El centro tecnológico Itene ha trabajado en el reto de mejorar las propiedades de poliolefinas recicladas y biopolímeros compostables para aplicaciones de envase mediante el proyecto Extrech Up

Materiales avanzados para la economía circular: mejora de propiedades de polímeros reciclados y compostables para packaging

Alejandro Guillem, jefe de proyectos en el Área de Nuevos materiales y Envase de Itene, Octavio Ortega, técnico de Proyectos el Área de Nuevos materiales y Envase de Itene

18/07/2023

La producción de plástico se ha duplicado en los últimos veinte años a nivel mundial. Este incremento es debido a sus altas prestaciones, facilidad de procesado y coste, alcanzando casi 391 millones de toneladas a nivel mundial y los 57,2 millones de toneladas a nivel europeo en 2021, según datos de PlasticsEurope en el informe ‘Plastics – The Facts 2022’. Esta producción se traduce en el aumento de residuos plásticos. De hecho, según recoge la Organización para la Cooperación y el Desarrollo Económico (OCDE) en el informe ‘Perspectivas mundiales del plástico: escenarios de política a 2060 (Global Plastics Outlook: Policy Scenarios to 2060)’, estos residuos se triplicarán hasta 2060 en todo el mundo, alcanzando 1.014 millones de toneladas, y potencialmente se reciclará sólo una quinta parte de estos. Esta tasa de reciclado se debe a una serie de limitaciones de los plásticos para ser reutilizados o reciclados con garantías debido a la disminución de sus propiedades, dificultades de procesado o para su empleo en aplicaciones de contacto alimentario. Como consecuencia, los plásticos reciclados pueden presentar unas propiedades limitadas que reducen su uso en aplicaciones de valor añadido, como es el caso del sector del envase, o su uso en mayor proporción. A ellas, se suma la escasez de materiales, así como un incremento en sus costes.

Con el fin de potenciar un uso adecuado de los recursos, se han publicado una serie de medidas para fomentar la economía circular y evitar que los residuos plásticos sean eliminados o valorizados energéticamente. Algunos ejemplos de estas iniciativas legislativas son el Plan de Acción para la Economía Circular o la Directiva 2018/852 a nivel europeo, y la Ley de Residuos y Suelos Contaminados para una Economía Circular y el Real Decreto de envases y residuos de envases a nivel nacional. En esta legislación se destaca para 2030 alcanzar un mínimo del 55% de reciclado de residuos plásticos, junto con la obligación de puesta en mercado de envases plásticos reutilizables, reciclables o compostables, y restricciones a ciertos plásticos de un solo uso, así como la implantación de una tasa específica para envases de plástico no reutilizables según el peso del material, entre otras propuestas.

Por otro lado, estas medidas también han generado un creciente interés por el uso de bioplásticos (materiales compostables y/o procedentes de fuentes renovables), especialmente dentro del sector del envase. Sin embargo, la mayoría de estos materiales compostables poseen un elevado coste y unas limitadas prestaciones.

Para alcanzar los requerimientos de circularidad marcados, se requieren esfuerzos en investigación y desarrollo para la mejora de las prestaciones de los materiales plásticos.

En este sentido, el centro tecnológico Itene ha estado trabajando en el reto de mejorar las propiedades de poliolefinas recicladas y biopolímeros compostables para aplicaciones de envase mediante el proyecto Extrech Up, financiado por el Instituto Valenciano de Competitividad Empresarial (Ivace) a través de los fondos Feder. Concretamente, dentro del proyecto, se plantearon de forma resumida las siguientes líneas de investigación:

1) Línea de investigación polietileno de alta densidad (PEAD) reciclado: Mejora de la procesabilidad, propiedades mecánicas y químicas de PEAD reciclado posconsumo para aplicaciones de extrusión-soplado de cuerpo hueco de envase de droguería

2) Línea de investigación biopolímeros compostables: Mejora de las propiedades mecánicas y reducción de coste de Poli(Butilén Adipato-co-Tereftalato) (PBAT) para aplicaciones de envase flexible alimentario tipo bolsa mediante extrusión film soplado.

Para ello, se hizo uso de la tecnología de extrusión reactiva, la cual permite llevar a cabo una reacción química en fundido dentro de una extrusora de doble husillo corrotante. De este modo, se puede conseguir la incorporación de nuevas funcionalidades en el polímero o una mejora de sus propiedades actuales mediante la modificación de su estructura molecular, por ejemplo.

