El poliestireno expandido (EPS, por sus siglas en inglés) es una espuma termoplástica rígida de celda cerrada que se produce a partir de la expansión de perlas sólidas de poliestireno (PS). La expansión se logra calentando con vapor pequeñas cantidades de gas contenidas dentro de la perla de poliestireno, que forman celdas cerradas que ocupan aproximadamente 40 veces el volumen de la perla de poliestireno original. El EPS está compuesto en un 98 % de aire, es un material ligero, resistente, versátil, químicamente inerte, no higroscópico, que funciona como aislante térmico y acústico. Además, su fabricación es muy eficiente [1].

El mercado global actual de EPS se estimó en 8 millones de toneladas métricas y se valora en 9700 millones de dólares. Se espera una tasa de crecimiento anual compuesta del 5 % entre 2021 y 2026 [2].

El crecimiento de este mercado se atribuye al aumento en la demanda de envases de productos sanitarios y alimentos, debido a la pandemia de covid-19 y a la creciente demanda de aislamiento acústico y térmico en la industria de la edificación y la construcción. Este sector es el mayor consumidor de EPS, pues representa más del 46 % de su consumo para el 2020, como lo muestra la figura 1. Se espera que nuevas inversiones significativas en vivienda y obras públicas por parte del Gobierno impulsen el crecimiento de la infraestructura en Colombia y la demanda de EPS [3].

Figura 1

El EPS es uno de los plásticos más usados tanto en la industria como en la vida cotidiana; pero su excesivo consumo y disposición final generan importantes daños al medio ambiente, porque dada su lenta tasa de degradación, termina acumulándose en vertederos o espacios públicos; además, sus residuos son los responsables de una importante problemática social, debido a que la contaminación y deslizamientos de basureros afectan a las comunidades aledañas. Esta gestión inadecuada de los desechos contamina los océanos, daña a los animales que los consumen, genera afecciones respiratorias por causa de la quema y afecta el desarrollo económico, por ejemplo, al “perjudicar el turismo”, afirmó Sameh Wahba, director de Desarrollo Urbano y Territorial, Gestión de Riesgos de Desastres, y Resiliencia del Banco Mundial [4].

El EPS es uno de los plásticos con menos estudios para su recuperación. Entre las alternativas más comunes tenemos el reciclaje mecánico, el cual consiste en reintegrar a procesos de producción los residuos de EPS tratados mediante procesos físicos como compactación o molienda. Otro método es la incineración; pero genera emisiones toxicas que para ser controladas requieren un alto costo de inversión. De ahí que la alternativa más reciente sea el reciclaje químico, que se basa en el uso de solventes; sin embargo, los solventes más usados son nocivos para el hombre o el medio ambiente.

Como alternativa de reciclaje químico se pueden usar solventes naturales con propiedades biodegradables que no representen amenazas para los ecosistemas; no obstante, es necesario ampliar investigaciones en esta área.

Este proyecto tuvo por objetivo analizar y comparar la viabilidad y condiciones óptimas de concentración y temperatura en la disolución de EPS en dos solventes orgánicos: el d-limoneno y el aceite de eucalipto.

Existen estudios similares, en los cuales se utilizaron proporciones inferiores a 1:2 poliestireno-solvente, respectivamente, con el fin de obtener anticorrosivos [5] y recubrimientos [6], con las que se pudo establecer que tienen un adecuado comportamiento y cumplen su objetivo. Investigaciones relacionadas con el buen desempeño de ambos solventes para la recuperación del poliestireno han sido desarrollados en la Universidad EAN [7].

En otros estudios se ha reportado la disolución completa del poliestireno con una proporción máxima de 1:1 % en peso en aceites esenciales [8].

Para que un solvente funcione necesita tener una estructura química similar a la del soluto, y los compuestos apolares como el EPS se disuelven en disolventes apolares. Cuando el solvente entra en contacto con el polímero, debe romper las interacciones poliméricas y crear interacciones favorables con el polímero. Según la teoría de Hildebrand, los polímeros son solubles en solventes con parámetros de solubilidad parecidos a los del polímero, y este parámetro representa el grado de interacción entre materiales mediante las energías cohesivas [8].

