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The Plasticization Effect of Hydroxylated Palm Stearin Plasticizer (HPS) Towards High-Density Polyethylene (HDPE) Via Compression Moulding

La estearina de palma hidroxilada (HPS) actúa eficazmente como un plastificante biobasado no reactivo para el polietileno de alta densidad (HDPE) que mejora significativamente la procesabilidad en fundición y altera las propiedades térmicas mediante interacciones físicas, aunque las cargas más altas reducen la resistencia a la tracción debido al aumento de la movilidad de las cadenas.

Autores originales: Rahimi Mohd Shariff, Ahmad Nazri Mazni, Istikamah Subuki, Nur Azrini Ramlee

Publicado 2026-09-15

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CC BY 4.0

Autores originales: Rahimi Mohd Shariff, Ahmad Nazri Mazni, Istikamah Subuki, Nur Azrini Ramlee

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

El mundo está inundado de plástico, un material celebrado por su durabilidad pero criticado por su persistencia. Gran parte de estos desechos plásticos proviene de artículos de un solo uso que se utilizan brevemente y luego se descartan, sobrecargando los vertederos y contaminando los ecosistemas. En respuesta, los científicos buscan constantemente formas de hacer que estos materiales sean más manejables, ya sea haciendo que se descompongan más rápido o encontrando nuevas formas de procesarlos utilizando recursos renovables. Una vía prometedora implica retocar la composición química de los plásticos comunes para que sean más fáciles de manipular o para introducir ingredientes de base biológica que eventualmente puedan ayudar a que el material se degrade. En el corazón de este esfuerzo se encuentra el concepto de un plastificante, una sustancia que se añade a un plástico duro para hacerlo más suave y flexible, de forma muy similar a añadir aceite a la masa para que sea más fácil de amasar. Si bien los plastificantes sintéticos han sido el estándar durante mucho tiempo, los investigadores recurren cada vez más a alternativas de origen vegetal para reducir la dependencia de los combustibles fósiles y mejorar el perfil ambiental de estos materiales.

En un estudio reciente, investigadores de la Universiti Teknologi MARA en Malasia exploraron una solución específica de base vegetal para uno de los plásticos más comunes en uso hoy en día: el polietileno de alta densidad, o HDPE. Este es el plástico resistente y rígido utilizado para fabricar desde jarras de leche hasta botellas de detergente. El equipo investigó un nuevo ingrediente modificado químicamente derivado del aceite de palma, conocido como estearina de palma hidroxilada, o HPS. Su objetivo era ver si esta sustancia natural podía actuar como un plastificante eficaz para el HDPE, mejorando cómo fluye el plástico cuando se funde y moldea, sin destruir su fuerza esencial. Al mezclar diferentes cantidades de este derivado del aceite de palma en el plástico, los investigadores pretendían crear un material bio-híbrido que fuera más fácil de fabricar y potencialmente más respetuoso con el medio ambiente, manteniendo al mismo tiempo las propiedades útiles que hacen que el HDPE sea tan ampliamente utilizado.

Los investigadores comenzaron tomando pellets sólidos de HDPE y mezclándolos con el polvo de HPS en una máquina que calienta y agita la mezcla hasta que se convierte en una mezcla fundida uniforme. Probaron tres recetas diferentes, añadiendo un 10, 20 y 30 por ciento del derivado del aceite de palma por peso. Tan pronto como se introdujo el HPS, la resistencia de la máquina cayó drásticamente. Cuanto más derivado de aceite de palma añadían, más fácil resultaba mezclar el material. En la mezcla con la mayor cantidad de HPS, el esfuerzo requerido para mezclar el plástico disminuyó casi un 80 por ciento en comparación con el plástico puro. Esto indicó que el ingrediente de base vegetal se estaba deslizando con éxito entre las largas cadenas de las moléculas de plástico, permitiéndoles deslizarse unas sobre otras con mayor libertad. Esta reducción de la resistencia significó que el material sería mucho más fácil y requeriría menos energía para ser procesado en un entorno de fábrica.

Sin embargo, esta mayor facilidad de procesamiento conllevó una compensación en la resistencia. Cuando los investigadores tiraron de las tiras de plástico moldeado para probar su durabilidad, descubrieron que el material se volvía más débil a medida que se añadía más HPS. El HDPE puro podía soportar una cantidad significativa de fuerza antes de romperse, pero la mezcla con un 30 por ciento de HPS perdió casi la mitad de esa fuerza. El material también se volvió menos elástico; mientras que el plástico puro podía estirarse hasta casi cinco veces su longitud original antes de romperse, la mezcla con el mayor contenido de HPS se estiró a menos de un tercio de esa distancia. Al observar de cerca las superficies rotas bajo un potente microscopio, el equipo vio que el plástico puro tenía una estructura apretada y compacta. En contraste, las mezclas con HPS mostraban pequeños agujeros oscuros o vacíos, lo que sugería que los dos materiales no se fusionaron completamente en una sola sustancia sin costuras. Estos huecos, junto con el aumento del espacio entre las cadenas de plástico, explicaron por qué el material se volvió más blando y menos capaz de soportar cargas pesadas.

