CARACTERIZACIÓN A PARTIR DE LA MICROSCOPÍA OPTICA DE

Revista Latinoamericana
de Metalurgia
y Materiales,
Vol. 20, N°2, 2000,47-53
CARACTERIZACIÓN A PARTIR DE LA MICROSCOPÍA
OPTICA DE LUZ POLARIZADA, LAS PROPIEDADES
TÉRMICAS Y LA ESPECTROSCOPÍA DEL TERMOPLASTICO
BIODEGRADABLE POLI(HIDROXIBUTIRA TO).
B. Rojas de Gáscue', J. L. Manosalva', G. Liendo/, R. Nonato3 y C. Rosse1l3
l. Instituto de Investigaciones en Biomedicina y Ciencias Aplicadas de la Universidad de
Oriente, IlBCA-UDO, Núcleo Sucre, Cerro del Medio, Apdo. Postal 245, Cumaná. Edo.
Sucre, Venezuela.
2. Laboratorio de Resonancia Magnética Nuclear. Escuela de Ciencias. Universidad de Oriente
(UDO), Núcleo Sucre, Cumaná. Edo. Sucre, Venezuela.
3. Centro de Tecnología COPERSUCAR, Cooperativa de Productores de Caña, Azúcar y
Alcohol. Piracicaba, Sao Paulo, Brasil
E-mail: blancagascuetéihotmail.com
Resumen
En este trabajo se presenta la caracterización estructural del biopolímero poli(hidroxibutirato),
PHB,
producido en una central azucarera brasileña por microorganismos en un medio de cultivo balanceado de
azúcar de caña y minerales. Los espectros de resonancia magnética nuclear (RMN) de protones y de carbono
CH y 13C), revelaron la pureza del material y confirmaron su carácter de homopolímero.
Igualmente la
espectroscopia infrarroja (FTIR) permitió corroborar la ausencia del copolímero poli(hidroxibutirato-cohidroxivalerato), PHB/HV, y de otras impurezas, ya que no se apreciaron señales de otro compuesto diferente
al PHB. No obstante se detectaron dos bandas intensas a 1747 y 1725 cm' que indican que existe degradación
hidrolítica en el biopolímero original lo cual ocurre durante su proceso de producción. Mediante la
Microscopía Optica de Luz Polarizada (MOLP) se comprobó la pureza del PHB que desarrolló grandes
esferulitas con diámetros de cientos de micras y se midió la velocidad de crecimiento esferulítico. El rango de
fusión y la cristalinidad medida por DSC reveló el carácter comercial de este biopolímero.
"
Palabras claves: biopolimero, MOLP,
esferulitas, espectroscopia FTIR, RMN, DSC.
Abstraet
In this work the structural characterization of the biopolymer poly(hydroxybutyrate) is presented, PHB,
produced in a Brazilian sugar power station by microorganisms in a means of balanced cultivation of sugar
cane and minerals. Nuclear magnetic resonance spectra (RMN) of protons and carbon
y 13C), revealed
the purity of the material and confirrned their character of homopolymer. In the same way, the infrared spectra
(FTIR) allowed to corroborate the absence of copolyester ofhydroxybutyrate and hydroxyvalerate), PHB-HV,
since signs of another compound different to the PHB were not appreciated. Nevertheless two intense bands
were detected at 1747 and 1725 cm-l which indicate that hydrolytic degradation exists in the original
biopolymer that should take place during its production process. By means of Polarizing Optical Microscope
(POM) was pro ven the purity of the PHB that developed big spherulites with diameters of hundred of microns
and the radial growth rate of PHB spherulites growth. The melting range and the crystallinity obtained by
DSC reveals the commercial character of this brazilian biopolymer.
CH
Keywords: Biopolyrner, POM, spherulites, FTIR spectra, RMN spectra, DSC.
48 B. Rojas de Gáscue, J. L. Manosalva y col./Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales
1. Introducción
El desarrollo de la industria petroquímica ha reforzado
el papel relevante que en los últimos años han tenido los
plásticos sintéticos en la vida diaria. No obstante, una de
sus principales limitaciones ha sido como disponer de ello
después de usados, ya que no son biodegradables y
contribuyen cada vez más a la contaminación por el
incremento de los desechos plásticos. Como una respuesta
a este problema se han desarrollado poliésteres alifáticos
de tipo poli(hidroxialcanoatos).
