CASO PRÁCTICO: INNOVACIÓN EN ENVASES ACTIVOS DE ALTA BARRERA. CO-INYECCIÓN COMO ALTERNATIVA. Ponente: Serafín García Navarro sgarcia@aimplas.es
ENVASE PLÁSTICO Tipo de envases Monocapa Multicapa Ejemplos Envase flexible Extrusión soplado de globo Co-extrusión Laminación Film Bolsas Envase semirigido Extrusión de lámina y termoconformado Co-extrusión y termoconformado Bandejas Barquetas Envase rígido Inyección Extrusión-soplado de botellas. Inyección-soplado de botellas. Co-extrusión Co-inyección Bandejas Envases de cuerpo hueco Botellas 2
SELECCIÓN DE MATERIALES Selección de materiales Estructura Monocapa Estructura t Multicapa Diseño de un envase alimentario Atmósfera modificada (EAM) Vacío Envase activo 3
ESTRUCTURAS MULTICAPA Porqué se necesitan estructuras multicapa? Porque en ocasiones no existe un único material plástico que reúna todas las propiedades necesarias para la conservación del alimento 4
ESTRUCTURAS MULTICAPA Exterior Capa estructural: PET, PP, PA (Orientación) Tintas Adhesivos Capa Barrera: EVOH, PVDC, PVDF, Metalizados, Recubrimientos (SiO AlO) Adhesivo Capa de sellado: PE metalocénicos, LLDPE, LDPE, EVA, IONOMEROS (Surlyn), Recubrimientos para sellado Alimento 5
ESTRUCTURAS MULTICAPA ENVASE FLEXIBLE (FILM) Exterior Capa extructural Tintas Adhesivos Capa Barrera Adhesivo Capa de sellado Alimento 6
ESTRUCTURAS MULTICAPA ENVASE RÍGIDO Y SEMIRIGIDO 7
SELECCIÓN DE MATERIALES PROPIEDADES DEL ENVASE Propiedades de los materiales a tener en cuenta para el diseño de un envase alimentario: Propiedades térmicas. Propiedades barrera. Propiedades ópticas. 8
ENVASES ACTIVOS Un envase activo es aquel que interacciona con el alimento envasado o su atmósfera para extender su vida útil o mejorar su seguridad alimentaria o propiedades organolépticas o al mismo tiempo que mantiene la calidad del alimento. Secuestrantes o scavengers de oxígeno. Antioxidantes naturales. Antimicrobianos naturales. 9
TECNOLOGÍAS PARA FABRICAR ENVASES ACTIVOS Incorporación de los agentes activos. PRODUCTO Tratamientos superficiales: Inmersión o dispersión. PRODUCTO Incorporados directamente en el film: Compounding 10
TÉCNICAS ESPECIALES DE INYECCIÓN Qué es la co-inyección? El proceso de co-inyección (o sandwich) es aquel en el que dos o más polímeros son inyectados secuencialmente o simultaneamente en un mismo molde. 11
TÉCNICAS ESPECIALES DE INYECCIÓN Equipo de co-inyección El proceso tiene dos grupos independientes de inyección con controles individuales que permiten el paso de los materiales mediante una boquilla o bloque de distribución. 12
TÉCNICAS ESPECIALES DE INYECCIÓN Proceso de co-inyección inyección. La cavidad se llena parcialmente con el material externo El segundo material es inyectado hacia el interior del fundido El primer componente se inyecta de nuevo para cerrar la pieza final 13
TÉCNICAS ESPECIALES DE INYECCIÓN Factores clave en el procesado por co-inyección En co-inyección se debe tener en cuenta que: Las diferencias en la viscosidad de los materiales proporcionarán diferencias en el comportamiento del flujo durante las fases de co-inyección. La compatibilidad de ambos materiales tendrá una influencia relevante en la adhesión final de las capas de piel y núcleo del envase. Diferencias en contracciones pueden causar alabeos y deformaciones en el envase final. 14
TÉCNICAS ESPECIALES DE INYECCIÓN Principales ventajas de la co-inyección en la fabricación de envases. Libertad en el diseño del envase. Reducir las etapas de proceso. Reducción de pérdidas (scrap) y consumo de energía. 15
