Ácido poliláctico (PLA): obtención, aplicaciones y propiedades

Seguramente ha escuchado en diversos escenarios acerca del PLA y las distintas aplicaciones de este material bioplástico en el sector de empaques, por ejemplo, o en el de envases para alimentos, o su uso como filamento en la impresión 3D, y también en la industria médica para implantes y sutura, entre muchas otras aplicaciones.

Por eso, en esta ocasión trataremos de introducirnos un poco en el cómo y el qué de este material, sin pretender profundizar en el fundamento químico de su obtención, de tal manera que podamos aproximarnos a esta resina plástica que cada vez adquiere mayor importancia.

Rutas de obtención del PLA

El ácido poliláctico, más conocido como PLA, es un plástico derivado de la familia de los poliésteres, con el carácter de material biobasado y biodegradable, que se obtiene a partir de la fermentación de fuentes renovables como el maíz, la caña de azúcar y la tapioca (almidón extraído de la yuca).

El monómero básico de partida del cual se obtiene el PLA es el ácido 2-hidroxipropiónico (LA). Aunque con frecuencia se puede encontrar indistintamente por los términos de ácido poliláctico o poliláctida, químicamente se diferencian debido al método de producción: mientras la poliláctida se obtiene mediante la polimerización por apertura de anillo, el ácido poliláctico se elabora a partir de una reacción de policondensación directa.

Aunque la policondensación es considerada una ruta más simple, puede generar una forma de PLA más rígido y de peso molecular más bajo, por lo que la opción de polimerización por apertura de anillo es el método más utilizado, ya que brinda un mayor rendimiento y una baja toxicidad.

En general, las resinas PLA de alto peso molecular disponibles comercialmente se producen mediante la ruta de polimerización con apertura de anillo de la lactida.

Así también, una característica propia del monómero (LA) es que puede estar presente estructuralmente como dos estereoisómeros L-LA (más común en organismos vivos) y D-LA, los cuales dan lugar al PLLA y PDLA.

Cuando mencionamos la presencia de isómeros nos referimos a sustancias que forman parte de un compuesto químico que, aunque cuenta con la misma fórmula molecular, se diferencia en cuanto a su configuración o acomodo en la estructura, otorgando propiedades distintas, y de ahí que el isómero L-LA sea el de mayor importancia y aplicación.

De esta manera, en general podemos encontrar que los PLA comerciales son copolímeros de poli(ácido l-láctico) (PLLA) y poli(ácido d,l-láctico) (PDLLA), que se producen a partir de l-lactidas y d,l-lactidas, respectivamente.

Propiedades y comportamiento del PLA

Así pues, es el momento de comentar las bondades y cualidades del PLA:

• Las propiedades físicas, mecánicas y de barrera del PLA dependen tanto de su morfología como de su cristalinidad. Puede encontrársele tanto en el estado amorfo como en el estado cristalino de su estereoquímica y su historia térmica.

• Al igual que en el caso del resto de las resinas plásticas, en el procesamiento de los diversos artículos con PLA, la cristalinidad puede ser favorable o no según los requisitos de su aplicación final. Así, en el caso de preformas moldeadas por inyección, que posteriormente serán moldeadas en la etapa de soplado, una alta cristalinidad no será lo más adecuado, ya que la rápida cristalización del polímero puede afectar el estiramiento de la preforma y la transparencia final de la botella.

Por otro lado, en el caso de artículos moldeados por inyección, será más conveniente un mayor grado de cristalinidad, que le otorga mejor estabilidad térmica al producto terminado.

• En lo que respecta al peso molecular, es un parámetro directamente correlacionado con la viscosidad del PLA, de tal manera que frente a valores altos de peso molecular se tendrá un incremento de la viscosidad, que dificultará más su procesamiento. Esto porque a altos valores de PM, los materiales poseen más interacciones intermoleculares que requieren más energía para romper los enlaces moleculares y así alcanzar el estado fundido.

• Las propiedades reológicas del PLA tienen un efecto importante sobre el comportamiento del polímero en estado fundido mientras es procesado con alguno de los diversos métodos de transformación. Ya que las características viscosas del PLA dependen en gran medida de la temperatura, el peso molecular y la velocidad de corte, deberán ser tomadas en cuenta en las etapas previas del diseño de herramentales (moldes, dados) y en la optimización de procesos.

Procesamiento y transformación del PLA

• Como un punto importante para considerar durante el procesamiento en estado fundido del PLA, el polímero debe secarse lo suficiente con el fin de evitar una hidrólisis marcada (una caída en el peso molecular debido al rompimiento de cadena promovido por la presencia de humedad), que llegue a comprometer las propiedades físico-mecánicas del material.

Normalmente, el polímero se seca hasta menos de 100 ppm (0.01 % en peso). Los principales proveedores de PLA recomiendan secar a 250 ppm (0.025 % en peso) de contenido de humedad o más bajo antes de extruir. El tiempo de secado requerido dependerá de la temperatura de secado y de su morfología. Es decir, si se encuentra el material con mayor proporción de contenido amorfo o cristalino.

• Entre los diversos métodos de transformación utilizados para el PLA, la extrusión es la técnica considerada más importante para su procesamiento continuo en estado fundido del material. Por ello, un parámetro importante en la extrusión es la relación L/D, es decir, la longitud del husillo del extrusor entre el diámetro externo del mismo, que a su vez determina el esfuerzo de corte (o la fricción) y el tiempo de residencia del material fundido dentro del extrusor expuesto a una condición térmica.

A una mayor relación de L/D se genera más calentamiento por fricción, un mayor tiempo de residencia, mejor mezclado y una mejor etapa de plastificación y mezclado. Así se puede procesar el PLA comercial mediante un extrusor convencional equipado con un husillo de uso general y una relación de L/D 24-30.

Métodos de transformación específicos del PLA

• En lo que respecta al moldeo por inyección del PLA, la mayoría de los equipos se basan en una máquina de husillo reciprocante, aunque recientemente se están utilizando sistemas de dos etapas que integran en un solo equipo las unidades de plastificación-extrusión con la de inyección, para el caso de inyección de preformas en botellas de PLA.  

• Durante el moldeo por inyección del PLA, la tendencia a la condensación de la lactida en las superficies frías de los herramentales puede afectar el acabado superficial y el peso de los artículos moldeados. Esto limita el uso a una temperatura mínima de 25-30 °C durante la inyección de esta resina poliéster. El uso de moldes con un acabado espejo y una mayor velocidad de inyección durante el llenado también puede reducir la deposición de capas de lactida.  

• Cabe mencionar que la mayoría de métodos de transformación restantes pueden ser utilizados para el ácido poliláctico, como es el caso de la extrusión de película cast y lámina, extrusión de película soplada, termoformado, espumado, hilado de fibras, etc.

• Por último, un punto interesante para contemplar es que una de las debilidades importantes del PLA es su comportamiento frágil. También sus propiedades de resistencia térmica y al impacto, mucho más baja que en los plásticos convencionales de origen fósil, además de que tienen un mayor costo.

Muchas de sus propiedades, requeridas en aplicaciones de mayor demanda, pueden ser mejoradas con la ayuda del mezclado del PLA con otros polímeros, como una estrategia útil tanto para impartir flexibilidad y resistencia, como para reducir costos.