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Revista Colombiana de Química ISSN: 0120-2804 [email protected] Universidad Nacional de Colombia Colombia Ramírez, Aurelio; Navarro, Leticia Guadalupe; Conde Acevedo, Jorge DEGRADACIÓN QUÍMICA DEL POLI(ETILEN TEREFTALATO) Revista Colombiana de Química, vol. 39, núm. 3, 2010, pp. 321-331 Universidad Nacional de Colombia Bogotá, Colombia Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=309026685002 Cómo citar el artículo Número completo Más información del artículo Página de la revista en redalyc.org Sistema de Información Científica Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto

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Revista Colombiana de Química

ISSN: 0120-2804

[email protected]

Universidad Nacional de Colombia

Colombia

Ramírez, Aurelio; Navarro, Leticia Guadalupe; Conde Acevedo, Jorge

DEGRADACIÓN QUÍMICA DEL POLI(ETILEN TEREFTALATO)

Revista Colombiana de Química, vol. 39, núm. 3, 2010, pp. 321-331

Universidad Nacional de Colombia

Bogotá, Colombia

Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=309026685002

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Red de Revistas Científicas de América Latina, el Caribe, España y Portugal

Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto

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DEGRADACIÓN QUÍMICA DEL POLI(ETILEN TEREFTALATO)

CHEMICAL DEGRADATION OF POLY(ETHYLENE TEREPHTHALATE)

DEGRADAÇÃO QUÍMICA DO POLI(TEREFTALATO DE ETILENO)

Aurelio Ramírez1,2, Leticia Guadalupe Navarro1, Jorge Conde Acevedo1

Recibido: 19/04/10 – Aceptado: 12/11/10

En este trabajo se analizó la degradación delpoli(etilen tereftalato) variando la tempera-tura y la concentración de hidróxido de pota-sio en 1-butanol, manteniendo constante eltamaño y peso de la muestra. El intervalode temperatura utilizada fue de 110 oC a150 oC y las concentraciones de hidróxidode potasio en 1-butanol en el intervalo 0,4a 4,4 molar. Para estas condiciones deconcentración y temperatura se observóla degradación de un 99% de poli(etilentereftalato) en un tiempo de una hora. Seobtuvieron dos fases: una orgánica y unasólida. La fase sólida es un polvo solubleen soluciones ácidas. Este producto de-gradado corresponde probablemente altereftalato de potasio. A una temperaturade 150 oC y una concentración de 3,34 Mse estudió la cinética de degradación delpoli(etilen tereftalato) en función deltiempo. A partir de los resultados y com-parando con modelos matemáticos de de-gradación encontrados en la literatura, sepropone que la degradación del poli(eti-len tereftalato) sigue un modelo de degra-dación de power law.

Palabras clave: PET, degradación,

modelo de reacción, power law.

In this work the degradation of poly(eth-ylene terephthalate) was analyzed by var-ying the temperature and the concentra-tion of potassium hydroxide in 1-butanolholding constant the size and weight ofthe sample. The temperature range usedwas from 110oC to 150oC and concentra-tions of potassium hydroxide in 1-butanolin the range of 0,4 to 4,4 molar, obtaining99% degradation of poly(ethylene te-rephthalate) in one hour. The temperatu-re of 150ºC and the concentration of 3,34M were used to study the degradation ofpoly(ethylene terephthalate) as a functionof time. We obtained two phases, an or-ganic phase and solid phase. The solidphase is a soluble in acidic solutions. Thesolid phase probably corresponds to theof potassium terephthalate. From the re-sults and comparing with models of de-gradation found in the literature this worksuggests that poly(ethylene terephthalate)

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1 Universidad del Papaloapan. Circuito Central No. 200, colonia Parque Industrial, Tuxtepec, Oaxaca, México. C.P.68301.

2 [email protected]

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degradation reaction occurs type powerlaw.

: PET, degradation, reac-tion model, power law.