TÉCNICAS ESPECIALES DE INYECCIÓN Potenciales ventajas de la co-inyección ió en envases desde el punto de vista de los materiales. Incorporar materiales barrera a gases. Incorporación de materiales reciclados en la capa interna. Realizar una expumación en la capa interna. Reducción del uso de aditivos y colorantes. 16
TÉCNICAS ESPECIALES DE INYECCIÓN Principales inconvenientes en el desarrollo de un envase por co-inyección. ió Optimizar el proceso para espesores finos (envases de pared menor a 1 mm). Incorporar materiales barrera (material interno) en espesores finos. Distribuir homogeneamente la capa del material interno. Optimizar el proceso en moldes multicavidad. 17
TÉCNICAS ESPECIALES DE INYECCIÓN Comparación técnica entre co-inyección y termoconformado. Etapas del procesado Diseño del producto Características del envase Termoconformado Co-extrusion (lámina multicapa) + Termoconformado (para fabricar el envase final) Reducidas posibilidades del diseño por las limitaciones del proceso Diferencias en el espesor nominal, debido al procesado Co-inyección Fabricación del envase en un único paso Libertad de diseño. Posibilidad de dar formas atractivas al envase final. Libertad en distribución de espesores (para optimizar su comportamiento). Comportamiento del envase Posible presencia de zonas débiles en el envase Uniformidad de espesor de pared. Más rigidez. Materiales Nº limitado de materiales Amplio rango de materiales 18
TÉCNICAS ESPECIALES DE INYECCIÓN Cuál es el mercado potencial de estos envases? Plástico Termoconformado Baja Tipos de envase Vidrio Media Metal Alta 19
I+D EN CO-INYECCIÓN ACTIVEPACK (Proyecto nacional) COBAPACK (Proyecto europeo) 20
I+D EN CO-INYECCIÓN ACTIVEPACK: Desarrollo de envases activos con propiedades antioxidantes que eviten la degradación de los compuestos grasos de los alimentos procesados. Financiación: CONSORCIA 2,4 2,2 2 1,8 1,6 Packaging 3% O2 Scavenger Packaging 5% O2 Scavenger EVOH PP % Oxyge en 1,4 1,2 1 Packaging 10% O2 Scavenger 0,8 Concepto original i Diseño final de bandeja 0,6 0,4 0,2 0 Inicial Día 5 Día 10 Día 15 Día 20 Día 25 Día 30 Día 35 Día 40 Día 45 Día 50 Timescale (days) 21
PROYECTO ACTIVEPACK Objeticos del proyecto ACTIVEPACK Combinar agentes activos y la tecnología de coinyección. + Productos Alcachofa Pez espada Grasa de cerdo 22
PROYECTO ACTIVEPACK Tareas principales en ACTIVE PACK (1) Diseño y fabricación de molde para la fabricación de las bandejas co-inyectadas. 23
PROYECTO ACTIVEPACK Tareas principales en ACTIVE PACK (2) Definitción de estructura piel-núcleo, selección de materiales y fabricación del envase: EVOH en el núcleo (barrera pasiva). PP+ O 2 scavenger en la piel (barrera activa). PP EVOH Original concept Tray final design 24
Tareas ACTIVEPACK En este e estudio se ha diseñado dse adoy fabricado un envase co-inyectado basado en la utilización de estructuras multicapa barrera a gases. Asimismo, se han incorporado dentro de la estructura del envases sustancias activas como secuestradores de oxígeno. La utilización de la tecnología de co-inyección ha permitido incorporar y dispersar una mayor proporción de absorbedor de oxígeno en el envase final por lo se ha podido ejercer de forma más eficaz su acción activa en la reducción del contenido en oxígeno residual del interior i del envase. 25
