Los plastificantes desempeñan un papel fundamental en la industria de los polímeros, en particular para mejorar la flexibilidad y la procesabilidad de polímeros como el cloruro de polivinilo (PVC). Citratos como el citrato de trietilo (TEC), el citrato de acetiltrietilo (ATEC), el citrato de tributilo (TBC) y el citrato de acetiltributilo (ATBC) se utilizan ampliamente como plastificantes ecológicos gracias a su naturaleza no tóxica y biodegradable. Sin embargo, la eficacia de estos plastificantes puede variar significativamente en función de su estructura química. La acetilación, una modificación que introduce grupos acetilo en las moléculas de citrato, ha surgido como una estrategia para mejorar la eficacia de la plastificación de los citratos. Este trabajo tiene como objetivo investigar los efectos de la modificación por acetilación en las propiedades de plastificación de los citratos, centrándose tanto en la caracterización experimental como en las simulaciones de dinámica molecular (MD). La investigación busca dilucidar los mecanismos que subyacen a la mejora de las propiedades de plastificación de los citratos acetilados y sus interacciones con el PVC, proporcionando información sobre los cambios moleculares que se producen durante la deformación por tracción.
Los plastificantes se añaden a polímeros como el PVC para reducir las fuerzas intermoleculares entre las cadenas poliméricas, lo que permite una mayor flexibilidad y una menor fragilidad. Los citratos son especialmente atractivos debido a su baja toxicidad y biodegradabilidad. Consiguen la plastificación debilitando las interacciones entre las cadenas poliméricas, reduciendo la temperatura de transición vítrea (Tg) y aumentando la ductilidad del material.
La estructura de la molécula de citrato desempeña un papel fundamental en su eficiencia plastificante. Por ejemplo, la presencia de grupos funcionales éster permite la interacción con las cadenas de PVC, lo que proporciona una mayor flexibilidad. Sin embargo, la eficiencia de la plastificación depende de factores como el peso molecular del citrato, el número de grupos éster y la presencia de grupos funcionales adicionales, como los grupos acetilo. La acetilación introduce estos grupos funcionales en la estructura del citrato, alterando las interacciones moleculares entre el plastificante y las cadenas de PVC. El objetivo principal de este estudio es comprender cómo la acetilación mejora la eficiencia de plastificación de ATEC y ATBC en comparación con sus homólogos no acetilados, TEC y TBC.
Para evaluar las propiedades de plastificación de los citratos, se emplearon diversas técnicas experimentales. Se utilizaron ensayos de tracción para evaluar las propiedades mecánicas de los compuestos de PVC plastificados con TEC, ATEC, TBC y ATBC. La resistencia a la tracción y el alargamiento de rotura fueron parámetros clave para determinar la eficacia de cada plastificante.
Los compuestos ATEC/PVC y ATBC/PVC mostraron una resistencia a la tracción y un alargamiento a la rotura significativamente mayores que los de TEC/PVC y TBC/PVC, respectivamente. En concreto, el ATEC/PVC mostró un aumento del 13,9 % en la resistencia a la tracción y del 8,3 % en el alargamiento a la rotura en comparación con el TEC/PVC, mientras que el ATBC/PVC mostró un aumento del 18,7 % en la resistencia a la tracción y del 2,2 % en el alargamiento a la rotura en comparación con el TBC/PVC. Estos resultados sugieren que la acetilación mejora la eficiencia de plastificación de los citratos, lo que se traduce en un mejor rendimiento mecánico de los compuestos de PVC.
Además de los ensayos de tracción, se emplearon otras técnicas de caracterización, como la calorimetría diferencial de barrido (DSC) y el análisis mecánico dinámico (DMA), para investigar en mayor profundidad las propiedades térmicas y mecánicas de los compuestos de PVC. Estas técnicas proporcionaron información valiosa sobre la temperatura de transición vítrea (Tg) y el comportamiento viscoelástico de los materiales, lo que permitió comprender mejor las interacciones moleculares entre los plastificantes y el PVC.
Si bien los métodos experimentales proporcionan datos valiosos sobre las propiedades macroscópicas de los compuestos de PVC, las simulaciones de dinámica molecular (MD) ofrecen una visión detallada de las interacciones a nivel molecular entre los plastificantes y el PVC. Las simulaciones de MD se utilizaron para complementar los hallazgos experimentales, proporcionando información sobre el efecto de la acetilación en el mecanismo de plastificación.
Las simulaciones MD revelaron que la acetilación produce interacciones más fuertes entre el plastificante y las cadenas de PVC, principalmente mediante enlaces de hidrógeno y fuerzas de van der Waals. En ATEC y ATBC, la presencia de grupos acetilo mejora la compatibilidad entre el plastificante y el PVC, lo que resulta en una mejor dispersión de las moléculas del plastificante dentro de la matriz polimérica. Esta mejor dispersión se traduce en una mayor flexibilidad y mejores propiedades mecánicas de los compuestos de PVC.