Neste trabalho, se analisou a degradaçãode poli(tereftalato de etileno) através davariação da temperatura e da concentraçãode hidróxido de potássio em 1-butanol, se-gurando o tamanho e o peso constante daamostra. A faixa de temperatura utilizadafoi 110° C a 150º C e concentrações de hi-dróxido de potássio em 1-butanol, interva-lo de 0,4-4,4 molar. Para que essas varia-ções são 99% de degradação do poli(teref-talato de etileno) em um tempo de umahora. Foram obtidas duas fases: uma faseorgânica e uma fase sólida. A fase sólida éum pó solúvel em soluções ácidas. Issoprovavelmente corresponde ao produtodegradado de tereftalato de potássio. Fo-ram utilizadas uma temperatura de 150 ºCe uma concentração de 3,34 M para estu-dar a cinética de degradação do poli(teref-talato de etileno) como uma função dotempo. A partir dos resultados e compa-rando com modelos matemáticos de degra-dação encontrados na literatura, se sugereque a degradação do poli(tereftalato de eti-leno) é um modelo de degradação do tipolei de potência.

: PET, degradação,modelo de reação, lei de potência.

INTRODUCCIÓN

El poli(etilen tereftalato) (PET) es un po-liéster termoplástico, con un intervalo decristalinidad de 0 a 60%. Este ha sido par-te del desarrollo de la vida humana en las

últimas décadas (1-4). En el mundo seconsumen aproximadamente 26 millonesde toneladas de PET al año, de estas, 20millones son procesadas por la industriatextil (fibras), 4 millones son utilizadas encintas de audio y video (películas fotográ-ficas), así como en transparencias, 2 mi-llones en productos de empaque y mol-deado (botellas y jarras) (5-6). Estosmateriales plásticos son depositados enbasureros o en lugares inapropiados des-pués de su uso, debido a esto, en años re-cientes, se han creado normas sobre losproblemas ambientales y de espacio queestos desechos están generando (7-8).

Por mencionar un ejemplo, en Brasil seproducen 400.000 toneladas al año dePET, del cual, 90% se destina en la pro-ducción de botellas, de estas, solo 40% esreciclado, lo que convierte a Brasil en unode los países en el mundo que contiene másdesechos de botellas de PET sin reciclar.

Por otra parte, comparativamente, enEuropa el reciclado de PET en 1991 fuede 1,3x104 toneladas, en 1993 de 2,2 x104

toneladas, en 1995 de 3,5x104 toneladas,en 2008 1,1 x106 y en 2009 alcanzó la ci-fra de 1,4 x106 toneladas.

El proceso de reciclado químico es unaopción viable para este tipo de material,ya que las cantidades mundiales de PETse están elevando cada año aproximada-mente 12,5% por año. Hay varios proce-sos de este tipo, por ejemplo, la metanóli-sis, glicólisis, hidrólisis, aminólisis y laoxidación, entre otros (9-14). De estosprocesos se estima que la degradación delPET por hidrólisis en un intervalo de tem-peratura de 100 oC hasta 120 oC es 5.000veces más rápido que el proceso de degra-dación por oxidación, y 10.000 veces más

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rápido que el proceso de degradación tér-mica.

El proceso de hidrólisis puede llevarsea cabo en un medio neutro, ácido o alcali-no. Entre estos tres procesos, bajo lasmismas condiciones de degradación, lahidrólisis alcalina del PET es más rápidaque las hidrólisis ácida y neutra.

Generalmente, en la hidrólisis alcalinase han utilizado soluciones acuosas de hi-dróxido de sodio con intervalos de con-centración de 4 a 20% en peso, tempera-turas de 100 ºC hasta 250 ºC, presionesdesde 1 hasta 2 atmósferas, y en tiemposde degradación entre 2 y 5 horas, para ob-tener rendimientos hasta 99%. Tambiénse ha estudiado la cinética de degradaciónde este proceso hidrolítico, además deproponer modelos matemáticos de degra-dación (15-16).

En el estudio de la descomposición térmi-ca en sólidos se utilizan modelos de reac-ción para describir su degradación expe-

rimental. La cinética de estos procesos esdescrita por la ecuación [1].

� � � � � �d

dtK T f Ae f

E

RT�� �� �

��

��

[1]

Donded

dt

�es la velocidad de la degra-

dación, t es el tiempo, � es el grado de de-gradación, T es la temperatura en gradosKelvin, K es la constante de la velocidadde degradación en función de la tempera-tura, EA es la energía de activación, A esel factor preexponencial, f(�) es el mode-lo matemático de reacción y R es la cons-tante de los gases (17-19).

