LAYERPACK: Desarrollo de nanocomposites laminares para mejora de la barrera en materiales de envase

Contexto

El plástico es el material más empleado actualmente en el sector de envase debido a su bajo peso, reducido coste, facilidad de procesado y diversidad de propiedades físicas en comparación con otros materiales tradicionales como los metálicos, cerámicos (vidrio) y celulósicos (papel y cartón).

Sin embargo, dado que no existe un polímero puro que cuente con todas las propiedades mecánicas y de barrera requeridas para cada aplicación, a menudo se emplean mezclas complejas de polímeros y sistemas multicapa. Estos sistemas multicapa tienen no obstante diversos inconvenientes, como sus altos costes de producción y la multiplicidad de materiales empleados en ellos, que requieren el uso de aditivos especiales y adhesivos que complican su regulación y dificultan su reciclaje.

Por tanto, existe interés en la industria de los polímeros por generar envases monocapa o con menor número y espesor de capas basados en materiales con propiedades barrera y mecánicas mejoradas. Una vía para lograrlo es el desarrollo de composites, ya que estos permiten aumentar las propiedades mecánicas y barrera de las matrices de partida.

Los composites son materiales compuestos por al menos dos fases: una matriz basada en un material polimérico y otra fase que actúa como refuerzo. En el caso de que estos refuerzos sean nano, es decir, que el tamaño de las partículas en alguna de sus dimensiones esté por debajo de 100 nm (nanómetros) en al menos un 50% de las mismas, el compuesto resultante se denomina nanocomposite.

El uso de refuerzos de tamaño nano permite mejorar las propiedades de los materiales utilizando una menor cantidad de material en comparación con lo que se requeriría para otro tipo de refuerzos o aditivos con un tamaño superior.

Resumen y objetivos

El objetivo del proyecto es el desarrollo de materiales con mejores propiedades que permitan la optimización de recursos en un sector con un elevado consumo y sin posibilidad de reutilización directa como es el del envase. Para ello se propone emplear la nanotecnología para modificar e incrementar las propiedades iniciales de dos materiales con diferentes características, el polietiléntereftalato (PET) y el polipropileno (PP).

En este proyecto, centrado en nanocomposites destinados a contacto con alimentos, se evaluará el efecto de la introducción de nanorefuerzos, concretamente arcillas, en esos dos tipos de sustratos, el PET y el PP.

●             El empleo de PET modificado con arcillas permitirá disminuir o eliminar el consumo de material barrera (capa de EVOH o aluminio) en envases de film flexible. Como resultado, se obtendrá un film con propiedades barrera que permitirá disminuir la cantidad de material en envase flexible.

●             Por otra parte, la mejora de propiedades del PP puede tanto ofrecer una solución de envase más ligero para sus aplicaciones actuales o abarcar nuevos nichos de mercado donde hasta ahora no había podido llegar el PP por sí solo, al presentar una deficiente barrera al aire. En este punto, se desarrollará un prototipo de envase monocapa de PP con propiedades mejoradas o con la posibilidad de reducir el material de envase con respecto a los actuales.

Si bien ya existen algunos productos comerciales que incluyen algún tipo de nanomaterial para la mejora de sus propiedades barrera, lo más frecuentes están basados en aditivos aplicados por recubrimientos sobre la cara interna de los envases.

La solución que propone LAYERPACK es dispersar el nanorefuerzo en las matrices mediante mezclado en fundido para obtener el nanocomposite y permitir a los fabricantes de envase desarrollar el material barrera sin necesidad de aplicar un proceso paralelo de recubrimiento donde vaya incorporado el nanorefuerzo desarrollado.

Resultados

• Se han llevado a cabo modificaciones de diferentes tipos de arcilla (montmorillonita y caolinita) con poliésteres con las que se ha obtenido un film con propiedades barrera que permite disminuir la cantidad de material en envase flexible y facilita su reciclaje posterior.

• Se han mejorado las propiedades del PP para ofrecer una solución de envase más ligero para sus aplicaciones actuales y que además permita alargar la vida útil de los alimentos envasados en él. En este apartado, se han llevado a cabo reacciones de modificación sobre refuerzos de diferente tipo como son la montmorillonita, caolinita, vermiculita e hidróxidos laminares.

• Además, se han probado otras tecnologías, como la encapsulación de arcillas en lubricantes, para lograr una elevada hidrofobicidad (cualidad de las sustancias que no son miscibles con el agua) y conseguir una mejor dispersión en la matriz de polipropileno. Asimismo, con los aditivos seleccionados se han desarrollado probetas que han sido caracterizadas, obteniéndose propiedades barrera de hasta el 20% de reducción al oxígeno.

Información adicional

¿Qué son los composites y los nanocomposites?

Los composites son materiales compuestos por al menos dos fases: una matriz basada en un material polimérico y otra fase que actúa como refuerzo.

En el caso de que estos refuerzos sean nano, es decir, que el tamaño de las partículas en alguna de sus dimensiones esté por debajo de 100 nm en, al menos, un 50% de las mismas, el compuesto resultante se denomina nanocomposite.

La adición de bajas cantidades de estas nanocargas o nanopartículas consigue mejorar las propiedades de un material convencional, entre ellas, incrementar la rigidez, estabilidad térmica y dimensional y propiedades barrera sin causa un detrimento en la transparencia o la densidad del material.