Además, las simulaciones MD mostraron que la microestructura de los compuestos de PVC cambia significativamente durante la deformación por tracción. En presencia de plastificantes acetilados, la energía requerida para iniciar y propagar el movimiento de la cadena fue menor, lo que resultó en una mayor flexibilidad y elongación a la rotura. Las simulaciones también revelaron que los plastificantes acetilados promueven una distribución más uniforme de la deformación durante la deformación por tracción, lo que reduce la probabilidad de fallos localizados y contribuye a la mejora general de la resistencia a la tracción.
Comprender el mecanismo de rotura por tracción de los compuestos de PVC es crucial para optimizar el diseño de plastificantes. Los resultados de las pruebas de tracción indicaron que los citratos acetilados, en particular ATEC y ATBC, mejoraron significativamente la resistencia a la tracción y el alargamiento a la rotura de los compuestos de PVC. Se exploraron los mecanismos de rotura de estos compuestos bajo grandes fuerzas de tracción mediante una combinación de observaciones experimentales y simulaciones de MD.
Durante la deformación por tracción, los plastificantes acetilados mejoraron la movilidad de las cadenas de PVC, lo que permitió una mayor adaptación a la deformación antes del fallo. Por el contrario, los plastificantes no acetilados, como TEC y TBC, mostraron una menor movilidad de la cadena, lo que provocó un fallo más temprano. Las simulaciones de MD respaldaron aún más estos hallazgos, mostrando que los plastificantes acetilados redujeron las barreras energéticas para el movimiento de la cadena, facilitando una mayor deformación plástica antes del inicio del fallo.
Las propiedades de tracción mejoradas de los citratos acetilados se pueden atribuir a su capacidad para promover una distribución más homogénea de la deformación dentro de la matriz de PVC. Esto reduce la probabilidad de concentraciones de tensión, que a menudo son precursoras del fallo del material. En consecuencia, los plastificantes acetilados contribuyen a un modo de fallo más dúctil, caracterizado por una mayor elongación a la rotura y una mayor resistencia a la fractura.
Si bien la acetilación mejora la eficiencia de plastificación de los citratos, es fundamental considerar el posible impacto de esta modificación en la toxicidad de los plastificantes. Los citratos se consideran generalmente seguros y no tóxicos, lo que los hace adecuados para una amplia gama de aplicaciones, como el envasado de alimentos y los dispositivos médicos. Sin embargo, la introducción de grupos acetilo podría alterar el perfil de toxicidad de los plastificantes.
En este estudio, se investigó el efecto de la acetilación sobre la toxicidad del citrato mediante ensayos de citotoxicidad in vitro. Los resultados mostraron que los citratos acetilados, incluyendo ATEC y ATBC, mantuvieron un perfil de toxicidad bajo, similar al de sus homólogos no acetilados. Esto sugiere que la modificación de la acetilación no aumenta significativamente la toxicidad de los citratos, lo que los convierte en una opción viable para aplicaciones donde la seguridad es una prioridad.
La modificación de los citratos mediante acetilación mejora significativamente su eficiencia de plastificación, como lo demuestran las propiedades mecánicas mejoradas de los compuestos de PVC plastificados con ATEC y ATBC. Tanto la caracterización experimental como las simulaciones de MD confirman que la acetilación produce interacciones más fuertes entre el plastificante y el PVC, lo que resulta en mayor flexibilidad, mayor resistencia a la tracción y mejor elongación a la rotura. Los plastificantes acetilados promueven una distribución más homogénea de la deformación durante la tracción, lo que reduce la probabilidad de fallo localizado y contribuye a un modo de fallo más dúctil.
Además, el estudio demuestra que la acetilación no afecta significativamente la toxicidad de los citratos, lo que mantiene su idoneidad para diversas aplicaciones. Esta investigación proporciona información valiosa sobre los mecanismos de plastificación de los citratos y propone una estructura de citrato optimizada con un rendimiento mejorado para su uso en compuestos de PVC. Los trabajos futuros podrían centrarse en la exploración de otras modificaciones químicas de los citratos para mejorar aún más sus propiedades de plastificación, manteniendo al mismo tiempo la seguridad y la sostenibilidad ambiental.
Al combinar enfoques experimentales y computacionales, este estudio contribuye a la comprensión de cómo las modificaciones moleculares influyen en las propiedades macroscópicas de los compuestos poliméricos, allanando el camino para el desarrollo de plastificantes más eficientes y sostenibles.
