Formulación de ionogeles e hidrogeles de celulosa procedente del fraccionamiento de la madera y su aplicación en la impresión 3D

Resum

La búsqueda de nuevos materiales asociada a las necesidades de los retos planteados tanto en el ámbito tecnológico como en el medioambiental ha propiciado el crecimiento de los materiales tipo gel, cuyas funcionalidades cubren un amplio abanico de aplicaciones. La celulosa, un biopolímero ampliamente utilizado en el campo de los geles, es un buen sustituto de los polímeros derivados del petróleo debido a su biodegradabilidad y buenas propiedades mecánicas. Para la disolución de la celulosa se estudian los líquidos iónicos (LIs). A partir de las disoluciones de celulosa y LI se obtiene un material tipo gel denominado ionogel. Además, a partir de dichos ionogeles se puede obtener otro material denominado hidrogel, en el cual la fase líquida es agua. La impresión 3D es el proceso de fabricación de un objeto capa por capa a partir de un archivo 3D diseñado por ordenador. La formulación de ionogeles e hidrogeles de celulosa es un avance importante en el desarrollo de materiales para la impresión 3D, más beneficiosos para el medio ambiente. El objetivo del trabajo es la formulación de ionogeles, hidrogeles y tintas de impresión 3D a partir de sólidos ricos en celulosa (SRCs) procedentes del fraccionamiento de la madera y líquidos iónicos. Los resultados obtenidos de la investigación se han estructurado en tres bloques: selección del LI y formulación de ionogeles e hidrogeles a partir de SRCs, blanqueo de los mismos para mejorar su disolución, y, por último, la formulación de tintas para la impresión 3D a partir de mezclas de LIs y SRCs blanqueados y sin blanquear, seguido del estudio de la reutilización de los ionogeles impresos. En el primer bloque se estudió la disolución de dos SRCs, en diferentes tipos de líquidos iónicos. Los que mejores resultados dieron fueron el [Emim][DMP] y el [Emim][DEP]. Una vez seleccionados, se formularon los ionogeles e hidrogeles utilizando diferentes materias primas. Los resultados mostraron que las propiedades reológicas de los ionogeles e hidrogeles formulados dependían del porcentaje en celulosa. La caracterización de los hidrogeles secos por DRX mostró una disminución del índice de cristalinidad tras la disolución de la celulosa. Finalmente, los resultados de RMN evidenciaron la fosforilación de la celulosa, los hidrogeles secos de referencia y en los de SRC. En el segundo bloque el objetivo era reducir la cantidad de lignina presente en los sólidos para facilitar su disolución, y mejorar la formulación de los ionogeles. Para ello, se blanquearon dos SRCs. El blanqueo se realizó utilizando peróxido de hidrógeno en medio alcalino, variando el tiempo, la temperatura y la concentración de H2O2. El espectro de FTIR mostró una disminución de la lignina y hemicelulosa en los sólidos tras el blanqueo. El análisis de DRX mostró un aumento en el índice de cristalinidad de la celulosa tras el blanqueo. Tras el análisis reológico de los ionogeles, se observó que el blanqueo no afectaba negativamente a las propiedades de estos. Se seleccionaron dos sólidos blanqueados, los cuales tenían propiedades reológicas similares a los ionogeles e hidrogeles de referencia. Finalmente, tras el análisis de RMN de los hidrogeles secos se observó que se había dado la fosforilación de la celulosa. En el tercer y último bloque se formularon tintas para impresión 3D a partir de diferentes sólidos. Las tintas se formularon y se caracterizaron, en primer lugar, mediante reología y, posteriormente, se realizaron ensayos de extrusión e impresión y se obtuvieron los hidrogeles. Se seleccionaron tres tintas formuladas con tres sólidos distintos, las cuales tenían las mejores propiedades de extrusión y fidelidad de forma, así como buenas propiedades reológicas post-impresión. Finalmente, se demostró que los ionogeles pueden ser reutilizados. Así se obtuvieron tintas para la impresión 3D de ionogeles e hidrogeles que podrían ser utilizados en el ámbito de la electroquímica y de la biomedicina, respectivamente.