El CIQA desarrolla plásticos biodegradables para empaques flexibles

La búsqueda de opciones sustentables para la sustitución de plásticos sintéticos en diversas aplicaciones ha dado paso al surgimiento de nuevas investigaciones con diversos materiales de origen natural, como lo es el almidón y la celulosa provenientes de plantas, en conjunto con otros plásticos.

En trabajos recientes se ha demostrado que la plastificación del almidón ha dado paso a obtener formulaciones y compuestos con otros bioplásticos para obtener las propiedades deseadas en aplicaciones específicas.¹

En la industria de empaques flexibles para alimentos, los impulsos gubernamentales y regulaciones sobre sustentabilidad han presentado un desafío importante, exigiendo cada vez más el uso de materiales biodegradables o compostables sobre todo en artículos desechables (de un solo uso).

Reportes actuales indican que la industria de empaques flexibles representa el 40 % de productos envasados en el mundo, y su tasa anual de crecimiento es superior al 3%. ²

Es por eso que el Centro de Investigación en Química Aplicada, CIQA, atendió la necesidad de esta industria enfocando sus esfuerzos en el desarrollo de materiales sustentables que se puedan aplicar, logrando obtener una familia de biocompuestos a base de almidón y poli vinil alcohol (PVA).

En esta investigación se  buscó, en primer plano, obtener un película que cuente con propiedades de biodegradación o compostabilidad para dar cumplimiento a las regulaciones de sustentabilidad la cual se logra con el almidón plastificado.

En segundo plano, la película debía cumplir con las propiedades requeridas en la industria de empaques flexibles para alimentos como son: resistencia a la tensión, al desgarre, resistencia química y propiedades de barrera a gases, lo que se puede lograr modificando la estructura física y/o química del almidón  e incrementando el contenido de PVA durante la formulación del compuesto.

Sin embargo, para este desarrollo fue importante considerar las propiedades de procesabilidad del PVA, el cual no es procesable térmicamente en su estado puro, es decir, debe modificarse físicamente con agentes plastificantes.

Por lo anterior, se desarrolló un proceso para la ampliación de la procesabilidad del PVA utilizando como agente plastificante glicerol y como coagente de plastificación almidón, sin el uso de agentes químicos tóxicos o no biodegradables.

El proceso fue realizado en dos vías, donde la primera consistió en mezclar  el almidón, PVA y plastificantes simultáneamente, y procesarlos en un extrusor de doble husillo, mientras que en la segunda se plastificó por separado el PVA y el almidón y posteriormente se mezclaron en el mismo extrusor.

Mediante ambos métodos se logró reducir la temperatura de fusión y la viscosidad del PVA, mientras que se incrementó la temperatura de descomposición mejorando y ampliando la ventana de procesabilidad de estos compuestos a base de PVA.

Esto permitió obtener biocompuestos capaces de ser extruidos en un amplio rango de temperaturas mediante el proceso de coextrusión soplado para la fabricación de película flexible biodegradable, y amigable con el medio ambiente, para su aplicación en empaques flexibles de alimentos.

El establecimiento de diversas formulaciones de PVA/ almidón (70/30, 60/40, 50/50, 40/60, 30/70)  permitió encontrar la óptima que presentó las propiedades requeridas y que además cumplió con las condiciones y los  parámetros de procesabilidad por el método de extrusión soplado de película, como se muestra en la Figura 1.

Las películas obtenidas a través de las diversas formulaciones fueron sometidas a pruebas bajo la norma ASTM D882 donde se alcanzaron valores de resistencia a la tensión de 19 MPa y un módulo de Young de 35 Mpa, parámetros de medición cercanos a los valores de algunos polietilenos de baja densidad comerciales.

Por otro lado, las pruebas de biodegradabilidad de los compuestos almidón/PVA se continúan realizando bajo la norma ISO 20200 “Determinación del grado de desintegración de materiales plásticos bajo condiciones de composteo simulado en una prueba a escala de laboratorio”, donde los resultados parciales en un periodo de 45 días muestran a simple vista la desintegración avanzada de compuestos con menor contenido de PVA (30 %).

Se espera que al término del periodo de 90 días, como lo marca la norma, se tengan los resultados definitivos sobre la desintegración de los compuestos con 70 % de PVA.

Finalmente, podemos mencionar que con estos desarrollos se busca ofrecer opciones viables para la producción de plásticos que realmente sean biodegradables a costos menores en el país con aplicaciones en diversas industrias.

Cabe apuntar, además, que los resultados presentados se obtuvieron del proyecto interno 2021, apoyado en el Centro de Investigación en Quimica Aplicada, liderado por el Dr. Florentino Soriano, la Dra. Heidi Fonseca y Dr. Antonio S. Ledezma; y con la participación de Jesús Rodríguez, Rodrigo Cedillo y José López Rivera, quienes apoyaron en el área de manufactura de compuestos y películas biodegradables.

REFERENCIAS

1. Extrusión reactiva del almidón: una realidad de gran impacto en los bioplásticos. Plastic Technology. 03/11/2020.
2. La sostenibilidad ambiental impulsará el consumo de empaques flexibles. The Food Tech. Agosto 04, 2022.