Viabilidad técnica y económica del reciclado mecánico de poli(ácido láctico) (PLA) para impresión 3D

La producción de plásticos se ha incrementado a lo largo de los últimos años, y cada vez tienen más aplicaciones. Los plásticos tienen un papel fundamental en la economía, sociedad y medioambiente que nos rodea. Por otro lado, el aumento de la fabricación de productos basados en plásticos hace que aumenten los recursos dedicados a la producción y la cantidad de residuos a gestionar derivados del uso de dichos productos. Los plásticos más utilizados se fabrican a partir de combustibles fósiles, además de requerir energía para su producción. Esta causa conlleva a un agotamiento de la materia prima y un aumento del impacto medioambiental provocado por estas sustancias. De este problema surgen los bioplásticos, una alternativa a los plásticos fabricados de combustibles fósiles. Este proyecto se enfoca en un tipo de plástico específico, que pertenece a la familia de los bioplásticos y que engloba a plásticos biobasados y/o biodegradables, este es el poli(ácido láctico) (PLA). Se define como plástico biobasado por estar fabricado de recursos biológicos renovables como son el maíz o el azúcar. También, tiene la propiedad de ser biodegradable, es decir, es un material que, estando en ciertas condiciones, los microorganismos disponibles en el medio ambiente pueden convertirlo en recursos biológicos, como compost. Una de las principales aplicaciones del PLA es su utilización, en forma de filamento, para la impresión 3D. Es un mercado que está en continuo auge. Ameco Research publicó un estudio sobre el mercado global de filamentos para impresión 3D, en el que estimó que el mercado crezca de 255 millones de toneladas en 2017 a 1.189 millones de toneladas en 2024, es decir, una tasa de crecimiento del 25,8%. El PLA es un homopolímero hecho de monómeros de ácido láctico, está constituido por una molécula quiral, es decir, hay otra molécula cuya composición es idéntica pero su disposición espacial es diferente. Hay dos enantiómeros (dos imágenes en espejo de una molécula quiral), también conocidos como dos estereoisómeros, que se denominan ácido L-Láctico y ácido D-Láctico. La materia prima utilizada para la obtención de ácido láctico por fermentación debe contener una gran cantidad de carbono, entre estos materiales destacamos la caña de azúcar, el almidón de maíz o la remolacha. Debido a los diferentes usos de este plástico en la industria actual, es recomendable que tenga determinadas propiedades térmicas y mecánicas para resistir temperaturas o esfuerzos que pueda sufrir el polímero durante su vida útil. La principal propiedad estudiada y, la cual se relaciona con muchas otras, es su peso molecular. En líneas generales una disminución del peso molecular atribuye una disminución de las demás propiedades. El PLA es utilizado en diferentes condiciones dependiendo de la aplicación que se le dé, lo que hace que sufra determinados procesos de degradación, produciéndose la rotura de cadenas para dar lugar a otras más cortas. Las principales causas de degradación vienen dadas por estar expuesto a temperaturas altas (160 – 180ºC), radiaciones que alteran al material rompiendo los enlaces, como la radiación solar, los rayos X o la radiación gamma y, por último, la degradación hidrolítica. Esta última es la más destacada y deriva de la absorción de agua por el polímero, hidrolizándose los enlaces del grupo éster y dando lugar a monómeros y oligómeros de menor peso molecular. Tras la utilización de un producto, los residuos se deben gestionar en función de su composición. El aumento en el consumo de plásticos hace que, a su vez, aumente la generación de residuos, los cuáles posteriormente deberán ser tratados de manera que minimicen el impacto medioambiental lo máximo posible. La importancia de aplicar las técnicas de valorización adecuadas a estos residuos es fundamental, aumentando así su vida útil y reduciendo el empleo de materias primas para la producción de plásticos. En la actualidad, se está investigando diferentes métodos de reciclaje para el PLA y otros polímeros. Los dos métodos más desarrollados, hasta entonces, son el reciclado mecánico y el compostaje industrial. El compostaje puede ser un proceso difícil de llevar a cabo ya que las condiciones de temperatura, humedad y tiempo requeridas para realizar este proceso son difíciles de mantener constantemente