03.03.2020 – Deutsches Elektronen-Synchrotron DESY

Plástico de la madera

El análisis de rayos X señala el camino a los componentes basados en lignina hechos a medida

El biopolímero lignina es un subproducto de la fabricación de papel y una materia prima prometedora para la fabricación de materiales plásticos sostenibles. Sin embargo, la calidad de este producto natural no es tan uniforme como la de los plásticos a base de petróleo. Un análisis de rayos X llevado a cabo en el DESY revela por primera vez cómo la estructura molecular interna de los diferentes productos de lignina está relacionada con las propiedades macroscópicas de los respectivos materiales. El estudio, que se ha publicado en la revista Applied Polymer Materials, ofrece un enfoque para la comprensión sistemática de la lignina como materia prima para permitir la producción de bioplásticos a base de lignina con diferentes propiedades, según la aplicación específica.

La lignina es una clase de polímeros orgánicos complejos y es responsable de la estabilidad de las plantas, dándoles rigidez y haciéndolas “leñosas” (es decir, lignificación). Durante la producción de papel, la lignina se separa de la celulosa. La lignina forma los llamados compuestos aromáticos, que también desempeñan un papel fundamental en la fabricación de polímeros o plásticos sintéticos. “La lignina es la mayor fuente de compuestos aromáticos de origen natural, pero hasta ahora la industria papelera la consideraba principalmente como un subproducto o un combustible”, explica Mats Johansson del Instituto Real de Tecnología (KTH) de Estocolmo, que dirigió el equipo de investigación. “Se producen millones de toneladas cada año, proporcionando un flujo constante de materia prima para nuevos productos potenciales”.

Ya existen algunas primeras aplicaciones de plásticos duros a base de lignina (termoestables). Sin embargo, sus propiedades suelen variar y hasta ahora ha sido difícil controlarlas específicamente. El equipo sueco ha arrojado luz sobre la nanoestructura de diferentes fracciones de lignina comercialmente disponibles en la fuente de rayos X de DESY, PETRA III. “Resulta que hay fracciones de lignina con dominios más grandes y más pequeños”, informa el autor principal Marcus Jawerth, del KTH de Estocolmo. “Esto puede ofrecer ciertas ventajas, dependiendo de la aplicación particular: hace que la lignina sea más dura o más blanda alterando la llamada temperatura de transición vítrea a la que el biopolímero adopta un estado viscoso”.

Entre otras cosas, el análisis de rayos X reveló que los tipos de lignina cuyos anillos centrales de benceno están dispuestos en forma de T son particularmente estables. “La estructura molecular afecta a las propiedades mecánicas macroscópicas”, explica Stephan Roth de DESY, que está a cargo de la línea de haz P03 en la que se realizaron los experimentos y que es co-autor del trabajo. “Esta es la primera vez que esto se ha caracterizado.” Como producto natural, la lignina viene en numerosas configuraciones diferentes. Es necesario realizar más estudios para obtener una visión general sistemática de la forma en que los diferentes parámetros afectan a las propiedades de la lignina. “Esto es muy importante para poder fabricar materiales de manera reproducible, y en particular para predecir sus propiedades”, dice Roth, que también es profesor en el KTH de Estocolmo. “Si quieres usar un material industrialmente, necesitas entender su estructura molecular y saber cómo se correlaciona con las propiedades mecánicas.”

Según Jawerth, hasta dos tercios de la lignina producida durante el proceso de producción de papel podrían convertirse en poliésteres y servir como material de partida para la fabricación de plásticos. “Junto con la celulosa y la quitina, la lignina es uno de los compuestos orgánicos más omnipresentes en la Tierra y ofrece un enorme potencial para reemplazar los plásticos basados en el petróleo”, dice el científico. “Es demasiado valioso para simplemente quemarlo”.