by Seshata on 09/09/2014 | Cultivo Cultural

¿Cómo se hacen los plásticos de cáñamo?

Plásticos de cáñamo Con más frecuencia cada año, llegan al mercado novedades en la tecnología de los plásticos de cáñamo y, a día de hoy, incluso algunas de las más grandes empresas (en particular, los fabricantes de automóviles) incorporan plásticos de cáñamo en sus productos. Existen diferentes tipos de plásticos de cáñamo por lo que, en este artículo, vamos a explicarte brevemente, pero paso a paso, cómo se fabrica cada uno de ellos.


La celulosa de cáñamo

How are hemp plastics made La celulosa es el polímero orgánico más abundante en la Tierra, y es una elemento esencial de las paredes celulares de las plantas y de muchas especies de algas. Aunque la celulosa se ??utiliza, principalmente, para hacer papel, también se usa para hacer una amplia gama de diferentes plásticos, entre los que se incluye el celuloide, el celofán y el rayón. Cuando se produjeron los primeros plásticos, todos estaban compuestos de materiales orgánicos y no sintéticos, y por aquel entonces, la celulosa, era un elemento clave de la incipiente industria del plástico. Actualmente, los bioplásticos han vuelto a suscitar un gran interés por sus diferentes beneficios medioambientales.

La celulosa es un polisacárido de cadena larga, con la fórmula química (C6H10O5)n, que consta desde cientos hasta miles de unidades de glucosa unidas. Forma microfibras (pequeñas hebras, a modo de fibra) en las paredes celulares de las plantas, y también adopta varias formas cristalinas diferentes, aunque su forma natural se compone de secciones cristalinas junto con algunas secciones amorfas.

El celofán, el rayón y el celuloide

Tanto el celofán como el rayón se clasifican como fibras de celulosa regenerada, ya que su estructura es exactamente igual a la de la celulosa. Se producen de manera similar: la celulosa se ??disuelve en una solución alcalina y pasa por un proceso de extrusión, a través de una ranura en un baño de ácido sulfúrico, para hacer película de celofán, o través de un orificio para hacer fibra de rayón. El celuloide se obtiene produciendo, en primer lugar, nitrocelulosa (nitrato de celulosa) y luego mezclándola con alcanfor, un plastificante ampliamente utilizado, con el fin de producir un termoplástico denso y sólido, que puede moldearse fácilmente cuando se calienta.

La celulosa de cáñamo se puede extraer y utilizar para hacer celofán, rayón, celuloide y una variedad de plásticos relacionados. Se sabe que el cáñamo contiene alrededor del 65 a 70% de celulosa, y se considera una buena fuente (la madera contiene alrededor del 40%, el lino del 65 al 75% y el algodón hasta el 90%) que promete, sobre todo gracias a su sostenibilidad relativa y a su bajo impacto medioambiental. El cáñamo crece más rápidamente que la mayoría de las especies de árboles, y requiere menos pesticidas que el algodón o el lino, aunque sí requiere una cantidad importante de fertilizantes en algunos suelos, y también necesita una cantidad, relativamente, elevada de agua.

Otros posibles productos a base de celulosa de cáñamo

Zeoform es un bioplástico de celulosa que puede hacerse con cáñamo, y moldearse para fabricar diferentes productos (© Zeoform)
Zeoform es un bioplástico de celulosa que puede hacerse con cáñamo, y moldearse para fabricar diferentes productos (© Zeoform)

La celulosa puede usarse para hacer una amplia gama de plásticos y sustancias relacionadas. Gran parte de la diferencia en las propiedades físicas se debe a la longitud de las cadenas de polímeros y al grado de cristalización. La celulosa se extrae del cáñamo y de otros cultivos de fibras de diferentes maneras. La pulpa cruda puede ser hidrolizada (separada en sus partes componentes al añadir agua) a 50-90° C. También puede remojarse en una solución de ácido débil para separar las secciones cristalinas de las secciones amorfas, y así producir celulosa nanocristalina.

Asimismo, puede someterse a calor y presión extra para producir una forma interesante conocida como nanocelulosa, un “pseudo plástico” cuyo aspecto es similar a un gel viscoso en condiciones normales, pero que se vuelve más líquido cuando se agita o se somete a tensión. La nanocelulosa (o microfibra de celulosa) presenta una gran variedad de posibles aplicaciones, como material de refuerzo en los compuestos plásticos, como material extremadamente absorbente para limpiar los derrames de petróleo o para fabricar productos de higiene, e incluso como estabilizador bajo en calorías en la tecnología alimentaria.

