Como enfrentar el reto de proporcionar un embalaje de alta barrera al oxígeno y humedad y que a la vez sea fácilmente reciclable?
Enfoque en alimentos (1)
A pesar de su importancia en el mercado médico, la mayoría de las películas de barrera están dirigidas al sector alimentario. Según un informe de la consultora AMI, la demanda mundial de película de alta barrera para el envasado de alimentos está creciendo más rápido que para la película de envasado normal.
Se estima que - de más de 20 millones de toneladas de películas flexibles utilizadas para el envasado de alimentos en 2018 - alrededor del 8% era de alta barrera. El polietileno representa el mayor volumen, gracias a su uso en coextrusiones multicapa con EVOH. Le sigue el PET, que se metaliza principalmente para la alta barrera, aunque el uso de la deposición al vacío de recubrimientos de óxido de aluminio u óxido de silicio se está acelerando. Para PPBO, los recubrimientos de PVdC son el método principal para mejorar el desempeño de la barrera de oxígeno. Sin embargo, los productores están buscando grados coextruidos y metalizados para competir con PE y PETBO.
Los extrusores y los convertidores de películas están invirtiendo en tecnologías de películas de alta barrera para capitalizar las opciones de valor agregado en un, de otro modo, mercado estable para películas regulares, donde algunas categorías sufren de exceso de capacidad.
"Los costos de la inversión de capital en películas de alta barrera se están reduciendo, haciendo que el mercado sea más accesible para quienes buscan ingresar", dijo el informe. "Esto ayudará a impulsar la demanda, pero también reducirá el costo de las películas".
Añadiendo Barrera a Gases
Mondi ha agregado una capa de barrera a su película multicapa BarrierPack Recyclable. Esto agrega una barrera a gas a una existente barrera a la humedad, que extiende la amplitud de aplicaciones potenciales del laminado.
"Construido con dos capas de película de polietileno, BarrierPack Recyclable es un material de embalaje altamente funcional y flexible que es fácil de abrir y recerrar para una conveniencia adicional para el consumidor", dijo Carl Stonley, gerente técnico de cuentas de Mondi Consumer Goods Packaging.
Mondi dice que el material es más rígido, más fuerte y más liviano que un laminado de PET/PE convencional del mismo espesor y se puede formar directamente en las máquinas de formar, llenar, sellar, así como en el empaque prefabricado.
"Este es un gran paso adelante para el embalaje sostenible", dijo Stonley.
Multicapa vs multi-material (2)
El diseño del embalaje podría hacerse incluyendo materiales de barrera que sean compatibles con el polímero principal de la estructura. Por ejemplo, incluyendo varias capas del mismo material con diferentes orientaciones.
Este es el caso del laminado Full PE basado en Borstar®, una combinación de la tecnología de polietileno bimodal y la tecnología de procesamiento de orientación en la dirección de la máquina (MDO).
Estas películas fueron desarrolladas recientemente como una cooperación entre estas dos empresas, Borealis y Borouge:
Por otro lado, las estructuras de múltiples capas con aluminio como una alta barrera aporta complejidad a las corrientes de reciclaje y, por lo tanto, se debe considerar el mismo enfoque (es decir, el traslado a estructuras mono-material o menos complejas). Para sustituir este aluminio, se podría utilizar una capa de EVOH como alta barrera. Los recicladores aceptan este tipo de barreras, cuando está dentro de un cierto rango (por ejemplo, 5% de EVOH), lo que significa que la corriente principal de polímero no se contaminará y, por lo tanto, será aceptada.
Otro punto crucial a considerar cuando se diseña un empaque determinado, es la combinación de materiales además de los laminados. Por ejemplo, en las bolsas, si se consideran dos componentes diferentes (por ejemplo, boquillas y la bolsa), los materiales deben coincidir para evitar la complejidad durante la etapa de clasificación. Si el polímero principal es PE, la boquilla debe coincidir con el mismo material o al menos ser una poliolefina para ser aceptada por los recicladores. Este también es el caso de las tapas, si se considera que se reciclan junto con el vaso, de lo contrario, se podría aplicar el mismo enfoque de remoción de aluminio agregando otra capa de alta barrera.
