.7. TERMOFORMADO DE POLIMEROS ........................................................................... 14. 4.7.1. Descripción del proceso ............................................................................................ 14. 4.7.2. VARIABLES DEL PROCESO ................................................................................. 14. METODOLOGIA ..................................................................................................................... 16 5.1. Materiales .......................................................................................................................... 16. 5.2. Primera fase ....................................................................................................................... 16. 5.3. Segunda fase...................................................................................................................... 17. 5.4. Pruebas Mecánicas ............................................................................................................ 18. 5.5. Calorimetría de barrido diferencial (DSC) ........................................................................ 18. RESULTADOS Y ANÁLISIS .................................................................................................. 19 6.1. Primera fase: Producción de TPS ...................................................................................... 19. 6.2. Segunda fase: Formulación ............................................................................................... 19. 6.3. Tercera fase: caracterización ............................................................................................. 22. 6.3.1. MEZCLADO INTERNO .......................................................................................... 22. 6.3.2. DUREZA ................................................................................................................... 23. 6.3.3. IMPACTO ................................................................................................................. 24 4.

(5) 6.3.4. TENSIÓN .................................................................................................................. 25. 7.. CONCLUSIONES .................................................................................................................... 29. 8.. RECOMENDACIONES ........................................................................................................... 30. 9.. BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................................... 31. 5.

(6) LISTA DE TABLAS. Tabla 1. Condiciones en el mezclado interno.................................................................................... 17 Tabla 2. Condiciones de prensado..................................................................................................... 17 Tabla 3.Diseño experimental............................................................................................................. 19 Tabla 4.Cantidad de energía por formulación. .................................................................................. 23 Tabla 5. Propiedades mecánicas de polímeros (Peacock, 1959). ...................................................... 27 Tabla 6. Propiedades mecánicas de cada formulación. ..................................................................... 28. LISTA DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. Estructura química y esquemática de amilasa y amilopectina (Hongsheng, Fengwei, Long , Ling, & Lin, 2009) ................................................................................................................. 11 Ilustración 2.Estructura molecular del alginato (Lawrie, Keen, Drew, Chandler-Temple, Rintoul, & Fredericks, 2007)............................................................................................................................... 13 Ilustración 3. Estructura del alginato de sodio. (Waldman, Schechinger, Govindarajoo, & Nowick, 1998) ................................................................................................................................................. 14 Ilustración 4. Fases del estudio. ........................................................................................................ 16 Ilustración 5. Primera fase. ................................................................................................................ 16 Ilustración 6. Segunda fase................................................................................................................ 17 Ilustración 7. Tercera fase. ................................................................................................................ 18 Ilustración 8.Mezcla TPS .................................................................................................................. 19 Ilustración 9.Mezcla del mezclador interno, blanco.......................................................................... 20 Ilustración 10. Torque vs tiempo de TPS de yuca con alginato de sodio al 20% w/w. ..................... 20 Ilustración 11. Torque vs porcentaje de alginato de sodio. ............................................................... 21 Ilustración 12. Temperatura vs porcentaje de alginato de sodio. ...................................................... 21 Ilustración 13. Molienda de mezclas. a) Blanco, b) 20%, c) 40% y d) 60% ..................................... 22 Ilustración 14. Perfiles de torque Vs tiempo. .................................................................................... 22 Ilustración 15. Dureza por cada formulación. ................................................................................... 24 Ilustración 16. Dureza por cada formulación. ................................................................................... 24 Ilustración 17. Prueba de impacto por cada formulación. ................................................................. 25 Ilustración 18.Módulo de elasticidad de las diferentes formulaciones.............................................. 26 Ilustración 19. Porcentaje de elongación en ruptura de diferentes formulaciones. ........................... 26 Ilustración 20. Esfuerzo de fluencia de las diferentes formulaciones. .............................................. 27. 6.

(7) RESUMEN Actualmente en la industria de los plásticos surge la necesidad de implementar nuevos materiales, ya que la disposición de residuos plásticos es un problema ambiental de gran impacto en la sociedad, debido a los largos periodos de degradación de los materiales usados comúnmente. Con este trabajo se busca desarrollar biocompuestos a partir de almidón de yuca con alginato de sodio como material de refuerzo para aplicaciones de termoformado; mediante el desarrollo de un diseño experimental que permita evaluar el efecto del contenido de alginato de sodio sobre las propiedades térmicas y mecánicas del material, donde se obtuvo un aumento de dureza y la elongación a ruptura a medida que la cantidad de alginato de sodio se incrementaba, en cambio para el módulo de elasticidad se veía el comportamiento contrario. Este biocompuesto en porcentajes de alginato de sodio, en peso, menores e iguales a 20% cumple con las características para aplicaciones de termoformado, al presentar resultados similares a los materiales usados en la industria.. Palabras claves: Biocompuesto, almidón de yuca, alginato de sodio, termoformado.. 1. TITULO DESARROLLO DE BIOCOMPUESTOS A PARTIR DE ALMIDÓN DE YUCA CON ALGINATO DE SODIO PARA APLICACIONES DE TERMOFORMADO.. 7.

