Desarrollo de nuevas resinas epóxicas biobasadas

Uno de los grandes retos en investigación y desarrollo de polímeros es el de obtener plásticos provenientes de fuentes naturales renovables con la finalidad de reemplazar a los productos petroquímicos como materias primas y tener de esta manera procesos sustentables. Esto debido principalmente al potencial agotamiento de los recursos petrolíferos y la alta variabilidad en los precios del petróleo.

Polímeros derivados de fuentes naturales

En algunos casos se ha logrado comercializar adecuadamente polímeros derivados de fuentes naturales como el ácido poliláctico (PLA) o los polihidroxialcanoatos (PHA). Sin embargo, los precios de estos poliesteres aún se mantienen altos en comparación con poliésteres derivados de fuentes petroquímicas.

Es por esta razón que la investigación orientada al desarrollo de nuevos polímeros derivados de fuentes  naturales renovables es una de las tendencias más importantes a nivel global. El Centro de Investigación en Química Aplicada (CIQA), localizado en Saltillo, Coahuila, se ha venido sumando a este esfuerzo y una de las líneas de investigación más fuertes es precisamente el desarrollo de nuevos polímeros biobasados como se les conoce actualmente a los polímeros derivados de fuentes naturales.

Polímeros termofijos y sus aplicaciones

Uno de los polímeros con mayor auge económico son los polímeros termofijos. Estos son materiales termofraguables que endurecen sin fundir bajo la acción de agentes acelerantes del curado. Una vez que se curan estos polímeros se obtiene un material totalmente entrecruzado, el cual posee excelentes propiedades mecánicas, térmicas y químicas.

Los polímeros obtenidos de las resinas epóxicas son polímeros termofijos a los cuales se les considera como materiales de alto desempeño. Las resinas epóxicas se han venido usando ampliamente en el sector industrial y su uso se ha extendido a las aplicaciones donde se requiere un polímero duro con alta resistencia mecánica, química y térmica.

Sus principales aplicaciones son como recubrimientos para diferentes substratos, como adhesivos para aplicaciones estructurales, en la industria aeroespacial para preparar partes de aeronaves, en la fabricación de turbinas así como en la preparación de materiales compuestos tanto de fibras de vidrio como de fibras de carbono para reemplazar partes metálicas de los automóviles convencionales o de carreras y para la fabricación de yates y barcos.

Resinas epóxicas comerciales y sus problemas de toxicidad

Las resinas epóxicas comerciales se dividen en cinco grupos fundamentales: éteres glicídicos, ésteres glicídicos, aminas glicídicas, resinas epóxicas alifáticas lineales, cicloalifáticas y novolac los cuales se muestran en la Figura 1.

De estos tipos de resinas epóxicas los éteres glicídicos son por mucho los más importantes. Representan el 90 %  del mercado global de las resinas epóxicas y esto resultó en ventas por  8,000 millones de dólares en 2017 con un crecimiento estimado del 4 % anual, de acuerdo con lo reportado en el estudio de mercado  “Epoxy Resin Market Analysis by Application And Segment Forecasts To 2024. Grand View Research 2017”.

El diglicidil éter del bisfenol A también conocido como 2,2-Bis(4-glicidiloxifenil)propano es el tipo más importante de estas resinas epóxicas de tipo éter glicídico. Esta resina tiene nombres comerciales como BADGE, DGEBA, D.E.R. 332, E.R.L 2774 ó epi Rez 510. Su estructura química se muestra a continuación:

Esta resina epóxica es barata y los polímeros derivados de esta presentan excelentes propiedades mecánicas y se considera la resina epóxica ideal para muchas aplicaciones. Sin embargo, recientemente se han reportado que el bisfenol A el cual se utiliza como materia prima para fabricar esta resina epóxica presenta ciertos problemas de toxicidad, lo cual ha encendido las alarmas respecto al uso seguro de la resina epóxica DGEBA.

Compuestos epóxicos derivados de productos naturales

Se ha buscado reemplazar a esta resina con compuestos epóxicos derivados de productos naturales, los cuales en teoría deberían de ser completamente seguros en su manejo sin presentar niveles de toxicidad, además deben de presentar propiedades químicas y mecánicas similares a las del DGEBA.

Sin embargo, aunque en algunos casos se ha logrado igualar o incluso superar las propiedades mecánicas del DGEBA, se tienen que desarrollar procesos económicamente viables para poder sustituir a este resina epóxica.

Se han utilizado diferentes tipos de compuesto químicos provenientes de fuentes naturales renovables como aceites vegetales, taninos, lignina, cardanol, vainillina, rosina, isosorbide, ácido gálico y terpenos como el b-pineno solo por mencionar algunos ejemplos, para preparar resina epóxicas biobasadas (Figura 2). Estos compuestos se modifican mediante diferentes tipos de reacciones químicas, especialmente de glicidilación y epoxidación pata obtener las resinas epóxicas.

En el Centro de Investigación en Química Aplicada se adelanta activamente el desarrollo de nuevas resina epóxicas biobasadas a partir de un compuesto derivado de la resina de pino como es el nopol.

Este compuesto es un terpenoide de tipo cicloalifático que permite obtener resinas epóxicas con propiedades de alta resistencia a la degradación por luz UV, y bajo amarillamiento, que puedan ser usadas para aplicaciones en el que el polímero esté expuesto a la intemperie. Esta investigación esta soportada por el proyecto de ciencia básica 282882.