Tintas y Aditivos
Una de las muchas variables que afectan la reciclabilidad del empaque flexible y otras categorías de empaque en general, es la presencia de tintas y aditivos que va en detrimento de la generación de un circuito cerrado cuando se reciclan termoplásticos (Hopewell et al (2009)).
Cuando se trata de tintas y aditivos, también existen algunas restricciones. Por ejemplo, para tener una película compatible (es decir, reciclable), su impresión debe ser, por lo menos, inferior al 50% de su superficie; de lo contrario esta se considerará como un producto de baja compatibilidad y terminará, muy probablemente, en recuperación de energía. Por otro lado, la incorporación de aditivos debe ser limitada y ajustada, desde que esto podría afectar la forma en que los materiales se reconocen ópticamente, así como su densidad. Según COTREP 2016, el empaque flexible no debe usar tintas de sangrado y los pegamentos deben ser lavables bajo condiciones estándar: 80-90 C, pH = 12 a 14. Más aun, los pigmentos metálicos deberían evitarse ya que ellos podrían reflejar las señales de las tecnologías de reconocimiento óptico y por lo tanto ser erróneamente clasificados o descartados.
Estructuras propuestas
Las siguientes películas propuestas deben ser adicionalmente investigadas y desarrolladas siempre considerando la conservación del producto. Como se mencionó anteriormente, la idea detrás de esta propuesta es evitar la complejidad de las estructuras, lo que garantiza que se clasificará y reciclará al final de su vida útil, pero que se desempeñarán igual a las soluciones actuales usadas.
Gracias a los resultados de los diferentes análisis de datos y la tecnología y la exploración de materiales, necesarios para proporcionar orientación y proponer mejoras que la empresa podría implementar o seguir investigando en el futuro para lograr una mejor capacidad de reciclaje por diseño, se identificó que las estructuras más comunes no están siendo recicladas (solo se utilizan para la recuperación de energía) y que, debido a las tecnologías de reciclaje disponibles en la mayoría de las instalaciones de reciclaje, el diseño de un embalaje más simple y más cercano a un mono polímero podría facilitar la reciclabilidad, desde que esto sería considerado (dentro de cierto rango) un producto de valor que podría ser reciclable en una corriente de poliolefina que podría reprocesarse en otros productos.
El enfoque de botella a botella no parece factible en este momento, y solo los productos de reciclaje de menor calidad se obtienen del reciclaje de poliolefinas.
La primera propuesta es desarrollar junto con un proveedor una película basada en capas de PE y EVOH como una barrera alta si es necesario. Al tener este tipo de películas flexibles, es posible asegurar que ellas estarán listas para su reciclaje desde que ya hay flujos de reciclaje para PE y si la barrera no es suficiente para proteger el producto, el desarrollo podría incluir una capa de EVOH que se aceptará también dentro de un cierto rango.
Después de considerar la solución de empaque actual propuesta por diferentes proveedores, los principales actores que ofrecen películas alineadas con el resultado de esta investigación son: Dow y Mondi
Dow
Este proveedor ofrece una bolsa parable que puede incluir diferentes funcionalidades, como un sistema de fácil abrir/cerrar y boquillas. Según Dow, ellos han logrado desarrollar una alternativa de bolsa más sostenible hecha de 100% polietileno (PE). Este material podría implementarse en productos alimenticios y debido a su estructura sería totalmente reciclable. La compañía afirma que sus láminas son tres veces más resistentes que los embalajes de PET/PE convencionales disponibles en el mercado y que las propiedades de barrera pueden mejorarse añadiendo EVOH también, lo cual aumentará la resistencia a la perforación (consulte la Figura 32):
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| Figura 32 Embalaje flexible resistente a la punción. Dow
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Las láminas que se ofrecen para productos secos (por ejemplo, leche en polvo) tienen el siguiente desempeño en OTR y WVTR (ver Figura 33):
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| Figura 33 Bolsa parable flexible. Comparación de OTR y WVTR. Dow
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Como se vio anteriormente, las láminas con solo PE no proporcionarán una barrera suficiente para las leches en polvo, ya que su barrera contra el O2 no es buena, pero las películas que incluyen una capa de EVOH podrían proponerse para un desarrollo adicional en categorías como la Bolsa en Caja (Bag in Box) para leches y cereales y, si está disponible con capas imprimibles, esta podría implementarse en el resto de las categorías descritas anteriormente (es decir, bolsas parables y sachets).
