La función de barrera de la nanomontmorillonita orgánica en envases de plástico de un solo material
I. Las barreras de un solo material son más ecológicas y reciclables
La Organización Europea de Economía Circular de Embalaje Blando (CEFLEX) establece explícitamente en sus Directrices de Diseño de Economía Circular que los materiales de embalaje de plástico deben producirse utilizando materiales únicos tanto como sea posible para mejorar la eficiencia del reciclaje y la reciclabilidad. Tanto Nestlé como Coca-Cola han indicado claramente su compromiso de lograr envases 100% reciclables o reutilizables. Esto implica una transición de estructuras de múltiples materiales a estructuras de un solo material, que no solo cumple con las futuras regulaciones ambientales sino que también mejora la eficiencia del reciclaje.
En comparación con los envases compuestos multicapa, las estructuras de un solo material suelen presentar propiedades de barrera más débiles. Por lo tanto, garantizar que el embalaje mantenga un buen rendimiento y al mismo tiempo cumpla con los requisitos medioambientales se ha convertido en una cuestión crítica. Para abordar este desafío, los envases de plástico a menudo emplean varios métodos de barrera diferentes para mejorar el rendimiento de la barrera.
II. Métodos de barrera actuales en envases de plástico
1. Métodos de recubrimiento (p. ej., recubrimiento de aluminio, recubrimiento de SiO₂, etc.)
Al depositar una capa de metal o material inorgánico sobre la superficie plástica, se forma una capa barrera. Las capas recubiertas de aluminio poseen excelentes propiedades de barrera contra los gases y la humedad y se utilizan comúnmente en envases de alimentos para prolongar la vida útil. Los recubrimientos inorgánicos como el SiO₂ proporcionan propiedades adicionales de barrera contra el oxígeno y la humedad. Este método de recubrimiento solo se puede aplicar a capas intermedias, donde las capas internas requieren capas termosellables y las capas externas requieren capas de impresión compuestas. Cada capa utiliza diferentes materiales, lo que dificulta el reciclaje y la reutilización.
2. Método de coextrusión compuesta (p. ej., PVDC, EVOH, PA, PVA, etc.)
Este método implica coextruir diferentes materiales en estado fundido para formar una estructura multicapa. EVOH (copolímero de etileno-acetato de vinilo) es un material de barrera con alto contenido de oxígeno comúnmente utilizado y ampliamente aplicado en envases de alimentos. PA (nylon) tiene buenas propiedades de barrera contra el aceite y se utiliza a menudo en envases para alimentos ricos en grasas. PVDC y PVA también proporcionan excelentes propiedades de barrera contra gases y humedad. Este tipo de embalaje de barrera suele constar de 3 a 9 capas de diferentes materiales coextruidos para lograr funciones de barrera y embalaje. Sin embargo, debido a la diferencia de materiales, el reciclaje y la reutilización son un desafío.
3. Método de mezcla (adición de materiales inorgánicos)
Este método ofrece una excelente alternativa. Al incorporar materiales inorgánicos como montmorillonita, silicatos y nanomateriales en la matriz plástica, se mejoran tanto la rigidez como la resistencia al calor del material, al tiempo que se mejoran sus propiedades de barrera. Estos materiales inorgánicos a nanoescala se mezclan bien con la matriz plástica y son fácilmente reciclables.
III. Función de barrera de la nanomontmorillonita orgánica en envases
La montmorillonita (MMT) es un mineral de silicoaluminato hidratado en capas naturales, en el que cada placa tiene un espesor de aproximadamente 1 nm y un rango de tamaño de 1 a 1000 nm. Su fórmula estructural es (Al,Mg)₂ SiO₁₀ ₂·nH₂O. Debido a la inestabilidad del aluminio en el octaedro de óxido de aluminio, es fácilmente reemplazado por átomos de valencia inferior, lo que da como resultado una cierta carga negativa entre las capas adyacentes. Para mantener la estabilidad de la estructura entre capas, la carga negativa atrae cationes circundantes como Na+, Ca2+, Mg2+, Al3+ y K+, confiriendo así capacidad de intercambio catiónico y una fuerte capacidad de adsorción a la montmorillonita.