La integral de la ecuación [1] bajo con-diciones isotérmicas es de la siguienteforma

� � � �g K T t� � [2]

Donde � � � �g f d� � ��� �

0

1. El término

g(�) representa el comportamiento delgrado de degradación (�) con respecto altiempo y la temperatura.

En la Tabla 1 se enumeran algunosmodelos matemáticos de reacción, f(�),

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f � g �

1 Power law 4�3/4

�1/4

2 Power law 3�2/3

�1/3

3 Power law 2�1/2

�1/2

4 Power law (2/3)�-1/2�

3/2

5 One-dimensional diffusion ½ (�-1) �2

6 Avrami-Erofeev 4(1-�) [-ln(1-�)]3/4 [-ln(1-�)]1/4

7 Avrami-Erofeev 3(1-�) [-ln((1-�)]2/3 [-ln(1-�)]1/3

8 Avrami-Erofeev 2(1-�) [-ln(1-�)]1/2 [-ln(1-�)]1/2

9 Three-dimensional diffusion 2(1-�)2/3(1-(1-�)1/3)-1 [1-(1-�)1/3]2

10 Contracting sphere 3(1-�)2/3 1-(1-�)1/3

11 Contracting cylinder 2(1-�)1/2 1-(1-�)1/2

. Modelos matemáticos de degradación (20)

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con sus respectivas formas integradas,g(�), propuestas en la literatura (20).

La constante de la velocidad, K(T), dela ecuación [2] se puede determinar grafi-cando g(�) versus tiempo para cada mo-delo de la Tabla 1; y a partir de los valoresde K(T) obtenidos de cada uno de los mo-delos, se puede estimar el grado de con-fiabilidad de cada uno de estos usando lasuma residual de cuadrados � �S

j

2 .

� �� �� �

Sn

t

t

g

gj

j j j

j

n2 11

10 99 0 99

��

� ��

��

���

, ,

�[3]

Las relaciones entre los Sj

2 se puede ex-presar estadísticamente como

FS

Sj

j�2

2min

[4]

Donde Smin2 es el valor mínimo de todos

los Sj

2 y Fj

e e indica la aproximación decada modelo de reacción con los datos ex-perimentales. Cuando el valor de Fj paraun modelo es uno o se aproxima a uno, elmodelo j se ajusta o se aproxima a los da-tos experimentales. Los valores de laenergía de activación (EA) y el factorpre-exponencial (A) se pueden determi-nar a partir de este modelo de reacciónusando la ecuación [1] (21-22).

El objetivo del presente artículo es es-tablecer condiciones de degradación quí-mica del PET más sencillas que las pro-puestas en la literatura, así comoproponer un modelo matemático que per-mita describir la cinética de degradaciónexperimental del PET, de forma que enfuturas investigaciones esta metodologíase pueda aplicar a la degradación de otrospolímeros como poliuretanos, poliami-nas, polilactonas, entre otros.

PET comercial, hidróxido de potasio(grado reactivo Sigma Aldrich), alcoholbutílico (grado reactivo Química Meyer),ácido clorhídrico (grado reactivo Quími-ca Meyer), plancha de calentamientomarca RCT Basic Ika y equipo de infra-rrojo con transformada de Fourier(FT-IR) modelo Spectrum 100 PerkinElmer.

Se colocó 1 g de PET comercial cortadoen trozos de 1x1 cm en un matraz de fon-do redondo de 50 mL. Al matraz se leagregó la solución de KOH en 1-butanolen un intervalo de concentración de 0,4 a4,4 molar. La mezcla se colocó en unaplancha de calentamiento con agitaciónsuave a una temperatura de 150 ºC. Apartir de los resultados obtenidos, poste-riormente se fijó una concentración cons-tante para llevar la a cabo la degradaciónvariando la temperatura en un intervalode 110 ºC a 160 ºC durante un tiempo deuna hora.

Se determinó el porcentaje de degrada-ción pesando, en seco, el PET no degra-dado, el cual se separó previamente porfiltración. Los resultados de los valoresde degradación se sustituyeron en los mo-delos matemáticos de reacción de la Ta-bla 1, y se analizó su comportamiento conrespecto a los datos experimentales. Secaracterizaron los productos de degrada-ción por FT-IR precipitando el productodegradado con HCl concentrado.