De ellos, el más
importante es el poli(3-hidroxibutirato), (PHB), el cual fue
aislado por primera vez por Lemoigne en 1925 y es
relativamente abundante en el ambiente: en bacterias del
suelo, en la micro flora, en algas, aunque el porcentaje del
PHB en estas células es normalmente bajo, entre el 1 y el
30% [1]. Sin embargo, la producción comercial de este
biopolímero y sus copolímeros ha venido investigándose
desde hace dos décadas, ya que bajo condiciones de
fermentación
controlada, con exceso de carbono y
nitrógeno, una producción
del polímero puede ser
obtenida, hasta en un 70% [2].
El PHB es producido por bacterias, cuando a las
mismas se les hace crecer en condiciones controladas de
fermentación con una variedad de substratos como azúcar,
etanol, dióxido de carbono y otros. De modo que este
biopolímero puede a su vez ser consumido por los
microorganismos dejando sólo residuos de dióxido de
carbono yagua.
Esto hace que su producción y
comercialización se presente como una vía prometedora
para solucionar el problema del reciclaje de los desechos
plásticos.
En este trabajo se estudió la estructura química, las
propiedades térmicas y la velocidad de cristalización de
un PHB producido por COPERSUCAR, central azucarera
brasileña, a partir de microbios del tipo Alcalígenes sp, en
un medio de cultivo balanceado de azúcar de caña y
minerales.
Debido a que el producto resultante es
excepcionalmente puro, el nivel de núcleos heterogéneo s
que presenta es muy bajo y cuando el PHB es enfriado
desde el fundido se puede observar mediante la técnica de
Microscopia Óptica de Luz Polarizada (MOLP) para
seguir la formación y el crecimiento de sus agregados
cristalinos en forma de esferulitas. El tamaño de tales
agregados limita algunas de las propiedades mecánicas
finales del PHB, como su resistencia al impacto y la
elongación a la ruptura, de allí la importancia de esta
caracterización del producto para determinar los posibles
campos de aplicación de este producto.
2.
Parte Experimental
•
Espectroscopía RMN
Los espectros de Resonancia Magnética Nuclear
(RMN) de lH y l3C fueron tomados empleando un
espectrómetro RMN marca Bruker de 100 MHz!52 mm,
utilizando tetrametilsilano (TMS) para calibrar el equipo y
cloroformo deuterado (CDCL3) como solvente.
• Espectroscopía FTIR
A partir del biopolímero poli(3-hidroxibutirato) (PHB)
suplido por COPERSUCAR - Brasil, se elaboraron
películas precipitando sobre una superficie de vidrio una
solución de 10 mg/rnl de PHB disuelto en cloroformo a
60°C, después que el solvente fue evaporado
a
temperatura ambiente. Los espectros infrarrojos de las
películas se realizaron utilizando un espectrofotómetro IR
con Transformada de Fourier (FTIR) , marca Perkin
Elmer, modelo PC 16, después de 25 barridos con una
resolución de 2 cm-l.
•
Propiedades Térmicas
Para el estudio del comportamiento térmico del PHB,
se empleó un Calorímetro Diferencial de Barrido, marca
Perkin Elmer, modelo DSC 7, en el cual se colocaron
entre 6 - 10 mg de muestra encapsuladas en aluminio. El
PHB fue mantenido 2 minutos por encima de su rango de
fusión para borrar su historia térmica, calentando el
material desde 25 hasta 200°C a una velocidad de
lO°C/min y permaneciendo a 200°C por este tiempo.
Luego se les realizaron barridos de calentamiento desde
25 a 200°C para registrar la entalpía ('óHf) y la
temperatura de fusión (Tf ), y de enfriamiento desde 200 a
25°C para registrar la temperatura de cristalización (Te) a
una velocidad de lO°C/min. Cabe destacar que todos los
barridos se realizaron bajo atmósfera de nitrógeno a fin de
evitar degradación y/o oxidación del material.
•
Microscopía Óptica de Luz Polarizada (MOLP)
Para determinar la velocidad de crecimiento radial de
las esferulitas en el PHB, se utilizó un Microscopio
Óptico de Luz Polarizada (MOLP) Zeiss y una platina
térmica marca Linkam que controló la temperatura y la
velocidad de enfriamiento y calentamiento del PHB
observado. En la platina térmica se calentó el polímero
hasta los 200°C donde se mantuvo 2 minutos para luego
ser enfriado a una velocidad de 90o/min hasta una
temperatura fija de cristalización.
3.