(8) 2. INTRODUCCIÓN El continuo progreso en la ciencia y la innovación de nuevas tecnologías han sido el principal objeto de estudio para mejorar día tras día la calidad de vida. Es por ello que a raíz de lograr la conservación de los recursos no renovables, nace la necesidad de implementar nuevas materias primas que son utilizadas en las diversas industrias, las cuales permitan remplazar los recursos que poco a poco se están agotando a nivel mundial. En dicha búsqueda se han logrado grandes avances como el desarrollo de innovadores materiales a partir de materia orgánica que suplen la demanda del petróleo como materia prima principal. Del mismo modo, se han realizado diferentes investigaciones en el perfeccionamiento de nuevos y mejores materiales con diversas aplicaciones industriales. Otra gran necesidad y preocupación que surge en la actualidad en el desarrollo de nuevos materiales es el equilibrio tanto en la explotación de los recursos como en la conservación del medio ambiente, debido al fuerte impacto ambiental generado por dichos residuos sólidos concluido su tiempo de vida útil, lo cual ha ocasionado graves daños ecosistémicos, problemas de salud pública y efectos sobre el cambio climático, dado su prolongado tiempo de degradación. El sector de manufactura de los plásticos tanto en Colombia como a nivel mundial, genera productos de consumo y bienes intermedios. Debido a que estos productos tienen una amplia aplicación industrial principalmente en el desarrollo de empaques y envases; Estos productos poseen propiedades como resistencia térmica, humedad, conservación y durabilidad, donde la vida útil de las materias primas puede variar dependiendo de la naturaleza de origen. De acuerdo a la revisión bibliográfica realizada se reporta que: botellas (PET) tardan en degradarse entre 100 y 1000 años, juguetes demoran 300 años, bolsas (polietileno) tardan 150 años, tapones (polipropileno) más de 100 años en degradarse, envases tetra-brik (celulosa, polietileno y aluminio) se demoran 30 años aproximadamente (Rodríguez Susa, 2011). La industria de plásticos acorde con las problemáticas ambientales mencionadas anteriormente ha adoptado en su producción el desarrollo de polímeros, los cuales se derivan de la utilización de recursos orgánicos como el uso de almidón procedente de alimentos como papa, yuca, maíz, entre otros, proporcionando biopolímeros con características de corta duración a diferencia de los polímeros convencionales como polietileno, polietileno y demás derivados del petróleo (X.F.Ma, J.G.Yu, 2005). Muchos estudios se han realizado para poder entender las diferentes propiedades de polímeros derivados de fuentes renovables, como es el caso del almidón como se mencionó anteriormente, el cual ha ganado importancia en los últimos años. (Lawton, 1996). El uso industrial del almidón se ha basado en su naturaleza ya que es biodegradable, de bajo costo y su abundante disponibilidad. (Mali & Grossmann, 2003). La norma ASTM-5488-944, describe la biodegradabilidad como la capacidad de un material de descomponerse en 8.

(9) diferentes compuestos: dióxido de carbono, metano, agua y demás componentes orgánicos, en donde la acción enzimática cumple el papel más importante en este proceso de descomposición. Diferentes clases de almidón son acsequibles comercialmente como el de maíz, trigo, arroz y yuca, cada uno de ellos tiene características propias que se acoplan a diferentes aplicaciones a nivel industrial. El proceso de producción de estos biopolímeros se basa en poder plastificar el almidón virgen (sin haber sido sometido a un proceso químico anterior) en presencia de un plastificador, el cual cuenta con grupos hidroxilos como el glicerol. (Röper & Koch, 1990) (Forssel , Mikkilä, Moates, & Parker , 1997); Sin embargo, el efecto plastificante de otros compuestos ha sido estudiado, ya que plastificador aumenta la flexibilidad de los biopolímeros debido a su capacidad de reducir la cantidad de enlaces de hidrogeno entre las cadenas poliméricas, así reduciendo la temperatura de transición vítrea (Tg). (Zeleznak & Hoeney, 1987). Con este proyecto se pretende aportar a la solución del problema ambiental producido por la prolongada degradación de los residuos plásticos en su mayoría envases y diferentes empaques, generando biocompuestos a partir de almidón de yuca con alginato de sodio como material de refuerzo para aplicaciones de termoformado. La elección de este material se debe a sus propiedades biodegradables, reduciendo de forma significativa el impacto ambiental ocasionado por los residuos y la constante explotación de petróleo como materia prima en la elaboración de plásticos.. 9.

(10) 3. OBJETIVOS. 3.1. Objetivo general. Desarrollar biocompuestos a partir de termoplásticos de almidón (TPS) con alginato de sodio para aplicaciones de termoformado. 3.2. Objetivos específicos. Determinar la formulación apropiada para obtener un biocompuesto de almidón de yuca con alginato de sodio. Estudiar la influencia del alginato de sodio sobre las propiedades térmicas y mecánicas del termoplástico de almidón de yuca.. 10.

