Capacidad de biodegradación y de barrera: nuevas tendencias en resinas para empaques

Los desarrollos en las áreas de propiedades de barrera y biodegradabilidad son fundamentales para lograr el afianzamiento en el mercado de las resinas poliestéricas, que se están logrando un amplio uso en la fabricación de empaques. El PET ha venido sustituyendo incrementalmente al vidrio, gracias a sus mejoradas propiedades de barrera. Es importante resaltar los avances realizados en materia de biodegradabilidad de las nuevas resinas poliestéricas que se complementan con la facilidad ya reconocida para reciclar el PET.

Desarrollos de sistemas de barrera para el PET
En los empaques existen sistemas de barrera activa y pasiva. Los primeros hacen referencia a los materiales que por su naturaleza ofrecen una alta barrera a la transmisión de gases o sustancias. En este caso, el aislamiento que proporciona el empaque depende del nivel de la barrera del material y de la cantidad de material de barrera incorporado en el empaque. Por su parte, los sistemas de barrera pasiva no actúan sobre la cantidad de contaminante introducido en el envase en el momento de llenado, por lo que debe hacerse un ´lavado´ para que el nivel de contaminante sea mínimo desde el inicio. En el caso de las barreras activas, el empaque contiene además un material adicional de naturaleza reactiva que absorbe selectivamente la sustancia contaminante una vez que se detecta su presencia. Por esta razón, las barreras activas sí pueden tener una acción de ´limpieza´ inicial del envase en el momento de llenado.

Con las resinas de PET se han desarrollado varias estructuras de ambos tipos que prometen ser útiles para resolver una infinidad de aplicaciones de empaques, como por ejemplo, cerveza, té, especias, alimentos para bebés, aguas saborizadas y alimentos con aromas y sabores en general.

Entre los desarrollos más recientes se puede mencionar el anunciado por SIG Corpoplast, en octubre del 2002. Esta compañía presentó en su Conferencia Anual de Tecnología un nuevo sistema de barrera pasiva por deposición de un recubrimiento. El proceso de recubrimiento se denomina de plasma frío por pulsos, el cual deposita una capa delgada de una especie de vidrio de óxido de silicio en el interior de las botellas de PET. Otras dos empresas en Europa también ofrecían hace algún tiempo procesos de incorporación de alta barrera por deposición de recubrimientos en botellas de PET: Sidel S.A. de Francia y Krones de Alemania. SIG Corpoplast asignó la marca Plasmax a este proceso, que fue desarrollado en colaboración con Schott HiCotex de Alemania. El nombre original del proceso es "deposición de vapores químicos por impulsos de plasma, (PICVD, por su nombre en inglés). La capa de óxido de silicio crea una barrera al oxígeno, dióxido de carbono, humedad y otras sustancias químicas.

El proceso PICVD se realiza en dos etapas: en la primera se deposita una capa de adhesivo transparente y en la segunda se aplica la capa de óxido de silicio con un espesor entre 0,01 y 0,1 micrones. Este espesor puede generar una barrera al oxígeno que es hasta diez veces superior a la original de la botella de PET. La barrera al dióxido de carbono se incrementa hasta en siete veces. El proceso ocurre en una cámara de vacío en donde el interior de la botella vaciada se llena con hexametil disiloxano. El gas se expone a una radiación de microondas que generan la descomposición del gas. Uno de los productos de descomposición es el depósito de SiOx en la botella. La barrera depositada de esta manera en la botella resiste las operaciones de llenado en caliente y de pasterización, de acuerdo con reportes de SIG Corpoplast. Se espera que su costo sea inferior al 20% de los costos de producción de las botellas sin recubrimiento, de acuerdo con fuentes de la misma compañía. Los otros productos de descomposición son dióxido de carbono y agua, los cuales son removidos por el sistema de vacío.

La unidad de aplicación Plasmax está diseñada para operar en línea con las máquinas Blowmax de inyección estirado soplado. SIG y Schott HiCotec están diseñando una estación rotacional de 12 estaciones para recubrir botellas de 100 cc hasta de un litro de capacidad. La unidad se designa con la marca Plasmax 12D y cuenta con dos cavidades y que puede operar a una velocidad de 10.000 botellas de medio litro por hora.