Seleccionamos dos solventes biodegradables con parámetros de solubilidad similares a los del EPS, el d-limoneno y el aceite de eucalipto. La tabla 1 muestra los parámetros de solubilidad del EPS y los solventes propuestos a 25°C.

Tabla 1

Donde:

δd: parámetro de interacciones no polares o de dispersión.

δp: parámetro de interacción dipolar.

δh: parámetro de interacción de enlaces de hidrógeno.

δT: parámetro de solubilidad total.

El parámetro de solubilidad total se obtiene mediante la adición de los tres tipos de interacciones polares.

La teoría de Hansen establece que un polímero es probablemente soluble en un solvente si los parámetros de solubilidad para el solvente están dentro de la esfera de solubilidad del polímero (figura 2). Para comprobar esta hipótesis es necesario calcular si la distancia del disolvente al centro de la esfera de solubilidad del polímero (Ra) es menor que el radio de interacción del polímero (Ro). Para el poliestireno es Ro = 12,7 MPa1/2 [9].

Ra se calcula mediante la siguiente ecuación:

Ecuación 1

Donde:

Ra: distancia entre el punto del disolvente y el centro de la esfera solubilidad.

xs: parámetro para el solvente.

xp: parámetro para el polímero.

Con Ra y Ro se puede calcular el número de afinidad de RED (Ra/Ro), un parámetro de correlación de solubilidad. Si el número RED es menor que 1, indica una alta probabilidad de que el solvente disuelva el polímero; mientras que a medida que el número ROJO aumenta por encima de 1, la capacidad del solvente disminuye [9]. En la tabla 2 se presentan los valores de Ra y RED.

Tabla 2

En las figuras 2 y 3 se presentan las distancias del punto de ubicación del disolvente al centro de solubilidad del poliestireno. El eje Y representa el parámetro δp, el eje X representa δh y el eje Z representa δd.

Figura 2

En la figura 3, el vector amarillo representa el radio de la esfera (Ro), el vector verde es la distancia Ra para el aceite de eucalipto y el vector naranja la distancia Ra para el limoneno.

Figura 3

Teniendo en cuenta que los números Ra para el limoneno y el aceite de eucalipto son inferiores al Ro del poliestireno, se infiere un buen potencial de disolución. Algunas de las propiedades del limoneno y del aceite de eucalipto se presentan en la tabla 3.

Tabla 3

Antes de tratar los residuos químicamente, estos pasaron por los procesos físicos de pretratamiento, que se describen a continuación.

Lavado. En el lavado se realizó una limpieza superficial con agua y jabón, para retirar los contaminantes provenientes de las distintas industrias. Por ejemplo, restos de alimentos. Este proceso no deteriora el EPS, ya que es un material hidrofóbico.

Molienda. Con esta operación se buscaba aumentar el área de contacto con el solvente y favorecer la velocidad de disolución. Para ello se usó un molino eléctrico que dispone de fuerzas de corte para reducir el tamaño.

Tamizado. Se usó para distribuir y seleccionar un tamaño uniforme de las muestras que se iban a utilizar en la disolución. Se buscaba verificar que las muestras tuvieran un volumen inferior a 1 cm³.

Después de tener las muestras limpias y con el tamaño adecuado, se hicieron las disoluciones, con agitación y presión constante (1 atm).

Disolución a diferentes concentraciones. Se alistó 1 g del solvente que se iba a evaluar. Se le agregaron 0,1 g de EPS en el primer ensayo, y para los siguientes ensayos la cantidad de EPS aumentó gradualmente; mientras la cantidad de solvente permaneció constante, hasta alcanzar el punto de saturación (figura 4).

Figura 4

Disoluciones a diferentes temperaturas. Se tomaron muestras molidas de aproximadamente 3 mm de diámetro, a las cuales se les añadieron 0,05 ml del solvente a diferentes temperaturas (294 °K, 303 °K, 273 °K y 323 °K). Con cada temperatura se hicieron 10 ensayos y se contabilizó el tiempo promedio de disolución (figura 5).