(11) 4. ESTADO DEL ARTE. 4.1. ALMIDÓN. El almidón ha sido considerado como uno de los materiales más prometedores en la industria, dada su amplia disponibilidad y la opción de crear productos con un costo efectivo final. (Teramoto, Motoyama, Yosomiya, & Shibata, 2003). El almidón es un polisacárido que se encuentra en la naturaleza en plantas y hongos (Salas, 2008), que almacena energía. Está constituido principalmente por una sola unidad repetitiva, la glucosa (C6H12O6); por una mezcla de compuestos, amilasa y amilopectina- moléculas formadas por unidades de (1,4)-αD.glucopiranosil-. La amilasa es esencialmente lineal en cambio amilopectina es altamente ramificada con ramas (1,6) glucosidicas ocurriendo cada 20-25 unidades (Manners, 2011). En la figura 1 se puede observar la estructura química y la representación esquemática de la amilasa y la amilopectina. El peso molecular de la amilasa es alrededor de 1x106, el cual es 10 veces más que los polímeros sintéticos convencionales. Amilopectina, por el contrario es un polímero ramificado con un peso molecular mucho más grande que la amilasa. Todo esto reduce la movilidad de las cadenas poliméricas, e interfiere con cualquier tendencia para ellos a estar lo suficientemente cerca (Hongsheng, Fengwei, Long , Ling, & Lin, 2009).. Ilustración 1. Estructura química y esquemática de amilasa y amilopectina (Hongsheng, Fengwei, Long , Ling, & Lin, 2009). El almidón es conocido también por ser completamente biodegradable en agua y tierra, lo que lo hace aún más interesante. También promueve la biodegradabilidad de plásticos no degradables y también puede ser usado en plásticos sintéticos (Zhou, Willet, & Carriere, 2001) (Ke & Sun, 2001), para producir una mezcla biodegradable a bajo costo. El almidón. 11.

(12) permanece en su forma granular en la matriz plástica y así puede servir como un filtro (Ray & Bousmina, 2005).. 4.2. ALMIDÓN DE YUCA. La yuca (Manihot esculenta Grantz) es una planta originaria de América del sur que se adapta muy bien a terrenos secos y pobres. Es usada para consumo y para la obtención de su almidón y otros usos industriales, la industria más favorable en Colombia es la de concentrados. (Gottret, Escobar, & Pérez, 2002) El almidón de la yuca se encuentra principalmente en la raíz, este puede ser clasificado en nativo (dulce) o agrio; el usado generalmente en la industria es el nativo, el cual no tiene que ser sometido a un proceso de fermentación (Meneses, Corrales, & Valencia, 2007). El tamaño del almidón de yuca puede variar de 5 µm a 35 µm, su forma es redonda y achatada y su contenido de amilosa es alrededor del 17% (Fritz, Seidenstucker, Bolz, & Juza, 1994).. 4.3. GELATINIZACIÓN. Es la pérdida de cristalinidad de los granos de almidón en presencia de calor y por alta cantidad de agua con baja despolimerización. En suspensión acuosa los granos se hinchan por la acción del calor, tienden a perder las propiedades que le confiere su estructura semicristalina y a una temperatura crítica forman un gel (Fritz, Seidenstucker, Bolz, & Juza, 1994). Los granos de almidón crudo son insolubles al agua y solventes orgánicos. 4.4. ALMIDÓN TERMOPLÁSTICO. Se define como almidón termoplástico al almidón que ha sufrido una modificación mediante la adición de plastificantes entre los que se encuentran el agua y el glicerol con la mayor aplicación industrial. De igual forma, dicho almidón es transformado a condiciones de temperatura y presión las cuales permitan obtener un termoplástico amorfo mediante la destrucción completa de la estructura cristalina que este posee (Luna, Villada, Velasco, 2009). Al comparar el almidón termoplástico con los polímeros plásticos usados comúnmente en la industria, se puede observar que dicho almidón muestra algunas desventajas entre las que se encuentran solubilidad en agua, envejecimiento rápido producto de la retrogradación y bajo rendimiento en las propiedades mecánicas, limitando el uso de este material. Debido a esta desventaja, se han llevado acabo múltiples estudios donde se evalúa la adición de diversos materiales que sirven como refuerzo para mejorar tanto las propiedades químicas, térmicas como mecánicas (Luna, Villada, Velasco, 2009).. 12.

