Nanocompuestos: aplicaciones en películas para empaques

Algunos de los objetivos anunciados en el sector de empaques para productos alimentarios como inteligencia, cambios bioquímicos y microbiológicos sensitivos aún están lejos de lograrse. Sin embargo, otros como Ia modificación del comportamiento de permeación, propiedades térmicas y mecánicas, mejor desempeño de barrera y retardo a llama, sin incrementar eI peso o afectar Ia transparencia, se encuentran aI menos en el estado inicial de desarrollo y los primeros productos se han empezado a comercializar. Las aplicaciones más importantes en eI área de los empaques flexibles de esta clase de materiales son reseñadas en el presente artículo.

Nanocompuestos en general
Los nanocompuestos de polímeros/silicatos representan una clase nueva de mezclas de plásticos especiales debido a Ia dispersión de las partículas inorgánicas a escala nanométrica. Generalmente, el tipo de silicato usado en nancompuestos de polímeros/silicatos es Ia montmorillonita, una arcilla de tipo esmectita. Esta arcilla tiene una estructura natural en capas, con plaquetas que tienen grosores de 1 nm y longitudes de superficie del orden de 100 -1.000 nm. Las dimensiones de las partículas son Ia razón para clasificar estos materiales como nanocompuestos.

La montmorillonita es hidrofílica, Io que dificulta su exfoliación completa y dispersión en polímeros convencionales que suelen tener un carácter hidrófobo. Por esta razón, normalmente se modifica Ia montmorillonita a través de sustitución de sus jones de sodio por iones de amonio orgánico, lo que da como resultado un complejo organo-arcilloso que sí es compatible con los materiales plásticos, de manera que las plaquetas individuales pueden dispersarse más fácilmente en Ia matriz polimérica.

Entre los métodos para Ia producción de nanocompuestos polímero/silicato están Ia síntesis del compuesto en Ia etapa de polimerización con el complejo in situ y con el monómero líquido. Los nanocompuestos pueden ser preparados también a partir de disolventes en los que se disuelven tanto el polímero como eI complejo. Un tercer método es Ia preparación de los nanocompuestos de polímero/silicato mediante un proceso de mezclado. En este proceso, Ia aplicación de cizalla durante eI mezclado ayuda a Ia exfoliación y a Ia dispersión. Esta ruta de preparación de nanocompuestos de polímero/silicato seria Ia más interesante desde un punto de vista tecnológico y económico, ya que las tecnologías y los equipos existentes podrian ser utilizados y puestos a escala de cantidades comerciales.

Propiedades de los nanocompuestos en empaques flexibles para alimentos
En los nanocompuestos se Iogra una alta relación longitud/anchura de las plaquetas y una superficie excepcionalmente grande que dan como resultado propiedades mejores que las de los rellenos minerales convencionales: Mayor resistencia al calor, módulo elástico incrementado, baja viscosidad, estabilidad dimensional y buena apariencia de Ia superficie. Además funcionan con cargas mucho menores que los aditivos minerales tradicionales, siendo eI rango típico de 2% a 6% en peso.

Adicionalmente, los nanocompuestos pueden mostrar propiedades de barrera sensiblemente mejores, que se representan en tasas de transmisión de oxigeno más bajas (OTR, per sus expresión en inglés: Oxygen Transmision Rates). Los nanocompuestos de Nylon-6 pueden Iograr un OTR casi cuatro veces más bajo que el nylon-6 sin relleno. La reducción se atribuye al incremento de Ia distancia efectiva de difusión, ya que los solutos deben recorrer un Iargo camino alrededor de plaquetas bien dispersas de alta relación Iongitud/anchura. Como resultado de Ia escala nanométrica, se mantiene una alta transparencia en Iáminas y películas fabricadas de nanocompuestos de nylon-6. Además, comparada con Ia matriz de nylon-6 sin relleno, un nanocompuesto típico de nylon-6 genera un incremento de 52% en eI módulo elástico.