en compostadoras domésticas o locales, no industriales. Por lo tanto, el reciclado mecánico es el mejor con respecto al impacto ambiental y las condiciones requeridas para llevarse a cabo. El reciclado mecánico se lleva a cabo en varias etapas. En el primer paso se deben separar las impurezas y residuos para su posterior lavado. El lavado utilizado en este proyecto emplea una solución acuosa de NaOH y un tensoactivo, el Tritón X-100. Se necesitará una temperatura de 85ºC y un tiempo de aproximadamente 15 minutos para eliminar todo tipo de residuos. Tras limpiar el producto a estudiar, la siguiente etapa es su secado. Permite eliminar el máximo de humedad presente en los gránulos que han sido lavados. El secado se lleva a cabo a 85ºC durante 2 horas. El siguiente es la trituración de la pieza a estudiar, para así mejorar la manera de manipular. Se reduce el PLA recogido a pequeños gránulos o pellets. Finalmente, el plástico debe ser extruido en filamentos. Para estudiar de forma experimental la viabilidad del reciclado mecánico se prepararon unos filmes de las diferentes muestras que se estudian. Las muestras se sometieron al proceso de reciclado mecánico y, posteriormente, se introdujeron en una prensa hidráulica para obtener los filmes. Tras el reciclado mecánico se debe estudiar si el polímero sigue mostrando sus propiedades dentro de unos niveles tales que pueda seguir utilizándose para aquellas aplicaciones en las que se requiera. A partir de aquí, se verá si el método de reciclado mecánico de PLA es útil en la cadena de valor y proporciona una segunda vida al producto. Si la degradación es de unos niveles elevados, entonces se deberán utilizar otras técnicas de valorización energética como el compostaje o la combustión. En este proyecto se cuenta con diferentes muestras de PLA. Por un lado, se tiene un PLA Orinoco Virgen procedente de una bobina comprada en la empresa SmartMaterials3d y, piezas defectuosas que han sido impresas con ese material, es decir, PLA Orinoco Usado. Por otro lado, se cuenta con una cantidad de residuos generados por impresiones fallidas, que son residuos de diferentes PLA que han sido generados durante la pandemia del COVID-19. Todos los residuos han sido sometidos al proceso de reciclado mecánico y unidos en la extrusora para formar un único producto llamado PLA Corona Mezcla y, así estudiar la viabilidad de poder reciclar diferentes tipos de PLA obteniendo un único producto. Además, se tiene acceso a muestras de PLA Virgen (PLAV) y PLA Reciclado (PLAR) del laboratorio para realizar comparaciones. En primer lugar, se debe caracterizar los residuos recibidos de los coronamakers para cerciorarse de que todos ellos están fabricados de PLA. Para ello, se realiza un estudio por espectroscopia infrarroja (FTIR), el cual ofrece el espectro infrarrojo de cada muestra, que será comparado con el de una muestra de PLAV. Tras este estudio se deduce que todos los materiales recibidos son PLA y, que por lo tanto se puede proceder a estudiar nuevas técnicas experimentales para ver los niveles de degradación. Una de las técnicas más destacadas es el análisis por calorimetría (DSC) que determina las propiedades térmicas de los materiales. En el proceso se llevan a cabo dos calentamientos desde temperatura ambiente hasta 180°C y, entre medias, un enfriamiento hasta 0°C. En líneas generales, el comportamiento del PLAOV, PLAOVP y PLAOUP es similar. Se aprecian algunas diferencias en la región de cristalización en frío, ya que PLAOVP y PLAOUP tienen temperaturas de cristalización en frío ligeramente inferiores. Esto se debe a que los materiales procesados se han degradado, tienen un menor peso molecular al tener cadenas más cortas y por ello, cristalizan con mayor facilidad. El PLA Corona Mezcla tiene un rango de diferencias mayor con las otras muestras. En primer lugar, la temperatura de cristalización en frío desciende 8°C, lo que es un valor considerable. Por otro lado, hay un aumento de la temperatura de fusión, esto es debido a que uno de los materiales que forma la mezcla puede presentar propiedades térmicas diferentes, a pesar de ser PLA. Al haber encontrado diferencias significativas en el PLA Corona Mezcla se procedió a analizar los PLA que forman la mezcla para ver cuál, o cuáles, son los causantes de estas diferencias. El material que provoca la diferencia del PLA Corona Mezcla (reciclado) es el PLA Corona Verde. Este