(13) 4.5. MATERIAL DE REFUERZO. Al estudiar la caracterización del almidón termoplástico, se puede observar que dicho biopolímero presenta ciertas desventajas frente a los polímeros plásticos como el polietileno (PE), debido a que sus propiedades mecánicas no son tan favorables como las de los polímeros termoplásticos, lo que lleva a la necesidad de agregar otros materiales de refuerzo que permitan mejorar las propiedades mecánicas como la dureza, la elongación y el esfuerzo del almidón termoplástico (Tunjano, 2008). 4.6. ALGINATO DE SODIO. El alginato es un polisacárido sintetizado por algas y bacterias, (Smidsrod & Skäk-Break, 1990) compuesto por acido D-manuronico (M) y subunidades de ácido L-guluronico (G) los cuales son monómeros, y es un componente estructural de las paredes celulares (Merck and Co, 1989) (Rees & Welsh, 1977). En la naturaleza los alginatos tienen grandes variaciones en su composición y el orden de los dos monómeros en la cadena polimérica que varía sus propiedades funcionales y físicas. (Morch, Donati, Strand, & Skjäk-Braek, 2007). Estos monómeros son isómeros que varían su configuración alrededor de un átomo de carbono, lo que hace que la orientación de la cadena sea diferente (Ilustración 2).. Ilustración 2.Estructura molecular del alginato (Lawrie, Keen, Drew, Chandler-Temple, Rintoul, & Fredericks, 2007).. El alginato de sodio (Ilustración 3) es usado comúnmente como espesante en comidas como los helados y alimentos llenos de frutas (Dziezak, 1991). Además en algunos ponches como el de coco, queso para untar y café enlatado. Por otra parte, el alginato es usado para la realización de impresiones dentales, encapsular drogas y como componente de un antiácido. (Waldman, Schechinger, Govindarajoo, & Nowick, 1998). 13.

(14) Ilustración 3. Estructura del alginato de sodio. (Waldman, Schechinger, Govindarajoo, & Nowick, 1998). En los últimos años se ha encontrado que el alginato tiene una habilidad única para formar geles fuertes bajo condiciones fisiológicas por lo que se ha usado como material para inmovilizar células (Smidsrod, Faraday Trans, 1974) y para ingeniería de tejidos (Augst, Kong, & Mooney, 2006) Estos avances se han logrado debido a las características del alginato como la inestabilidad mecánica, hinchazón osmótica, gran porosidad y distribución de tamaño de poro. En la biosíntesis del alginato ocurre una polimerización de un homopolimero manurona (mannuronan), seguido de un post-polimerización en la cual algunos residuos de M son convertidos en unidades de G (Haug & Larsen, 1969).. 4.7. TERMOFORMADO DE POLIMEROS. 4.7.1. Descripción del proceso. El termoformado es un proceso con gran aplicación a nivel industrial, el cual permite moldear una lámina termoplástica mediante la adición de calor, logrando de esta forma suavizar el material para posteriormente copiar el molde deseado (Mc Crum, Buckley & Bucknall, 1988). Por otra parte, se define como un método de manufactura, mediante la cual es posible transformar películas plásticas en otros productos (Joya, 2003).. 4.7.2. VARIABLES DEL PROCESO. En la realización del proceso de termoformado se deben tener en cuenta diversas variables de proceso que afectan las propiedades del material procesado (Joya, 2003). 4.7.2.1. Índice de fluidez. El índice de fluidez determina las características del flujo en el polímero. Dicho índice se encuentra directamente relacionado con la temperatura definida para el proceso (Joya, 2003). 14.

(15) 4.7.2.2. Espesor de lámina. Dado que para realizar un buen proceso de termoformado, es necesario que el perfil de temperatura sea uniforme a largo de la lámina, para lograr este objetivo es necesario que el nivel de variación del espesor no presente variaciones muy elevadas, ya que la probabilidad de obtener un producto defectuoso es mayor (Joya, 2003). 4.7.2.3. Orientación de la lámina. La orientación de la lámina termoplástica es una variable fundamental que limita el encogimiento o expansión durante el proceso de calentamiento y moldeo. Al garantizar una orientación adecuada de la lámina, se obtiene un producto con estabilidad dimensional más alta (Joya, 2003). 4.7.2.4. Temperatura de la lámina. Es la variable de mayor importancia en el proceso de termoformado, ya que es la que define y limite el comportamiento del polímero. Por lo descrito anteriormente, se puede concluir que los rangos de temperaturas se encuentran ligados directamente con el material del termoplástico utilizado. Se debe tener en cuenta temperaturas de termoformado, fusión y degradación del material (Joya, 2003).. 15.

(16) 5. METODOLOGÍA 5.1. Materiales. El almidón empleado para el presente estudio fue almidón de yuca y como plastificante fue usado Glicerol USP sin ningún otro tratamiento. Por otra parte, el material usado como refuerzo es Alginato de sodio. La metodología establecida se divide en tres etapas:. Fase 1: Producción de TPS. Fase 2: Formulación. Fase 3: Caracterización Ilustración 4. Fases del estudio.. 5.2. Primera fase. En esta se desarrolla la preparación de almidón termoplástico, TPS por sus siglas en inglés, para esto se llevan a cabo los siguientes pasos. FASE 1: Producción de TPS. PREMEZCLA: La formulación específica consistió en 60% de almidón de yuca y 40% de glicerina en peso. (Rodríguez, M; González, M). se agita por 2 minutos a 80 rpm hasta una homogenización.. GELATINIZACIÓN: La mezcla es puesta al horno a una temperatura de 100 C por 2 horas. Luego se coloca en un desecador. El contenido de humedad afecta significativamente la viscosidad de fundido de TPS (Willet, Jasberg & Swanson, 1995) Ilustración 5. Primera fase. 16.

