Recubrimientos a base de quitosano como sustituto de los PFAS

Los compuestos fluorados se han convertido en un tema crítico por sus efectos nocivos para la salud humana y el medio ambiente. La Unión Europea también es consciente de ello e impone normativas cada vez más estrictas. Los polisacáridos, especialmente el quitosano, están cobrando importancia como posibles alternativas a las sustancias fluoradas, ya que pueden modificarse químicamente de muchas maneras y tienen la capacidad de formar películas. En nuestra investigación, hemos investigado la modificación química del quitosano con cadenas de ácidos grasos, seguida de la deposición sin disolventes sobre vidrio y textiles. Se analizaron las propiedades fisicoquímicas del recubrimiento modificado y se comprobó su durabilidad, biodegradabilidad y toxicidad.

La sustitución de los compuestos fluorados se ha convertido en una cuestión crítica debido a sus efectos nocivos tanto para la salud humana como para el medio ambiente, una preocupación reconocida por la Unión Europea, que está promulgando normativas cada vez más estrictas. Los polisacáridos, en particular el quitosano, están ganando atención como alternativas potenciales a las sustancias fluoradas, gracias a su versatilidad en la modificación química y a su capacidad para formar películas. En nuestra investigación, exploramos la modificación química del quitosano con cadenas de ácidos grasos, seguida de una deposición sin disolventes sobre vidrio y tejidos. Se analizaron las propiedades fisicoquímicas del recubrimiento resultante para confirmar el éxito de la modificación y se comprobó su durabilidad, biodegradabilidad y toxicidad.

Las superficies superhidrofóbicas y autolimpiables son de crucial importancia para aplicaciones como los sistemas energéticos, la electrónica, las fachadas de edificios y los antiincrustantes. Las superficies inspiradas en modelos naturales como las hojas de loto consiguen ángulos de contacto elevados y ángulos de deslizamiento bajos combinando la hidrofobicidad con estructuras nano y micrométricas. A pesar de los avances en micro y nanotecnología, la mayoría de las tecnologías superhidrofóbicas siguen basándose en sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas (PFAS), que plantean riesgos para la salud y el medio ambiente. Con la creciente normativa de la UE sobre PFAS, se necesitan alternativas más seguras.

El quitosano, un polisacárido derivado de la quitina, es un candidato prometedor por sus propiedades mecánicas, biodegradabilidad y facilidad de modificación. Dado que la quitina es el segundo polisacárido más abundante después de la celulosa y el principal componente de las garras de los crustáceos, el quitosano puede servir para reutilizar los residuos derivados de la acuicultura.

Fig. 1: Revestimiento hidrófobo sin PFAS a base de quitosano. El quitosano es un derivado de la quitina, el segundo polisacárido más abundante del planeta, que se obtiene de los residuos de la acuicultura. El quitosano se modifica químicamente y se deposita mediante un proceso sin disolventes para garantizar la transparencia y la superhidrofobicidadEnel Laboratorio de Ingeniería de Superficies e Interfaces de Fluidos (SEFI Lab) de la Universidad de Milán-Bicocca se ha desarrollado y aplicado al vidrio [1] y a los textiles [2] un revestimiento sin PFAS a base de quitosano. Mediante la modificación química del quitosano y la deposición sin disolventes, se consiguió transparencia y superhidrofobicidad, teniendo en cuenta tanto el rendimiento como las preocupaciones medioambientales(Fig. 1). El proceso para modificar la funcionalidad del quitosano comienza con reacciones de esterificación y formación de amidas secundarias utilizando cloruro de estearoilo, seguidas de purificación y liofilización. A continuación, el polvo de quitosano modificado se deposita sobre portaobjetos de vidrio o textiles mediante una técnica sin disolventes, en la que el polvo se tamiza a través de una malla metálica de 100 µm y se somete a un tratamiento térmico a 150 °C. Para analizar la modificación del quitosano y el recubrimiento resultante se utilizaron varios métodos de caracterización, como la distribución del peso molecular, la RMN-1H, la RMN en estado sólido 13C-DD-MAS, la espectroscopia infrarroja (FTIR), el análisis termogravimétrico (TGA), la medición del ángulo de contacto y la microscopia electrónica de barrido (SEM).

En sustratos de vidrio, la transparencia se evaluó mediante análisis UV-Vis y la durabilidad mediante resistencia a la abrasión, contacto con agua y ambientes ácidos y pruebas con cinta adhesiva. Ajustando la cantidad de quitosano modificado durante la deposición, se pueden producir revestimientos con diferente hidrofobicidad y transparencia. Una cantidad de quitosano de 3,2 mg/cm2 proporciona el equilibrio óptimo entre alta hidrofobicidad y transparencia.

En el caso de los tejidos, una deposición de sólo 1,6 ^mg/cm2 sobre poliéster y acetato de celulosa proporcionó superhidrofobicidad y repelencia al agua, el café, los zumos y los tintes.

El análisis SEM del vidrio y los tejidos muestra que el polvo liofilizado modificado tiene una estructura laminar y que el grosor del revestimiento aumenta a medida que se deposita más quitosano. La superhidrofobicidad aumenta la rugosidad en dos órdenes de magnitud, lo que se debe a la forma fibrosa del quitosano modificado. Las pruebas de durabilidad realizadas sobre vidrio demuestran que los revestimientos son muy resistentes a la abrasión, al agua y a los ambientes ácidos. En textiles, el revestimiento demostró ser duradero a lo largo de varios lavados, mientras que se deterioró bajo una radiación UV muy intensa y una prueba de desgarro. Además, demostramos la biodegradabilidad efectiva del recubrimiento, confirmando que la modificación química del quitosano no altera su biodegradabilidad. Por último, demostramos la excelente biocompatibilidad del recubrimiento en queratinocitos y fibroblastos humanos, lo que permite un contacto seguro con la piel.

En resumen, este trabajo demuestra el desarrollo con éxito de un recubrimiento a base de quitosano sin PFAS que se aplica sobre vidrio y textiles y proporciona una excelente repelencia al agua. Otras mejoras podrían centrarse en optimizar las propiedades mecánicas del recubrimiento y la transmisión de la luz ajustando la morfología de la superficie o añadiendo reticulantes. Este trabajo contribuye al desarrollo de materiales polisacáridos bioderivados que ofrecen una alternativa sostenible a los polímeros convencionales derivados del petróleo y apoyan una economía circular más sostenible. Estos hallazgos allanan el camino para ampliar la aplicabilidad de los materiales basados en polisacáridos a otros sectores, incluidos los semiconductores y la electrónica, que dependen del uso generalizado de PFAS.

Referencias

[1] Tagliaro, I., Seccia, S., Pellegrini, B., Bertini, S., & Antonini, C. (2023). Chitosan-based coatings with tunable transparency and superhydrophobicity: a solvent- and fluorine-free approach by stearoyl derivatisation. Carbohydrate Polymers, 302, 120424.
[2] Tagliaro, I., Mariani, M., Akbari, R., Contardi, M., Summa, M., Saliu, F., ... & Antonini, C. (2024). PFAS-free superhydrophobic chitosan coating for textiles. Carbohydrate Polymers, 333, 121981.