Sintesis-y-caracterizacion-de-polimeros-hibridos-sintetico-naturales-reforzados-con-nanoparticulas-de-SIO2-obtenidas-mediante-bioprosesos

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICO 
 
 
 
 
PROGRAMA DE MAESTRIA Y DOCTORADO EN 
INGENIERIA 
 
 
 
 
 
 
FACULTAD DE QUIMICA 
 
 
 
 
 
 
 
NOMBRE DE LA TESIS 
 
SINTESIS Y CARACTERIZACION DE POLIMEROS HIBRIDOS 
SINTETICO – NATURALES REFORZADOS CON 
NANOPARTICULAS DE SIO2 OBTENIDAS MEDIANTE 
BIOPROCESOS 
 
 
 
T E S I S 
 
QUE PARA OPTAR POR EL GRADO DE: 
 
DOCTOR EN INGENIERIA 
 
INGENIERIA QUIMICA - POLIMEROS 
 
P R E S E N T A : 
 
 
ADOLFO MELITON ESPINDOLA GONZALEZ 
 
 
TUTOR: 
DR. CARLOS VELASCO SANTOS 
 
 
 
2012 
 
 
 
 
UNAM – Dirección General de Bibliotecas 
Tesis Digitales 
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JURADO ASIGNADO: 
 
 
 
 
Presi d e n t e: DR RICARDO VERA GRAZIANO 
Secre t a r i o: DR. RAFAEL HERRERA NAJERA 
1 er. Vocal: DR. OCTAVIO MANERO BRITO 
 
 
1 er. Suple n t e: DR. ANTONIO FLORES TLACUAHUAC 
 
2 d o. Suple n t e: DR. CARLOS VELASCO SANTOS 
 
 
 
 
 
CENTRO DE FISICA APLICADA Y TECNOLOGIA AVANZADA UNAM 
 
 
 
 
 
 
TUTOR DE TESIS: 
 
 
 
DR. CARLOS VELASCO SANTOS 
Resumen 
RESUMEN 
 
 
 
Realizada por: Adolfo M. Espíndola González 
Dirigida por: Dr. Carlos Velasco Santos 
 
 
 
 Los polímeros híbridos sintético/naturales son actualmente una alternativa tecnológica para 
disminuir la contaminación de plásticos convencionales. Esto genera un nuevo enfoque hacia la 
generación de nuevos materiales a partir de fuentes renovables para abatir la crisis de falta de petróleo 
a nivel mundial. La síntesis de polímeros híbridos no es sencilla ya que la temperatura de degradación 
de polímeros naturales representa una desventaja importante para producir estos materiales. Aún así, 
ha sido posible combinar ambos tipos de polímeros de manera exitosa obteniendo materiales con 
propiedades mejoradas. Industrias como la automotriz, semiconductores, aislantes y plásticos entre 
otras, han introducido polímeros híbridos sintético/naturales en sus procesos. Un inconveniente en 
estos materiales son las pobres propiedades mecánicas que tienen los polímeros naturales. Estas 
propiedades han sido mejoradas incorporando un refuerzo nanométrico el cual en muchos casos puede 
provenir de fuentes naturales. En esta investigación se propone un método novedoso para la síntesis de 
nanoparticulas de óxido de silicio empleando un bioproceso a base de anélidos. Estas partículas fueron 
incorporadas como refuerzo para la síntesis de nanocompositos de quitosano y almidón empleando el 
método de disolución, así como en la preparación de fibras híbridas a partir de una mezcla ternaria: 
quitosano-almidón-poli (etilen tereftalato) empleando la técnica de electroespinning. En este trabajo 
también se realizó la caracterización estructural de las nanopartículas naturales sintetizadas, así como 
la determinación de propiedades estructurales y termomecánicas de los nanocompositos y de las fibras 
híbridas. Las nanoparticulas naturales de óxido de silicio presentaron un tamaño promedio de 80 
nanómetros, fases cristalinas (principalmente de silicio), morfología esférica y monodispersidad, estas 
propiedades son diferentes a las que muestran las nanopartículas comerciales Aerosil 130® las cuales 
presentaron una estructura amorfa. Los resultados mostraron que el bioproceso empleado tuvo un 
efecto importante en las características de estas nanopartículas debido a que se observaron 
características diferentes en aquellas partículas donde no se empleó vermicompostaje. La 
caracterización estructural y termomecánica de los nanocompositos sintetizados reveló que las 
nanopartículas naturales interactúan (por medio de los grupos silanoles presentes en su superficie) 
principalmente con los grupos reactivos del quitosano. Con almidón esta interacción no fue posible. La 
mezcla quitosano/almidón mostró un efecto sinérgico lo cual mejoró las propiedades de la mezcla 
polimérica. El análisis dinámico mecánico reveló que con la temperatura los nanocompositos 
experimentaron una desviación en su módulo de almacenamiento producto de un arreglo estructural 
entre las moléculas de ambas fases (refuerzo – matriz). Las fibras hibridas sintetizadas a partir de la 
mezcla ternaria tuvieron un tamaño promedio cercano a las 500 micras (microfibras) y una longitud 
variable. Estas fibras se caracterizan por poseer una orientación estructural (microcristalinidad), 
temperatura y entalpía de fusión. Estas propiedades están en función de la manera como se ordenan y 
distribuyen las moléculas del polímero sintético. La adición del poli (etilen tereftalato) mejoró 
notablemente las propiedades mecánicas de las fibras hibridas. Las propiedades de las fibras hibridas 
se modificaron al adicionar las nanopartículas de óxido de silicio a la mezcla ternaria. Estas 
nanopartículas actuaron como núcleos dando lugar a nucleación heterogénea y contribuyendo al 
proceso global de microcristalización en las fibras. Las propiedades de las fibras hibridas variaron en 
función de las concentraciones de almidón y poli (etilen tereftalato) manejadas en la síntesis de las 
fibras. Las fibras reforzadas experimentaron mejor resistencia termomecánica observando un 
incremento inusual del módulo de almacenamiento con la temperatura cuando estas fibras contienen 
refuerzo natural. Este efecto no fue mostrado en aquellas fibras que contienen refuerzo sintético lo 
cual resulta muy interesante. El estudio en las propiedades de los materiales sintetizados en esta 
investigación genera una contribución importante hacia este tipo de nuevos polímeros los cuales 
indudablemente en breve serán considerados como los “materiales del futuro”. 
Facultad de Química Universidad Nacional Autónoma de México i
Abstract 
 
ABSTRACT 
 
Adolfo M. Espíndola González 
Tutor: Dr. Carlos Velasco Santos 
 
 
 
 
Synthetic/natural hybrid polymers are actually a technological alternative to decrease the pollution of 
common plastics. These open a new focus toward a generation of materials since renewable sources to 
lessen the crisis of petroleum in the world. The synthesis of synthetic/natural hybrid polymers does not 
easy even though that several conditions should be kept. Temperature of degradation of the natural’s 
polymers is a drawback to carry out these synthesis processes. Even so, have been possible combine 
both types of polymers with success obtaining better properties. Automotive, semiconductors, 
insulators and plastics industries and still more have introduced synthetic/natural hybrid polymers in 
theirs process. Drawbacks in these materials are the mechanical properties poor of the natural 
polymers. These properties have been improved incorporating a nanometric fill as reinforcement; this 
can be obtained from natural process. This research proposes a novel method of synthesis of silica 
based in a bioprocess (vermicompost). These particles were incorporated as reinforcement in the 
synthesis of chitosan and starch nanocomposites by casting method and in the preparation of hybrid 
fibers since a ternary mix: chitosan-starch-poly (ethylene terephthalate) via electrospinning. In this 
work too was realized the structural characterization and thermomechanical properties of natural 
nanoparticles, nanocomposites and hybrid fibers. Silica natural nanoparticles had a mean size of 80 
nm, crystalline phases (silica), sphericalmorphology and monodispersity, these properties are different 
of the commercial nanoparticles Aerosil 130® where an amorphous structure is seen. The result shown 
that the bioprocess had an important effect in the characteristics of these nanoparticles since the 
particles obtained without bioprocess not had these same properties. The structural and 
thermomechanical properties of nanocomposites revealed that natural nanoparticles interacting (mean 
silanol groups) with reactive groups of chitosan. In starch this interacting was not seen. 
Chitosan/starch had a synergy effect improving the properties in the polymeric blend. Dynamical 
mechanical analysis revealed the temperature caused a deviation in the nanocomposites produced by 
the interacting of both phases (matrix – reinforce). The hybrid fibers produced since a ternary mix had 
a mean size of 500 micrometers (microfibers) and length variable. These fibers have a structural 
orientation (microcrystalinity), temperature and melting enthalpy. These last properties are function of 
order and distribution of the synthetic polymer molecules. The addition of synthetic polymer improved 
notably the mechanical properties of the hybrid fibers. These properties were modified when silica 
nanoparticles were added in the ternary mix. The nanoparticles acted as nucleus causing 
heterogeneous nucleation and take part in the global crystallization process of the fibers. The 
properties of the hybrid fibers changed in function of the concentration of starch and poly (ethylene 
therephthalate). An improvement in the strength of these fibers were observed in the mechanical 
analysis and a non usual increase in the storage module was seen with the temperature in the fibers 
with natural reinforce. This same effect was not observed when synthetic reinforced was used, this 
result very interesting. The study of the materials synthesized in this research and their properties are 
an important contribution in this types of new polymers it which will be undoubtedly considered in 
brief as the “materials of the future”. 
 
Facultad de Química Universidad Nacional Autónoma de México ii
 
AGRADECIMIENTOS 
 
 
 
A Dios por haberme dado la oportunidad de cumplir un logro más y por bendecirme siempre 
en el camino de mi vida. 
 
 
 
A mis padres quienes desde terrenos distintos cuidan de mi, les agradezco infinitamente por 
haberme dado la vida. 
 
 
A mis revisores de Tesis: Dr. Ricardo Vera Graziano, Dr. Rafael Herrera Nájera, Dr. Octavio 
Manero Brito, Dr. Antonio Flores Tlacuahuac y Dr. Carlos Velasco Santos por sus 
observaciones y correcciones en este trabajo de tesis doctoral. 
 
 
A mis asesores de tesis de doctorado: Dr. Carlos Velasco, Dra. Ana Laura Martínez y Dr. 
Víctor Castaño por sus observaciones, correcciones y contribuciones a este trabajo, sin duda, 
este trabajo no se hubiera concluido sin su apoyo. 
 