(17) 5.3 Segunda fase En esta fase se lleva a cabo el desarrollo de las respectivas formulaciones. Las condiciones de operación se definen según la investigación realizada por Carvalho & Job. (Carvalho, Job, Alves, Curvelo, & Gandini, 2003), tiempo determinado a partir del Torque-grama. Condiciones en el Mezclado Interno Cantidad [g] 60 Temperatura [C] 150 Tiempo [min] 6 Velocidad [rpm] 50 Tabla 1. Condiciones en el mezclado interno.. Condiciones de Prensado Cantidad [g] Temperatura [C] Tiempo de calentamiento[min] Tiempo fundido [min] Tiempo sostenido [min] Tiempo enfriamiento [min]. 195 150 4 2 2 4 Tabla 2. Condiciones de prensado.. FORMULACIONES (TPS/ALGINATO). Mezclado interno: La pre-mezcla realizada se combina con el alginato en el módulo del mezclador interno Brabender.. Molienda: Las diferentes formulaciones de mezcla se muelen para elaborar las probetas.. Moldeo por compresión:El proceso del moldeo se realiza en bajo la norma ASTM D4703, mediante el cual se obtienen las probetas para la caracterización mecánica. Ilustración 6. Segunda fase. 17.

(18) 5.4 Pruebas Mecánicas Dentro de las propiedades mecánicas que se pretenden estudiar se encuentra tensión, dureza shore, impacto y flexión. TENSIÓN Y MÓDULO DE ELONGACIÓN: se realiza bajo las normas ASTMD638M.. FLEXIÓN: se realiza bajo la norma ASTMD749. IMPACTO: se realiza bajo la norma ASTMD256. DUREZA SHORE: Bajo la norma D2240. (A yD). Calorimetría de barrido diferencial (DSC): se usa un equipo de modulado de DSC se obtienen los valores de temperatura de transición vítrea (Tg) y temperatura de fusión (Tm). Ilustración 7. Tercera fase. La prueba de tensión se realizó con el equipo del departamento de ingeniería mecánica bajo la norma ASTMD638M usando una velocidad de 5mm/min (Carvalho, Curvelo, Teixeria, & Da Róz, 2005). Para dureza shore se usaron dos tipos de escala A y D. El valor de dureza de cada formulación fue calculado como el promedio de 10 medidas diferentes y su respectiva desviación estándar.. 5.5 Calorimetría de barrido diferencial (DSC) Para esta prueba se usa un equipo de modulado de DSC de marca Texas Instrument® para medir el contenido de amilosa.. 18.

(19) 6. RESULTADOS Y ANÁLISIS 6.1. Primera fase: Producción de TPS. Partiendo de almidón de yuca y glicerol, la cantidad obtenida de esta pre-mezcla fue 1626.46 g de TPS que fueron almacenados en bolsas selladas y puestas en el desecador para que no recogiera humedad. Sin embargo, se perdió una cantidad de material en el recipiente y las espátulas. Una de las bolsas obtenidas puede apreciarse en la ilustración 8.. Ilustración 8.Mezcla TPS. 6.2. Segunda fase: Formulación. Para esta fase se realizaron las cuatro diferentes formulaciones con base a una mezcla de 60 g, ya que este es la máxima cantidad posible en el mezclador interno. Las diferentes formulaciones se pueden apreciar en la tabla 3. COMPOSICIÓN % EN PESO Formulación. Almidón. Glicerina USP. 1 2 3. 70 70 70. 30 30 30. Alginato de sodio 10 20 40. 4 5. 70 70. 30 30. 60 Blanco. Tabla 3.Diseño experimental En primer lugar se pesa las cantidades de TPS y alginato requerido en cada formulación como se presenta en la tabla 3, para después adicionarlas al mezclador interno, el cual fue previamente calentado hasta una temperatura de 150 °C. Se espera un tiempo de aproximadamente 8 minutos y con ayuda de la pistola de aire se extrae la mezcla como se puede apreciar en la ilustración 9. 19.

(20) Ilustración 9.Mezcla del mezclador interno, blanco. En la ilustración 10 se aprecian los resultados obtenidos del mezclador interno (Brabender), de torque vs tiempo, para los TPS de yuca con un porcentaje de alginato de sodio de 20 % w/w. Siendo la línea roja la temperatura y la línea azul el torque.. Ilustración 10. Torque vs tiempo de TPS de yuca con alginato de sodio al 20% w/w. La ilustración 11 muestra los torques máximos vs el contenido de alginato, donde se aprecia que a medida que el porcentaje de alginato aumenta de 10, 20, 40 y 60% w/w, el torque aumenta con un pico en el torque de 16, 17.5, 39 y 76 Nm respectivamente comparada con el blanco; este aumento puede atribuirse a que el alginato hace la matriz del biocompuesto más fuerte que permite establecer que el mezclador requiere mayor fuerza, por lo mismo los costos de procesamiento aumentan. Así mismo, el TPS sin alginato presenta un máximo torque de 10.5 Nm y la máxima temperatura a que llega es de 160 C. Se puede apreciar que la temperatura no aumenta entre el blanco y la mezcla del 20% w/w, en cambio para las mezclas de 10, 40 y 60 % la temperatura aumenta de aproximadamente 10 °C sucesivamente como se ve en la ilustración 12.. 20.