Después de mezclarse con polímeros, su estructura cristalina se desprende fácilmente, lo que da como resultado una estructura densa en capas con una alta relación de aspecto. Esto aumenta la longitud del camino para la penetración del gas a través de polímeros de alto peso molecular y extiende el tiempo de penetración del gas. Una estructura en capas de 1 nm de espesor obliga al gas y la humedad a 'tomar 300 desvíos', simultáneamente, sus nanoefectos restringen el movimiento de las cadenas de polímeros, mejoran las interacciones intermoleculares, fortalecen la fuerza cohesiva del polímero, aumentan la densidad de empaquetamiento de las cadenas moleculares y mejoran significativamente las propiedades de barrera del material.
IV. Métodos de procesamiento y aplicación de nanomontmorillonita orgánica
La montmorillonita debe someterse a dos procesos para lograr una dispersión a nanoescala dentro de los polímeros. Sólo las capas de nanosilicato completamente dispersas y distribuidas uniformemente pueden lograr un rendimiento óptimo.
1. La montmorillonita purificada sufre reacciones de intercalación para formar nanomontmorillonita orgánica.
La montmorilonita inorgánica tiene espacios entre capas de aproximadamente 1 a 1,5 nm, y sus capas se apilan en montones de docenas debido a las fuerzas electrostáticas, lo que hace imposible dispersar cada nanocapa individualmente. Sólo a través de reacciones de intercalación (que normalmente requieren entre un 30% y un 40% de agente de intercalación) se puede aumentar el espacio entre capas de montmorillonita a 2-4 nm, transformándola en nanomontmorillonita orgánica. Esto reduce la energía libre de la superficie del material y cambia su hidrofilicidad a lipofilicidad, lo que permite una mejor dispersión dentro de los polímeros.
2. La montmorillonita intercalada debe someterse a un procesamiento de cizallamiento utilizando una extrusora de doble tornillo para lograr una nanodispersión completa.
Para lograr una dispersión y exfoliación óptimas de la montmorillonita orgánica, se recomienda utilizar una extrusora de doble tornillo co-rotativo o una amasadora BUSS al mezclar compuestos termoplásticos. Durante el mezclado por extrusión, es aconsejable seleccionar combinaciones de tornillos con la mayor relación longitud-diámetro posible (>40L/D) y módulos de rosca capaces de lograr una alta dispersión. Para evitar la compactación, lo mejor es añadirlo al polímero fundido mediante un dispositivo de alimentación lateral.
Al dispersar en una extrusora de doble tornillo, se debe tener cuidado de no 'cortar demasiado' la montmorillonita orgánica para evitar la aglomeración. Lo mejor es utilizar elementos de tornillo mezclador de dispersión. El sobrecalentamiento puede provocar una reducción del rendimiento del producto y la formación de olores. El calentamiento excesivo puede provocar humo en la matriz y velocidades de cizallamiento extremadamente altas en el extrusor también pueden provocar reaglomeración y degradación del rendimiento.
Se recomienda procesar primero la montmorillonita en mezcla maestra antes de usarla para aplicaciones de película fundida o película soplada: premezcla de mezcla maestra de montmorillonita de 30 % a 50 % (primero procesada por lotes y luego dispersada en una extrusora de doble tornillo, o producida mediante dispersión de alimentación lateral, con la adición adecuada de compatibilizadores de injerto y auxiliares de dispersión).
V. Aplicaciones de la nanomontmorillonita orgánica en la industria del embalaje
1. Embalaje electrónico
2. Industria inflable
Industria del embalaje Como nuevo tipo de material funcional, la nanomontmorillonita orgánica ha demostrado un fuerte potencial de barrera en la industria del embalaje de plástico. Con los continuos avances tecnológicos, la montmorillonita está preparada para convertirse en un componente importante de los materiales de embalaje de alto rendimiento, satisfaciendo la creciente demanda del mercado.
Cabe señalar que YINSU Flame Retardant se especializa en el desarrollo y producción de retardantes de llama ecológicos. Su producto K100 es un retardante de llama de nanomontmorillonita orgánica con excelente rendimiento. K100 no solo mejora el retardo de llama de los materiales de embalaje de plástico sino que también mantiene las propiedades mecánicas y la procesabilidad de los materiales. Es una opción ideal para lograr retardo de llama y funcionalidad de barrera en envases de plástico de un solo material. Con el desarrollo continuo de conceptos de embalaje ecológicos, se espera que el producto K100 de YINSU Flame Retardant desempeñe un papel más importante en el campo del embalaje.