Resultados
y
Discusión
El biopolímero poli(3-hidroxibutirato)
(PHB) suplido
por COPERSUCAR - Brasil tiene la siguiente estructura
[2], lo cual fue comprobado mediante los espectros FTIR
yRMN
CH3
1
O
11
-f0-CH-CH2-C7
n
49
Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 20, N°2,2000.
3.50
c-o-c
1300-1000 cm'
I
3.0 -
¡jll
I
C=O
1746 cm' C=O
""
1725 cm-I
2.5 -
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I
2.0-
I
-CH3
1380 C~,-l
\
A
1.5~
1.0-
0.5 -
0.00
_
I
4000
I
3500
T
3000
T
2500
4400.0
I
I
I
I
I
I
I
1800
1600
1400
1200
1000
800
1
600
450.0
2000.0
CM-1
Figura l. Espectro FTIR del biopolímero poli (3-hidroxibutirato)
En la Figura 1 se presenta el espectro infrarrojo de
poli(3-hidroxibutirato) (PHB) el cual presenta dos bandas
intensas a 1747 Y 1725 crn', siendo las mismas
características
del estiramiento del enlace C=O en
compuestos carbonílicos. También aparece una banda a
1452 cm-1 debida a la deformación asimétrica del enlace
C-H de grupos metilenos,
otra
a 1380 cm'
correspondiente al estiramiento del enlace C-H de grupos
metilos y una serie de bandas intensas entre 1300 y
1000 cm", originadas por el estiramiento del enlace C-O
del grupo éster.
El origen de la doble banda que manifiestan los grupos
carbonilos, podría explicarse en base a trabajos reportados
por Sabino y Col.[3] sobre poliésteres alifáticos, para los
cuales encuentran en los espectros FTIR, que muestras del
poliéster sometidas a degradación hidrolítica manifiestan
una banda a 1755 cm', que fue asignada al estiramiento
del enlace C=O de los grupos ésteres mientras que la
presencia de la otra banda a 1732 cm", se asignó al
carbonilo de los ácidos carboxílicos formados durante el
(PHB).
proceso de hidrólisis. De modo que la banda a 1725 cm-I
en el espectro del PHB seguramente es originada por el
carbonilo de grupos ácidos que existían originalmente en
el biopolímero como consecuencia de degradaciones
hidrolíticas que se produjeron durante su producción,
debido a las características mismas de este proceso [1].
El espectro RMN IH del PHB (Figura 2) mostró señales
que corroboraron la estructura del PHB, ya que se pudo
asignar cada absorción a un tipo determinado de átomo de
hidrógeno en función del apantallamiento esperado.
En el espectro de la Fig. 2 se reflejó un dobJete entre
1,24-1,31; un triplete entre 2,49-2,60 y un multiplete
entre 5,16-5,36 ppm, los cuales corresponden a la
resonancia de hidrógenos de grupos metilos, metilenos y
metinos, respectivamente.
El espectro RMN 13C del PHB obtenido (Figura 3)
demostró aún mejor la pureza del PHB brasilero. En base
a las asignaciones reportadas por Doi y Col. [4], para
muestras de poli(j3-hidroxibutirato),
se asignaron los
desplazamientos para cada tipo de carbono en la muestra
de PHB estudiada, los cuales se reportan en la Tabla 1.
50 B. Rojas de Gáscue, J. L. Manosalva y col./Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales
Tabla 1. Desplazamientos
químicos y asignaciones de acuerdo a Doi y Col. [4] en el PHB estudiado
O (ppm) (RMN 13C)
Tipo de carbono
CH3
CH2
CH
C=Ü
19,76
40,77
67,40
169,14
~~~~~,
m
(\J
o
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8.0
6.0
4.0
2.0
I
00
PPM
Figura 2. Espectro RMN de protones CH) del biopolímero poli(3-hidroxibutirato)
(PRB).
Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 20, N°2,2000.
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·
3. Espectro RMN de carbono ( 13 C) del PHB estudiado.
Figura
Se realizaron también análisis de los espectros RMN
de tipo DEPT, que reflejaron más específicamente los
carbonos secundarios y los discriminaron de los otros
tipos de carbonos (Figura 4) lo cual permitió corroborar la
ausencia del copolímero PHB/HV y de otras impurezas,
ya que no se apreciaron señales de otro compuesto
diferente al PHB
En la Figura 5 se muestra el termo grama de
calentamiento del PHB estudiado, el cual refleja una
endoterma con una temperatura pico de fusión (Tf) de
171°e. Este valor indica que el PHB corresponde
prácticamente a un homopolímero, o a un copoliéster con
muy poco porcentaje de comonómero (menos del 5%)
según la literatura reportada[5]. En el terrnograma además
se registró una entalpía de fusión (L'lHf)de 85 llg, con la
que se obtuvo un porcentaje de cristalinidad de 60%
aproximadamente[2] .
