TECHPLA: Tecnologías de procesado de nanoaditivos para su aplicación en la industria de transformación de envases

Contexto

El desarrollo de materiales reforzados o composites es una vía prometedora a la hora de aumentar las propiedades de los polímeros empleados en materiales para envase y embalaje. 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 los nanocomposites, la fase correspondiente al refuerzo posee al menos una de sus dimensiones en escala nanométrica.

La adición de bajas cantidades de estas nanocargas o nanopartículas consigue el incremento de las propiedades de un material convencional, entre ellas el incremento de la resistencia mecánica, estabilidad térmica y dimensional y propiedades barrera. Este incremento de propiedades viene originado por la presencia de estos refuerzos con unas propiedades mecánicas elevadas. No obstante, hay que tener en cuenta que su efecto final depende de la interacción entre ellos y la matriz polimérica, así como su dispersión en la misma.

Resumen y objetivos

En el proyecto TECHPLA se evaluarán tres tipos de refuerzos, cuya introducción en las distintas matrices poliméricas busca incrementar sus propiedades y ofrecer nuevas opciones con el fin de disminuir las cantidades empleadas y ofrecer alternativas de aplicación en un futuro. Estos son:

1.  Grafeno que será obtenido a partir de grafito mediante proceso top-down y que será introducido en matrices derivadas del petróleo (polietileno de alta densidad, PEAD).

2.  Arcillas laminares tratadas de forma que se optimizará su tamaño para su introducción en polietiléntereftalato (PET) y PEAD, obteniendo materiales no biodegradables.

3.  Celulosa microfibrilada (MFC) adaptando su morfología para facilitar su adición en materiales procedentes de fuentes renovables, como el ácido poliláctico (PLA).

Con el objetivo de optimizar el procesado de los que serán los materiales finales, se mejorará la dispersión de estos aditivos dentro de las distintas matrices. Para ello se plantea, en primer lugar, hacer modificaciones de dichos nanorefuerzos con el objetivo de mejorar su compatibilidad con las matrices en que serán introducidos.

Adicionalmente, se desarrollarán distintas tecnologías de producción de materiales que permitirán reducir el número de post-tratamientos e incorporar estos aditivos en máquina a escala semi-industrial. Concretamente, se proponen tres rutas para modificar el proceso de extrusión por el que se obtendrán estos refuerzos. Estos son:

• Modificación del diseño de husillos: se estudiará el efecto la modificación de la configuración, que será simulado mediante programas diseñado para ello. En paralelo se realizarán cambios en distintos parámetros, como tiempo de residencia y temperatura de proceso, determinando el impacto total en los materiales resultantes.

• Introducción en fase líquida: se producirán concentrados de los aditivos producidos que serán introducidos en fase líquida en las matrices seleccionadas.

• Dispersión mediante ultrasonidos: se aplicará esta técnica para aumentar la movilidad de las partículas producidas y, así, mejorar su dispersión.

Información adicional

Poliolefinas, PET y PLA en la industria del envase

La industria del envase vinculada al plástico ha desarrollado varias estrategias para disminuir la dependencia del petróleo, la generación de residuos y la reducción de emisiones de dióxido de carbono, entre ellas:

• Disminución de materiales empleados en la obtención de envases, optando por mezclas de materiales reciclados/vírgenes o disminución de espesores.

• Optimizaciones de diseños en aplicaciones para alimentos en las que el material de partida y las propiedades finales están completamente identificadas.

• Desarrollo de composites o materiales derivados de fuentes renovables, con el fin de obtener nuevas propiedades que permitan ofrecer potenciales sustitutos competitivos.

Dentro del consumo de plásticos a nivel europeo, las propiedades del polietiléntereftalato (PET) y la bajada en su precio han favorecido su uso mayoritario en el sector del envase.

Por su parte, las poliolefinas ofrecen en el sector del envase una gran variedad de aplicaciones. Sin embargo, generan una mayor dificultad en el reciclado por encontrarse en muchas ocasiones en sistemas multicapa.

En paralelo, se siguen desarrollando materiales biodegradables a los que se busca incrementar las propiedades mecánicas y barrera. Entre estos materiales, el ácido poliláctico (PLA) es uno de los bioplásticos compostables más prometedores y que se ha empleado con éxito en distintas aplicaciones de envase rígido. Sin embargo, su utilización a gran escala se encuentra limitada debido a su precio y propiedades.

Resultados

• Se han desarrollado materiales poliméricos reforzados (PEAD, PET y PLA) para envase y embalaje con mejoras en sus propiedades barrera y mecánicas, lo que permite reducir la cantidad de material empleado en el envase. Las propiedades finales de estas matrices se han mejorado con tres tipos de refuerzos: arcillas laminares (PEAD y PET), grafeno (PEAD) y celulosa microfibrilada-MFC (PLA).
• Para ello se han empleado dos tecnologías diferentes:

– Se ha mejorado la compatibilidad nanorefuerzo-matriz polimérica a través de la modificación de estos mediante reacciones químicas.

– Se han perfeccionado los procesos de obtención estos materiales poliméricos reforzados con el fin de mejorar la dispersión de los nanorefuerzos en fundido.

• Se ha conseguido reducir la presencia de aglomerados a través de la mejora de la compatibilidad nanorefuerzo-polímero y la optimización de la dispersión en fundido, obteniendo como resultado los materiales reforzados anteriormente mencionados.