Por qué envases activos? La tecnología de los envases activos busca no sólo disminuir la velocidad de deterioro del producto contenido, sino modificar de forma positiva el producto envasado, extendiendo su vida útil y mejorando la seguridad alimentaria y las cualidades organolépticas así como manteniendo la calidad del alimento contenido. 26
Envases activos y co-inyección. La funcionalidad del envase activo puede variar dependiendo de la naturaleza de las sustancias introducidas, como es el caso por ejemplo de los agentes antimicrobianos, absorbentes de humedad u oxígeno, controladores de contenido en dióxido de carbono, o sensores de etileno, entre otros. La co-inyección o moldeo sándwich es un proceso en lo cual dos o más polímeros se inyectan secuencialmente o simultáneamente en un molde. Este proceso es desarrollado mediante el uso de una máquina inyectora con dos grupos de inyección independientes, controles individuales y una boquilla o plato de distribución donde se realiza la conmutación y distribución de los materiales. 27
Material y métodos ACTIVE PACK El experimental de co-inyección desarrollado ha perseguido la obtención de las barquetas con la siguiente estructura: Exterior [PP / EVOH / PP] Interior El PP le proporciona mejor resistencia a altas temperaturas y la rigidez necesaria para soportar esfuerzos. El copolímero de etileno y alcohol vinílico (EVOH) le proporciona la barrera necesaria frente al oxígeno. Incorporación de un agente compatibilizante al PP basado en anhídrido maleico (PP-G-MAH) MAH). 28
Material y métodos ACTIVE PACK Seleccionados un aditivo scavenger o absorbedor de oxígeno (Shelfplus 2500 suministrado por CIBA) y un aditivo con capacidad antioxidante (α-tocoferol) Permiten controlar el efecto adverso del oxígeno residual dentro del envase, una vez el alimento ha sido ya envasado. Las muestras co-inyectadas han sido analizadas visualmente mediante microscopía óptica utilizando un Microscopio óptico LEICA Modelo LEITZ DM RX2 por el método de microscopía óptica de luz transmitida. 29
Material y métodos. Proceso de co-inyección. Tabla 1. Temperaturas procesado PP-1 TEMPERATURA CILINDRO (ºC) Tª MOLDE (ºC) Agua Aceite Aceite ZONA 1 ZONA 2 ZONA 3 ZONA 4 ZONA 5 BOQUILLA FIJO MÒVIL 40 205 210 215 220 215 20ºC 50ºC 50ºC TEMPERATURA CILINDRO (ºC) Tabla 2. Temperaturas procesado EVOH-1. Agua Tª MOLDE (ºC) Aceit e Aceite ZONA 1 ZONA 2 ZONA 3 ZONA 4 ZONA 5 BOQUILLA FIJO MÓVIL 40 200 205 210 215 210 20ºC 50ºC 50ºC 30
Resultados y discusión OBJETIVO: conseguir que la capa barrera de EVOH abarcase toda la superficie del envase que va a estar en contacto directo con el producto contenido. Observaciones: La relación entre la viscosidad del material de la piel y la del núcleo juega un papel importante en la formación de la interfase entre ambos materiales, que a su vez afecta el espesor y la uniformidad de la capa externa. La viscosidad puede verse afectada por la variación de los parámetros: índice de fluidez del material (Melt Flow Index,MFI), temperatura aplicada al material y velocidad de cizalla (shear rate). 31
Resultados y discusión Diseño de experimentos inicial para la obtención del envase. Grado de material de la piel (PP) Temperatura fundido PP Material del núcleo (EVOH) Temperatura fundido EVOH Prueba 1 PP-1 (MFI 40 g/10min) 215ºC EVOH-1 (MFI: 5 g/10min) 210ºC Prueba 2 PP-2 (MFI 21 g/10min) + 5% PP-g-MAH 215ºC EVOH-2 (MFI 20 g/10min) 215ºC Prueba 3 PP-2 + 5% PP-g-MAH 215ºC EVOH-2 225ºC Prueba 4 PP-2 + 5% PP-g-MAH 225ºC EVOH-2 245ºC Prueba 5 PP-2 + 5% PP-g-MAH 210ºC EVOH-2 245ºC 32