 
 
A mis amigos: Ana Laura y Carlos, su excelencia académica es sorprendente, pero su calidez 
humana lo es más, les agradezco haberme brindado su confianza y amistad. 
 
 
 
A mis amigos del grupo de materiales con quienes compartí muchas aventuras durante mi 
estancia en CFATA. 
 
 
 
A mis amigos y no tan amigos del CFATA con quienes conviví durante mi estancia doctoral. 
 
 
 
A la Dra. Genoveva Hernández Padrón, Mtra. Alicia del Real López, Técnico Toño, Mtra. 
Carmen Vázquez, Dr. Erick Rivera, Dra. Miriam Estévez, Técnico Francisco Fernández, 
René, Técnico Lourdes Palma, Técnico Nidia Hernández, Coni, Francisco, Lupita, Dr. Pedro 
Salas, Dr. Miguel de Icaza y todos los que de alguna u otra forma colaboraron para que este 
trabajo se concretara mi más sincero agradecimiento. 
 
 
Al personal administrativo de la Facultad de Química UNAM, Gloria, Pati, Adriana y Betty 
por atenderme amablemente en todos mis trámites de doctorado. 
 
 
Facultad de Química Universidad Nacional Autónoma de México iii
 
Al CONACYT por otorgarme el apoyo necesario para la conclusión de este trabajo de tesis de 
doctorado. 
 
 
Al grupo Santander Universia por haberme otorgado una beca de movilidad estudiantil en la 
Universidad de Guanajuato. 
 
 
Al Dr. Witold Brostow por darme la oportunidad de realizar mi estancia doctoral en LAPOM 
en la Universidad de North Texas. 
 
 
 
…….A todos los que seguramente omití pero que contribuyeron en alguna de las etapas de 
este trabajo, les agradezco infinitamente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Facultad de Química Universidad Nacional Autónoma de México iv
Índice 
ÍNDICE 
 
 
Resumen i
Abstract ii
Agradecimientos iii
Indice v
Índice de Figuras viii
Índice de Tablas xi
Nomenclatura xii
 
CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN 
1.1 Introducción 1
 
CAPÍTULO 2 ANTECEDENTES 
 
2.1 Nanotecnología 5
2.2 Nanopartículas 5
2.3 Biosilificación 6
 2.3.1 Procesos fisicoquímicos en la biosilificación 7
 2.3.2 Mecanismos de síntesis del óxido de silicio en la biosilificación 8
 2.3.3 Importancia de la biosilificación en Ciencia de materiales 9
 2.3.4 Vermicompostaje como alternativa de biosilificación 10
2.4 Polímeros 13
 2.4.1 Clasificación de los polímeros 13
 2.4.2 Polímeros sintéticos 15
 2.4.2.1 Poli (etilen tereftalato) 15
 2.4.3 Polímeros Naturales 16
 2.4.3.1 Polisacáridos 17
 2.4.3.1.1 Quitosano 17
 2.4.3.1.2 Almidón 18
 2.4.3.1.3 Desarrollo de materiales poliméricos a base de 
quitosano y almidón 
18
2.5 Materiales compuestos 21
 2.5.1 Nanocompositos 22
2.6 Materiales híbridos 22
 2.6.1 Materiales híbridos y nanocompositos en base a: quitosano y almidón 25
 2.6.1.1 Polímeros híbridos sintético/naturales 26
2.7 Electroespinning 26
 2.7.1 Mecanismos de electroespinning 27
 2.7.2 Aplicación de electroespinning en compositos 27
 2.7.3 Parámetros del proceso de electroespinning 28
 2.7.4 Electroespinning de quitosano 28
 2.7.5 Electroespinning de poli (etilen tereftalato) 28
 2.7.6 Aplicación del electroespinning en sistemas poliméricos 29
 
CAPÍTULO 3 METODOLOGÍAS 
 
3.1 Síntesis de nanopartículas de óxido de silicio empleando un bioproceso de 
vermicompostaje 
31
Facultad de Química Universidad Nacional Autónoma de México v
Índice 
3.2 Caracterización de nanopartículas de óxido de silicio 
 
32
 3.2.1 Espectroscopia de infrarrojo 32
 3.2.1.1 Condiciones para la absorción infrarroja 32
 3.2.1.2 Espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier 35
 3.2.1.3 Técnicas de análisis en espectroscopia de infrarrojo 35
 3.2.1.3.1 Reflectancia Total Atenuada 35
 3.2.1.3.2 Reflectancia Difusa 36
 3.2.2 Microscopia Electrónica de Transmisión 36
 3.2.2.1 Componentes de un Microscopio Electrónico de Transmisión 37
 3.2.3 Microscopio Electrónico de Transmisión de Alta Resolución 38
 3.2.3.1 Patrones de difracción en HRTEM 39
 3.2.4 Análisis de Dispersión de Luz 39
 3.2.5 Espectrometría por Dispersión de Energía de rayos X 40
 3.2.5.1 Análisis cualitativo por EDS 41
 3.2.6 Difracción de Rayos X 41
3.3 Síntesis de materiales poliméricos 43
 3.3.1 Síntesis de películas quitosano/almidón 43
 3.3.2 Síntesis de nanocompositos quitosano - almidón/nanopartículas de SiO2 44
 3.3.3 Síntesis de polímeros híbridos quitosano - almidón/poli (etilen 
tereftalato) 
45
 3.3.4 Síntesis de nanocompositos híbridos quitosano – almidón/poli (etilen 
tereftalato) reforzados con nanopartículas de SiO2
47
3.4 Caracterización de materiales poliméricos 48
 3.4.1 Espectroscopía de infrarrojo 48
 3.4.2 Análisis Térmico 48
 3.4.2.1 Análisis termogravimétrico 48
 3.4.2.2 Calorimetría diferencial de Barrido 49
 3.4.3 Análisis Mecánico 50
 3.4.4 Análisis Dinámico Mecánico 51
 3.4.4.1 Aplicación de un esfuerzo dinámico a una muestra 52
 3.4.5 Microscopía Electrónica de Barrido 54
 3.4.5.1 Características de la Microscopía Electrónica de Barrido 55
 3.4.5.2 Interacción del haz primario de electrones con la muestra 56
CAPÍTULO 4 RESULTADOSY DISCUSIÓN 
4.1 Caracterización de nanopartículas de óxido de silicio 57
 4.1.1 Espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier 57
 4.1.2 Microscopia Electrónica de Transmisión 58
 4.1.3 Microscopia Electrónica de Transmisión de Alta Resolución 58
 4.1.4 Dispersión de Luz Dinámica 59
 4.1.5 Espectrometría por Dispersión de Energía de rayos X 61
 4.1.6 Difracción de rayos X 61
 4.1.7 Grado de dispersión de nanopartículas de óxido de silicio 66
4.2 
 
Caracterización de nanocompositos: quitosano, almidón y quitosano/almidón 
reforzados con nanopartículas de SiO2 obtenidas del bioproceso de 
vermicompostaje 
68
 4.2.1 Espectroscopía Infrarrojo por transformada de Fourier 68
 4.2.2 Análisis Térmico 71
Facultad de Química Universidad Nacional Autónoma de México vi
Índice 
 4.2.2.1 Análisis termogravimétrico 71
 4.2.2.2 Calorimetría Diferencial de Barrido 77
 4.2.3 Análisis Mecánico de nanocompositos 80
 4.2.3.1 Ensayos de tracción 80
 4.2.3.2 Análisis Dinámico Mecánico 83
 4.2.4 Morfología de nanocompositos 88
4.3 Caracterización de polímeros híbridos: quitosano-almidón/poli (etilen 
tereftalato) 
90
 4.3.1 Pruebas de miscibilidad de los solventes empleados en electroespinning 90
 4.3.2 Características físicas de las fibras obtenidas por electroespinning 91
 4.3.3 Espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier 92
 4.3.4 Espectroscopia Raman 93
 4.3.5 Análisis Térmico 95
 4.3.5.1 Análisis Termogravimétrico 95
 4.3.5.2 Calorimetría Diferencial de Barrido 96
 4.3.6 Análisis Dinámico Mecánico 98
 4.3.7 Morfología de fibras híbridas 100
4.4 Caracterización de polímeros híbridos nanoreforzados: quitosano-almidón/poli 
(etilen tereftalato)/SiO2
101
 4.4.1 Espectroscopia de infrarrojo por transformada de Fourier 101
 4.4.2 Espectroscopia Raman 102
 4.4.3 Análisis Térmico 105
 4.4.3.1 Análisis termogravimétrico 105
 4.4.3.2 Calorimetría Diferencial de Barrido 107
 4.4.4 Análisis Dinámico Mecánico 111
 4.4.5 Morfología de fibras híbridas nanoreforzadas 115
 4.4.6 Espectrometría por Dispersión de Energía de rayos X 116
 
CAPÍTULO 5 CONCLUSIONES 
 
5.1 Conclusiones 118
 
REFERENCIAS 121
 
 
 
 
 
Facultad de Química Universidad Nacional Autónoma de México vii
Índice 
ÍNDICE DE FIGURAS 
 