Mondi
Mondi ha desarrollado una bolsa de PE completamente reciclable, así como otra versión que incluye una barrera a gas. Según la compañía, estas películas podrían incorporar también un sistema de apertura y cierre, boquillas e incluso una ventana transparente, lo que podría ser una característica excelente en línea con las tendencias de consumo descritas anteriormente en este estudio. La aplicación de estas películas para Bag-in-Box debe desarrollarse aún más, desde que la versión que están promoviendo es una bolsa parable. Esto significa que podría aplicarse para sachets y bolsas parables debido a su capacidad de impresión y boquillas.
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| Figura 34 Especificaciones de la película PE/PE y PE/PE +barrera de gas . Mondi
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Las láminas desarrolladas por Mondi parecen tener un rendimiento similar a las de Dow, y como se explicó anteriormente, el PE con una barrera de gas sería la mejor propuesta para comenzar un desarrollo de embalaje. Además de la estructura mono material de PE con una posible incorporación de EVOH como barrera a gases, una combinación de poliolefinas podría ser factible también.
Según Kaiser et al. (2017) "Si un embalaje multicapa tiene un alto contenido de poliolefina, es posible que su densidad sea lo suficientemente baja para que la multicapa ingrese en el flujo de reciclaje de poliolefina". Por lo tanto, si no se alcanzan las propiedades de barrera o de maquinabilidad con solo PE y EVOH, podría ser factible desarrollar una determinada lámina agregando algo de PP (sus densidades varían de 0,91-0,94 g / cm3 de PEBD a 0,9 g / cm3 PP).
Sin embargo, el uso masivo de EVOH como una barrera alta podría conducir a la contaminación del polímero principal. Hoy en día, según COTREP (2015) (Comite Technique pour la Recyclage des Emballages Plastiques), “el equipo y las técnicas actualmente disponibles y utilizadas en Europa y dada la proporción estimada de EVOH en corrientes de PEAD / PP (menos del 1%), el EVOH no distorsiona el reciclaje de embalaje de PP ”. Esta situación podría cambiar en el futuro si las cantidades de EVOH aumentan y la relación PP o PE EVOH varía.
Otras tecnologías de mono material de alta barrera
A. Schulman (3,4)
Para utilizar efectivamente el EVOH en aplicaciones de barrera, generalmente se requiere una capa de barrera contra la humedad y una capa de unión [3, 4]. En este estudio, se preparan compuestos poliméricos especialmente preparados a base de EVOH y poliolefina con buena dispersión, compatibilidad /incompatibilidad adecuada y compatibilidad de viscosidad. Todos estos materiales especiales producen una morfología que es similar a la estructura multicapa después de que las resinas se extruyen en una película delgada. A diferencia de algunas investigaciones anteriores [5, 6, 7], nuestra técnica involucra un proceso pre-compuesto, que garantiza la morfología multicapa para formar después de que las resinas se extruyen en películas delgadas.
Con una morfología de tipo multicapa en el interior, la fase de EVOH se extiende y protege. Por lo tanto, se informan las buenas propiedades de barrera de gas (tanto OTR como WVTR) de acuerdo con el cálculo del modelo en serie para todas las muestras de película.
Estos materiales con morfología de tipo multicapa también han demostrado una adhesión decente con diferentes riendas de PE, por lo que las películas de 3 capas en lugar de las de 5 capas se fabrican con éxito, que son aplicables en aplicaciones de envasado de barrera en términos de propiedades de barrera y ópticas. Se espera que estos materiales especiales con morfología de tipo multicapa en el interior se puedan usar como películas monocapa o una capa en estructuras multicapa para mejorar el rendimiento de la barrera así como la flexibilidad del proceso de las resinas EVOH.