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Se llevó a cabo la hidrólisis alcalina delPET. El porcentaje de PET degradadocon respecto a diferentes concentracionesde KOH en 1-butanol se muestra en la Fi-gura 1, en esta se observa que la degrada-ción del PET se incrementa de manerasignificativa y de forma lineal en el inter-valo de concentración de 0,4 a 2,5 M. Demanera que a una concentración de 3,34M el PET es degradado en 99,74%.

Por otra parte, la degradación del PETen función de la temperatura manteniendouna concentración fija de 3,34 M de KOHen 1-butanol y un tiempo de una hora,presenta un comportamiento ascendenteno lineal conforme esta se incrementa,(Figura 2). En el intervalo de temperaturade 110 º a 130 ºC, la degradación delPET alcanza 99%. La degradación es casitotal en el intervalo de 130 ºC a 150 ºC.Por ejemplo, a estas dos temperaturas co-

rresponde 99,53% y 99,88% de PET de-gradado, respectivamente.

Como resultado de la degradación quí-mica tanto en la variación de concentra-ción como de temperatura, se obtuvocomo producto final una mezcla hetero-génea. Una fase sólida (polvo blanco) yuna fase líquida (orgánica). Se obtuvieronlos espectros de FT-IR de estas dos fases,para esto, el polvo blanco se disolvió conagua y se precipitó con ácido clorhídrico(HCl) concentrado, también se obtuvo elespectro del PET comercial (Figura 3).Bourelle y Safa (23) obtuvieron tambiénestas dos fases en la degradación químicadel PET pero utilizando NaOH. En la Fi-gura 3 se observa que al comparar los es-pectros (a) y (c), la señal que correspondeal grupo funcional carbonilo del PET apa-rece en 1714 cm-1 (> C=O) en (c) y noen el espectro (a); este resultado indicaque sí se llevó a cabo la degradación delPET. Además, en el espectro (a) se obser-

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100

9095

85

80

75

70

60

65

55

50

35

4540

0 21 3 54

KOH (mol / Litro)

%P

ET

deg

radad

o

. Degradación del PET a una temperatura de 150 ºC y un tiempo de 1 hora, en función dela concentración de KOH en 1-butanol.

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va la señal del ión carboxilato asimétricoen 1635 y 1567 cm-1 y del ión carboxilatosimétrico a 1.395 y 1.300 cm-1 (O-C=O).Este resultado indica que probablementeel polvo blanco sea carboxilato de pota-sio. Por otra parte, las señales del espec-tro (b) corresponden al etilenglicol y al1-butanol; las señales de los grupos fun-cionales de estos dos compuestos se en-cuentran sobrepuestas (alcohol y metile-no); la señal del alcohol (R-OH) seencuentra a 3.354 cm-1 y la de los metile-nos (-CH2) a 2.936 cm-1 (24). En la Figu-ra 4 se muestra la reacción general pro-puesta de la hidrólisis alcalina del PET.

A partir de los resultados anteriores,se fijaron las condiciones siguientes dedegradación: 1 g de PET comercial, unaconcentración de 3,34 M de KOH en1-butanol y una temperatura de 150 ºC,con el objetivo de analizar la cinética dedegradación del PET. En la Figura 5 semuestra la cinética de degradación, enesta se observa que la velocidad de degra-dación se incrementa de manera lineal enun intervalo de 10 a 20 minutos, alcan-

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%P

ET

deg

radad

o1009590

8580

75

70656055

5045

4035

105

Temperatura (ºC)

100 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160

. Degradación del PET en función de la temperatura.

100

80

60

0

40

20

4.000 3.600 2.8003.200 2.400 1.6002.000

cm-1

1.200 800

4.000 3.600 2.8003.200 2.400 1.6002.000 1.200 800

100

80

60

0

40

20

4.000 3.600 2.8003.200 2.400 1.6002.000 1.200 800

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70

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0

40

10

80

90

50

30

20

cm-1

cm-1

%T

%T

%T

a.

b.

c.

. Espectros de FT-IR. . Producto de de-gradación sólida (Polvo blanco), . Producto de de-gradación fase orgánica. . PET comercial.