Fig. 2.1 Interacción entre lombrices y microorganismos. 10
Fig. 2.2 Sistema digestivo de las lombrices. 11
Fig. 2.3 Clasificación estructural de los polímeros: (a) lineales, (b) con 
ramificación y (c) reticulares. 
14
Fig. 2.4 Estructura química del poli (etilen tereftalato). 15
Fig. 2.5 Etapas de reacción para la fabricación del poli (etilen tereftatalo). 16
Fig. 2.6 Estructura química del quitosano. 18
Fig. 2.7 Estructura química del almidón: (a) almidón, (b) amilosa y (c) 
amilopectina. 
19
Fig. 2.8 Fase continua y dispersa en un material compuesto. 21
Fig. 2.9 Método de producción de nanocompositos usando arcillas y matriz 
polimérica por mezclado en disolución. 
23
Fig. 2.10 Método de producción de nanocompositos usando arcillas y matriz 
polimérica por polimerización in situ. 
24
Fig. 2.11 Método de producción de nanocompositos usando arcillas y matriz 
polimérica por mezclado en estado fundido. 
24
Fig. 2.12 Componentes básicos de un equipo de electroespinning. 27
Fig. 3.1 Energía potencial molecular y distancia de enlace. 34
Fig. 3.2 Esquema de un Microscopio Óptico (MO) y de un Microscopio 
Electrónico de Transmisión (TEM). 
37
Fig. 3.3 Películas de polisacáridos. 43
Fig. 3.4 Diagrama de la fuente de alto voltaje modelo FFE-300707 para la técnica 
de electroespinning. 
45
Fig. 3.5 Esquema del mecanismo de electroespinning para obtener fibras híbridas 
quitosano – almidón/PET. 
46
Fig. 3.6 Transiciones térmicas en la curva de Calorimetría Diferencial de Barrido 
(DSC). 
49
Fig. 3.7 Diagrama esfuerzo – deformación unitaria. 51
Fig. 3.8 Transiciones típicas en un Análisis Dinámico Mecánico (DMA). 52
Fig. 3.9 Módulo de almacenamiento y de pérdida. 54
Fig. 3.10 Interacción de los electrones del haz primario con la muestra. 55
Fig. 4.1 Espectros IR de nanoparticulas de SiO2 obtenidas del bioproceso de 
vermicompostaje. 
57
Fig. 4.2 Imágenes de TEM de partículas de SiO2 sintetizadas por: bioproceso de 
vermicompostaje (a-c), sin vermicompostaje (d-f) y método comercial 
sintético (Aerosil 130) (g-i). 
59
Fig. 4.3 Imágenes de HRTEM de partículas de SiO2 obtenidas empleando un 
bioproceso de vermicompostaje a temperatura de calcinación de 500ºC y 
empleando como precursor: a) cascarilla de arroz y b) bagazo de caña. 
60
Fig. 4.4 Difracción de rayos X de nanopartículas de SiO2 con y sin bioproceso de 
vermicompostaje empleando como precursor cascarilla de arroz a 
temperatura de calcinación de: a) 500ºC y b) 700ºC. 
63
Fig. 4.5 Difracción de rayos X de nanopartículas de SiO2 con y sin bioproceso de 
vermicompostaje empleando como precursor bagazo de caña a 
temperatura de calcinación de: a) 500ºC y b) 700ºC. 
64
Fig. 4.6 Difracción de rayos X de nanopartículas de SiO2 con y sin bioproceso de 
vermicompostaje empleando como precursor pulpa de café a temperatura 
de calcinación de: a) 500ºC y b) 700ºC. 
65
Facultad de Química Universidad Nacional Autónoma de México viii
Índice 
Fig. 4.7 Grado de dispersión de nanopartículas de SiO2 naturales y sintéticas en un 
solvente polar (agua) y no polar (hexano): a) al inicio de la dispersión y b) 
después de 24 horas. 
67
Fig. 4.8 Espectros IR de nanocompositos quitosano/SiO2 natural y sintético. 68
Fig. 4.9 Espectros IR de nanocompositos almidón/SiO2 natural y sintético. 70
Fig. 4.10 Espectros IR de nanocompositos quitosano-almidón/SiO2 natural y 
sintético. 
70
Fig. 4.11 Análisis termogravimétrico de películas quitosano. almidón y quitosano/ 
almidón. 
72
Fig. 4.12 Análisis termogravimétrico de nanocompositos quitosano/SiO2 natural y 
sintético 
73
Fig. 4.13 Análisis termogravimétrico de nanocompositos almidón/SiO2 natural y 
sintético. 
74
Fig. 4.14 Análisis termogravimétrico de nanocompositos quitosano-almidón/SiO2 
natural y sintético. 
76
Fig. 4.15 Curva esfuerzo – deformación de nanocompositos quitosano/SiO2 natural y 
sintético. 
81
Fig. 4.16 Curva esfuerzo – deformación de nanocompositos almidón/SiO2 natural y 
sintético. 
82
Fig. 4.17 Curva esfuerzo – deformación de nanocompositos quitosano -
almidón/SiO2 natural y sintético. 
83
Fig. 4.18 Análisis Dinámico Mecánico de nanocompositos quitosano/SiO2 natural y 
sintético: a) Módulo de almacenamiento (E’) y b) tangente delta (Tan δ). 
84
Fig. 4.19 Análisis Dinámico Mecánico de nanocompositos almidón /SiO2 natural y 
sintético: a) Módulo de almacenamiento (E’) y b) tangente delta (Tan δ). 
86
Fig. 4.20 Análisis Dinámico Mecánico de nanocompositos quitosano-almidón /SiO2 
natural y sintético: a) Módulo de almacenamiento (E’) y b) tangente delta 
(Tan δ). 
87
Fig. 4.21 Morfología de nanocompositos: quitosano/SiO2 (a), almidón/SiO2 (b) y 
quitosano-almidón/SiO2 (c). 
89
Fig. 4.22 Mezcla de solventes empleados en electroespinning. 90
Fig. 4.23 Fibras hibridas quitosano-almidón-PET (a-b), empleando microscopio 
óptico: fibras hibridas sin refuerzo (c-d) y fibras hibridas nanoreforzadas 
(e-f). 
91
Fig. 4.24 Espectros de IR de fibras quitosano/almidón y fibras hibridas quitosano-
almidón/PET. 
92
Fig. 4.25 Espectroscopia Raman de fibras de quitosano, fibras quitosano-almidón y 
PET. 
94
Fig. 4.26 Espectroscopia Raman de fibras híbridas quitosano-almidón/PET. 95
Fig. 4.27 Análisis termogravimétrico de fibras hibridas quitosano- almidón-PET. 96
Fig. 4.28 Análisis térmico de fibras quitosano-almidón y fibras hibridas quitosano- 
almidón/PET empleando la técnica de Calorimetría Diferencial de Barrido. 
97
Fig. 4.29 Análisis Dinámico Mecánico de fibras quitosano-almidón y fibras 
híbridas quitosano-almidón/PET: a) Módulo de almacenamiento (E’) y b) 
tangente delta (Tan δ). 
99
Fig. 4.30Morfología de fibras quitosano/almidón: a) almidón al 15%, b) almidón al 
30% y fibras quitosano-almidón/PET: c) almidón y PET al 15% y d) 
almidón al 30% y PET al 15%. 
100
Fig. 4.31 Espectros de IR de fibras híbridas nanoreforzadas con SiO2 natural y 
sintético. 
101
Facultad de Química Universidad Nacional Autónoma de México ix
Índice 
Fig. 4.32 Espectroscopia Raman de fibras híbridas nanoreforzadas quitosano-
almidón/PET/SiO2: concentración de almidón de 15%. 
103
Fig. 4.33 Espectroscopia Raman de fibras híbridas nanoreforzadas quitosano-
almidón/PET/SiO2: concentración de almidón de 30%. 
104
Fig. 4.34 Análisis termogravimétrico de fibras hibridas quitosano- 
almidón/PET/SiO2: concentración de almidón de 15% y refuerzo natural. 
105
Fig. 4.35 Análisis termogravimétrico de fibras hibridas quitosano- 
almidón/PET/SiO2: concentración de almidón de 30% y refuerzo natural. 
106
Fig. 4.36 Análisis térmico empleando la técnica de DSC de fibras hibridas 
nanoreforzadas quitosano- almidón/PET/SiO2: concentración de almidón 
de 15%. 
108
Fig. 4.37 Análisis térmico empleando la técnica de DSC de fibras híbridas 
nanoreforzadas quitosano- almidón/PET/SiO2: concentración de almidón 
de 30%. 
109
Fig. 4.38 Módulo de almacenamiento (E’) de fibras híbridas nanoreforzadas 
quitosano-almidón/PET/SiO2: concentración de almidón 15% (a y b) y 
30% (c y d). 
112
Fig. 4.39 Tangente delta (Tan δ) de fibras híbridas nanoreforzadas quitosano-
almidón/PET/SiO2: concentración de almidón 15% (a y b) y 30% (c y d). 
114
Fig. 4.40 Morfología de fibras quitosano-almidón/PET/SiO2: 15% de almidón (a-b) 
y 30% de almidón (c-d). 
116
 
 
 
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Índice 
ÍNDICE DE TABLAS 
 
 
 
Tabla 2.1 Elementos minerales en las plantas. 13
Tabla 2.2 Principales aplicaciones del poli (etilen tereftalato). 17
Tabla 2.3 Polímeros sometidos a electroespinning, tipo de solvente, concentración y 
aplicaciones. 
29
Tabla 2.3 Polímeros sometidos a electroespinning, tipo de solvente, concentración y 
aplicaciones (Continuación) 
30
Tabla 3.1 Condiciones para la obtención de humus de lombriz con diferentes 
precursores y niveles de temperatura. 
31
Tabla 3.2 Sistemas cristalinos 42
Tabla 3.3 Nanocompositos poliméricos preparados a base de quitosano, almidón y 
quitosano/almidón reforzados con nanopartículas de SiO2
44
Tabla 3.4 Fibras hibridas quitosano – almidón/PET empleando la técnica de 
electroespinning 
47
Tabla 3.5 Fibras hibridas quitosano – almidón/PET/SiO2 empleando la técnica de 
electroespinning 
47
Tabla 4.1 Diámetro medio empleando DLS para partículas de SiO2 sintetizadas con y 
sin bioproceso de vermicompostaje 
60
Tabla 4.2 Análisis Elemental de partículas de SiO2 empleando bioproceso de 
vermicompostaje 
61
Tabla 4.3 Porcentaje de cristalización de partículas de SiO2 sintetizadas a partir de 
diferentes precursores, temperaturas de calcinación y tipo de proceso (con y 
sin biotransformación) 
66
Tabla 4.4 Análisis térmico de matrices poliméricas y de nanocompositos 
quitosano/SiO2, almidón/SiO2 y quitosano-almidón/SiO2 empleando 
Calorimetría Diferencial de Barrido. 
78
Tabla 4.5 Módulo elástico de nanocompositos quitosano/SiO2, almidón/SiO2 y 
quitosano-almidón/SiO2 estimado mediante ensayos de tracción. 
81
Tabla 4.6 Pérdidas de peso de fibras quitosano/almidón y fibras híbridas quitosano-
almidón/PET en el intervalo de temperaturas entre 25ºC y 400ºC. 
96
Tabla 4.7 Temperaturas y entalpías de fusión de fibras quitosano-almidón y fibras 
híbridas quitosano-almidón/PET. 
98
Tabla 4.8 Pérdidas de peso de fibras híbridas quitosano-almidón/PET/SiO2 reforzadas 
con nanopartículas naturales de SiO2 en el intervalo de temperaturas entre 
25ºC y 400ºC. 
107
Tabla 4.9 Análisis de fibras hibridas nanoreforzadas empleando espectrometría por 
dispersión de rayos X (EDS) 
117
 