Al tipo de barreras activas corresponde un desarrollo de Chevron Phillips Chemical. Se trata de un polímero olefínico qua absorbe oxígeno, OSP sigla del nombre en inglés, que puede ser empleado tanto en envases flexibles como en rígidos. Una capa de OSP puede insertarse en una estructura multicapa junto a otras capas de barrera pasiva, como pueden ser el EVOH, nylon o PET. El sistema OSP es una mezcla que contiene cerca de 90% del copolímero etilmetilacrilato ciclohexeno metilacrilato, EMCM. Esta es una resina que se oxida fácilmente y que actúa como un agente que absorbe oxígeno sin degradarse en compuestos indeseables; por ejemplo, en forma de compuestos de un menor peso molecular. El 10% restante está compuesto de un sistema iniciador de la función de absorción que la mantiene latente hasta que se expone a la luz ultravioleta, cuando el envase se llena con producto.

Una nueva botella multicapa de PET para jugos de llenado en caliente fue lanzada al mercado por Alfresh Beverages, de Toronto, Canadá, recientemente. Desde el punto de vista de mercadeo, este lanzamiento daba respuesta a la facilidad de manipulación y manejo que no ofrecen las botellas de vidrio debido a su alta fragilidad. El diseño del envase fue realizado por Constar, Inc., una división de Crown Cork & Seal Company, Inc. En él se incorporó la tecnología de absorción de oxígeno Oxbar, que extiende la vida de anaquel hasta 12 meses, al tiempo que se preserva el sabor original del producto. La tecnología consiste en una construcción de tres capas en donde el PET ocupa las caras externas encerrando en el centro la resina MXD-6 de nylon con catalizador metálico que previene la permeación del oxígeno y mantiene la integridad del producto sin necesidad de usar preservativos o mantenerlo en refrigeración.

Graham Packaging inició recientemente la producción de las botellas de las bebidas de Snapple Beverage Corporation, que requieren un mayor nivel de barrera, usando PET. Estas botellas son similares a las que usa la compañía en vidrio pero ahora tienen la opción de distribución en lugares donde no se recomienda usar botellas de estructuras frágiles. En una línea de botellas se empaca té helado y bebidas de frutas y en otra línea se empaca agua modificada, las cuales requieren la propiedad de llenado en caliente, con temperaturas hasta de 85ºC. Graham emplea la tecnología Active Cage para impartir la propiedad de llenado en caliente con máquinas de Husky y Sidel. El exterior de la botella se recubre con una barrera de amina epóxica, de acuerdo con la tecnología Bairocade, que ayuda a proteger la frescura del producto y extender la vida útil del mismo.

Nuevos materiales biodegradables
Un segundo aspecto a destacar con respecto a los desarrollos realizados recientemente con las resinas de PET es la creación de nuevas versiones que tienen el carácter de ser biodegradables, una propiedad deseable para una resina que se usa de manera más difundida para hacer envases que tienen la connotación de ser desechables. Estas resinas biodegradables se fabrican con base en copoliésteres alifáticos y alifático-aromáticos. Estos caen también en una de dos categorías: los altamente amorfos que exhiben propiedades de transparencia y flexibilidad como el LDPE y los poliésteres semicristalinos, que son más rígidos y con propiedades similares al poliestireno. La degradación en condiciones favorables para el proceso puede ocurrir en 12 semanas. Una desventaja temporal de estas resinas es su alto precio, cuando se comparan con materiales sustitutos; éstos fluctúan entre US$ 3.3 y US$ 4,4 por kilogramo. La densidad está en el rango de 1,2 gr/cc a 1,35 gr/cc. Debido a los altos costos, las resinas de poliéster biodegradables se están usando mezcladas con otras resinas para aportar propiedades deseables. Otra manera de aplicación es la mezcla en productos terminados, en los cuales participa como capas de aislamiento a la humedad y las grasas.

