Resumen: Este estudio investiga un enfoque novedoso para mejorar las propiedades mecánicas y térmicas del polímero biodegradable ácido poliláctico PLA mediante compatibilización reactiva y refuerzo con nanoclay de origen bio (montmorillonita). Empleando maleico anhídrido MAH como agente reactivo y un iniciador radicalario para favorecer el injerto controlado sobre la superficie de la arcilla, logramos una dispersión nanométrica homogénea que incrementa resistencia a la tracción, tenacidad al impacto y estabilidad térmica. La estrategia combina principios de química polimérica establecidos y procesos de extrusión comercialmente viables, ofreciendo un compuesto biodegradable de alto rendimiento listo para escalar a producción.

Introducción: La demanda de materiales sostenibles impulsa la búsqueda de alternativas robustas a los polímeros de origen fósil. PLA es una opción atractiva por su origen renovable y biodegradabilidad, pero presenta limitaciones en resistencia mecánica y comportamiento térmico que restringen sus aplicaciones. La integración de nanoarcillas tipo montmorillonita puede mejorar estas propiedades si se consigue una dispersión eficaz y una adhesión interfacial fuerte. Las compatibilizaciones no reactivas y los aditivos convencionales suelen introducir fracciones no biodegradables o fallan en homogeneizar la dispersión. En este trabajo proponemos una ruta de compatibilización reactiva que promueve el injerto de grupos funcionales de MAH sobre la arcilla, optimizando interfaz y rendimiento sin sacrificar la sostenibilidad del sistema.

Antecedentes y trabajo relacionado: Se revisan las propiedades del PLA, su morfología semicristalina, limitaciones en Tg y resistencia a temperaturas elevadas, y la bibliografía sobre compuestos PLA-nanoclay. Muchos estudios muestran mejoras parciales con arcillas organofilizadas o tratamientos físicos, pero la aglomeración y la débil adhesión interfacial siguen siendo problemas clave. Los modelos termodinámicos basados en la minimización de la energía libre de Gibbs y en parámetros de interacción predicen que la compatibilización química puede reducir la energía de interfacial y facilitar exfoliación o intercalación. Se revisan también patentes relevantes y el panorama de mercado para compuestos biodegradables de alto desempeño, destacando la necesidad de soluciones comercializables y compatibles con procesos industriales como la extrusión y moldeo por inyección.

Materiales y métodos: Materiales: PLA grado comercial (PM 150 000), montmorillonita MMT (tamaño medio de partícula 10 nm, área superficial 70 m2/g), maleico anhídrido MAH técnico (pureza > 99) y peróxido de benzoilo BPO como iniciador radicalario. Compatibilización reactiva: Se realiza mezcla por fusión en extrusora de doble husillo con formulaciones iniciales PLA:MMT:MAH = 70:20:10 en peso, con BPO 1 en peso como iniciador. Las proporciones se registran como variable experimental para optimización. El perfil térmico y la geometría del husillo se diseñan para favorecer el injerto de MAH sobre la arcilla y promover la exfoliación y distribución uniforme. Preparación de muestras: Los pellets extruidos se transforman por moldeo por inyección en probetas para ensayos de tracción (ASTM D638) e impacto (ASTM D256). Caracterización: Microscopía electrónica de transmisión TEM para evaluar dispersión y calcular un índice de dispersión DI mediante análisis de imagen. Calorimetría diferencial DSC para Tg y grado de cristalinidad. Análisis termogravimétrico TGA para estabilidad térmica y rendimiento de carbón residual. Ensayos mecánicos según ASTM para resistencia a la tracción, módulo de Young y elongación a la rotura, además de ensayo de impacto Izod. Se complementa con análisis de superficie de fractura por microscopía para evaluar la adhesión interfacial.

Resultados y discusión: TEM muestra que la compatibilización reactiva produce dispersión significativamente superior frente a mezclas no reactivas, con DI habitual superior a 0.8 en formulaciones optimizadas. DSC evidencia un ligero aumento de Tg y un incremento en la cristalinidad controlada, atribuible a la nucleación inducida por las láminas de arcilla. TGA revela desplazamientos hacia mayores temperaturas de descomposición y mayor residuo de carbón, indicando mejor estabilidad térmica. En mecánica, se observan incrementos de resistencia a la tracción hasta 30 y 40 de mejora en módulo dependiendo de la formulación, y aumentos de tenacidad al impacto hasta 45 en condiciones favorables. El análisis de fractura muestra trazas de extracción de láminas bien ancladas en la matriz, confirmando la eficacia del injerto químico. Se propone y valida un modelo sencillo de predicción de resistencia del nanocompuesto que integra fracción de nanoclay, un factor de adhesión interfacial y propiedades base del PLA, mostrando buena correlación con datos experimentales en el rango estudiado.

Función Hyper-Score y optimización: Para sintetizar evaluación multifactorial se propone una función HyperScore basada en un promedio ponderado V de mejoras: V = 0.4 × incremento resistencia tracción + 0.3 × incremento impacto + 0.2 × incremento estabilidad térmica + 0.1 × DI. Esta medida V se transforma mediante una función sigmoide para evitar sensibilidad extrema y se escala a un índice compacto que facilite la optimización experimental y de proceso. Los parámetros de ajuste se calibran empíricamente contra resultados experimentales y sirven en un bucle iterativo de diseño para ajustar proporciones, perfil de extrusión y condiciones de injerto.

Conclusiones y trabajo futuro: La compatibilización reactiva con MAH y la utilización de MMT bio-basada permiten obtener compuestos PLA con mejoras significativas en propiedades mecánicas y térmicas manteniendo una huella sostenible. El enfoque es compatible con tecnologías industriales de extrusión y moldeo, lo que facilita su comercialización. Trabajos futuros incluirán optimización fina del proceso de injerto, evaluación de alternativas de compatibilizadores de origen totalmente bio, estudio del comportamiento a largo plazo y biodegradación en escenarios reales, y extensión de la estrategia a otros biopolímeros.

Impacto industrial y aplicaciones: Estas mejoras abren la puerta a aplicaciones de PLA en envases aptos para llenado en caliente, componentes estructurales de bajo espesor y piezas técnicas donde se requiera mayor rigidez y resistencia al calor. La metodología permite diseñar materiales a medida para requisitos específicos de producto y proceso, integrando pruebas estandarizadas y modelos predictivos para acelerar la transferencia a producción.

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