 
 
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Índice 
NOMENCLATURA 
 
SÍMBOLO 
 
Letras Mayúsculas 
 
PET Poli (etilen tereftalato) 
ºC Centígrado 
Si Silicio 
O Oxígeno 
SiO2 Óxido de silicio 
M Molar 
Fe2SO4 Magnetita 
Si(OH)4 Ácido monosilícico ú ortosilícico 
Si-OH Silanol 
OH Hidroxilo 
C:N Relación carbono - nitrógeno 
Ca Calcio 
Mg Magnesio 
Mn Manganeso 
K Potasio 
P Fósforo 
Fe Fierro 
B Boro 
Al Aluminio 
HCl Ácido clorhídrico 
ARN Ácido ribonucleico 
ADN Ácido desoxiribonucleico 
FTIR Espectroscopía infrarrojo por Transformada de Fourier 
DSC Calorimetría Diferencial de Barrido 
PVP Poli (n-vinil pirrolidona) 
WAXD Dispersión de rayos X a amplio ángulo 
DMA Análisis Dinámico Mecánico 
Tg Temperatura de transición vítrea 
TGA Análisis termogravimétrico 
Pa Pascales 
OI Orgánico - Inorgánico 
IO Inorgánico - Orgánico 
GPTMS Glicidoxipropiltrimetoxisilano 
MMT Montmorillonita 
TPS Almidón termoplástico 
E Energía 
W Número de onda (cm-1) 
X Distancia de enlace (amstrongs) 
Y Energía potencial molecular 
IRS Espectroscopía por reflexión interna 
ATR Reflectancia total atenuada 
IRE Elemento de reflexión interna 
KBr Bromuro de potasio 
TEM Microscopía Electrónica de Transmisión 
Facultad de Química Universidad Nacional Autónoma de México xii
Índice 
CCD Mecanismo acoplado de carga 
LaB6 Hexaboruro de lantano 
V Volts 
F Movimiento de los electrones en una campo magnético 
B Vector campo magnético 
STEM Microscopía Electrónico de Transmisión mediante Barrido 
HRTEM Microscopía Electrónica de Transmisión de Alta Resolución 
SAD Difracción por selección de área 
CBED Difracción de haz convergente 
UVW Ejes de planos indexados 
DLS Dispersión de Luz Dinámica 
Z Número atómico 
Be Berilio 
C Carbono 
N Nitrógeno 
F Fluor 
K,L,M,N Niveles de orbitales atómicos 
XDR Difracción de rayos X 
NaOH Hidróxido de Sodio 
C Quitosano 
S Almidón 
CS Quitosano/almidón 
CD Corriente directa 
W Watts 
TG Curva termogravimétrica 
Tm Temperatura de fusión 
N Newtons 
E Módulo de Young o módulo de elasticidad 
Hz Hertz 
E* Módulo complejo 
E’ Módulo de almacenamiento 
E’’ Módulo de pérdida 
Tα, Tβ Transiciones en DMA debidas al movimiento global de las cadenas de 
un polímero 
R Resolución 
K Constante (MO=0.96) 
EDS Espectrometría por Dispersión de Energía de rayos X 
J Joule 
Tan δ Tangente delta 
 
Letras Minúsculas 
 
m Metro 
pKa Constante de producto de solubilidad 
ppm Partes por millón 
uma Unidades de masa atómica 
g/mol Gramos por mol 
cm-1 1/centímetros 
g Gramo 
s Segundo 
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Índice 
p/p Relación peso/peso 
kV Kilovolts 
v/v Relación volumen/volumen 
p/v Relación peso/volumen 
mm Milimetro 
h Hora 
cm Centimetro 
q Carga 
r Distancia 
h Constante de Planck (6.63 x 10-34 J/s) 
c Velocidad de la luz (3 x 1010 cm/s) 
v Nivel de energía vibracional 
keV Kiloelectronvolts 
x Producto vectorial 
kPa Kilopascales 
hkl Planos cristalinos 
mW Miliwatts 
kα Radiación 
dhkl Distancia interplanar que produce refuerzo constructivo del haz 
mA Miliamperes 
min Minuto 
psi Libras por pulgada cuadrada 
l0 Longitud inicial 
t Tiempo 
n Indice de refracción 
m Masa del electrón (9.11 x 10-31 kg) 
eV Electronvolts 
n Refuerzo natural 
s Refuerzo sintético 
kcal Kilocalorias 
 
Letras Griegas 
 
µ Magnitud del momento dipolar 
δµ Cambio en el momento dipolar 
δx Cambio en la distancia del enlace 
vibE∆ Diferencia en los niveles de energía vibracional en la molécula 
v Vector de velocidad del electrón 
µm Micras 
θ Mitad del ángulo que forma el haz difractado y el haz original 
λ Longitud de onda de los rayos X 
∆l Cambio de longitud de la muestra 
α Transición en DMA 
Fase cristalográfica 
σ Esfuerzo 
σ0 Esfuerzo máximo 
ω Frecuencia de oscilación 
ε(t) Deformación en el tiempo t 
η Viscosidad 
π Constante: 3.1416 
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Índice 
δ Ángulo 
α Apertura numérica 
v Velocidad del haz de electrones 
∆Hf Entalpía de fusión 
 
Prefijos 
m Mili 
n Nano 
M Mega 
 
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CAPÍTULO 1 
 
INTRODUCCIÓN 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 1 Introducción 
 
CAPÍTULO 1 
 
INTRODUCCIÓN 
 
1.1 Introducción 
 
Actualmente muchas industrias prefieren producir polímeros sintéticos por encima de 
cualquier otra clase de materiales debido a las excelentes propiedades físicas y químicas que 
presentan, sin embargo gran parte de la materia prima empleada para la producción de estos 
materiales se obtiene a partir de subproductos de petróleo. En las últimas décadas, al no ser un 
recurso renovable, estos hidrocarburos han entrado en una etapa crítica al grado de haberse 
reducido drásticamente sus reservas en todo el mundo. Este problema ha obligado a crear 
nuevas alternativas para sustituir a los polímeros sintéticos por nuevos materiales pero sin 
modificar sus excelentes propiedades. Numerosas investigaciones han orientado sus esfuerzos 
en emplear polímeros naturales como candidatos ideales para sustituir a los polímeros 
sintéticos, esto por poseer propiedades tales como: biodegradabilidad, biocompatibildad, 
barreras de gases, elongación, bactericidas entre muchas otras, además de ser recursos 
renovables abundantes en la naturaleza que se pueden obtener a muy bajo costo. Los 
polímeros naturales presentan también desventajas tales como su baja resistencia a la tensión 
y su baja termoresistencia en comparación con los materiales sintéticos, lo que ha impedido su 
conversión y en consecuencia ha dado lugar a una nueva clase de materiales denominados 
híbridos sintéticos/naturales; dichos materiales son sintetizados empleando ambos tipos de 
polímeros a diferentes concentraciones dando como resultado un efecto sinérgico, el cual 
permite a estos materiales tener características propias de los polímeros naturales pero sin 
afectar las propiedades de los polímeros sintéticos. Este avance también ha sido frenado 
debido a que los polímeros naturales no se pueden procesar de la misma forma como se hace 
con los polímeros sintéticos. 
 
Los polisacáridos como el quitosano y el almidón son polímeros naturales que 
cumplen en gran medida con muchas de las características que han sido enumeradas 
anteriormente para crear polímeros híbridos sintético/naturales. Tanto el quitosano como el 
almidón desarrollan diferentes funciones en la naturaleza, el primero de tipo estructural y el 
segundo de almacenamiento. Una vez extraídos estos polímeros se han utilizado para crear 
plásticos en forma de películas, membranas o fibras y sus propiedades han sido 
extensivamente estudiadas. Entre muchas otras propiedades estos materiales ofrecen 
moderada resistencia a la tensión, elongación, barrera de gases, biocompatibilidad y 
biodegradabilidad; lo cual los hace ampliamente útiles en muchas aplicaciones pero sin 
explotar todo su potencial por las limitaciones que presentan aún. 
 
El poli (etilen tereftalato) (PET) es un polimeros sintético que pertenece al grupo de 
los poliésteres; ha sido utilizado en muchas aplicaciones entre ellas la industria automotriz, 
plásticos, aeronáutica y bebidas. Mucho del éxito de este material reside en la amplia gama de 
formas en la que se puede moldear mediante procesos de extrusión inyección o soplado; 
ofrece también múltiples ventajas entre ellas su alto índice de transparencia, propiedades de 
barrera de gases y resistencia mecánica y térmica. Todas las características descritas 
anteriormente hacen que este polímero sea uno de los más estudiados y es evidente que debe 
ser considerado dentro del grupo de los materiales híbridos sintético/naturales. A diferencia de 
Facultad de Química Universidad Nacional Autónoma de México 1
Capítulo 1 Introducción 
otros polímeros que presentan características similares al PET, su temperatura de fusión se 
encuentra por encima de los 260ºC y es en este intervalo de temperatura donde el PET puede 
ser moldeado. Empleando los métodos convencionales existentes, a estas condiciones la 
mayoría de los polímeros naturales se degradan o en su caso han iniciado su etapa de 
degradación, lo que representa un verdadero reto al proponer al PET para sintetizar esta clase 
de materiales. 
 
El refuerzo mecánico de polímeros involucra herramientas como la nanotecnología 
para incorporar materiales con alta resistencia térmica como es el caso de las arenas, arcillas y 
silicatos. Muchos de estos materiales son creados de manera sintética y requieren procesos 
que involucran un elevado costo energético, residuos químicos, emisiones contaminantes 
hacia el ambiente entre otros; esto ha conducido a desarrollar investigaciones basadas en 
nuevas fuentes provenientes de la naturaleza como es el caso de la biomineralización; la 
biosilificación es uno de estos procesos el cual es efectuado por algunos seres vivos. Además 
de ser un material abundante en la naturaleza el silicio se encuentra formando óxidos (SiO2) y 
contiene entre otras propiedades buena resistencia a la abrasión y estabilidad térmica. 
 