A. Schulman ofrece los concentrados B 2400, B 2500, B 2600 para ser usados en extrusión de películas de polietileno en estructura monocapa o tricapa.
Nova Chemicals (5)
Nova Chemicals Corp. dice que ha desarrollado una estructura de película flexible que proporciona una barrera de oxígeno y, sin embargo, es fácilmente reciclable.
Las principales resinas de plástico anunciaron el 14 de junio 2017 que la nueva estructura de la película podría reemplazar otras estructuras que brindan barrera contra el oxígeno en el envasado de carne, queso, nueces y una gran cantidad de otros alimentos. Nova afirma que las películas con la nueva estructura se pueden reciclar con otras películas de polietileno de alta densidad, como las que se usan para bolsas de venta minorista.
Mike Cappelli, gerente del mercado de envases de alimentos de Nova, dijo que la nueva estructura de la película podría reemplazar las películas de barrera que dependen del etileno / alcohol vinílico y / o el nylon. O el EVOH y el nylon podrían usarse en cantidades muy reducidas para brindar una protección superior.
Cappelli dijo en una entrevista telefónica que la estructura de la película incluye una resina Nova PE ya disponible y no revelada que ha sido un estándar para la rigidez y una cierta cantidad de propiedades de barrera. La nueva estructura puede fabricarse en líneas de película soplada multicapa convencionales y luego convertirse en bolsas y otros envases flexibles, dijo. La estructura no comprende "un número extraordinario de capas".
Cappelli destacó que la nueva película estructurada es competitiva en costos con las películas de barrera convencionales.
"La respuesta ha sido tremenda entre las compañías de alimentos", dijo Cappelli a Plastics News. "Hay una necesidad en el mercado para esto".
Los consumidores pueden dejar las bolsas de venta al por menor de PEAD para reciclarlas en muchas tiendas minoristas, pero no pudieron agregar bolsas convencionales y empaques de barrera a la corriente debido a la incompatibilidad entre las resinas. La nueva estructura de la película permitirá dicho reciclaje. Y si pequeñas cantidades de nylon o EVOH también se usan en la nueva estructura, las pequeñas cantidades no restarán valor al reciclaje, según Cappelli.
Nova espera que la adopción de la nueva película amplíe el programa How2Recycle en el que el empaque flexible lleva la etiqueta de entrega en la tienda.
Nova Chemicals es miembro de Sustainable Packaging Coalition y ha realizado pruebas de película con un probador externo.
Nova ha presentado una patente para la estructura de la película. No planea licenciar la tecnología. Trabajará con los productores de películas y sus clientes para desarrollar aplicaciones como una forma de promover sus resinas de PE. La investigación se realizó en Nova's Calgary, Alberta, el Centro de Aplicaciones de Rendimiento, recientemente modernizado para incluir un fabricante de bolsas de forma-llenado-sellado horizontal Effytec para que los clientes puedan hacer bolsas prototipo para pruebas en el sitio.
NOVA Chemicals ofrece una cartera de resinas para aplicaciones de película de barrera ultra alta diseñadas para mejorar la comodidad, el valor y la seguridad de las aplicaciones de empaque para el consumidor.
SURPASS EX-HPs667-AB
Diseñada para película plana y recubrimiento por extrusión, nuestra resina SURPASS EX-HPs667-AB ofrece un rendimiento inigualable en barrera y rigidez. La resina de barrera ofrece hasta un 50 por ciento de mejora de la barrera contra la humedad con respecto a la tecnología convencional. Además, ofrece la posibilidad de proporcionar un rediseño de la solución y una mejor sostenibilidad de las soluciones de envasado de barrera en mercados como los aperitivos, bebidas, productos lácteos, alimentos para mascotas y aplicaciones de césped y jardín.
