Nanocompuestos y titanatos: la nueva generación de aditivos para plásticos

En el vasto campo de aditivos para plásticos se puede hablar de dos grandes categorías. La primera de ellas tiene que ver con los aditivos que no afectan el desempeño final del artículo, sino que apuntan hacia mejorar su proceso de fabricación, mientras que la segunda busca mejorar o dar alguna característica especial al desempeño.

El primer grupo de aditivos no es empleado para incrementar el valor agregado de un producto plástico, aunque puede llegar a mejorar la competitividad del productor al ayudarle a elevar sus niveles de producción, por ejemplo por medio del incremento de capacidad al emplear ayudas de proceso. En algunas ocasiones es imperativo el uso de estos aditivos para poder procesar a temperaturas bajas y reducir degradaciones y olores que se pueden presentar y son inaceptables para ciertas aplicaciones, particularmente las relacionadas con empaque de alimentos.

Los estabilizantes térmicos pertenecen también a este grupo y aunque muchos fabricantes de resina venden sus productos con estos aditivos ya incorporados, algunos otros, por ejemplo los procesadores de PVC, se ven en la necesidad o encuentran beneficios en formular y emplear sus propios paquetes de aditivos.

En la segunda categoría se hallan las opciones más atractivas para el procesador puesto que es allí donde se encuentran productos especiales capaces de lograr diferenciaciones interesantes y propiedades no alcanzables por tecnologías conocidas, como coextrusión.

Entre los más antiguos y empleados están los colorantes, los cuales en muchas ocasiones son especificados de una manera bastante ligera, sin detenerse a pensar que algunos tonos especiales, como los metalizados o los fosforescentes, podrían darle una diferenciación interesante al producto. Por supuesto todo depende de cuánto esté dispuesto a pagar el consumidor final por el artículo, así que todo debe estar en concordancia con un estudio de mercado. Existen además otros tipos de pigmentos especiales como aditivos para dar acabado mate, opacadores, perlados, entre otros.

Otros aditivos en esta categoría como los deslizantes (slip) y antibloqueo, son especificados de acuerdo con los requerimientos del usuario final, que generalmente es quien dictamina qué nivel de coeficiente de fricción es el apropiado para sus equipos de empaque automático.

En cuanto a aditivos UV, se especifican para productos que deben resistir cierto tiempo a la intemperie o proteger sus contenidos contra la luz ultravioleta. Por lo general se dosifican sobre la base de un tiempo de vida, de acuerdo con las especificaciones dadas por el productor.

Nanocompuestos
Son tal vez la familia de productos más recientes en el campo de aditivos, y aún están en una etapa de amplio desarrollo. En América Latina algunas compañías ya han empezado a ofrecer este tipo de productos, pero su consolidación está todavía en proceso.

Los nanocompuestos empleados en polímeros generalmente se basan en un tipo de arcilla natural llamada montmorillonita, que por sí sola es difícil de dispersar en los polímeros convencionales, haciendo necesario someterla a una serie de procesos químicos que buscan introducir grupos más compatibles (hidrofóbicos) como los encontrados en los plásticos, y así facilitar la incorporación hasta niveles prácticamente moleculares, lo cual es mucho más fácil de lograr si el polímero se prepara de forma simultánea con la introducción de los pequeños fragmentos de arcilla.

Los beneficios de introducir un mineral de tamaño reducido y geometría lamelar (en forma de pequeñas laminillas) en un material plástico son principalmente los siguientes:
Barrera elevada: Convencionalmente en la industria de plásticos para empaque se habla del nivel de barrera que puede proveer cierto material, y con base en eso se especifica un espesor que debe proveer protección al producto por un cierto período de tiempo. Cuando se emplean estructuras coextruidas con materiales nanocompuestos, las laminillas de arcilla actúan como una barrera física a los gases que se transportan, y esta barrera es tan efectiva que es posible reducir sustancialmente el calibre de la capa de barrera obteniendo niveles de impermeabilidad similares. La mayoría de ventajas asociadas con el uso de estos materiales radica en su bajo espesor y fina dispersión.

Rigidez: El cargar un material termoplástico flexible con una arcilla mineral rígida, tiene como efecto el incremento en la rigidez global del material, lo que puede ser interesante en algunas aplicaciones donde es necesario reducir el calibre, ya sea por costos o por tendencias de mercado y/o ambientales.

Es importante notar que muchas veces un incremento en rigidez de una pieza o película viene relacionado directamente con un descenso en algunas de las propiedades como rasgado e impacto; sin embargo dado el tamaño tan reducido y la eficiente dispersión de los nanocompuestos estos efectos negativos son minimizados.

En empaques de barrera convencionales se tienen problemas en ocasiones con la resistencia mecánica de la película, puesto que al incrementar el espesor de la capa de barrera ésta empieza a interferir negativamente con las propiedades del conjunto. Ésto no sucede con el empleo de nanocompuestos.