Uno de los lanzamientos más notables realizados recientemente es el de la resina Eastar BIO ULTRA de Eastman Chemical, un copoliéster que se degrada completamente en dióxido de carbono, agua y biomasa en el término de 180 días si se expone a las condiciones de los equipos de compostaje comerciales, de acuerdo con fuentes de la empresa productora de la resina. La resina ya ha sido usada para producir envases, platos y bandejas por parte de Sainsbury’s y Wal-Mart. Otras aplicaciones posibles son las películas agrícolas, las laminadas para hacer empaques rígidos, bolsas de basura, perfumería, tapas y aplicaciones hortícolas. En términos generales, la resina ofrece una alta viscosidad en estado fundido y puede ser empleada en operaciones de soplado de película o para usos de propósito general. La resina tiene una densidad de 1,2 gr/cc, un punto de fusión de 108 ºC, ofrece una buena transparencia de contacto y una elongación alta; de 800%. Ofrece también una alta resistencia a la humedad y las grasas, de una manera similar al LDPE. Por el momento, la resina está siendo fabricada únicamente en Inglaterra, en la planta de Hartlepool que cuenta con una capacidad instalada de 15.000 toneladas año, pero Eastman empezará producción en los Estados Unidos empleando una planta de poliéster reconvertida. La empresa proyecta un crecimiento mundial de la demanda de este tipo de resinas del orden del 30% anual en los siguientes cinco años.

Las películas de Eastar BIO se usan en conjunción con otros empaques biodegradables, como las bandejas termoformadas fabricadas con un compuesto natural, Earthshell, consistente de residuos de papel, almidón de papa y agua. Las bandejas son hechas con este material en estado espumado siguiendo un proceso similar a la fabricación de waffles. Las películas Eastar BIO se laminan en la parte superior de las bandejas para ofrecer protección contra la humedad y la grasa, lo cual evita que el sustrato se deteriore prematuramente sin afectar su capacidad de biodegradación. La película puede aplicarse impresa. Otra aplicación posible, similar a la anterior, es el uso del poliéster biodegradable para recubrir las paredes de vasos desechables de Earthshell, los cuales por su carácter espumado ofrecen la propiedad de aislamiento térmico para bebidas calientes. El recubrimiento previene el ataque de la humedad y permite la impresión de los vasos.

Las propiedades de alta flexibilidad de Eastar BIO pueden ser usadas ventajosamente en mezclas con otras resinas biodegradables que tienden a ser frágiles y tiene una adhesión pobre. Este es el caso de la resina de ácido poliláctico, PLA, de Cargill Dow, que puede ser mezclada con la resina poliestérica para sumar sus propiedades positivas, como lo aseguran representantes de las compañías que las fabrican.

La referencia Ecoflex de BASF ya está en el mercado estadounidense. Es un copoliéster alifático-aromático basado en butanodiol, ácido adípico y ácido tereftálico. Es producido en Alemania en una planta de 8.200 toneladas anuales de capacidad y en el momento se tienen planes para agregar una capacidad de 30.000 toneladas anuales. BASF asegura que la resina se puede procesar con facilidad similar a la del LDPE. El punto de fundición está entre 110 y 115 ºC, la elongación es alta, así como su transparencia y resistencia al impacto con dardo. Las películas de este material tienen una capacidad de transmisión de humedad que es la mitad de lo observado en otras películas biodegradables.

DuPont, por otro lado, ofrece su resina Biomax, un PET modificado que incorpora tres monómeros alifáticos propietarios. La referencia Biomax 6962 tiene una densidad de 1,35 gr/cc y un punto de fusión de 195ºC. La resina ofrece, por lo tanto, un rango de temperaturas de servicio que es muy interesante desde el punto de vista de los empaques. DuPont resalta también la facilidad de procesamiento de la resina, sus propiedades mecánica que incluyen una alta rigidez y una elongación que puede variar entre 40% y 500%, dependiendo de la referencia. Los mercados en donde puede ser usada son los de los empaques para restaurantes de comida rápida, bolsas para basura, pañales desechables, películas agrícolas, recipientes para plantas y botellas.

Earthshell y DuPont formaron una alianza que les permite fabricar envases para servicios de comida rápida, incluyendo platos, estuches, vasos y otros utensilios. Biomax se usa para fabricar una película de envolver alimentos, la cual proporciona resistencia a la humedad y las grasas, tiene la apariencia del papel, se dobla con facilidad y se puede imprimir.

Bionelle es otra marca conocida en el mercado europeo y japonés pero que ahora se está ofreciendo en Estados Unidos. Es un copoliéster biodegradable producido por Showa Highpolymer de Japón. Se usa en bolsas para basura, películas agrícolas, conos de tráfico y bandejas para empacado. Algunas referencias de Bionelle se modifican con diisocianatos para mejorar la rigidez y las propiedades térmicas. Otra empresa japonesa, Mitsubishi Gas Chemical ofrece un carbonato poliestérico, PEC, que tiene un punto de fusión de 110 ºC y propiedades de rigidez y tenacidad similares a las del polipropileno homopolímero. Ya se emplea en la fabricación de empaques para productos de consumo.