SURPASS HPs167-AB
Para la extrusión de película soplada, la resina SURPASS HPs167-AB permite a los diseñadores de empaques reducir el calibre de la película para cumplir con los objetivos de rendimiento y sostenibilidad de los clientes, o mantener el calibre de la película mientras aumenta drásticamente el rendimiento de la barrera y la rigidez. La resina también ofrece un rendimiento inigualable de alta barrera contra la humedad en envases multicapa, hasta un 50 por ciento de mejora respecto a las resinas existentes.
La resina SURPASS HPs167-AB es ideal para muchas aplicaciones de envasado de películas de múltiples capas, incluidos forros de cereales y bocadillos, carnes, quesos, comidas listas para comer, alimentos para mascotas, tierra para macetas y otras aplicaciones de césped y jardín, jabones, cartuchos de impresora y películas de fumigación.
Conclusiones e investigación adicional
Cuando se analizaron los aspectos claves de la reciclabilidad del embalaje flexible, se observó que, como práctica generalizada, un material laminado multicapa para la leche en polvo con una baja permeabilidad para el vapor de agua, el O2 y la luz siempre estuvieron dentro de la estructura.
Esta barrera ha sido generalmente proporcionada con folio de aluminio, el cual integrado dentro de un material flexible puede proporcionar el desempeño de una barrera casi absoluta.
Después de analizar el flujo de desechos post-consumo, fue evidente que es necesario simplificar la cantidad de estructuras disponibles en el mercado y centrarse en las tecnologías de recolección y clasificación para aumentar las tasas de reciclaje. Por lo tanto, se propuso un embalaje casi mono material como un primer paso para un posterior desarrollo. Si consideramos el análisis de las características clave que necesitamos considerar en una etapa temprana en el desarrollo del empaque, es importante señalar que los diferentes tamaños de los sachets tendrán una variación en la vida útil si las mismas láminas se aplican a todos ellos debido a una relación de contacto volumen - área.
Por lo tanto, aunque la armonización de la cartera sería una ventaja, se requerirán diferentes pruebas de vida útil para garantizar que la calidad del producto y la seguridad estén intactas después de implementar una nueva lámina. Mas aún, “los factores externos como las variaciones en el entorno de distribución física, el entorno comercial minorista, las condiciones demográficas, sociales y étnicas, el entorno regulatorio y, lo que es más importante, los costos de los sistemas afectan la vida útil requerida y el desempeño requerido del embalaje asociado a él ”(Sonneveld (2000)).
Gracias al análisis y la descripción general de las diferentes especificaciones de películas flexibles que se utilizan actualmente en una fabrica de alimentos, fue evidente que debido a la complejidad de la cartera y la matriz diferente para la que se utilizan esas películas flexibles (es decir, puré de fruta, leche). cereales, leche en polvo), una investigación específica en cada categoría debe ser implementada.
Como estrategia, la empresa podría abordar juntos los formatos Bag-in-Box (cereales y leche en polvo), los formatos imprimibles, como sachets y bolsas parables, como otra rama y luego las bolsas, que podrían ser más complejas. Las bolsas generalmente reciben un tratamiento de pasteurización o un tratamiento esterilizable y, por lo tanto, sería necesario ajustar los materiales y la boquilla en esta categoría debido a la temperatura elevada para evitar cualquier tipo de migración de material y optimizar el desempeño de la lámina.
Adicionalmente, los nuevos materiales deben ajustarse de acuerdo con las múltiples líneas de empaque utilizadas en las fábricas de alimentos, por lo que es necesario trabajar en conjunto con los proveedores para desarrollar el material correcto con los requisitos de maquinabilidad adecuados para tener al menos el mismo resultado y capacidad que las soluciones de embalaje actuales. En esta dirección, y debido a la necesidad de profundizar en los detalles de la compañía, se debe establecer un acuerdo de confidencialidad (Non Disclosure Agreement) entre el proveedor seleccionado y la compañía para comenzar con el desarrollo del nuevo empaque.