Claridad: Los empaques de barrera convencionales hacen uso de la tecnología de coextrusión y por lo general dichas estructuras presentan importantes índices de nubosidad (haze) producto de las diferencias entre índices de refracción de cada una de sus capas componentes. Con los nanocompuestos se reduce el espesor total puesto que son barreras más efectivas y adicionalmente, dado el reducido tamaño de las laminillas de arcilla, éstas no interfieren significativamente con el paso de la luz a través de la película, dando como resultado una claridad mayor.

La tecnología de nanocompuestos está disponible para el procesador convencional, ya que en la mayoría de los casos el producto viene dispersado desde la polimerización en el termoplástico a emplear, haciendo que este tipo de aditivos se conviertan en una alternativa interesante en el campo de los empaques de barrera para alimentos, y paralelamente incursionen en el campo de los empaques activos, dado que se pueden conseguir sistemas que no sólo emplean su alta barrera sino que la combinan con sustancias secuestrantes de los gases a retener.

Titanatos
Son conocidos desde hace mucho más tiempo que los nanocompuestos. Esta familia de aditivos siempre ha mostrado un elevado potencial de empleo en el campo de los plásticos. Básicamente los titanatos son una serie de compuestos químicos organometálicos que por su alta reactividad son capaces de establecer enlaces químicos con algunas cargas inorgánicas y con las cadenas de polímeros convencionales, que por lo general son conocidos por su baja reactividad.

Esta capacidad de establecer enlaces químicos los hace atractivos en ciertos campos entre los que se cuentan:
Compatibilización efectiva de cargas: es bastante común en ciertos mercados el cargar los polímeros base con rellenos minerales tales como el carbonato de calcio, para incrementar su rigidez y resistencia térmica, y los titanatos pueden ayudar a hacer más efectiva esta mezcla puesto que posibilitan el empleo de carbonato no tratado, que es más barato, y permiten llevar la carga hasta niveles más altos que los logrados con tecnologías convencionales.

La carga de piezas inyectadas es bastante común en otros mercados, y allí podrían encontrar cabida este tipo de aditivos, que optimizan no sólo la cantidad de relleno mineral que es necesario adicionar para obtener una cierta mejora en la rigidez del material, sino también algunas características del flujo al interior de las cavidades.

En la industria de auto partes es común trabajar con materiales reforzados con fibra de vidrio para conferirles una mayor rigidez y resistencia al impacto. Los titanatos han probado ser efectivos en compatibilización química de este tipo de cargas haciéndolas más efectivas en cuanto a la mejora de propiedades.

Otro de los usos interesantes de los titanatos está en el área relacionada con mezclas de polímeros con materiales no convencionales, tales como aserrín de madera y algunos otros derivados lignocelulósicos, abundantes en nuestro medio. Estos materiales compuestos encuentran usos como reemplazo de la madera compuesta convencional además de ayudar en algunos casos con la disposición de desechos plásticos, que se están convirtiendo en un problema cada vez más agudo.

Mezclas de polímeros: Con la tendencia mundial a cerrar los ciclos de vida de los materiales plásticos, han tomado importancia las aplicaciones que emplean mezclas de materiales reciclados, y en este sentido los titanatos pueden ayudar a lograr grados de compatibilización aceptables para ciertas aplicaciones, como piezas que reemplacen a la madera, que tienen ciclos de vida mucho más largos que los de la mayoría de aplicaciones de plásticos.

Promotores de adhesión: Dada su elevada reactividad algunos titanatos pueden ser efectivos como promotores de adhesión entre polímeros y algunos sustratos tales como metales, cerámicos, acrílicos y otros, dependiendo del grado de polaridad de la parte orgánica del titanato. La principal limitante para el empleo de este tipo de tecnología radica en la infraestructura que es necesario tener para dosificar adecuadamente una solución liquida del titanato sobre el material a adherir.

La mayoría de aplicaciones de titanatos simplemente requieren unos sistemas de homogeneización y de mezclado eficientes puesto que este tipo de aditivos se adiciona en cantidades muy bajas (0,1 -0,5%), así que se requiere un sistema de mezcla efectivo si se quiere contar con un producto de calidad consistente.

Como conclusión vale la pena resaltar que en la actualidad las empresas que sean capaces de innovar permanentemente en su portafolio de productos, y que estén dispuestas a hacer ciertos sacrificios en la búsqueda de nuevos mercados y nuevos productos tienen mucho mayor oportunidad en el panorama productivo global; los aditivos se ofrecen como un soporte interesante en esta innovación, mejorando propiedades físicas, proporcionando diferenciación entre los productos y haciendo más eficaces los procesos productivos.