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Mayo de 2004 Página 1 de 3

Aplicaciones exitosas de nanocompuestos en empaques plásticos

Noriega E., María del Pilar / Valencia, Juan Felipe.

Un resumen de cómo se formulan y procesan los nanocompuestos en empaques de nylon 6, PVC y polipropileno, de los beneficios que generan en propiedades de barrera, propiedades mecánicas y reducción de consumo de otros aditivos y de las oportunidades futuras que representan en el sector de empaques.<br> <br>(La foto destacada en el boletín electrónico es cortesía de Clariant)

En el presente trabajo se hará referencia a los nanocompuestos como una clase emergente de materiales plásticos, rellenos con cargas minerales de partículas en escala nanométrica, presentes en relativamente pequeñas cantidades (menores al 10% en peso). Un nanómetro (nm) equivale a 10^(-9 )m. Para tener una proporción, el diámetro de un cabello humano es de 50.000 nm y el de una fibra de vidrio típicamente empleada como relleno en plásticos es de 5'000.000 de nanómetros.

Las nanopartículas más utilizadas hasta la fecha son las derivadas del mineral natural montmorilonita (mezclas hidratadas de alúmina y sílica); son materiales de naturaleza hidrofílica, pero su superficie es tratada con sales de amonio o fosfonio para hacerla compatible con los materiales poliméricos [1].

El mineral disperso forma plaquitas con una alta relación de aspecto, las cuales actúan como buenas barreras al flujo de gases y/o vapores. Existen investigaciones que documentan que el nivel de barrera obtenido depende de la relación de aspecto de las plaquitas y aglomerados resultantes, del grado de dispersión o distribución uniforme que tengan en la matriz de polímero y de la forma en que estén ordenadas y orientadas; particularmente, de qué tan perpendiculares estén a la dirección de flujo del gas y/o vapor. La figura 1 presenta una microfotografía electrónica de una nanopartícula [2].

En contraste con los anteriores tipos de rellenos o cargas en plásticos, tales como carbonato de calcio y talco (presentes al 20 — 40% en peso), estos rellenos dosificados en pequeñas cantidades mejoran las propiedades mecánicas y térmicas de la resina base o matriz sin incrementar de manera apreciable su densidad y sin reducir la transmisión de luz.

El sector de empaques utiliza ampliamente los nanocompuestos para mejorar las propiedades de barrera al oxígeno y la rigidez de películas de nylon 6. Las investigaciones más recientes documentan que este material con 2% en peso de nanocompuestos posee dos veces más barrera al oxígeno que el material convencional [3], [4].

En el caso de PVC, se han reportado aplicaciones de nanocompuestos en la manufactura de láminas flexibles de PVC plastificado, obteniéndose un mejoramiento apreciable en el módulo de elasticidad y una mayor resistencia al fuego, dependiendo del tipo de plastificante [5].

La industria automotriz se ha convertido en una de las mayores usuarias de nanocompuestos para producir componentes de poliamida 6 (nylon 6) y polipropileno con altas temperaturas de deflexión bajo carga (HDT), para aplicaciones tanto en interiores como en exteriores de los automóviles [1].

Las áreas del sector de empaques (según su uso final) reportadas hasta la fecha como mercados en creciente utilización de nanocompuestos son, entre otras, los de:

  • Bebidas carbonatadas
  • Botellas de cerveza
  • Productos lácteos
  • Productos cárnicos
  • Jugos
  • Alimentos para mascotas
  • Productos farmacéuticos
  • Componentes electrónicos
  • Productos de higiene y aseo

Aplicaciones exitosas de nanocompuestos
A continuación se resumen algunas aplicaciones exitosas de nanocompuestos en empaques plásticos flexibles y semirrígidos en el ámbito internacional. Se considerarán aplicaciones de nanocompuestos en nylon 6, PVC y polipropileno, ilustrando cómo se formulan y cómo se emplean en empaques plásticos de diversas estructuras.

Nylon 6 de alta barrera
Las propiedades de barrera a los gases del nylon 6 fueron mejoradas por una "barrera pasiva", constituida por nanocompuestos de silicatos (montmorilonita) en forma de plaquitas ultra delgadas en escala nanométrica, incorporados durante el proceso de polimerización In-Situ. Las plaquitas fueron pre-tratadas con un complejo orgánico de amonio para lograr una buena compatibilidad con la caprolactama (reactante principal para la fabricación de nylon 6 por reacción de policondensación).

La  figura 2 cuantifica la obtención de la alta barrera en el nylon 6 a gases como el oxígeno y el dióxido de carbono, en función del contenido de nanocompuesto (máximo hasta 4% en peso). Se puede concluir que se logró mejorar la barrera al oxígeno y al dióxido de carbono de 2 a 6 veces, dependiendo del contenido de nanocompuesto (2% - 4% en peso) y de las condiciones de humedad.

Esta "barrera pasiva" pudo ser lograda por la alta relación de aspecto de las plaquitas de nanocompuesto, así como también por su buena orientación local con respecto a la mezcla distributiva en la matriz, y por la mayor cristalinidad de la matriz polimérica, causada por una alta relación superficial y nucleación.

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