Bayer AG también trabajó anteriormente en el desarrollo de una familia de resinas poliestéricas biodegradables, con la marca BAK, que son útiles para hacer películas y productos moldeados. Los productos Sky Green BDP de SK Chemicals son una versión de poliésteres biodegradables alifáticos que ofrecen propiedades mecánicas superiores a las de los grados fabricados con alifáticos-aromáticos, y cuestan menos. Se emplean en la fabricación de películas, cubiertos desechables, bandejas para alimentos, papeles recubiertos, etc.

La compañía japonesa Dainippon Ink and Chemicals ha optado por la alternativa de combinar las resinas biodegradables de poliéster con el polímero biodegradable PLA, desarrollando un nuevo producto que denomina CPLA. Al incrementar el contenido de poliéster se aumenta la flexibilidad de la mezcla; yendo en el sentido contrario, se aumenta la rigidez. Las propiedades resultantes se comparan con las del poliestireno y el polipropileno.

Otra resina de poliéster que se ha empleado en mezclas con otros polímeros es la de policaprolactona alifática poliestérica, fabricada por varios proveedores durante años. Se emplea en la formulación de adhesivos, compatibilizantes, modificadores y películas. Este material es miscible con otros polímeros, es biodegradable, ofrece protección contra la humedad, mejora las propiedades mecánicas y ayuda a plastificar los almidones.

Una forma de compensar los altos costos de las resinas biodegradables son las aplicaciones en las cuales los productos no tienen pagar tarifas de eliminación de desperdicios. Un caso es el de las películas estirables que se usan para envolver paquetes y empaques de transporte. Cortec Corporation, de Estados Unidos, fabrica una familia de películas estirables de envolver a partir de un copoliéster alifático-aromático que se extruye en capas múltiples. Las películas fabricadas con esta resina se emplean para envolver productos de acero a los cuales ofrece protección porque su formulación química ayuda a prevenir la corrosión.

Poliésteres biológicos
Los copoliésteres biodegradables producidos por fermentación bacteriana, que en términos colectivos pertenecen al grupo de los polihidroxialcanoatos o PHA, son polímeros sintetizados en el cuerpo de bacterias alimentadas con glucosa en un digestor biológico. Existe ya una gran variedad de productos de PHA generados por otro tanto de bacterias, incluyendo muchas modificadas por el hombre.

Metabolix es un polihidroxibutirato valerato, PHBV, de ICI que puede ser fabricado hasta con un 70% de cristalinidad, por lo que ofrece un rango amplio de propiedades mecánicas y de barrera. Las propiedades pueden semejarse a las de los polímeros elastómericos o llegar a igualar aquellas de las resinas de ingeniería. Las temperaturas de fundición pueden variar entre 135 y 185 ºC. Las aplicaciones también son amplias, desde adhesivos de sellado en caliente, recubrimientos hasta productos moldeados y películas. La producción industrial a gran escala podría ser factible si se tiene en cuenta la gran capacidad instalada sin uso que existe en Estados Unidos para hacer productos por fermentación.

Procter & Gamble anunció que sus copolímeros PBHB, mercadeados con la marca Nodax, provienen de un monómero de carácter ramificado en cadenas de seis a 24 carbonos unidos a estructuras principales de apenas cuatro carbonos. Debido a esta estructura, el PBHB se asemeja al LDPE y puede ser diseñado para dar un rango amplio de cristalinidad, puntos de fusión, rigidez y tenacidad. Se prevén aplicaciones en moldeo por inyección, extrusión de lámina y películas. Sus propiedades se pueden parecer a las del LDPE, PP y PET, con las cuales puede formar capas de adhesión en coextrusión. Su barrera al oxígeno se aproxima a la del EVOH. Es fácilmente biodegradable en presencia o ausencia de oxígeno, puede ser atacado por álcalis y es soluble en agua. Por esto, podría ser usado para la fabricación de tapas y etiquetas de botellas que son recicladas usando soda cáustica, como con el PET normal. La soda consumiría las tapas y las etiquetas y se obtendrían las botellas limpias listas para reciclaje. Si Procter & Gamble implementa una mayor capacidad de producción, el producto podría reducir su precio al rango entre US$ 0,45 y US$ 1 por libra.