Este trabajo plantea la síntesis y caracterización de un polímero híbrido sintético 
natural nanoreforzado empleando polisacáridos: quitosano y almidón como fuente natural; un 
poliéster: PET como fuente sintética y un nanorefuerzo: óxido de silicio (SiO2) obtenido a 
partir de un bioproceso basado en anélidos, empleando residuos agroindustriales. 
 
La estructura de este trabajo comprende tres etapas, en la primera de ellas se detalla la 
síntesis de nanopartículas de SiO2 a partir de un bioproceso a base de anélidos y su 
caracterización estructural. Estas nanopartículas son empleadas como fase de refuerzo en la 
síntesis de nanocompositos quitosano/almidón (etapa 2) y polímeros híbridos 
sintético/naturales (etapa 3) siendo el objetivo más importante el modificar y mejorar las 
propiedades de estos materiales al emplear un nanorefuerzo proveniente de un bioproceso el 
cual sea reincorporado al ambiente después de su vida útil. 
 
La segunda etapa comprende la síntesis de nanocompositos: quitosano/SiO2, almidón/ 
SiO2 y quitosano-almidón/SiO2 en forma de películas empleando el método de disolución así 
como su caracterización estructural. La tercera etapa incluye la síntesis de polímeros híbridos 
sintético/naturales: quitosano-almidón/PET y quitosano-almidón/PET/SiO2 empleando la 
técnica de electroespinning. La caracterización de estos materiales también se muestra en esta 
etapa. Mediante este análisis se estudia la manera como interactúan químicamente estos 
polímeros, así como la forma en que se modifican sus propiedades al combinarse o mezclarse 
a diferentes concentraciones y finalmente la forma cómo se modifican estas propiedades al 
incorporar un refuerzo nanométrico a estos materiales. 
 
El contenido de está tesis se divide en 5 Capítulos lo cuales comprenden en el Capítulo 
1 una introducción que describe los objetivos, problemática y estructura de la tesis, el 
Capítulo 2 muestra los principales antecedentes relacionados con nanotecnología, 
bioprocesos, teoría de polímeros, polímeros naturales y sintéticos, materiales híbridos y 
síntesis por electroespinning; el Capítulo 3 describe la metodología empleada para la síntesis 
y la caracterización de cada una de las etapas descritas con anterioridad: obtención de 
nanopartículas naturales de SiO2, nanocompositos quitosano-almidón/SiO2, fibras hibridas 
quitosano-almidón/PET y fibras híbridas quitosano-almidón/PET/SiO2; el Capítulo 4 muestra 
la sección de resultados y en él se discuten las característicasy propiedades de los materiales 
Facultad de Química Universidad Nacional Autónoma de México 2
Capítulo 1 Introducción 
sintetizados; en el Capítulo 5 se detallan las principales conclusiones obtenidas a partir del 
análisis de los resultados y finalmente se incluye una sección de referencias. 
 
A manera de aporte científico este trabajo de investigación propone un novedoso 
método de síntesis basado en un bioproceso empleando anélidos para la obtención de 
nanopartículas de SiO2 cuyas propiedades sean diferentes a las nanopartículas sintéticas 
comerciales; el estudio en la modificación de las propiedades en películas de polímeros 
naturales quitosano/almidón al incorporar un nanorefuerzo basado en un bioproceso y 
finalmente el estudio en la modificación de las propiedades al incorporar PET en fibras 
hibridas sintético/naturales: quitosano-almidón/PET así como el efecto que genera la 
incorporación del nanorefuerzo natural en las fibras quitosano-almidón/PET/SiO2. De esta 
manera este trabajo contribuirá al desarrollo y aplicabilidad en una nueva generación de 
materiales híbridos sintético – naturales nanoreforzados. 
 
Objetivo general: 
 
 Estudiar la síntesis y caracterización de nuevos polímeros sintéticos - naturales que 
tengan alta capacidad de degradación desarrollados a partir de sacáridos (almidón y 
quitosano) y poli (etilen tereftalato) reforzados con nanopartículas de SiO2. 
 
Objetivos específicos: 
 
• Desarrollar la síntesis y caracterización de nanopartículas de SiO2 obtenidas de un 
bioprocesos de vermicompostaje. 
 
• Realizar la síntesis del polímero hibrido sintético – natural empleando quitosano, 
almidón y PET. 
 
• Efectuar la caracterización de los polímeros híbridos sintético - naturales empleando 
espectroscopía de infrarrojo (IR), Raman y fotolectrónica de rayos X (XPS). 
 
• Realizar la síntesis de polimeros hibridos sintético – naturales reforzados con 
nanopartículas naturales de SiO2. 
 
• Efectuar la caracterización de hibridos sintético – naturales nanoreforzados empleando 
espectroscopía infrarrojo (IR) y Raman, microscopía electrónica de barrido (SEM) y 
de transmisión electrónica (TEM), pruebas mecánicas: tensión, dureza y análisis 
dinámico mecánico (DMA). 
 
• Realizar pruebas de degradación para los polímeros híbridos sintético – naturales con 
y sin refuerzo empleando radiación ultravioleta (UV). 
 
• Efectuar la caracterización de los polímeros hibridos sintético – naturales con y sin 
refuerzo después de la degradación. 
 
 
 
 
 
 
Facultad de Química Universidad Nacional Autónoma de México 3
 
 
 
 
 
CAPÍTULO 2 
 
ANTECEDENTES 
 
 
 
 
 
 
 
Capítulo 2 Antecedentes 
CAPÍTULO 2 
 
ANTECEDENTES 
 
2.1 NANOTECNOLOGÍA 
 
La nanotecnología es un campo de las ciencias aplicadas dedicada al control y 
manipulación de la materia desde un punto de vista nanométrico, es decir al nivel de los 
átomos y moléculas. A esta escala, la materia presenta propiedades diferentes que pueden ser 
aplicadas al desarrollo de nuevas tecnologías que ofrecen soluciones a una gran variedad de 
problemas. En el campo de la Ciencia de Materiales el desarrollo de las técnicas de 
caracterización ha permitido el análisis de nuevos materiales a nanoescala, este avance ha 
generado nuevas aplicaciones como por ejemplo la incorporación de nanopolvos a matrices 
poliméricas en forma de partículas finas, estructuras o plantillas, mejorando con ello las 
propiedades del composito formado. El mecanismo mediante el cual estas “nanoparticulas” 
otorgan mejores propiedades a los materiales no está del todo explicado, sin embargo el 
esfuerzo por entender estos efectos está dando lugar a la síntesis de nuevos materiales con 
propiedades inimaginables (Klabunde, 2001). 
 
2.2 NANOPARTÍCULAS 
 
Las nanopartículas son una serie de átomos reunidos en escala nanométrica (10-9 m), 
estas presentan características entre los iones (10-10 m) y los materiales macroscópicos y son 
de gran interés debido a que el número de átomos en estas partículas es bastante pequeño y 
una fracción de estos están cerca o en la superficie, esto hace que se modifique su 
comportamiento atómico, electrónico y magnético, así como sus propiedades físicas, químicas 
y su reactividad relativa con respecto del volumen total de la partícula (Banfield y Zhang, 
2001). Existen muchas rutas y una amplia diversidad de condiciones para generar 
nanopartículas aunque muchas de estas no están del todo estudiadas y requieren de atención, 
dentro de estas existe una serie de fenómenos naturales que generan una concentración muy 
grande de nanopartículas que representan una fuente importante en el ambiente. 
 
En la naturaleza, el origen de la formación de nanopartículas puede ser por vía 
inorgánica: silicatos, óxidos, fosfatos y otros minerales que son inestables, en las condiciones 
de la superficie de la tierra se disuelven o reaccionan para formar otras fases; cuando se 
forman soluciones, éstas llegan a concentrarse debido a la evaporación para formar una gran 
cantidad de nanopartículas, ya sea por precipitación directa de la solución o vía 
reestructuración de un precursor en gel. Ejemplo de productos en nanoescala incluyen óxido 
de silicio amorfo u ópalo, aluminosilicatos hidratados tales como alofeno con tamaño de 
partícula desde unos cuantos hasta décimas de nanómetros, aluminosilicatos tubulares tales 
como imogolita, arcillas de aluminosilicatos como haloisita, óxidos (magnetita y hematita) y 
otros minerales tales como biotita que pueden experimentar esencialmente conversión en 
estado sólido para formar cloruros, vermiculita o esméctica (Banfield y Navrostsky, 2001). 
 
Otra fuente muy importante de nanopartículas en la naturaleza es de origen biológico. 
En ambientes propicios para la sobrevivencia, partículas muy pequeñas están comúnmente 
pobladas por microorganismos, algunos de los cuales son responsables de la formación (y 
disolución) de nanopartículas. Estos microorganismos son de particular importancia en este 
contexto junto con aquellos que generan energía por medio de rutas metabólicas que 
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Capítulo 2 Antecedentes 
involucran iones inorgánicos que participan en reacciones redox. Algunos microorganismos 
son capaces de llevar a cabo la oxidación o reducción de compuestos inorgánicos, mientras 
que otros pasan electrones de iones inorgánicos a orgánicos. Estas reacciones redox cambian 
la solubilidad de los iones y generan productos minerales a nanoescala. Ejemplo de 
precipitaciones inducidas por microorganismos incluyen minerales de hierro férrico producido 
cuando la oxidación del hierro ferroso o magnesio es llevada a la reducción del oxígeno o 
nitrato y sulfito que se forma cuando el sulfato es reducido en la presencia de iones metálicos 
disueltos. 
 
Los microorganismos pueden generar nanopartículas cuando secuestran iones dentro 
de los precipitados que forman con el citoplasma o superficie de las células o en asociación de 
células con polímeros (Banfield y Navrostsky, 2001). Algunos minerales precipitados 
internamente pueden conferir habilidades de orientación (por ejemplo magnetita o greigita), 
otros representan mecanismos para la generación y transferencia de energía en procesos 
metabólicos (por ejemplo sulfuros y fosfatos). En otros casos los microorganismos producen 
minerales para reducir la toxicidad de las especies químicas, tal como ciertos cristales ricos en 
uranio intracelular probablemente desarrollados como parte de una respuestade 
desintoxicación (por ejemplo en células S1 relacionadas con B. pumlis y B. subtillus, S2 
aislada de Bacillus pumlis y S3 aislada de Arthrobacter ilicis) (Suzuki y Banfield, 2001). 
 