También se están realizando investigaciones en materiales nanocompuestos de dispersión en Ia superficie de películas plásticas. MicroCoating Technologies está empleando Ia técnica de deposición de vapor para crear un recubrimiento nanométrico de óxido de silicona para mejorar Ia barrera. La compañía estadounidense Avery Dennison Corp., con sede en Concord, Ohio, ha desarrollado un recubrimiento de barrera muy alta a los gases para películas usando nanopartículas. A diferencia de otras técnicas que dispersan las nanopartículas en Ia resina de Ia pelicula, este proceso recubre eI sustrato de Ia pelicula con nanopartículas. Esto genera un recubrimiento consistente altamente controlado, que puede proporcionar ventajas como una barrera muy alta a los gases, resistencia a las grietas, claridad y un recubrimiento muy delgado, de menos de una micra de espesor. La compañía ha observado un OTR por debajo de 0.005 cc/m2/día a 230C y en seco. Se han recubierto y probado una serie de sustratos usados en aplicaciones de empaques flexibles. Muchos han generado unos OTR impresionantemente bajos, aunque se requiere aún Ia optimización del recubrimiento para otras películas de empaque flexible. En cuanto a Ia claridad, Ia transmisión de Iuz después del recubrimiento excede eI 93% y Ia opacidad es de menos del 2%. Como sucede con todas las tecnologías, existen Iimitaciones para eI recubrimiento. No es una barrera efectiva a Ia humedad, y sus propiedades de barrera a los gases decrecen cuando se incrementa Ia humedad relativa. Como consecuencia, en muchos casos Ia estructura total de Ia pelicula debe incluir un componente con baja permeabilidad aI vapor de agua. La sensibilidad del recubrimiento a Ia humedad es reversible --su protección de barrera se recupera completamente una vez se reduce Ia humedad-- 10 que es comparable a Ia barrera formada por el polivinilalcohol. La alta barrera al gas de Ia película, Ia resistencia a Ia ruptura y claridad pueden convertir esta opción en Ia elección ideal para aplicaciones de empaques flexibles que requieran estas propiedades.

Otra novedad en el campo es eI desarrollo de un proceso de recubrimiento con un nanocompuesto para mejorar el empaque de alimentos. Esta innovación, que es diseñada para estar en contacto con alimentos y reducir los niveles de oxígeno o agregar sabores y conservantes, podrían poner a las compañias europeas a Ia vanguardia de este nuevo mercado de empaques. Materiales de empaque antimicrobiano son unas de las aplicaciones de empaques de alimentos activos más prometedoras. Sin embargo, en Ia actualidad existen muy pocos productos comerciales porque es difícil producir un material de empaque seguro y efectivo a un costo razonable. En eI futuro, los agentes antimicrobianos podrían ser incorporados directamente en Ia película de empaque. El proyecto Solplas, un consorcio de institutos técnicos y compañias de tecnología europea, como Philips y Ferrania, busca estimular esta tendencia, aplicando agentes antimicrobianos directamente en Ia superficie de Ia película recubierta. El proyecto deberá dar como resultado recubrimientos para alimentos con barrera de alto desempeño.

Mientras las tecnologías de nanocompuestos para aplicaciones en empaques blister están en las primeras etapas de desarrollo, las oportunidades se muestran prometedoras. Aunque actualmente no existen aplicaciones comerciales en el campo de los empaques farmacéuticos, se cree que Ia industria puede beneficiarse de esta tecnología en eI futuro. Los nanocompuestos pueden ser utilizados en empaques farmacéuticos rígidos y flexibles. Además de mejorar las propiedades de barrera, Ia tecnología aumenta Ia capacidad de absorción de Ia radiación UV e infrarroja, lo que Ia hace apropiada para empaques blister. La incorporación de nanocompuestos en los empaques blister para productos farmacéuticos pueden aumentar potencialmente eI tiempo de vida del producto. Algunas compañías están investigando el uso de los materiales nanocompuestos en las láminas blister y en Ia capa de recubrimiento. La demanda de resinas usadas en empaques blister es aproximadamente 10 millones de libras por año, demanda que pueden satisfacer los materiales nanocompuestos. Aunque ahora el mercado de productos farmacéuticos es pequeño para los nanocompuestos, se puede prever que para el 2011 el uso de nanocompuestos será de cerca del 2% del total en los empaques blister.

Quién comercializa nanomateriales
El mercado más establecido es el de las nanoarcillas, usadas en materiales compuestos. Este mercado está dominado por compañías que están integradas en Ia producción de Ia materia prima. Podemos mencionar a las compañias estadounidenses Nanocor (Arlington Heights, IL) RTP, Co. (Winona, Minn), Rockwood Specialties, subsidiaria de Southern Clay (Gonzales, TX), y Ia empresa alemana Sud-Chemie. Los esfuerzos de comercialización están muy avanzados con materiales compuestos que contienen nanoarcillas que ya estàn en uso en aplicaciones como compuestos para el sector automotor y empaques de barrera. La compañía Altair Nanotechnologies, Inc. anunció que su subsidiaria Altair Nanomaterials Inc. ha celebrado un acuerdo con Titanium Metals Corporation para el desarrollo de un proceso de manufactura de bajo costo para producir pellets de dióxido de titanio. El mercado de rápido crecimiento para óxidos a nanoescala es una competencia entre los productores actuales de óxidos, Cabot Corp. y Degussa, que venden productos de planarizacion mecánica y química, y un grupo que reüne compañías nuevas en eI sector. Los óxidos a nanoescala ofrecen eI potencial más grande, incluyendo productos recientemente comercializados, como óxido de zinc a nanoescala en pantallas solares y recubrimientos de vidrios resistentes al rayado, además de una serie de nuevas aplicaciones que se encuentran en desarrollo y que hacen uso de las nuevas propiedades de los nanomateriales.