El estudio también examinó cómo se comportaba el plástico bajo el calor. Cuando se calentaba, el HDPE puro se fundía a una temperatura específica, pero la adición de HPS redujo ligeramente este punto de fusión, haciendo que el material estuviera listo para ser moldeado a una temperatura más baja. Curiosamente, el ingrediente de base vegetal parecía fomentar que el plástico comenzara a formar su estructura cristalina sólida a una temperatura ligeramente superior mientras se enfriaba. A pesar de estos cambios, la cantidad total de estructura cristalina dentro del plástico permaneció prácticamente igual, lo que significa que la naturaleza fundamental del HDPE se preservó incluso al suavizarse. Sin embargo, la resistencia al calor del material sí sufrió un revés. El plástico puro podía soportar temperaturas de más de 400 grados Celsius antes de empezar a degradarse, pero la mezcla con la mayor cantidad de HPS comenzó a degradarse a una temperatura mucho más baja, cayendo más de 100 grados. Esto sugiere que, si bien el nuevo ingrediente hace que el plástico sea más fácil de fundir y dar forma, también hace que el producto final sea más sensible al calor elevado.

Finalmente, los investigadores utilizaron una técnica que analiza la luz absorbida por el material para comprobar si existían reacciones químicas entre el HDPE y el derivado del aceite de palma. Los resultados mostraron que no se formaron nuevos enlaces químicos; las dos sustancias simplemente se sentaron una al lado de la otra, interactuando físicamente en lugar de químicamente. Esto confirmó que el HPS actuó como un verdadero plastificante, trabajando al separar físicamente las cadenas de plástico en lugar de alterarlas químicamente. El estudio concluye que la estearina de palma hidroxilada es una opción viable de base biológica para hacer que el HDPE sea más fácil de procesar, reduciendo significativamente la energía necesaria para fundir y mezclar el plástico. Si bien esto debilita el material y reduce su resistencia al calor, los hallazgos ofrecen un camino claro hacia la creación de mezclas plásticas más sostenibles, siempre que el trabajo futuro encuentre formas de mejorar qué tan bien se mezcla el ingrediente de base vegetal con el plástico sintético para mantener la resistencia.

Resumen Técnico: Plastificación de HDPE mediante Estearina de Palma Hidroxilada (HPS)

Planteamiento del Problema
La crisis mundial de los residuos plásticos, impulsada por los envases de un solo uso y la gestión ineficiente de los residuos, ha estimulado la investigación en alternativas de base biológica. Aunque los materiales biodegradables ofrecen una solución, a menudo sufren limitaciones mecánicas, preocupaciones por los microplásticos y sensibilidad a la humedad y al calor. Los estudios existentes sobre plastificantes a base de aceite de palma para el Polietileno de Alta Densidad (HDPE) se han centrado principalmente en cargas bajas (2–5 % en peso) de aceite de palma crudo (CPO), que mostraron mejoras en la resistencia a la tracción pero una exploración limitada de concentraciones más altas. Además, el potencial de la estearina de palma —un derivado con puntos de fusión y rigidez superiores al CPO— como plastificante para el HDPE permanece poco explorado. Este estudio aborda la brecha en la comprensión de cómo una estearina de palma químicamente modificada e hidroxilada (HPS) funciona como plastificante en mezclas de HDPE a cargas más altas (10–30 % en peso) para crear una resina biohíbrida viable.

Metodología
La investigación utilizó Polietileno de Alta Densidad (HDPE, Grado HD5301AA) y sintetizó Estearina de Palma Hidroxilada (HPS) derivada de estearina de palma refinada, blanqueada y desodorizada (RBD). Las mezclas se prepararon con cargas de HPS de 10, 20 y 30 % en peso utilizando un mezclador interno (Haake Rheomix OS) a 180 °C. El proceso consistió en un aumento gradual de la velocidad del tornillo de 5 a 50 rpm, con la adición de HPS después de que el HDPE alcanzara un estado de fundido uniforme. Las mezclas compuestas fueron luego procesadas en especímenes de prueba mediante moldeo por compresión a 150 °C.