Zeoform es un productor de plásticos de cáñamo que ofrece un plástico a base de celulosa, fabricado utilizando su proceso patentado, sólo a partir de agua y una serie de fibras de celulosa natural, que incluyen el cáñamo. Su sitio web dice que su técnica “convierte las fibras de celulosa en un material moldeable de resistencia industrial que puede convertirse en una variedad ilimitada de productos”, que van desde el “Poliespanligero” al “ébano denso”. Zeoform se anuncia como 100% no tóxico, biodegradable, y reciclable ya que se puede convertir en compost, además de representar una forma de secuestro de carbono en formas funcionales y atractivas. No está claro en qué consiste su técnica patentada, pero al parecer, ofrece un grado preciso de control sobre la medida de la longitud del polímero y del enredo, lo que permite que produzca una amplia gama de plásticos.

Plásticos compuestos de cáñamo

Los materiales plásticos compuestos están formados por una matriz de polímero, que puede basarse en la celulosa o en una gama de otros polímeros naturales o sintéticos, y fibras de refuerzo, que a su vez pueden ser de origen natural (y principalmente compuestas de celulosa) o de origen sintético. Los polímeros naturales incluyen el alquitrán, la goma laca, el carey, y muchas resinas de árboles, mientras que las fibras naturales incluyen el yute, el sisal, el algodón y el lino. Entre los materiales de relleno inorgánicos tradicionales se incluyen el talco, la mica y la fibra de vidrio.

Los compuestos plásticos de cáñamo presentan una alta resistencia a la tensión y rigidez, y se utilizan en la fabricación de automóviles, barcos, instrumentos musicales, y muchos otros productos (© Wikimedia Commons)
Los compuestos plásticos de cáñamo presentan una alta resistencia a la tensión y rigidez, y se utilizan en la fabricación de automóviles, barcos, instrumentos musicales, y muchos otros productos (© Wikimedia Commons)

Los biocompuestos se definen generalmente por tener, por lo menos, un componente principal de origen orgánico. Aunque se pueden producir plásticos que sean 100% orgánicos, la mayoría se compone de algunos elementos sintéticos. Generalmente, se mezcla una fibra natural con un polímero sintético y etiquetado como biocompuesto. Las diversas combinaciones de fibras y polímeros que se pueden utilizar para hacer bioplásticos varían en gran medida en densidad, resistencia a la tensión, rigidez, y otros factores. Dichos factores se pueden modificar durante el proceso de fabricación con el fin de crear productos adecuados para una amplia gama de aplicaciones, como para la fabricación de materiales de construcción, muebles, instrumentos musicales, barcos, paneles de automóviles, bolsas de la compra biodegradables, e incluso en la medicina, para hacer “estructuras de soporte” biocompatibles en la reconstrucción del tejido óseo.

Las fibras de cáñamo son conocidas por su resistencia a la tensión, en particular las fibras de la planta femenina (las fibras masculinas son más finas, más suaves, y con frecuencia más duraderas, pero son también menos resistentes). Un estudio de 2003 sobre los materiales compuestos de polipropileno (PP) reforzados con fibra natural reveló que el cáñamo, el kenaf y el sisal mostraban resistencia a la tensión comparable a los compuestos tradicionales de fibra de vidrio, y que el cáñamo superaba a sus competidores en la resistencia al impacto. Un estudio realizado en 2006 indicó que los compuestos de fibra de cáñamo consiguieron unos, ligeramente, mejores resultados que las fibras de vidrio. En otro estudio elaborado sobre los materiales compuestos de PP reforzado con fibras de cáñamo, se demostró que el uso de una forma de PP conocida como polipropileno maleado (MAPP) incrementaba la resistencia a la tensión y las propiedades mecánicas en general, hasta el 80% en comparación con los compuestos de fibra de vidrio tradicionales.

Los materiales 100% biocompuestos fabricados con cáñamo

Se han desarrollado varios materiales biocompuestos o biomateriales totalmente a partir de sustancias orgánicas y, algunos de ellos, contienen fibras de cáñamo como material de relleno. En 2003, un estudio sobre la resistencia a la tensión de las fibras de cáñamo puso de manifiesto que si los haces de fibras de cáñamo se alcalinizan con hidróxido de sodio diluido (NaOH) en concentraciones de 4-6%, presentan una mayor e importante resistencia a la tensión y rigidez, cuando se combinan con la matriz del polímero líquido de la cáscara del anacardo para fabricar plásticos biocompuestos.

