Un vistazo a los nanocompuestos

Los desarrollos más próximos en el comportamiento de resinas para empaques prometen modificar sus propiedades térmicas, mecánicas y de permeación. Estas modificaciones se lograrán manteniendo el peso y sin afectar propiedades como la transparencia. Otros desarrollos están más lejanos y se visualizan para el mediano y largo plazo, como son las resinas inteligentes, con modificaciones en el comportamiento bioquímico y microbiológico.

En este artículo reseñamos la contribución que están aportando los materiales nanocompuestos al logro de mejoras en las propiedades de barrera de las resinas, y en su comportamiento térmico y mecánico.

Los nanocompuestos son combinaciones de polímeros y de minerales, en donde los últimos se encuentran altamente dispersos en los primeros. En este caso nos referimos a ciertos tipos de minerales que tienen la capacidad de exfoliarse en capas con grosores del orden un nanómetro (esto es, de una millonésima de milímetro). El ancho y el largo de las plaquetas pueden tener dimensiones más grandes (de 100 a 1.000 nanómetros). Por esta razón, se afirma que los minerales de los nanocompuestos tienen una relación muy alta entre longitud y espesor (aspect ratio, en inglés), y que de esta manera el contacto entre ellos y los polímeros se hace a través de áreas superficiales muy altas. Al existir un área de interacción muy alta entre el aditivo mineral y el polímero, se desarrollan propiedades también excepcionales en el compuesto, como son una mayor resistencia al calor, un módulo elástico alto, baja viscosidad, estabilidad dimensional, buena apariencia de la superficie y propiedades de barrera mejoradas. Todo esto con niveles de aditivo del orden del 2% al 6%. Con rellenos minerales normales, los niveles de adición deben superar el 30% para obtener resultados que son una fracción pequeña de lo que se logra en los nanocompuestos.

Entre los minerales desarrollados para servir como agentes activos en los nanocompuestos está la montmorilonita, una arcilla de tipo esmectita. La montmorilonita es hidrofílica, lo que dificulta su exfoliación completa y dispersión en polímeros convencionales que suelen tener un carácter hidrófobo. Por esta razón, normalmente se modifica la montmorilonita a través de sustitución de sus iones de sodio por iones de amonio orgánico, dando como resultado un complejo organoarcilloso que sí es compatible con los materiales plásticos, de manera que las plaquetas individuales pueden dispersarse más fácilmente en la matriz polimérica.

El mercado más establecido en el campo de los nanocompuestos poliméricos es el de las nanoarcillas. Este mercado está dominado por compañías que están integradas en la producción de la materia prima. Podemos mencionar a las compañías estadounidenses PolyOne, de Avon Lake, Ohio; Nanocor, de Arlington Heights, Ilinois; RTP, Co. De Winona, Minnesota; Rockwood Specialties, subsidiaria de Southern Clay, de Gonzales, Texas, y la empresa alemana Sud-Chemie.

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, que produce gránulos de dióxido de titanio a nanoescala. Este es un mercado en rápido crecimiento y en él compiten los productores actuales de óxidos Cabot Corp. y Degussa, que venden productos obtenidos por medios mecánicos y químicos. Los óxidos a nanoescala ofrecen el potencial más grande, incluyendo productos recientemente comercializados, como óxido de zinc a nanoescala en recubrimientos de vidrios resistentes al rayado.

Investigadores del Japón y de Estados Unidos han venido concentrando sus esfuerzos en el desarrollo de materiales con base en carbón, que también forma plaquetas similares a la arcilla mencionada. Los materiales fulerénicos se usan como base para producir tubos de carbón con dimensiones en el orden de nanómetros (nanotubos). Ejemplos al respecto se encuentran las páginas de internet www.nano-c.com, www.buckyusa.com y www.sesres.com. Los tubos son fibras de carbón de diámetro minúsculo, que se arreglan formando retículas enrolladas de tipo hexagonal. GE Plastics también está trabajando con la tecnología de los nanotubos.

Al iniciar el artículo, mencionábamos que entre los efectos beneficiosos de los nanocompuestos en los plásticos estaba el incremento de sus propiedades mecánicas. Esto en un comienzo llevó al desarrollo de aplicaciones en la industria automotriz; pero el reconocimiento de las ventajas que ofrecen los nanocompuestos para el mejoramiento de las propiedades de barrera de los polímeros, ha llevado a la migración de esta tecnología a la industria de los empaques rígidos y flexibles de plástico. En una observación, se reportó que un 1% de nanoarcilla provocó la disminución de cerca del 30% en la permeabilidad del oxígeno a través de un tipo de nylon. La saturación del efecto se alcanza en algunos casos con aplicaciones de únicamente el 3% de agente activo. Una propiedad muy importante en algunos empaques es la transparencia, y esta propiedad se ve afectada únicamente a partir la adición de valores cercanos al 6% en peso; es decir que en el rango de aplicación de los nanocompuestos se puede conservar la transparencia en los empaques rígidos o flexibles.

El nylon es considerado como una de las resinas más prometedoras entre los nanocompuestos. Una aplicación potencial se presenta en la fabricación de las botellas y otros envases multicapa de PET para alimentos que requieren protección al oxígeno. Debido al hecho de que la barrera natural del nylon se puede mejorar en un factor entre 2 y 3 con la adición de nanocompuestos, la resina se puede convertir en una competencia formidable para el EVOH.

Otra novedad en el campo de los empaques es el desarrollo de procesos de recubrimiento con nanocompuestos para obtener una reducción de los niveles de transmisión de oxígeno, o para agregar sabores y conservantes en los materiales de empaque. Los agentes antimicrobianos son unas de las aplicaciones más prometedoras. En el futuro, los agentes antimicrobianos podrían ser incorporados directamente en la película de los empaques.