SINSOST: Síntesis de materiales de envase sostenibles con multipropiedades

Contexto

Las soluciones de envasado actualmente existentes están constituidas principalmente por materiales derivados del petróleo u obtenidos a través de síntesis química basada en fuentes no renovables, debido a su disponibilidad en grandes cantidades, su bajo coste y sus buenas propiedades funcionales.

Sin embargo, la dificultad que presenta su recogida, clasificación, transporte, limpieza y reprocesado tras su vida útil implica usualmente que el reciclado de los plásticos empleados en la industria del envase y embalaje sea poco viable económicamente en comparación con otros materiales como papel, vidrio o metal.

Además, cada día se demanda mayor vida útil de los productos envasados, por lo que el uso de materiales multicapa cada vez está más generalizado. Este hecho hace que sea imposible reciclar mecánicamente este tipo de envases que en ocasiones mezcla distinto tipo de materiales (papel, plásticos, metalizados…).

En esta línea, la Unión Europea ha establecido en su nueva estrategia de plásticos, publicada en enero de 2018, que en 2030 todos los envases de plástico deberán ser reciclables o reutilizables. Esto invita a plantear nuevas estrategias, entre las que destacan el desarrollo de nuevos materiales a partir de nuevas formulaciones o el uso de materiales alternativos basados en fuentes renovables con menor coste económico y ambiental.

Resumen y objetivos

En el proyecto SINSOST se plantean dos grandes objetivos diferenciados que se engloban en el desarrollo de materiales sostenibles y biodegradables con multipropiedades mejoradas para su uso en aplicaciones de envase y embalaje. Por un lado, se buscará mejorar las propiedades finales de los materiales de envase basados en papel y cartón con nanorefuerzos biodegradables de celulosa y, por otro, mejorar las propiedades finales de materiales de envase basados en polímeros biodegradables aditivados con refuerzos nanoestructurados.

Con relación a la primera estrategia, se tratará el desarrollo de nuevas nanofibras de celulosa (MFC) obtenidas a partir de residuos procedentes de las industrias agroalimentarias y maderera. Posteriormente se evaluará la adición como aditivos de estas nanofibras de celulosa (MFC) a los procesos productivos de papel con la finalidad de conseguir una mejora en las propiedades físico-mecánicas y barrera de los papeles resultantes, obteniendo de este modo unas importantes mejoras en los envases y embalajes basados en materiales celulósicos.

La segunda línea de trabajo se basará en la síntesis de copolímeros de bloque nanoestructurados compatibles con matrices biodegradables, en particular con las matrices de PHAs y PBS, que se emplearán como nanorefuerzos para la obtención de materiales compuestos para la industria del envase y embalaje alimentario y cosmético. El desarrollo y uso de envases biodegradables supone una gran ventaja frente al uso de polímeros basados en el petróleo, ya que disminuye su impacto ambiental reduciendo su huella de carbono.

En los últimos años, ITENE ha adquirido experiencia en el desarrollo de aditivos basados en copolímeros de bloque (CPB) para aplicaciones de envase y embalaje a través de la ejecución de los proyectos MFC_PROD, AGRIMAX, VALIDANANO y SHERPACK.

Resultados

Dentro de la primera línea de trabajo:

• Se ha obtenido celulosa microfibrilada (MFC) a partir de residuos obteniendo una calidad de MFC comparable a las MFC comerciales que se pueden encontrar actualmente en el mercado.

Estas MFC obtenidas de residuos se emplearon como refuerzo para la fabricación de reciclado. Mediante el uso de un determinado porcentaje de MFC (10%), las propiedades mecánicas (SCT, índice de tracción, módulo de Young, índice de estallido) del papel aumentaron aproximadamente el 50%, mientras que la permeabilidad se vio reducida una 87%.

Dentro de la segunda línea de trabajo:

• Se han evaluado dos tipos de polímeros biodegradables, los polihidroxialcanoatos (PHAs) y el poli(butilen succinato) (PBS), ya que aquellos que pueden presentar mejores prestaciones para aplicaciones de packaging.

• Se han desarrollado refuerzos nanoestructurados biodegradables (copolímeros de bloque) compatibles con ambas matrices, PHAs y PBS, y se ha comprobado con éxito que se ha obtenido la nanoestructuración de dichos copolímeros de bloque.

Información adicional

La nanocelulosa como material de refuerzo de envase

La celulosa es el biopolímero renovable más abundante y disponible a nivel mundial. Sin embargo, los envases a base de celulosa, que se emplean principalmente para aplicaciones de envase secundario, no pueden competir con los polímeros derivados del petróleo. Los envases de celulosa actuales carecen de las propiedades barrera requeridas en aplicaciones de envase para alimentos. Esto ha llevado a combinar la celulosa con materiales no bio-basados, disminuyendo de este modo su sostenibilidad y obstaculizando la gestión del envase al final de su vida útil.

En los últimos años se ha prestado mucha atención a los nanocompuestos ecológicos como alternativas a los materiales basados en el petróleo debido al agotamiento de estas fuentes y a cuestiones ambientales. En este sentido, las nanofibras de celulosa (MFC), obtenidas mediante tratamientos específicos de las fibras de celulosa, se han convertido en uno de los bio-refuerzo que ha atraído mucho interés debido a su singularidad y características únicas, tales como abundancia, alta resistencia y rigidez, bajo peso y biodegradabilidad.

Estas nanofibras pueden emplearse como aditivos para mejorar las propiedades físico-mecánicas y barrera tanto de los papeles y cartones de nueva creación como de los reciclados.

Aunque la tecnología de producción y aplicación de las MFC es conocida, no está 100% comercializada. Por ello, en los últimos años las industrias papeleras más importantes a nivel internacional y distintos centros de investigación europeos especialistas en envase y embalaje, entre ellos ITENE, han apostado por la producción y aplicación de las nanocelulosas en distintos sectores, principalmente en el sector del envase y el embalaje.

Polímetros biodegradables vs polímeros basados en el petróleo

Los polímeros biodegradables se presentan como la alternativa más favorable al uso de polímeros basados en el petróleo. Entre los distintos materiales biodegradables, los polihidroxialcanoatos (PHAs) y el poli(butilen succinato) (PBS) son algunos de los materiales más prometedores para aplicaciones de envase rígido y flexible, respectivamente.

Sin embargo, la utilización a gran escala de los PHAs y el PBS se encuentra aún limitada debido a su precio y propiedades. Dentro del proyecto SINSOST se evaluará una ruta sintética para la obtención de refuerzos nanoestructurados biodegradables compatibles con las matrices poliméricas en estudio que mejoren las propiedades finales de los composites desarrollados.