La caracterización se llevó a cabo mediante:

Análisis de Torque de Mezclado: Para evaluar la procesabilidad del fundido y los cambios en la viscosidad.
Pruebas de Tracción: Realizadas según la norma ASTM D638 Tipo-I para medir la resistencia a la tracción, el alargamiento a la rotura y el módulo de Young.
Microscopía Electrónica de Barrido (SEM): Para observar la morfología superficial y los mecanismos de fractura a una magnificación de 500x.
Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC): Para analizar las transiciones térmicas (temperatura de fusión $T_m$ , temperatura de cristalización $T_c$ y temperatura de transición vítrea $T_g$ ) y calcular el grado de cristalinidad ( $X_c$ ).
Análisis Termogravimétrico (TGA): Para evaluar la estabilidad térmica y las temperaturas de inicio de degradación ( $T_{d5\%}$ ).
Espectroscopía de Infrarrojo por Transformada de Fourier (FTIR): Para investigar las interacciones químicas y la formación de enlaces entre el HDPE y el HPS.

Resultados Clave

Procesabilidad: La adición de HPS mejoró significativamente la procesabilidad del fundido del HDPE. El torque de mezclado disminuyó un 20.9 % con 10 % en peso de HPS y hasta un 79.2 % con 30 % en peso de HPS, lo que indica una reducción en la viscosidad del fundido y un aumento en la movilidad de las cadenas poliméricas. Sin embargo, las cargas más altas de HPS requirieron tiempos de mezclado más largos para lograr la estabilización del torque.
Propiedades Mecánicas: La resistencia a la tracción disminuyó progresivamente con el contenido de HPS, cayendo de 22.68 MPa (HDPE puro) a 12.13 MPa (mezcla 70/30), una reducción del 46.5 %. Esto se atribuyó al debilitamiento de las fuerzas intermoleculares y al aumento del volumen libre dentro de la matriz. El alargamiento a la rotura mostró una caída inicial brusca (de 487.60 % a 137.23 % con 10 % en peso de HPS), y este valor reducido se mantuvo a medida que aumentaba el contenido de HPS hasta el 30 %, indicando una reducción de la ductilidad. El módulo de Young también disminuyó, reflejando una reducción de la rigidez.
Morfología: El análisis SEM reveló la presencia de huecos oscuros y poros en las muestras mezcladas con HPS, confirmando una separación de fases parcial y la formación de volumen libre. Las imágenes post-fractura mostraron una mayor flexibilidad y deformación dúctil en las muestras plastificadas en comparación con la fractura rígida del HDPE puro.
Propiedades Térmicas: El análisis DSC indicó una ligera reducción en la temperatura de fusión ( $T_m$ ) del HDPE (de 135.2 °C a 130.0 °C) y un aumento en la temperatura de cristalización ( $T_c$ ) de 109.7 °C a aproximadamente 113.2 °C. El grado de cristalinidad permaneció mayormente sin cambios, fluctuando entre 63.4 % y 72.4 %. Notablemente, las mezclas con 20 % y 30 % de HPS exhibieron dos picos de cristalización distintos, lo que sugiere la inmiscibilidad entre los componentes de HDPE y HPS.
Estabilidad Térmica: Los resultados de TGA mostraron una reducción gradual de la estabilidad térmica. La temperatura de pérdida de peso del 5 % ( $T_{d5\%}$ ) disminuyó de 413.0 °C para el HDPE puro a 280.6 °C para la mezcla 70/30. El perfil de degradación pasó de un pico de un solo paso a un pico de dos pasos con 30 % en peso de HPS, una condición atribuida a la influencia de la cantidad de plastificante en la estabilidad térmica de las mezclas.
Interacción Química: Los espectros de FTIR confirmaron que no se formaron nuevos enlaces químicos durante el mezclado. Los espectros retuvieron los picos característicos tanto de HDPE como de HPS, con solo desplazamientos menores en los picos de éster (C=O) y C-H. Esto indica que el HPS actúa como un plastificante no reactivo, funcionando a través de interacciones físicas y fuerzas intermoleculares débiles en lugar de injerto químico.

Significancia y Reivindicaciones
El estudio concluye que la Estearina de Palma Hidroxilada (HPS) es un plastificante de base biológica eficaz para el HDPE, capaz de mejorar significativamente la procesabilidad y la movilidad de las cadenas con cargas de hasta el 30 % en peso. La investigación demuestra que el HPS puede facilitar la creación de mezclas biohíbridas que mantienen la estructura cristalina del HDPE mientras ofrecen propiedades de degradación térmica aceleradas, lo que puede ser beneficioso para escenarios específicos de gestión de residuos. Sin embargo, los autores señalan modestamente que esta mejora en la procesabilidad y degradabilidad se produce a costa de la resistencia mecánica y la estabilidad térmica. El artículo sugiere que, si bien el HPS es una alternativa viable a los aditivos sintéticos, el trabajo futuro debería centrarse en mejorar la compatibilidad mediante la compatibilización reactiva o la modificación química para equilibrar el rendimiento mecánico con los beneficios de la plastificación de base biológica.

Resumen Técnico: Plastificación de HDPE mediante Estearina de Palma Hidroxilada (HPS)

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