(21) Torque [Nm]. Torque Máx vs % de alginato 100 80 60 40 20 0 0. 20. 40. 60. 80. % De Alginato w/w. Ilustración 11. Torque vs porcentaje de alginato de sodio.. Temperatura (°C). Temperatura estable vs % de alginato 190 185 180 175 170 165 160 155 150 0. 20. 40. 60. % De Alginato w/w. Ilustración 12. Temperatura vs porcentaje de alginato de sodio. Luego de realizar todas las mezclas necesarias para obtener alrededor de 230 g por cada formulación se procede a realizar una disminución de tamaño por medio de un molino de cuchillas donde se obtuvieron las bandejas que se pueden apreciar en la ilustración 13.. a. b. 21.

(22) d. c. Ilustración 13. Molienda de mezclas. a) Blanco, b) 20%, c) 40% y d) 60%. Para la caracterización de las formulaciones, se requiere realizar unas probetas con el material. Estas probetas son obtenidas por medio de un moldeo a presión. 6.3. Tercera fase: caracterización. Propiedades mecánicas de los compuestos como función del porcentaje de alginato de sodio son presentadas en las siguientes ilustraciones. 6.3.1. MEZCLADO INTERNO. Ilustración 14. Perfiles de torque Vs tiempo. En la Ilustración 14 se pueden observar los perfiles de torque para cada formulación propuesta durante un periodo de tiempo de 12 minutos aproximadamente. Al analizar los resultados obtenidos, se puede observar que el proceso de mezclado interno se divide principalmente en tres etapas: Mezclado o reacción del TPS con el alginato de sodio, proceso de fundido y finalmente la estabilización del torque. Gráficamente la etapa de mezclado se observa que ocurre cuando le torque alcanza un punto máximo; cuando este comienza a disminuir, se da inicio al proceso de fundido, el cual finaliza cuando el torque se estabiliza. 22.

(23) Analizando el perfil de torque para cada formulación, es posible concluir que a mayor composicion de alginato de sodio aumenta significativamente el torque de mezclado dadas las propiedades del alginato, ya que cuando su concentración es mayor en la mezcla, el material que se obtiene presenta mayor rigidez. Por otra parte, se analiza que la formulación Blanco (TPS) al no ser mezclada con alginato de sodio, su estrtuctura interna no es sometida a grandes es fuerzo, es por ellos que no se presenta un pico de torque elevado y la cantidad de energía requerida para el proceso es la menor entre las otras formulaciones. Al realizar el cálculo del área bajo la curva de los picos de torque, es posible determinar la energía que se consume en le mezclado interno de acuerdo a cada formulación y por tanto a los esfuerzos de cizalla a los cuales es sometido el material para su procesabilidad.. Formulación % Alginato 1 2 3 4 5. 0 10 20 40 60. Energía [kW] 1179.61 1346.42 1686.83 9258.70 13120.38. Tabla 4.Cantidad de energía por formulación. Como se mencionó anteriormente, mediante los resultados gráficos fue posible determinar la cantidad necesaria de energía que se requiere en cada formulación para llevar a cabo el mezclado interno del TPS con el alginato de sodio. Mediante la Tabla 4 se concluye que tanto la formulación Blanco (0%) y la formulación de 10% de alginato requiere de menor consumo enérgico y menor sometimiento a esfuerzos mecánicos para la realización de este proceso. 6.3.2. DUREZA. Para realizar esta prueba mecánica en el material, es necesario definir el tipo de dureza con el cual se medió. En este caso y de acuerdo a la norma bajo la cual funciona el equipo se trabajó con dureza Shore. Dicha dureza específica los métodos para determinar la dureza del material mediante dos tipo de durómetros: tipos A para materiales blandos como plásticos y elastómeros y tipo D para materiales más duros como termoplásticos. De acuerdo a la norma ASTM, se pueden encontrar ocho tipos de escala (Kansert, 2011). El método permite la medición de la penetración inicial, la penetración de un período de tiempo determinado. La dureza es inversamente proporcional a la profundidad de la penetración y depende del módulo de elasticidad y las propiedades viscoelásticas del material. La forma del penetrador, la fuerza aplicada y la duración del ensayo influyen en los resultados obtenidos (Kansert, 2011).. 23.