Figura 5

Las temperaturas superiores a 50 °C no se evaluaron, porque, aunque la solubilidad es mayor, se produce una degradación de las cadenas poliméricas que afecta la calidad del producto final [12].

Recuperación solvente. Se hacen disoluciones a mayor escala, en proporción 1:1. El resultado es una mezcla homogénea a la cual se le añade etanol en la misma cantidad del solvente, ya que ambos solventes son solubles en este alcohol. Esta mezcla se agita hasta que el poliestireno se precipite al fondo (aproximadamente 5 min). Una vez el poliestireno se ha separado, se lleva a secado y el líquido filtrado (mezcla etanol-solvente) se destila en un rota evaporador, para poder reincorporar tanto el solvente como el etanol.

Para recuperar el disolvente, la presión de la solución que se iba a destilar se redujo. Con ello se provocó la evaporación del compuesto más volátil (etanol). Se usó destilación al vacío con calentamiento (333 °K).

En las figuras 6 y 7 se presentan los diagramas de la temperatura en comparación con la fracción molar de líquido y de vapor del etanol con el limoneno y el aceite de eucalipto, respectivamente. Desde el punto de ebullición del etanol (351°K), hasta el punto de ebullición de los solventes (449 °K).

Figura 6

Figura 7

Secado. El poliestireno se llevó a moldes en un horno a 323 °C para solidificar. Se obtuvo el polímero termoplástico de alta dureza (figura 8), y el poliestireno obtenido conserva sus propiedades mecánicas originales, porque no hay degradación de la cadena polimérica.

Figura 8

En la figura 9 se presenta el diagrama del proceso.

Figura 9

En Colombia faltan más iniciativas que contribuyan a mitigar los impactos de la actividad humana frente al medio ambiente.

El reciclaje de residuos plásticos es necesario para moderar los efectos negativos de los residuos sólidos en los ecosistemas. Este proyecto estudió la solubilidad del EPS en limoneno y aceite de eucalipto, como alternativa sostenible que permite recuperar los desechos de EPS con ventajas, como baja temperatura de disolución, alta solubilidad y corto tiempo de disolución.

Para que una sustancia funcione como solvente de EPS necesita tener una estructura química similar. Una medida para determinarla es la semejanza entre los parámetros de solubilidad del polímero y del solvente. Los parámetros de solubilidad del limoneno y el aceite de eucalipto están dentro de la esfera de solubilidad del EPS y hacen que el número RED sea menor a 1 y, por ende, ambos compuestos funcionen en la disolución de EPS.

El parámetro de interacción polímero-disolvente indica un adecuado comportamiento del limoneno y el aceite de eucalipto en la disolución del EPS, que mejora con el aumento de la temperatura. Este parámetro es inferior en el sistema EPS-limoneno, lo que indica una mayor mejor miscibilidad, en comparación con la mezcla con aceite de eucalipto. Esto se confirma con la solubilidad, que a 21 °C es de 93 g de EPS por cada 100 g de aceite de eucalipto y 150 g EPS por cada 100 g de limoneno.

Las disoluciones se pueden llevar a cabo a temperatura ambiente (294 °K); sin embargo, a medida que aumenta la temperatura, aumenta la solubilidad y disminuye el tiempo de dilución. Al analizar la energía de activación, la mezcla con limoneno presenta un menor valor (22,9 kJ/mol), en comparación con la disolución en aceite de eucalipto (37,25 kJ/mol). Esto indica una menor dependencia de energía del limoneno para llevar a cabo la disolución.

La viscosidad tiene un comportamiento exponencial con respecto a la concentración, ya que al aumentar la temperatura y reducir la concentración, esta disminuye, pues decrecen los enlaces en la solución y se incrementa la solubilidad. Ello favorece el movimiento molecular.

En comparación con la literatura consultada, el aceite de eucalipto presenta la misma capacidad de disolución 1:1 en porcentaje peso-peso, a diferencia del limoneno, que tuvo una capacidad 50 % mayor a las reportadas anteriormente.