En 2007, un grupo de investigadores coreanos anunciaron un biocompuesto producido a partir de ácido poliláctico de origen orgánico (PLA, un importante poliéster termoplástico biodegradable) reforzado con fibras de cáñamo. Los investigadores también descubrieron que el tratamiento de las fibras de cáñamo con álcali diluido aumentaba su resistencia a la tensión. Los materiales biocompuestos demostraron una mayor resistencia y rigidez en comparación con los plásticos sólo a base de PLA.

En 2009, otro grupo de investigadores de la Universidad de Stamford anunciaron el desarrollo de un material compuesto reforzado con fibra de cáñamo hecho con bio-polihidroxibutirato (BHP), un polímero que se puede derivar de varias especies de bacterias (incluido el Bacillus) que se someten a estrés físico, como la privación de nutrientes. Estos materiales compuestos de cáñamo y de BHP son fuertes, suaves y atractivos, y lo suficientemente duraderos como para utilizarlos en la construcción, y para fabricar muebles y materiales para el suelo.

Los materiales 100% biocompuestos de tereftalato de polietileno (PET)

La industria de los refrescos ha comenzado a incorporar biomateriales de PET en las botellas de sus bebidas, y tiene como objetivo que el 100% de las botellas estén fabricadas con biomateriales de PET en 2018 (© JeepersMedia)
La industria de los refrescos ha comenzado a incorporar biomateriales de PET en las botellas de sus bebidas, y tiene como objetivo que el 100% de las botellas estén fabricadas con biomateriales de PET en 2018 (© JeepersMedia)

Los plásticos a base de resina de polímero pueden estar compuestos de una sola molécula, mientras que los plásticos compuestos requieren la adición de una resina o varias resinas para hacer que las fibras se adhieran entre sí y adquieran su forma plástica final. Aunque la mayoría de los bioplásticos comprenden diferentes materiales, es posible producir una variedad de plásticos, incluso de materiales compuestos, que sean totalmente orgánicos.

En 2011, PepsiCo anunció que habían fabricado una botella de agua de plástico 100% a base de plantas, hecha de tereftalato de polietileno (PET), una resina de polímero termoplástico con la fórmula química (C10H8O4)n, que normalmente se producía a partir de productos petroquímicos, pero que, en este caso, fue producida a partir de varias fuentes vegetales, entre las que se incluía el pasto varilla, la corteza de pino y las hojas de maíz.

Sin embargo, no parece que la botella 100% bioplástica esté disponible actualmente. Aunque PepsiCo y otros fabricantes de refrescos han empezado a incorporar los bioplásticos en sus botellas producidas en masa,tales como Coca-Cola, que distribuyó 2,5 millones de su PlantBottle (Botella Vegetal), un 30% a base de plantas, en los dos primeros años de producción, lo que representa 68 millones de kilogramos de biomateriales de PET. Las empresas que participan en la iniciativa han declarado que su objetivo es garantizar que el 100% botellas de uso comercial en 2018 estén fabricadas con biomateriales de PET.

Los biocompuestos deMEG y PTA se pueden fabricar con bioetanol

El PET se produce mediante la combinación de un 32,2% de monoetilenglicol (MEG) con un 67,8% de ácido tereftálico purificado (PTA) en un reactor de esterificación, y convirtiendo el resultado en un reactor de policondensación. Es posible producir MEG a partir de bioetanol: el etanol se deshidrata catalíticamente para formar etileno, que se oxida a continuación. Entonces, el óxido de etileno reacciona con el agua para formar MEG. El MEG también puede producirse a partir de aceites vegetales, aunque actualmente no se produce a gran escala. El bioetanol y el bioaceite pueden producirse a partir del cáñamo y de otros cultivos, y pueden producirse materiales compuestos de PET con un contenido vegetal del 30% a partir de él. Sin embargo, parece que producir PTA a partir de fuentes naturales es un poco más complicado.

Los biocompuestos de PTA aún no están disponibles en el mercado, a pesar de que se han creado en condiciones de laboratorio en 2011, cuando la firma de bioproductos Virent, ubicada en Winsconsin, anunció haberlo logrado a partir de los azúcares de las plantas, de la caña de azúcar, del maíz y de la biomasa de la madera. Varias compañías están intentando desarrollar técnicas de producción en masa, ya que un potencial contrato, de elevadas cifras, con los fabricantes de refrescos supone un gran incentivo para conseguirlo.

Con el fin de hacer biocompuestos de PTA, lo primero que hay que hacer es bioparaxileno (un carbono aromático que suele hacerse con petróleo), que como biocompuesto puede producirse a partir del etileno. El etileno puede producirse directamente partir de la glucosa de la planta (o del bioetanol, que es el producto final de la fermentación de la glucosa de la planta), y entonces se deshidrata catalíticamente para producir paraxileno.