(24) Dureza [Shore A]. 80 60 40 20 0 0. 10. 20. Formulaciones [%w/w]. Ilustración 15. Dureza por cada formulación.. Dureza [Shore D]. De acuerdo a los resultados reportados en la Ilustración 15, se puede observar que no es válido afirmar que hay una relación directamente proporcional entre la dureza y el porcentaje de alginato por cada formulación, dado que la formulación Blanco presenta mayor resistencia que la formulación de 10 %, mientras que la formulación de 20 % tiene mayor resistencia de este tipo A de dureza. 80 60 40 20 0 40. 60. Formulaciones [%w/w]. Ilustración 16. Dureza por cada formulación. Dado que las formulaciones de 40 % y 60% w/w con alginato poseen mayor rigidez frente a las tres formulaciones analizadas anteriormente, su dureza es de tipo D, la cual se aplica en materiales duros y plásticos tipo termoplástico. Al observar los valores de dureza para estas dos formulaciones, se puede concluir que a una mayor cantidad de alginato de sodio en la mezcla aumenta la dureza dada la estructura molecular que toma el TPS al mezclarse con el alginato, logrando un mayor grado de compactación.. 6.3.3. IMPACTO. Debido a la estructura molecular que el material adquiere de acuerdo al porcentaje de alginato de sodio presente en la mezcla, la cual se origina mediante la reacción de dicho componente 24.

(25) con la mezcla de TPS, las formulaciones de Blanco, 10 % y 20 % no se obtuvieron resultados de la prueba de impacto dado que la energía transmitida en el impacto no es suficiente para producir la fractura de las probetas. Estas formulaciones presentan un comportamiento dúctil, su respuesta ante el impacto es nula, es decir, no sufre ningún tipo de deformación frente a la prueba de impacto realizada. 4. [J/m]. 3 2 1 0 40%. 60%. Ilustración 17. Prueba de impacto por cada formulación. Para lograr concluir la viabilidad mecánica del material analizado es necesario conocer cuál sería el comportamiento mecánico cuando es sometido a diferentes condiciones de servicio. Debido a esto, se deben analizar los factores que contribuyen a modificar el modo de fractura, entre los cuales se encuentran la velocidad de aplicación de la carga, la cual depende de la variación del ángulo; la presencia de concentradores de tensiones que se logra haciendo la entalla en la probeta. La entalla realizada a las probetas fue de igual radio bajo la norma ASTM 3640 (Y.Ortega, 2006). De acuerdo a los resultados obtenidos, se analiza que el tamaño de la grieta que se obtiene posteriormente al impacto es cada vez mayor a medida que la velocidad aumenta, dado que si se aumenta el ángulo, la energía transmitida durante el impacto es mayor de modo que la probeta absorber una cantidad mayor de energía, la cual es utilizada en la propagación de la grieta (Y.Ortega, 2006). De este modo, es posible concluir que la formulación de 40 % absorbe mayor energía respecto a la formulación de 60% y presenta un comportamiento más dúctil, mientras que la de 60% presenta un comportamiento más frágil frente al impacto.. 6.3.4. TENSIÓN. Dentro de la norma ASTM 638, se realizaron cinco pruebas por cada formulación, la velocidad elegida inicialmente era 50 mm/min, pero al realizar las pruebas fue necesario cambiar la velocidad debido a que se encontraba sobre la frontera –ruptura dentro del tiempo de la prueba de 0.5-5 min; la velocidad fue 5 mm/min.. 25.

(26) Módulo de Elasticidad [kPa]. En este caso como se puede apreciar en la ilustración 18 el alginato de sodio disminuye el módulo de elasticidad, especialmente en el caso donde se tenía mayor cantidad de alginato de sodio (60% w/w) la diferencia con el Blanco es del 96%.. Módulo de Elasticidad 150 100 50 0 0. 10. 20. 40. 60. [% w/w] Alginato de Sodio. Ilustración 18.Módulo de elasticidad de las diferentes formulaciones.. Elongacion en ruptura [%]. Por otra parte, la presencia de alginato aumenta la elongación a ruptura relacionada a su menor Tg (Jamshidian, Tehrany, Imran, Akhtar, Cleymand, & Desobry, 2012). Por esto, la mayor elongación a ruptura de las formulaciones respecto a la formulación sin alginato de sodio, se explicaría por la acción plastificante desarrollada por este aditivo. Además, en la ilustración 17 se tiene una elongación de 274.5% en la formulación que contenía 10% de alginato de sodio que muestra una zona donde se puede tener un pico máximo (que no se puede asegurar que sea esta formulación) que es necesaria estudiar. Por otra parte, la elongación a ruptura depende prinicipalmente de la adhesión interfacial (Georgopoulos, Tarantili, Avgerinos, Andreopoulos, & Koukios, 2005). 350 300 250 200 150 100 50 0 0. 20. 40. 60. [% w/w] Alginato de Sodio. Ilustración 19. Porcentaje de elongación en ruptura de diferentes formulaciones. Además, es necesario destacar que el aumento de rigidez de las formulaciones con alto contenido de alginato de sodio puede ser atribuido a la muy alta fragilidad de estos materiales, lo cual disminuye su módulo de elasticidad como se puede apreciar en la ilustración 16. Además se puede apreciar un aumento en la elongación al momento de ruptura.. 26.