Las nanopartículas obtenidas a partir de los procesos de biomineralización han tenido 
una serie de aplicaciones como por ejemplo la fabricación de detectores bio-ópticos (Yan et 
al., 2009), bio-liberadores de drogas (Felfoul et al., 2007), mecanismos nanoelectrónicos 
(Yamashita, 2008) y aplicaciones biomédicas (Nayar et al., 2005). La biomineralización 
involucra también bioprocesos específicos como por ejemplo la biosilificación basado en el 
ciclo del silicio, dicho bioproceso es realizado por plantas superiores y algunos animales 
resultando esencial para la vida de los seres vivos (Perry y Keeling-Tucker, 2003). Tal 
bioproceso será más ampliamente descrito en la siguiente Sección. 
 
2.3 BIOSILIFICACIÓN 
 
El silicio (Si) es el segundo elemento más abundante en los suelos y es un sustrato 
mineral de gran importancia para la vida de la mayoría de las plantas en el mundo. El agua del 
suelo o “las soluciones del suelo” contienen silicio principalmente como ácido silícico 
(H4SiO2) a una concentración de 0.1-0.6 mM (Epstein, 1994). El silicio es absorbido por las 
plantas por lo que contienen una concentración apreciable de alrededor del 1% en base seca 
que puede ser también hasta del 10% o aún mayor en algunas plantas. Muchos cultivos como 
el arroz, cereales y cucurbitáceas emplean el silicio como soporte para reforzar sus tejidos 
(Epstein, 1994) y como respuesta sistemática en contra de ataques patógenos (Samuels et al., 
1994). Sin embargo la biomineralización del óxido de silicio en la Tierra es dominada por 
simples formas de vida acuática incluyendo organismos unicelulares como diatomeas, 
radiolaria, cianurofitas y esponjas multicelulares (Lowestam y Weiner, 1989). Estos 
organismos producen óxido de silicio en base a exo y endo esqueletos que contienen en la 
mayoría de su masa corporal y es mucho más notable en diatomeas exhibiendo patrones 
celulares en el rango nano y micrométrico (nanopatrones de biosilicio) (Sumper y Kroger, 
2004). 
 
Existen otros organismos capaces de llevar a cabo la biosilificación, como es el caso 
de Fosuarium oxysporum un hongo que es capaz de biotransformar el silicio de las plantas en 
nanopartículas cristalinas cuasi esféricas y filtrar el silicio extracelularmente en un medio 
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Capítulo 2 Antecedentes 
acuoso a temperatura ambiente (Bansal et al., 2006); así también un análisis sugiere que 
bacterias extremadamente termofílicas dentro del género thermus e hidrogenobacter son 
componentes predominantes entre la comunidad microbiana en depósitos de silicio. Estas 
bacterias contribuyen activamente en la formación de una gran cantidad de depósitos de 
silicio (Inagaki et al., 2003). 
 
Algunos autores que han estudiado la síntesis de nanopartículas de óxido de silicio a 
través o mediante la imitación de bioprocesos son los siguientes: 
 
Bansal et al., (2006) desarrollaron un método de síntesis de nanopartículas cristalinas a 
temperatura ambiente de óxido de silicio a partir de cascarilla de arroz empleando un hongo 
denominado Fusarium oxysporum quien transformó rápidamente el óxido de silicio amorfo. 
Estas nanoparticulas son cristalinas, con tamaño nanométrico y cuasiesfericas. 
 
Royston et al., (2009) utilizaron moléculas biológicas como plantillas para la 
producción de nanopartículas metálicas empleando el virus del tabaco como modelo mediante 
una capa de óxido de silicio para incrementar la estabilidad de la plantilla y así lograr mayor 
afinidad hacia iones metálicos; los autores mostraron que las partículas pueden funcionar 
como plantillas para el crecimiento de capas delgadas de óxido de silicio menores a 1 nm. 
 
Pan et al., (2010) fabricaron membranas compuestas basadas en un polímero 
ultradelgado – nanohíbrido inorgánico; logrando controlar el tamaño, forma, morfología y 
distribución espacial de nanopartículas de óxido de silicio en poli (vinil alcohol) a través de la 
plantilla. 
 
Tan et al., (2010) desarrollaron una estrategia de síntesis de poli (etilen óxido)/Fe3O4 
/nanopartículas de SiO2 a temperatura ambiente y pH neutro. El éxito de tal estrategia estuvo 
en la encapsulación simultanea de nanocristales de Fe3O4 y los precursores de óxido de silicio 
en el núcleo de poli (etilen óxido) basado en micelas poliméricas. 
 
Gobel et al., (2010) basados en la bioimitación de la formación de estructuras de 
silicio investigaron el potencial de la proteina SbpA de Lysinibacillus sphaericus CCM 2177 
como plantilla y andamiaje para la generación de novedosas arquitecturas de óxido de silicio. 
 
2.3.1 Procesos fisicoquímicos en la biosilificación 
 
Los procesos de biosilificación en los diferentes organismos vivos obedecen a ciertos 
factores físicos, químicos y biológicos de cada uno de ellos; por ejemplo las diatomeas tienen 
sus membranas formadas por una matriz orgánica, con pectinas y rica en aminoácidos 
relacionados con la hidroxilisina, fuertemente incrustada de sílice hidratada. La cantidad del 
depósito, o sea, la robustez de la frústula, depende mucho del silicio disponible. Muchas 
especies de diatomeas pueden seguir multiplicándose en medios con muy poco silicio, pero en 
este caso sus membranas resultan blandas y deformables. 
 
Algunas especies de diatomeas no pueden sobrevivir por debajo de ciertas 
concentraciones de silicio. El conjunto de los procesos de silicificación incluye el transporte 
de silicio de un lado a otro del plasmalema y después a través del citoplasma hasta el lugar de 
polimerización en la vesícula de deposición de sílice. En las diatomeas se han identificado 
muchos tipos de genes relacionados con el transporte de ácido silícico, pero su mecanismo de 
transporte intracelular es todavía desconocido. El metabolismo de sílice en las diatomeas es 
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Capítulo 2 Antecedentes 
diferente del de otros nutrientes limitantes como nitrógeno y fósforo, los cuales están 
estrechamente relacionados con el metabolismo fotosintético (Jézéquel et al., 2000). Otros 
organismos relacionados son las esponjas, estas pueden ser de dos tipos: calcáreas y silíceas; 
las últimas incorporan Si como componente principal en su esqueleto, que está conformado 
por espículas cubiertas por una membrana llamada silicalema. Las espículas de sílica 
constituyen el 75% del peso seco de la esponja Tethya aurantia, por lo que éste organismo 
representa un modelo para el análisis de las proteínas íntimamente asociadas con la 
biosilicificación (Shimizu et al., 1998). 
 
El ácido silícico es incorporado en las esponjas a través de un transportador de 
membrana sensible a la temperatura. Para entender los mecanismos moleculares que controlan 
la biosilicificación, es esencial caracterizar las proteínas que están ocluidas en estructuras 
silicificadas biológicamente. Cada espícula contiene un filamento central de proteína que se 
sugiere puede servir como molde para la formación de la espícula. Por otra parte en el caso de 
las plantas, el silicio es polimerizado en las paredes celulares, lo cual constituye una barrera 
mecánica, sin embargo se ha demostrado que el silicio también interactúa con compuestos 
fenólicos, lignina y fitoalexinas. 
 
Como se puede observar en estos procesos de biosilificación existe un factor común 
que hasta el momento puede considerarse como el precursor más importante de la formación 
del silicio, estas son las proteínas y algunas de éstas ya han sido exitosamentesecuenciadas y 
estudiadas en detalle para explicar su rol en la biosilificación (Kroger et al., 1999, Shimizu et 
al., 1998, Harrison, 1996). Se ha observado que varios aminoácidos encontrados en la 
secuencia primaria de éstas proteínas son importantes en la biosilificación, estos incluyen 
lisina, histidina, arginina, prolina y sus correspondientes polímeros los cuales producen silicio 
a partir de varios precursores in vitro o cerca de un pH neutro (Patwardhan y Clarson, 2002, 
Coradin et al., 2002b, Sudheendra y Raju, 2002, Patwardhan et al., 2001, Coradin y Livage, 
2001). 
 
2.3.2 Mecanismo de síntesis del óxido de silicio en la biosilificación 
 
Los diseños encontrados en la naturaleza son resultado de una competencia de 
millones de años por la sobrevivencia. La naturaleza hace uso económico de materiales para 
la optimización de estructuras o sistemas para satisfacer necesidades múltiples (Rao, 2003). 
 
 La falta de un entendimiento completo de todas las etapas involucradas en la 
biosíntesis dificulta imitar exactamente a la naturaleza para producir estructuras altamente 
monodispersas, ordenadas y jerárquicas. De acuerdo con Calvert (1992) existen tres 
posibilidades para la síntesis de materiales imitando los sistemas biológicos: el uso directo de 
los organismos para la síntesis, el uso completo de métodos sintéticos y el uso de alguna 
modificación de la técnica de los procesos biológicos. Los organismos responsables de la 
biosilificación producen silicio exhibiendo una precisión genéticamente controlada y con una 
arquitectura a nanoescala que en muchos casos excede las capacidades actuales de la 
ingeniería humana. 
 
En la naturaleza el óxido de silicio aparece como un polímero compuesto del tipo SiO4 
tetraédrico con distancias y ángulos variables entre enlaces Si-O-Si (Perry, 2003). Para que 
pueda ser fácilmente asimilable por las plantas el silicio es solubilizado en la forma de ácido 
ortosilícico (también conocido como ácido monosilícico): Si(OH)4 (pKa ~ 9.8). Este 
compuesto hidrosoluble a 25ºC es estable a niveles por debajo de las 100 ppm y a más altas 
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Capítulo 2 Antecedentes 
concentraciones ocurre su polimerización, involucrando tres etapas distintas (Patwardhan et 
al., 2005): 
 
1.- Polimerización para formar núcleos estables. 
2.- Crecimiento de los núcleos principalmente a partículas fundamentales. 
3.- Agregación de partículas para formar redes ramificadas, partículas grandes u otras 
estructuras. 
 