es un material que presenta una mayor facilidad para cristalizar, llegando a hacerlo incluso en el enfriamiento, lo que no es un comportamiento normal para el PLA en las condiciones de ensayo utilizadas. Este material es un tipo de PLA con un grado que presenta mayor facilidad para cristalizar, bien sea por aditivos o por una diferente proporción de los isómeros L y D. Otro ensayo importante para el estudio de las propiedades de las muestras estudiadas es el análisis de la viscosidad La viscosidad (y, por tanto, el peso molecular) de la muestra de PLA Orinoco Usado (reciclado) es menor que la del PLA Orinoco Virgen. Sin embargo, el descenso es poco relevante, del orden del 10 %, y es similar al que se produce en cada procesado del PLA, como se observa comparando el comportamiento del Orinoco con el del PLA usado habitualmente en el laboratorio (PLAV y PLAR). Al igual que en las anteriores técnicas experimentales, encontramos una gran diferencia en la muestra de PLA Corona Mezcla (reciclado). En este caso la viscosidad es muy baja, indicando un menor peso molecular promedio. Como sucedía en DSC, puede deberse a alguno de los grados presentes en la muestra variada de los coronamakers. En cualquier caso, la viscosidad de este reciclado es muy baja, lo que cuestiona que se pueda emplear en la misma aplicación de impresión 3D que el virgen. Por último, se realiza el estudio de microdureza.Se comprueba que no existen apenas diferencias entre las muestras. Sin embargo, se puede apreciar que el PLA Corona Mezcla tiene una dureza superior a las demás muestras. Dado que en las anteriores técnicas se produjo un descenso de la viscosidad, una cristalinidad poco común del PLA y un descenso del peso molecular, es extraño que en este caso se produzca un aumento de la dureza. Los espectros FTIR sugieren que podría haber nanopartículas de TiO2 en el PLA y estas podrían ser responsables del incremento de la dureza junto con una cierta critalización en la superficie. De los resultados obtenidos, se puede decir que la degradación producida tras un procesado o una impresión 3D, que es el proceso equivalente, de un mismo material es mínima. Además, se aprecia que el crear un nuevo producto a base de diferentes tipos de PLA puede producir una degradación importante y así inhabilitar el producto final para su reutilización en impresión 3D. Por último, se ha realizado un modelo de negocio y un estudio económico para ver la viabilidad económica del proyecto. Esto se relaciona con el concepto de economía circular, que es un modelo de producción y consumo basado en reutilizar, reparar y reciclar materiales en la sociedad, y es uno de los principales objetivos en la transformación industrial. El modelo económico se ha realizado mediante el método de Guthrie, por el cual se estiman los costes de los equipos en una planta química. Se estima el coste base de los equipos en función de parámetros como la presión o temperatura a la que funcionan, caudales, dimensiones o longitudes, los costes de terreno con la caseta comprada para el proyecto, costes de mano de obra, costes de servicios, costes de producción y, por último, una estimación de los posibles ingresos. Con todos estos datos se calculan los flujos de caja operativos, obteniendo el beneficio antes de impuestos (BAI) y, aplicando la tasa de impuestos de sociedades (25%), el beneficio después de impuestos (BDI). Por último, se calcula los flujos de caja o beneficio neto (BN). Estos datos son introducidos en las ecuaciones de Valor Actual Neto (VAN), Tasa Interna de Retorno (TIR) y Plazo de recuperación o payback (PB) para así poder calcular la viabilidad económica del proyecto. Los resultados que se han obtenido son un VAN superior a cero (VAN = 8.747,03 €), una TIR superior a la tasa de descuento (r=5%) (TIR=20%) y un PB asequible para los años de vida útil (PB=4,46 años). Con todos estos datos económicos y técnicos positivos, se puede concluir la viabilidad del proyecto. El reciclado mecánico de residuos de impresión 3D a nivel de Escuela o Universidad, donde se puede controlar la variabilidad de grado de PLA empleados, para volverlos a utilizar en impresión 3D, es técnica y económicamente viable. A una escala más amplia aparece un problema importante, la existencia de grados y calidades muy variables en los residuos de PLA, pero el reciclado podría emplearse en aplicaciones menos exigentes que la impresión 3D.