Si los proveedores pueden ajustar sus láminas a las líneas de empaque actuales, el tiempo requerido para la transición de sus películas actuales a las películas listas para reciclar debería ser suficiente para finalizar su implementación antes del compromiso de una empresa en 2025 de un 100% reciclable por diseño. Para ser más eficientes en el tiempo, se podrían implementar pruebas aceleradas de vida útil en las nuevas láminas, desde que dentro de la cartera algunas categorías tienen hasta 24 meses de vida útil.
Como conclusión, se identificó que en la actualidad el embalaje flexible están teniendo dificultades reales para ser recolectados y, además, clasificados. Por lo tanto, esta investigación ha sido un desafío en el que muchos factores deben se capaces de identificar el problema y proponer una solución para una mejor reciclabilidad del empaque flexible.
En esta dirección, parece que la reciclabilidad total no será posible ahora con las tecnologías actuales y las corrientes de desechos disponibles a menos que el embalaje esté hecho de un mono-material (por ejemplo, PE) con menos del 5% de una alta barrera. La razón detrás de esto es evitar contaminar las corrientes del plástico puro y, por lo tanto, reducir su valor en el mercado.
Como una forma de promover la economía circular, se identificó que, según un informe realizado por Ceflex en 2016, generalmente el embalaje flexible que contiene una mezcla de poliolefinas esta siendo reciclado y usado para bienes duraderos.
Esto significa que si un empaque se diseña utilizando una mezcla de poliolefinas (por ejemplo, PE, PP), en la mayoría de los casos terminará siendo productos con reciclado degradado (es decir, no se recuperarán y usarán para el mismo propósito para el que fueron diseñados).
Sin embargo, es importante señalar que este es un campo de trabajo en constante evolución y, posiblemente, durante los próximos años, las tecnologías y barreras innovadoras facilitarán la reciclabilidad del embalaje plástico. Por otro lado, y como se señaló durante esta investigación, hay mucho trabajo que hacer con la recolección de flujos de residuos plásticos, que podrían impulsar la innovación del embalaje reciclable y crear nuevos mercados debido a su valor y disponibilidad.
En esta dirección, Tönsmeier (2016) afirma que en la mayoría de los procesos de clasificación de hoy en día, el empaque flexible se retira de otras fracciones de embalaje para cumplir con los estándares de calidad de las otras corrientes, lo que demuestra una vez más la necesidad de trabajar juntos con todos los actores clave de la cadena de valor.
Los recicladores siempre se ocuparán de la calidad del producto final, ya que luego deben encontrarle un mercado. Mas aún, ellos necesitarían tener un volumen suficiente para hacer económicamente viable el reciclaje de embalaje flexible, lo que lo convierte en un desafío muy difícil debido al elevado nivel de contaminación por alimentos de la mayoría del embalaje flexible.
Según Morris (2016), alrededor del 10-20% de los alimentos permanece en el embalaje flexible, lo que disminuye su valor como reciclado. Parece, entonces, que además del diseño del empaque flexible, debe desarrollarse una nueva secuencia para recolectar, clasificar y reciclar esta categoría para lograr una reciclabilidad realmente efectiva. Una serie de mejoras incrementales podría ser la clave para lograr un empaque flexible completamente reciclable durante los próximos años, adaptándose a las nuevas tecnologías y regulaciones y mejorando la cartera hacia un futuro más sostenible.
(1) Oxygen mask, the rise of barrier film - FSE May 2019
(2) Recyclability by Design of Flexible Packaging,
Rafael Ferrandiz Martinez
Division of Packaging Logistics, Dept of Design Sciences, Faculty of Engineering LTH, Lund University 2016
Master Thesis
http://lup.lub.lu.se/luur/download?func=downloadFile&recordOId=8949970&fileOId=8949987
(3) Innovative techniques to use EVOH smartly and effectively in gas barrier packaging applications - G. Zhang, A. Schulman
(4) High Gas Barrier Materials with Multilayer Morphology for Packaging Applications - Guojun Zhang, guojun.zhang@aschulman.com
A. Schulman, Inc
(5) https://www.plasticsnews.com/article/20170614/NEWS/170619953/nova-chemicals-introduces-recyclable-oxygen-barrier-film-structure
Hector Touzet
Julio 2019
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