La polimerización del ácido monosilícico en fase acuosa es un tanto diferente a la 
reacción de polimerización clásica que se utiliza para producir polímeros orgánicos ya que 
desde su inicio se lleva a cabo una rápida reacción de condensación que crea un rango de 
oligómeros los cuales sirven como núcleos. Comúnmente estos núcleos estables son de un 
tamaño entre 1-2 nm, poseen alrededor de ellos SiO2 anhidro y en la superficie grupos 
silanoles (Si-OH). 
 
2.3.3 Importancia de la biosilificación en Ciencia de materiales 
 
Los materiales en la naturaleza están constituidos de cristales orgánicos, inorgánicos y 
fases amorfas. La fase orgánica generalmente ocupa una fracción muy pequeña del volumen 
total y su función está en el ámbito de la resistencia de los tejidos para sintetizar minerales 
altamente funcionales. Los componentes inorgánicos pueden ser cristales simples o agregados 
de ellos en un arreglo ordenado para dar una estructura jerárquica de varias escalas de 
longitud. La interfase blanda entre la materia orgánica y el material inorgánico relativamente 
duro es de primordial importancia en la determinación de las propiedades de los compuestos y 
la naturaleza cuenta con mecanismos y estrategias para asegurar la integridad de las interfaces 
que se encuentran bajo condiciones de esfuerzo (Rao, 2003). 
 
La naturaleza emplea más de 60 materiales inorgánicos junto con materia orgánica 
para crear un gran número de organismos. La biomineralización en los organismos ha llamado 
la atención tanto de biólogos como de científicos en materiales en vista de su importancia en 
el entendimiento de especies diversas y su evolución, así como por el mecanismo de 
formación y características funcionales del mineral producido. En este caso los cristales se 
forman en la vesícula, rodeada por una membrana. El tamaño, forma, composición y 
orientación cristalográfica de los minerales producidos son controlados muy de cerca. 
 
A diferencia del óxido de silicio sintético que es preparado bajo condiciones de alto 
riesgo a elevada temperatura y presión o en medios fuertemente ácidos o alcalinos, en la 
naturaleza éste presenta una arquitectura con delicada morfología la cual es generada en 
medio acuoso y bajo condiciones ambientales (Bauerlein, 2003). Por esta razón la producción 
de óxido de silicio natural (biosilificación) recibe una atención particular ya que contiene la 
clave para la formación de óxido de silicio con una organización y estructura jerárquica, 
además de la habilidad para sintetizar tales partículas bajo condiciones ambientales. Este 
enfoque de bioimitación basado en el entendimiento de los procesos de biomineralización ha 
sido enfocado a la síntesis de nanopartículas, compositos poliméricos minerales y plantillas 
cristalinas (Mann 1993; Mann et al 1993; Sinha et al., 2001). 
 
 Naik et al., (2003) examinaron el rol de la silificación de 19 amino ácidos péptidos 
derivados de silafina-1A y mostraron que por medio de una cuidadosa manipulación de las 
condiciones ambientales y fuerza mecánica se pueden dar varias morfologías de óxido de 
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Capítulo 2 Antecedentes 
silicio que pueden ser mejoradas, desde esferas comunes hasta estructuras fibrilares 
complejas. 
 
 En general se ha dedicado un gran esfuerzo hacia el desarrollo de métodos eficientes 
de fabricación para obtener materiales inorgánicos con morfologías bien definidas debido a su 
aplicación potencial en cromatografía, absorbancia, liberadores de drogas, etc. El origen de la 
biotecnología del silicio deja en claro que las proteínas, genes y mecanismos moleculares 
controlan la nanofabricación biológica de materiales basados en silicio. El descubrimiento de 
ésta interfase entre el mundo inorgánico del silicio y los biopolímeros que controlan la 
policondensación del siloxano y que incluye catálisis dinámica relacionada con enzimas 
ofrece una perspectiva de control biotecnológico inimaginable (Morse, 1999). 
 
2.3.4 Vermicompostaje como alternativa de biosilificación 
 
Como ya se ha descrito, los microorganismos representan un importante papel en los 
procesos de biomineralización; un ejemplo de ellos es la interacción que existe entre los 
microorganismos y las lombrices para la degradación de la materia orgánica y la liberación de 
nutrientes minerales en el suelo (Figura 2.1) (Edwards y Lofty, 1977; Lee, 1985). El 
vermicompostaje involucra la bioxidación y estabilización de la materia orgánica a través de 
la acción conjunta de las lombrices y los microorganismos (Aira et al., 2007) y aunque son 
estos quienes bioquímicamente degradan la materia orgánica, son las lombrices quienes 
controlan procesos cruciales como la aireación y fragmentación de los sustratos influyendo 
drásticamente en la actividad microbiana (Lazcano et al., 2008). 
 
LOMBRICES 
FRACCIONAMIENTO 
DE LA MATERIA 
ORGANICA 
DISPERSIÓN DE 
HONGOS 
POBLACIÓN DE 
PATOGENOS EN 
PLANTAS 
TRANSMISIÓN DE 
NEMATODOS 
MICROORGANISMOS 
DISPERSIÓN DE 
MICORRIZAS VESICULO 
ARBUSCULARES 
 
LIBERACIÓN DE 
NUTRIENTES 
 
ADVERSO 
BENÉFICOFigura 2.1 Interacción entre lombrices y microorganismos (Edward y Fletcher, 1988). 
 
El sistema digestivo de las lombrices consta de faringe, esófago y molleja (zona de 
recepción) seguida por un intestino anterior que secreta enzimas y un intestino posterior que 
absorbe nutrientes (Figura 2.2). Durante el transporte por el intestino a través del sistema 
digestivo hay un incremento considerable en el número de microorganismos el cual en 
ocasiones es superado hasta en 1000 a 1 con relación a los que existen de forma natural en el 
suelo (Edward y Fletcher, 1988). 
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Capítulo 2 Antecedentes 
Hay una evidencia experimental acerca de que los microorganismos proveen de 
alimento a las lombrices, las bacterias son de menor importancia en su dieta, las algas son de 
importancia moderada y los protozoarios y hongos representan una fuente importante de 
nutrientes. Las lombrices se reproducen bajo condiciones estériles y pueden vivir en cultivos 
de ciertas bacterias, hongos o protozoarios pero crecen mucho mejor en una mezcla de 
microorganismos. 
 
El humus es el producto del vermicompostaje y está compuesto principalmente por 
carbono, oxígeno e hidrógeno y en menor proporción de elementos minerales. Por otra parte, 
es sabido que estos elementos varían en cantidad dentro del material húmico, dependiendo de 
las características químicas de los substratos que le dieron origen. Debido al hecho de que 
estas sustancias no presentan una composición química cuantitativa estable, muestran una 
estructura espacial "amorfa". Además se conoce que son compuestos de pesos moleculares 
que van desde 3,000 a 500,000 uma y que en su periferia se encuentran grupos químicos 
reactivos de carácter ácido (OH y COOH) los cuales hacen posible que estas sustancias 
puedan absorber en su superficie agua y elementos nutritivos que pueden ser utilizados por las 
plantas. 
 
 
Figura 2.2 Sistema digestivo de las lombrices (Edward y Fletcher, 1988). 
 
La acción de imán del humus hace posible que los suelos que lo contienen presenten 
una mejor estructura, debido a que el humus actúa como cemento de unión entre las partículas 
del suelo. Lo anterior da origen a estructuras granulares, que permiten un mejor desarrollo 
radicular, mejorando el intercambio gaseoso, activando a los microorganismos del suelo, 
aumentando la oxidación de la materia orgánica y por ende la entrega de nutrientes en formas 
químicas en que las plantan los pueden asimilar, estimulando de esta manera el crecimiento 
vegetal. 
 
Por lo expuesto anteriormente el proceso de humificación se encuentra sujeto a la 
actividad macrobiótica, a las condiciones ambientales y características cualitativas y 
cuantitativas de los aportes orgánicos, por ende, no existe una tasa humificadora constante 
para todas las situaciones edafoclimáticas. De acuerdo a lo anterior se puede visualizar 
claramente, que el proceso de humificación que ocurre en un material orgánico, incrementa 
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Capítulo 2 Antecedentes 
radicalmente la eficiencia de utilización de los sustratos que en muchas ocasiones se 
consideran como desechos. 
 
Especies de lombriz como Eisenia foetida tienen la capacidad de actuar como una 
mezcladora mecánica de la materia orgánica y modificar sus propiedades físicas y químicas 
para gradualmente reducir la relación C:N e incrementar el área de exposición a los 
microorganismos. Lo anterior favorece la actividad microbiana y acelera la degradación de la 
materia orgánica ya que son capaces de humificar en un período de horas el material orgánico 
ingerido, tiempo que demora su proceso digestivo. Este proceso se inicia con la fragmentación 
y mineralización enzimática del material consumido, con lo cual se obtienen fragmentos de 
moléculas orgánicas complejas (Domínguez et al., 1997). 
 
El proceso de biomineralización que es efectuado por los microorganismos en el suelo 
(compostaje) y dentro de las lombrices (vermicompostaje) comienza con el proceso de 
descomposición de la materia orgánica llevándola a unidades básicas biodegradando así la 
lignina (lignolisis) (Kaplan y Hartenstein, 1979), la celulosa (celulosis) (Velicka et al., 2009), 
el almidón (almidolisis) (Chen et al., 2009) y las proteínas (proteolisis y amonificación) 
(Warner, 1956); consecuencia de este mecanismo de desintegración son liberados como 
productos finales anhídrido carbónico (CO2), agua, nitrógeno (en forma amoniacal y ácido 
nítrico) y otros residuos de naturaleza salina (cenizas). Además de todo este proceso de 
mineralización paralelamente ocurre la síntesis de sustancias húmicas que consiste en la 
policondensación de fragmentos hacia complejos coloides amorfos. 
 
La parte sólida del suelo a la que se incorpora el humus representa la reserva de 
elementos minerales, tanto nutrientes como no nutrientes, que las plantas requieren. Además 
de otros minerales existentes en el suelo (Tabla 2.1), el silicio es absorbido por las plantas 
terrestres conteniendo una concentración importante desde 1% en base seca hasta un 10% o 
más en el caso de algunas plantas superiores. Por todo esto el silicio se considera como un 
importante mineral constituyente de las plantas (Epstein, 1994). 
 