Por otra parte, el terrnograma de cristalización manifestó
una
transición
exotérmica
correspondiente
a la
temperatura de cristalización (Te) de 110°C.
El alto subenfriamiento
encontrado
(ya que la
diferencia entre Te y Tr es de 64°C) evidencia la ausencia
de núcleos heterogéneos que faciliten el proceso de
cristalización como ocurre en otros sistemas, tales como
los polietilenos comerciales, que generalmente poseen
núcleos procedentes de los restos de catalizador debido a
su tipo de síntesis.
Las micrografías obtenidas en el Microscopio Óptico de
Luz Polarizada, MOLP, reflejaron la pureza del PHB que
desarrolló grandes esferulitas con diámetros de cientos de
micras (Figura 6: a, b, e y d).
Además, las esferulitas presentaron unas bandas
radiales características del PHB (ver Micrografías (b) Y
(c)). A partir de la serie de micrografías ópticas de las
esferulitas de PHB cristalizadas a 110°C después de haber
fundido el polímero a 200°C por 2 minutos, se determinó
la velocidad de crecimiento radial a esta temperatura que
resultó ser de 5,30 um/seg.
52 B. Rojas de Gáscue, J. L. Manosalva y coL/Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales
POLlMERO
BRASILERQ;
DEPT
135;
CH-
V
CH3-
POSITIVOS;
CH
CH2-
NEGATIVOS
(2)
I
I
I
200
180
I
160
I
140
I
120
I
100
I
80
I
60
I
I
40
20
I
o
PPM
Figura 4. Espectro RMN de tipo DEPT de carbono
e) del PHB
(l3
estudiado.
15
3:
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Figura 5. Termograma de fusión del PHB
Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 20, N°2, 2000.
(a)
t3
53
t2 = 1 mino y 15 seg.
t, = 1 mino
t4 = 1 mino y 44 seg.
= 1 mino y 32 seg.
Figura 6. Serie de Micrografías ópticas mostrando el crecimiento radial de las esferulitas para el PHB a 110 "C.
4.
Conclusiones
Los termogramas obtenidos y los espectros FfIR y de
RMN reflejaron la alta pureza del PHB estudiado. Las
transiciones térmicas encontradas son comparables a las e
un polímero comercial como es el polipropileno, 16 cual
indica que este tipo de biopolímero
muestra un
comportamiento
termoplástico de carácter altamente
comercial.
La morfología observada en las esferulitas mediante
la MOLP, así como la velocidad de crecimiento radial
obtenida, de acuerdo con los antecedentes reportados [2],
corresponden a un PHB prácticamente homopolímero tal
como lo reflejó la temperatura de fusión obtenida.
No obstante, el gran tamaño esferulítico encontrado
mediante la MOLP refleja la necesidad de agregar
agentes nucleantes a este biopolímero para aumentar sus
propiedades mecánicas las cuales deben estar afectadas
por estas características morfológicas.
5. Agradecimientos
Se agradece el financiamiento de este trabajo al Consejo
de Investigación de la UDO por el Proyecto CI-5-19020836/98, al CONICIT por el Proyecto del Laboratorio
Nacional RMN, Lab-97000665 y al Dr. Marcos Sabino,
del Grupo de Polímeros de la Universidad Simón
Bolívar, por su valiosa asistencia durante la toma de las
micrografías ópticas en el MOLP.
6. Referencias
1.
2
3
4
5
P.A. Holmes, Phys. Technol., 16, (1985) 32-36.
P.J. Barham, A. Keller,E.L.Otun
y P.A.Holmes, J.
Mater. Sci., 19, (1984) 2781-2794.
M.A.Sabino, S. Gonzalez, L. Márquez y J.L.Feijoo,
Polym. Deg. & Stab.,69, (2000) 209
Y. Doi, M. Kunioka, Y. Nakamura y K. Soga,
Macromolecules, 19, (1986) 2860-2864
Y.Saito, N. Shigeo, M. Hiramitsu y D.Yoshiharu,
Polym. Int., 39, (1996) 169-174.