El cáñamo como fuente de bioetanol

El cáñamo suele pasarse por alto como una fuente de etanol, pero diferentes estudios han evaluado su potencial y han hallado resultados favorables. Mientras que los cultivos que contienen sacarosa, como la caña de azúcar, y los cultivos ricos en almidón, como el maíz, son los mayores productores globales de etanol, su consumo energético es más alto, son más perjudiciales para el medio ambiente, y son más demandados para otros fines, tales como la industria alimentaria.

Aunque los biomateriales de PET 100% están todavía lejos de convertirse en realidad, se están haciendo esfuerzos para sacar al mercado una botella de plástico de cáñamo no desechable
Aunque los biomateriales de PET 100% están todavía lejos de convertirse en realidad, se están haciendo esfuerzos para sacar al mercado una botella de plástico de cáñamo no desechable

Parece que uno de los mayores argumentos en contra del uso del cáñamo para producir bioetanol es la relación costo-efectividad, pero estas cuestiones están mucho más profundamente relacionadas con las economías de escala, ya que la industria del cáñamo es muy pequeña comparada con la industria del algodón, del maíz o de la caña de azúcar. Debido a que el cultivo del cáñamo sigue aumentando, estos obstáculos deberían disminuir en consecuencia, ya que el cáñamo parece ofrecer importantes ventajas sobre otros cultivos, especialmente en términos de su bajo impacto medioambiental.

Se ha demostrado en varias ocasiones que el cáñamo es una fuente de biomasa con un, relativamente, buen rendimiento de etanol. Un estudio de 2009 concluyó que el cáñamo puede producir 141g de etanol por kg?¹ de estopa de cáñamo seco, mientras que un estudio de 2010 descubrió que el cáñamo era capaz de producir hasta 171 g / kg?¹ de etanol a partir de materia seca del cáñamo.

Obteneretanol dela celulosade cáñamo

Los cultivos que contienen sacarosa, como la caña de azúcar, son altos en glucosa y producen abundante etanol, pero son menos respetuosos con el medio ambiente que el cáñamo (© Department of Energy & Climate Change)
Los cultivos que contienen sacarosa, como la caña de azúcar, son altos en glucosa y producen abundante etanol, pero son menos respetuosos con el medio ambiente que el cáñamo (© Department of Energy & Climate Change)

Se cree que las propiedades más importantes de los cultivos herbáceos, como el cáñamo, para la producción de bioetanol son la alta disponibilidad de biomasa y los elevados rendimientos de glucosa. En las plantas fotosintéticas, el mecanismo habitual es producir glucosa a partir del almidón (otro polímero formado por unidades de glucosa unidas, pero con vínculos que son más fácilmente descompuestos). Es la glucosa del almidón la que proporciona la base para el etanol de maíz, pero la glucosa también se puede producir a partir de celulosa a escala industrial.

Existe un amplio consenso en cuanto a que la biomasa de celulosa es una mejor solución para la sostenibilidad a largo plazo, porque los productos de celulosa suelen ser materiales de desecho, mientras que los productos ricos en almidón, como el maíz, se malgastan al desviarlos para producir etanol en lugar de alimentos. Sin embargo, la producción de glucosa a partir de la celulosa, sobre todo en las plantas con un alto contenido en lignina, como el cáñamo, es difícil y costosa, por lo que se buscan nuevas y mejores técnicas que maximicen la eficacia y el rendimiento. El tratamiento previo de la materia seca con vapor durante un corto tiempo, por ejemplo, antes de someter el material a la hidrólisis enzimática, parece optimizar la cantidad de glucosa obtenida a partir del cáñamo y de otras plantas con un alto contenido en lignina.

En unestudio realizado en Estonia sobre los cultivos de biomasa, se descubrió que las muestras de cáñamo analizadas conseguían mejores resultados en términos de contenido de celulosa (53,86% en comparación con las más bajas, las alcachofas de Jerusalén, con un 21-26%) y de glucosa (312,7g kg?¹ frente a los más bajos, 122,7g kg?¹ de girasol). Llegaron a la conclusión de que de las siete plantas examinadas, el cáñamo resultaba ser el mejor candidato.

Está muy claro que a la investigación aún le queda mucho por hacer para lograr las mejores alternativas sostenibles a los plásticos derivados del petróleo. Sin embargo, el ritmo de las nuevas investigaciones se acelera al tiempo que los gobiernos y las naciones de todo el mundo son más conscientes de la necesidad de reducir, drásticamente, el uso de productos petroquímicos, y el cáñamo se reconoce, cada vez más, por tener un gran potencial en nuestra “caja de herramientas” naturales de prometedores cultivos para los bioplásticos.

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