Resultados y discusión Prueba 1: El aspecto superficial de las muestras no fue bueno, debido a la presencia de marcas de flujo en el material del núcleo (EVOH). Este hecho puede estar asociado con la diferencia de fluidez de ambos materiales. Prueba 4: La falta de compatibilidad d entre los materiales que forman la estructura multicapa PP y EVOH provoca que se genere el fenómeno de la delaminación. 33
Resultados y discusión Prueba 5: Se añade el PP con compatibilizante, se emplean grados de materiales con índices de fluidez similares y se optimizan las temperaturas de materiales y las velocidades. Se obtienen buenos resultados en el proceso de co-inyección. 34
Resultados y discusión OBJETIVO: Optimización del sistema multicapa para la fabricación del envase activo. Observaciones: Fabricación de dos sistemas multicapa a partir de los materiales seleccionados para la Prueba 5, Con la incorporación de un absorbedor de oxigeno (CIBA Shelfplus 2500) Empleando un antioxidante (-Tocoferol), En ambos casos en tres proporciones distintas. 35
Resultados y discusión Diseño de experimentos para la obtención del envase activo. Material de la piel o Externo (PP) Temperatura fundido PP Material del núcleo o Interno (EVOH) Temperatura fundido EVOH Prueba 6 PP-2 + 5% PP-g-MAH + Ciba Shelfplus 2500 210ºC EVOH-2 245ºC Prueba 7 PP-2 + 5% PP-g-MAH + Tocoferol 210ºC EVOH-2 245ºC 36
Resultados y discusión Las Pruebas 6 y 7, realizadas en los sistemas multicapa con incorporación del absorbedor de oxigeno y del antioxidante consiguieron obtener buenos acabados superficiales. Únicamente se actuó variando las concentraciones de scavenger, con mezclas conteniendo 3, 5 y 10 % del absorbedor de oxigeno y mezclas de 1.5, 3 y 5% con el antioxidante α-tocoferol. 37
Conclusiones ACTIVE PACK Necesaria una selección óptima de los materiales, atendiendo a su viscosidad, para evitar fenómenos de interfase. Se requiere utilización de agentes compatibilizantes para consolidar estructura multicapa. La incorporación de aditivos (scavenger y antioxidante) junto con el PP no afecta al procesado por co-inyección de las barquetas. El envase co-inyectado presenta en términos absolutos mayor cantidad de aditivo, por lo que ejerce de forma más efectiva su acción activa reductora de oxígeno en el interior del envase. El porcentaje incorporado de scavenger determina la cinética de absorción del oxígeno residual del interior del envase. 38
I+D EN CO-INYECCIÓN COBAPACK:Desarrollo de un nuevo envase reciclable basado en materiales renovables y fabricado por co-inyección Financiación: 7th Framework Program. Objetivo principal 39
PROYECTO COBAPACK Objetivos del proyecto (I). Mejorar la reciclabilidad por el uso de almidón de alta barrera en el núcleo úl (sustituyendo el EVOH). De esta forma, en el proceso de reciclado, durante el lavado del material, los dos componentes se podrían dí separar correctamente. 40
PROYECTO COBAPACK Objetivos del proyecto (II). 41
CONCLUSIONES. CO-INYECCIÓN EN ENVASES ACTIVOS Extrusion+Termoconformado y la co-inyección son dos procesos válidos para la fabricación ió deenvase activo rígido. Ambos procesos pueden coexistir para un mismo rango de productos. La decisión final dependerá pricipalmente de: Los requisitos de diseño indicados por el cliente. Volúmen total de producción estimado. Coste objetivo del envase final 42
MUCHAS GRACIAS POR LA ATENCIÓN PRESTADA sgarcia@aimplas.es