El silicio es absorbido por las plantas en la forma de H4SiO4 y como es posible 
observar en la Tabla 2.1 el contenido de silicio varía considerablemente. Takahashi y Miyake 
(1977) analizaron cerca de 175 especies de plantas que crecieron en el mismo tipo de suelo. 
De 9 elementos analizados: Si, Ca, Mg, K, P, Fe, Mn, B y Al; el silicio fue el más variable. El 
mecanismo de transporte del silicio en las plantas se da a través del xilema donde éste 
permanece en solución y no polimerizado (el mecanismo que previene la polimerización aún 
no ha sido completamente explicado), aunque se puede encontrar asociado con compuestos 
orgánicos (Kaufman et al., 1981; Simkiss y Wilbur, 1989). 
 
La forma en la cual el silicio es finalmente depositado es principalmente como 
SiO2nH2O amorfo u ópalo; una vez depositado de esta forma el silicio es inmóvil y no 
redistribuido (Raven, 1983; Hodson y Sangster, 1990). El silicio amorfo hidratado puede 
depositarse en la cavidad celular, pared celular, espacios intracelulares o capas externas 
(Marschner et al., 1990). Está presente principalmente en raíces, hojas y bracteas 
inflorecientes de cereales. Se ha observado en algunas gramíneas como el arroz (Oryza sativa) 
que contiene entre 20 y 22% de silicio con respecto de su peso total en la forma de cascarilla 
de arroz (Ding et al., 2005), el bagazo de caña contiene alrededor de 5 y 7% de silicio en base 
seca (Suryawanshi et al., 2003) y en el caso de pulpa de café entre 1 y 3% (Pandey et al., 
2000). 
 
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Capítulo 2 Antecedentes 
Como se ha descrito anteriormente existen otros mecanismos aún no estudiados, 
mediante los cuales es posible obtener materiales inorgánicos utilizando vermicompostaje a 
partir de residuos agroindustriales. Estos mecanismos pueden permitir la conservación del 
medio ambiente, ahorro económico y energético y al implementarse representarían un 
enfoque de producción a gran escala de la síntesis de nanomateriales. 
 
Tabla 2.1. Elementos minerales en las plantas (Epstein, 1994). 
ELEMENTO 
RANGO DE 
CONCENTRACIÓN 
(PESO EN BASE 
SECA) 
OBSERVACIONES 
Nitrógeno (%) 0.5 - 6 
Fósforo (%) 0.1 – 0.5 
Azufre (%) 0.1 – 1.5Potasio (%) 0.8-8 
Calcio (%) 0.1-6 
Magnesio (%) 0.05-1 
Macronutrientes esenciales 
Hierro (ppm) 20-600 
Manganeso (ppm) 10-600 
Zinc (ppm) 10-250 
Cobre (ppm) 2-50 
Níquel (ppm) 0.05-5 
Boro (ppm) 0.2-800 
Cloro (ppm) 10-80,000 
Molibdeno (ppm) 0.1-10 
Micronutrientes esenciales 
Cobalto (ppm) 0.05-10 Esencial en todos los sistemas fijadores de nitrógeno 
Sodio (%) 0.001-8 
Silicio (%) 0.1-10 
Esencial para algunas plantas 
regularmente benéfico 
Aluminio (ppm) 0.1-500 
No se conoce como esencial 
regularmente tóxico para plantas 
en suelos ácidos 
 
2.4 POLÍMEROS 
 
Los polímeros son materiales que consisten en moléculas gigantes o macromoléculas 
en cadena con pesos moleculares promedio de 10 000 a más de 100 000 g/mol y que se 
forman al unir muchas unidades mediante enlace químico. La mayoría de los polímeros 
sólidos o líquidos son orgánicos basados en el carbono; sin embargo también los hay 
inorgánicos (Askeland y Phulé, 2004). 
 
2.4.1 Clasificación de los polímeros 
 
Los polímeros se clasifican de varias formas distintas (Askeland y Phulé, 2004): 
 
a) Según su estructura molecular (Figura 2.3): 
 
Polímero lineal: Está formado de cadenas moleculares en forma de espagueti. 
 
Polímero ramificado: Hay cadenas primarias de polímero y cadenas más pequeñas 
secundarias (ramales) que nacen de las cadenas principales. 
 
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Capítulo 2 Antecedentes 
Polímeros reticulares: Las cadenas están interconectadas entre sí mediante enlaces 
covalentes con o sin ramificación. 
 
 
 
 
Figura 2.3 Clasificación estructural de los polímeros: (a) lineales, (b) con ramificación y 
(c) reticulares. 
 
b) En función de su comportamiento mecánico y térmico: 
 
Termoplásticos: Se forman a partir de cadenas largas producidas al unir los monómeros, por 
lo general se comportan de manera plástica y dúctil; sus cadenas se pueden desenlazar 
mediante la aplicación de un esfuerzo a la tensión, pueden ser amorfos o cristalinos, al 
calentarse se ablandan y se funden. 
 
Termoestables: Están constituidos por largas cadenas (lineales o ramificadas) de moléculas 
que están fuertemente unidas por enlaces cruzados (entrelazados) para formar estructuras de 
redes tridimensionales, por lo general son menos resistentes que los termoplásticos y no se 
funden al calentarse sino que empiezan a desintegrarse. 
 
Elastómeros: Se conocen como hules. Tienen una deformación elástica mayor a 200%. Es 
posible que se trate de termoplásticos o termoestables ligeramente entrelazados. Las cadenas 
poliméricas tienen forma en espiral que se pueden estirar de manera reversible al aplicárseles 
una fuerza. 
 
c) En función del tipo de reacción de polimerización: 
 
Polimerización por adición: La molécula de monómero pasa a formar parte del polímero sin 
pérdida de átomos, es decir, la composición química de la cadena resultante es igual a la suma 
de las composiciones químicas de los monómeros que la conforman. El proceso se inicia por 
un radical, un catión o un anión. 
 
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Capítulo 2 Antecedentes 
Polimerización por condensación: Las moléculas de monómero pierden átomos cuando pasa 
a formar parte del polímero. Por lo general se pierde una molécula pequeña como agua o HCl 
gaseoso. 
 
d) En función de su origen: 
 
Sintéticos: Son aquellos fabricados industrialmente empleando sustancias químicas a través 
de procesos de polimerización. Entre los más comunes se encuentran los plásticos, las fibras 
sintéticas y elastómeros. 
 
Naturales: Son todos aquellos polímeros existentes en la naturaleza, de origen animal o 
vegetal, tienen la característica de ser biodegradables. Entre los más comunes se encuentran 
algunos polisacáridos como la celulosa, almidón, lignina, quitina, y quitosano. Otros 
polímeros que también se incluyen en esta categoría son las proteínas, el ARN y el ADN. 
 
2.4.2 Polímeros sintéticos 
 
Los polímeros sintéticos son derivados de petróleo y fabricados en laboratorios, 
ejemplo de polímeros sintéticos incluyen el nylon, polietileno, poliésteres, teflón y resinas 
epoxicas. Entre sus principales ventajas estos polímeros se caracterizan por ofrecer buena 
resistencia mecánica, sin embargo tienen desventajas entre las que destacan la dificultad para 
su disposición, provocan contaminación y no son biodegradables. Estos polímeros tienen 
muchas aplicaciones entre ellas empaques para alimentos, aditivos, envases, industria 
farmacéutica, cuidado personal, industria automotriz, etc. 
 
2.4.2.1 Poli (etilen tereftalato) 
 
El poli (etilen tereftalato) (PET) forma parte de la familia de los poliésteres, los cuales 
fueron sintetizados por primera vez por Wallace Hume Carothers en 1929, quien logró 
obtenerlos a partir de sus estudios sobre la condensación de compuestos bifuncionales. Estos 
materiales estaban formados principalmente por unidades alifáticas lo que ocasionaba que sus 
propiedades físicas y químicas no fueran muy buenas. Después los químicos ingleses 
Whinfield y Dickson lograron la síntesis de los primeros poliésteres semiaromáticos, que por 
combinar partes alifáticas con arillos aromáticos contaban con propiedades superiores a los 
obtenidos por Carothers, debido a la rigidez de los segmentos causada por la inclusión de ésta 
estructura aromática. La fórmula química del PET se muestra en la Figura 2.4. 
 
La polimerización comercial y el proceso para la fabricación del PET se realiza 
mediante la transesterificación del dimetil tereftalato o por esterificación directa del ácido 
tereftálico con etilenglicol, este último proceso fue desarrollado más recientemente (Figura 
2.5) (Reimschuessel, 1980). 
 
 
 
Figura 2.4 Estructura química del poli (etilen tereftalato). 
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Capítulo 2 Antecedentes 
La reacción de policondensación se facilita mediante catalizadores y elevadas 
temperaturas (arriba de 270°C). La eliminación del glicol etilénico es favorecida por el vacío 
que se aplica en la autoclave; el glicol recuperado se destila y vuelve al proceso de 
fabricación. 
 
 
Figura 2.5 Etapas de reacción para la fabricación del poli (etilen tereftatalo). 
 
Cuando la masa del polímero ha alcanzado la viscosidad deseada, registrada en un 
reómetro adecuado, se romperá el vacío, introduciendo nitrógeno en la autoclave. En este 
punto se detiene la reacción y la presencia del nitrógeno evita fenómenos de oxidación. La 
masa fundida, por efecto de una suave presión ejercida por el nitrógeno, es obligada a pasar a 
través de una matriz, en forma de spaghetti que, cayendo en una batea con agua se enfría y 
consolida. Los hilos que pasan por una cortadora, se reducen a gránulos, los cuales, tamizados 
y desempolvados se envían al almacenamiento y fabricación. La Tabla 2.2 muestra las 
principales aplicaciones del PET; por sus excelentes características este polímero sintético es 
considerado uno de los más utilizados en la fabricación de poliésteres termoplásticos, 
presentando un desarrollo tecnológico continuo con alto nivel de calidad y una diversificación 
en sus aplicaciones. En los últimos años se ha incrementado el interés por la síntesis de 
nanocompositos poliméricos a base de PET, un completo estudio acerca de esta tema es 
descrito por Calderas et al. (2001). 
 
2.4.3 Polímeros Naturales 
 
Esta clase de polímeros son preparados por la naturaleza dentro del dominio de las 
especies animales y vegetales, las propiedades presentes