Para que este proceso sea efectivo y evitar que se produzcan reacciones no deseadas, resulta clave la selección de los compuestos reactivos y aditivos, así como un control exhaustivo de los principales parámetros de procesado tales como velocidad de husillos, producción, perfil de temperatura o dosificación (punto y cantidad), de los compuestos. En el proyecto Extrech Up, se ha trabajado en la optimización de los parámetros más críticos para cada una de las rutas de extrusión reactiva, mediante el uso de un software de simulación y la evaluación del grado de reacción mediante medidas de control en línea. Concretamente se ha empleado un reómetro en línea acoplado a la salida del equipo. De este modo, resulta posible evaluar el comportamiento reológico del material como consecuencia del proceso reactivo, y ajustar “in situ” los parámetros de proceso, para conseguir un material final con el comportamiento deseado.

Mejora de prestaciones de PEAD reciclado

En una primera línea de investigación de este proyecto, se ha trabajado en la mejora de las prestaciones de 2 grados de PEAD reciclado posconsumo (rPEAD 1, rPEAD 2) de distinta procedencia mediante procesos de extrusión reactiva combinados con el uso de refuerzos inorgánicos.

Se han desarrollado formulaciones con una reducción del índice de fluidez de hasta un 55% del valor inicial (rPEAD 1), y de un 40% en el caso de RPEAD2. Estos valores se compararon con los de un PEAD comercial de referencia, presentando un comportamiento reológico similar.

Asimismo, se ha conseguido una mejora significativa de la resistencia al stress cracking (basado en la norma ASTM D1693), desde valores inferiores a 24h llegando a alcanzar valores entre 180 y300h para los distintos grados de rPEAD mejorados. Estos valores se encuentran por encima del PEAD comercial de referencia, el cual presenta una resistencia de 100h según datos de ficha técnica.

Por otro lado, se mejoraron las propiedades mecánicas de los distintos grados de rPEAD a través del aumento de la elongación a rotura, hasta valores de 600-700% (empleando la metodología ISO 527-2), y un módulo de flexión alrededor de 1000-1100 MPa (ISO 178), valores similares al PEAD comercial de referencia.

Las formulaciones más prometedoras se han validado de manera satisfactoria mediante procesos de extrusión-soplado de cuerpo hueco. Este procesado se ha realizado a escala industrial, obteniendo envases de 1L destinados a productos de droguería (Figura 1). Además, se ha observado una resistencia a la compresión y caída aptas para su aplicación en envases.

Figura 1. Envases obtenidos con los grados de PEAD reciclado (rPEAD) desarrollados mediante extrusión reactiva.

Mejora de propiedades de polímeros compostables

En esta línea se ha continuado con la línea de investigación desarrollada entre 2021 y 2022 en el marco del proyecto Extrech. En este proyecto previo, se mejoraron las propiedades de los polímeros compostables para impulsar su aplicación en envases flexibles tipo bolsa para alimentos como alternativa a los materiales de origen fósil, considerando aplicaciones de envase activo, así como la mejora de otras propiedades.

Mediante la aplicación de la tecnología de extrusión reactiva, en Extrech Up se han logrado formulaciones compostables basadas en el polímero PBAT (tereftalato de adipato de polibuteno) para aplicaciones de bolsas de residuos orgánicos y de alimentos a granel con propiedades mejoradas.

Figura 2. Muestra de film soplado basada en PBAT desarrollada en el proyecto.

Respecto a los resultados logrados del proyecto anterior, se ha mejorado la resistencia a la tracción del material, alcanzando valores de 11 MPa, y a la punción (3,6-4 N) para espesores alrededor de 60 micras. Como resultado de estas propiedades, se puede incrementar la cantidad de peso que las bolsas producidas pueden soportar y reduce el riesgo a la perforación. Adicionalmente, se ha reducido el coste de la formulación en un 30%, manteniendo unas buenas propiedades ópticas.

Las formulaciones más prometedoras se han validado mediante extrusión film soplado, obteniendo muestras en formato bolsa con espesores de 25-30 micras (Figura). Actualmente se está completando la evaluación de las otras propiedades consideradas, tales como compostabilidad, propiedades mecánicas, barrera y térmicas, características activas y la seguridad alimentaria.