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zando en estos tiempos una degradaciónde 81% y 95%, respectivamente. En elintervalo de 20 a 50 minutos la pendientede degradación disminuye comparadacon el intervalo anterior, y esto es debido

probablemente a la cantidad de PET quequeda por degradar, es decir, de 95 a100%; por ejemplo, a los 50 minutos ladegradación es de 99%. Estas condicio-nes de degradación del PET propuestas

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O O

n

CHH CCH C2

2nKOH

OH

C CHnHOCH OH

2

2 2

OO

C OK

. Reacción general de la hidrólisis alcalina del PET.

90

Tiempo (min)

%P

ET

deg

radad

o

100

80

70

60

0 2010 30 40 50 60

. Cinética de degradación del PET en una solución de concentración 3,34 M de KOH en1-butanol y 150 ºC.

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resultan ser más eficientes y con rendi-mientos altos en un menor tiempo, alcompararse con trabajos previos. Porejemplo, Mancini y Zanin (25) utilizaronNaOH 7,5 M, una temperatura de 100ºC, un tamaño de la muestra de PET infe-rior a 1,19 mm y un tiempo de 5 horas,para obtener un rendimiento de 98%.

Partiendo de estos resultados, se reali-zó la comparación de la cinética experi-mental con los modelos de reacción de laTabla 1 (Figura 6), donde la línea concuadros en blanco representa la tendenciade los valores experimentales. La líneacon triángulos en blanco es el modelo ma-temático que más se ajusta a los datos ex-perimentales, y este corresponde al mo-delo número 3, el cual es

� �f � �� 2 1 2/ [5]

Donde � �f � es el modelo de reacción, ,es un factor de proporcionalidad, �, es el

grado de degradación del PET, ½, es elorden de la degradación. Este tipo de mo-delo matemático es conocido como ley de

potencias (power law). De acuerdo coneste modelo, las cadenas que están siendodegradadas van aumentando en un ordencreciente de 2, es decir, 1, 3, 5, 7, 9, y asísucesivamente, conforme avanza la de-gradación. Y a partir de la ecuación [4],el valor de la aproximación para este mo-delo matemático con los datos experi-mentales, Fj, es de 0,95, y con una cons-tante de degradación de 0,87 minutos-1.

Este modelo matemático es parecido alpropuesto por Hsiao et al. (26), ver ecua-ción [6].

� �dW

dtKC A� � [6]

Donde W es el peso de la muestra delPET, t es el tiempo de reacción, C es laconcentración de NaOH, A es el área de lasuperficie reactiva, K es la constante de

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Modelo 1

Modelo 3

Modelo 4

Modelo 5

Modelo 7

Pet degradado

Modelo 11

Modelo 10

Modelo 6

Modelo 8

Modelo 9

Modelo 2

2,5

1,5

0,5

2

1

0

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Tiempo reducido

. Modelo de degradación g(�) versus tiempo reducido (�=0,99).

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velocidad de la hidrólisis alcalina, � y �

son el orden de reacción.

Comparando cada uno de los términosde la ecuación [6] con las ecuaciones [1] y

[5], resulta qued

dt

dW

dt

�� � son las veloci-

dades de degradación, K(T) = K son lasconstantes de la velocidad de degradacióny � �f C A� �� �� �2 1 2/ son los modelosmatemáticos de degradación. Cabe resal-tar que Hsiao et al. utilizaron NaOH 1,33M y una temperatura 100 ºC para descri-bir la cinética de degradación del PET,obteniendo a los 120 minutos una degra-dación de 30%.

Finalmente, la degradación hidrolíticadel PET propuesta en este trabajo seríauna opción más sencilla que la hidrolisisllevada a cabo en hornos microondas endonde se han utilizado soluciones deacuosas de NaOH y soluciones alcohóli-cas de KOH, temperaturas de 100 ºC y180 ºC, potencias de 46 W hasta 500 W ytiempos de exposición a la radiación demicroondas de 3 minutos hasta 30 minu-tos para alcanzar rendimientos de 97%(27-28).

Se llevó a cabo la degradación del PETcon hidróxido de potasio en 1-butanol auna concentración de 3,34 M a 150 ºC,obteniéndose a los 20 minutos una degra-dación del plástico en 95% y en 99% enun tiempo de 50 minutos. Estas condicio-nes de degradación son más sencillas quelas propuestas en la literatura. Se proponeque el modelo matemático de degrada-ción que más se aproxima a la curva expe-rimental es el llamado power law, estemodelo indica que la degradación de las

cadenas del PET va aumentando en ordencreciente de 2.

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