(27) Esfuerzo de fluencia [MPa]. Se observó que la fuerza de tensión de los biocompuestos (10, 20, 40 y 60% de alginato de sodio) aumenta excepto en el caso de 10% donde disminuyo comparado con el blanco. Esta mejora en la fuerza de tensión se debe a la naturaleza del alginato y a la transferencia de tensión en la interfase de la matriz polimérica. 80 60 40 20 0 0. 20. 40. 60. 80. Porcentaje de alginato [%]. Ilustración 20. Esfuerzo de fluencia de las diferentes formulaciones. Como se puede observar en la ilustración 18, el esfuerzo de fluencia aumenta debido a la cantidad de alginato de sodio, es decir al aumentar la cantidad de alginato de sodio la energía necesaria para el cambio microestructural aumentaría al igual que para sufrir la deformación elástica; sin embargo a 10% en peso hay un comportamiento diferente que debe ser investigado a profundidad. Para poder evaluar la efectividad de los valores obtenidos en el estudio se comparó los resultados que arrojaban las diferentes pruebas mecánicas con las propiedades mecánicas de los principales materiales utilizados para termoformar como los son el polietileno y el Polivinilo de Cloruro (PVC). PROPIEDAD. POLIETILENO BAJA. POLIETILENO ALTA. PVC. Elongación a ruptura [%] Esfuerzo de fluencia [MPa] Dureza shore D. 100-650. 20-120. 40-80. 15-20. 26-33. 24-34. 44-50. 66-73. 66-85. Temperatura de fusión [°C]. 98-110. 125-132. 170. Impacto [J/m]. 21.36. NO ROMPE. 21-1174. Tabla 5. Propiedades mecánicas de polímeros (Peacock, 1959). Como se puede ver en la tabla 5, los tres polímeros usados para la comparación presentan valores diferentes entre si, lo cual indica que los rangos de las distintas pruebas mecánicas tienen una gran 27.

(28) amplitud. El siguiente paso es la obtención de un valor promedio para las propiedades mecánicas obtenidas por cada una de las formulaciones planteadas en el estudio, expuestas en la tabla 6. PROPIEDAD. 10%. 20%. 40%. Elongación a ruptura [%] Esfuerzo de fluencia [MPa] Dureza shore D. 275. 50. 65. 62. 10. 22. 64. 57. -. -. 40-43. -. 162. Temperatura fusión [°C] Impacto [J/m]. de. NO ROMPE. 158. NO 1.9-2.8 ROMPE. 60%. 60-64 1.5-1.9. Tabla 6. Propiedades mecánicas de cada formulación. A partir de la información de las tablas 5 y 6, las formulaciones de 40 y 60% w/w no se encuentran dentro de los rangos de las diferentes pruebas mecánicas, como por ejemplo el esfuerzo de fluencia es demasiado grande, el impacto es muy pequeño aunque si rompe y la dureza shore D se encuentra por debajo de los valores de los tres polímeros mostrados, estos resultados confirman que estas dos formulaciones no serían apropiadas para el proceso de termoformado. Por otro lado, se puede apreciar como la formulación de 20% w/w de alginato tiene características con valores cercanos al polietileno de alta densidad. Adicionalmente, se observó que dicha formulación presenta una ventaja sobre el compuesto comparado debido a que su temperatura de fusión es mayor, lo cual favorece su aplicación de termoformado.. 28.

(29) 7. CONCLUSIONES. En general, las propiedades físicas y mecánicas de las diferentes formulaciones modificadas por la cantidad de alginato de sodio.. fueron. Se comprobó que la presencia del alginato de sodio en la mezcla de TPS mejora la rigidez de las diferentes formulaciones y disminuye la elongación a ruptura. Al ser menos flexible las formulaciones con una mayor cantidad de alginato de sodio De igual forma, la reacción de alginato de sodio con la mezcla de TPS cambian la estructura molecular del material, modificando las propiedades mecánicas ya sean a favor de un material de mayor o menor resistencia. En este caso, las pruebas de impacto y dureza son favorables para las formulaciones que presentan menor cantidad de alginato (10%, 20% w/w). De acuerdo a los los perfiles de torque obtenidos en el mezclado interno, se concluyo que a mayor composición de alginato de sodio aumenta significativamente el torque de mezclado dadas las propiedades del alginato, ya que cuando su concentración es mayor en la mezcla, el material que se obtiene presenta mayor rigidez. Al realizar la comparación con los polímeros usados en termoformados en la actualidad, se concluye que este biocompuesto en porcentajes de alginato de sodio, en peso, menores e iguales a 20% cumple con las características para aplicaciones de termoformado, al presentar resultados similares a los materiales usados en la industria.. 29.

(30) 8. RECOMENDACIONES. Como se pudo observar en los resultados, es necesario reducir el rango de contenido de alginato de sodio en las posibles formulaciones planteadas, dado que a un porcentaje mayor al 20% en peso la influencia sobre las propiedades mecánicas no permite la aplicación para termoformado. Se recomienda el estudio de la granulometría del alginato de sodio utilizado para poder identificar si la estructura molecular obtenida influye de manera positiva en las pruebas mecánicas y aplicación para termoformar.. 30.

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