NUEVA GAMA DE PRODUCTOS BASADOS EN BIOPOLÍMEROS

NUEVA GAMA DE BIOPLÁSTICOS: ErcrosBio® LL Materiales
basados en PLA
Dra. M. Belén Pascual, Jefa de I+D División de Plásticos de Ercros, SA
Con el fin de ofrecer al mercado productos más sostenibles, Ercros ha
desarrollado una gama de productos basados en biopolímeros de tipo poliéster
alifático que se comercializan bajo la marca ErcrosBio®.
Son materiales que se obtienen a partir de fuentes naturales renovables y que
además son biodegradables y compostables, por lo que tienen una baja huella
de carbono en su ciclo de vida.
Sus propiedades les confieren potencial técnico para sustituir a muchos de los
plásticos más utilizados, aportando la cualidad de la sostenibilidad.
Actualmente se dispone de dos familias de materiales: ErcrosBio® LL,
basados en el ácido poliláctico (PLA) y productos ErcrosBio® PH basados en
polihidroxialcanoatos (PHA). Este artículo presenta las características y
aplicaciones de los ErcrosBio® LL.
Características generales del PLA
El PLA se obtiene por la polimerización de ácido láctico (CH3-CHOH-COOH),
que previamente se ha obtenido por fermentación de productos agrícolas tales
como el almidón de maíz, el azúcar o el trigo.
El ácido láctico tiene dos enantiómeros (D y L) cuya estructura química se
muestra en la Figura 1. El contenido de ambos en el polímero determina las
propiedades finales.
Ácido D-láctico
Ácido L-láctico
Figura 1. Estructura química de los dos enantiómeros del ácido láctico.
-1-
Obtención e hidrólisis del PLA
Se han desarrollado dos vías para convertir el ácido láctico en polímero de alto
peso molecular (Figura 2): (1) la polimerización a partir de la lactida por
apertura de anillo usando catalizador que es el proceso más relevante a nivel
industrial y (2) el proceso de policondensación que produce oligómeros de bajo
peso molecular.
Figura 2. Reacciones de obtención del PLA.
En la reacción de polimerización por esterificación del ácido láctico se
desprende agua a diferencia de otros materiales poliméricos, como las
poliolefinas, el poliestireno o el PVC.
Dado que estas reacciones son reversibles, la presencia de humedad en el
PLA produce la degradación por hidrólisis que da lugar a una disminución del
peso molecular. Este aspecto es especialmente importante durante el
procesado del polímero cuando se emplean temperaturas elevadas.
El Índice de Fluidez en Fundido (MFI, Melt Flow Index) es una medida de la
viscosidad en fundido y del peso molecular del polímero.
En la Figura 3 se muestra la evolución del MFI del PLA determinado a 230ºC,
según el procedimiento descrito en la norma UNE-EN ISO 1133 en función del
contenido de humedad. Como se puede ver, a medida que se incrementa el
contenido de humedad en el polímero el índice de fluidez aumenta, lo que
indica una pérdida de peso molecular. La relación del MFI con el contenido de
humedad es prácticamente lineal.
-2-
2500
Humedad PLA (ppm)
2000
1500
1000
500
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
MFI 230ºC 2,16 Kg (g/10min)
Figura 3. Variación del MFI en función del contenido de humedad en el PLA antes de
su procesado.
El cambio en la viscosidad del fundido del PLA por la degradación dificulta el
procesado del producto y conlleva una pérdida de propiedades mecánicas
pudiendo comprometer la calidad del producto final.
Se recomienda, para minimizar el proceso de hidrólisis, que el contenido de
humedad en el PLA se reduzca hasta valores inferiores a 200 ppm y
preferiblemente inferior a 100 ppm.
El proceso de degradación por presencia de humedad, incluso en porcentajes
bajos, es común a los polímeros obtenidos por condensación tales como el
polietilentereftalato (PET) y las poliamidas (PA). Para evitarlo es necesario
secar las resinas y sus compuestos previamente a su procesado.
Condiciones de secado
En la gráfica de la Figura 4 se muestra la curva de la evolución del contenido
de agua en el PLA en función del tiempo cuando se seca en un
deshumidificador a 85ºC empleando aire seco con temperatura de rocío inferior
a -40ºC.
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2500
Humedad del PLA (ppm)
2000
1500
1000
500
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Tiempo de secdo (horas)
Figura 4. Evolución del contenido de humedad en el ErcrosBio® LL650 secado a 85ºC
en deshumidificador
Mediante esta curva se puede conocer el tiempo de secado necesario para
alcanzar los valores recomendados de humedad en el PLA antes del
procesado
El tiempo de secado depende de la temperatura utilizada, pero la
recomendación general es secar entre 3-5 horas a 85-90ºC el PLA cuando ha
sido envasado y almacenado correctamente.
Materiales ErcrosBio® LL550, LL600, LL650 y LL700
Los materiales ErcrosBio® de la serie LL son materiales semicristalinos con una
temperatura de transición vítrea, Tg, de 60-63ºC y una temperatura de fusión,
Tm, de 178-180ºC.
La principal diferencia entre los grados de ErcrosBio® LL estriba en el peso
molecular del PLA, que al igual que con otros polímeros, medimos
indirectamente con el MFI, valor que habitualmente aparece en sus
especificaciones técnicas.
En la Figura 5 se presenta el rango de fluidez de los materiales de los que
dispone Ercros actualmente, que van desde el peso molecular más bajo que
con un MFI de 23 g/10 minutos es el material más fluido, ErcrosBio® LL 550,
hasta el valor de 7 g/10 minutos del ErcrosBio® LL 700.
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Melt Flow Index 195ºC, 2.16Kg
(g/10min)
INYECCIÓN
25
20
EXTRUSIÓN
15
10
5
0
ErcrosBio
LL 550
ErcrosBio
LL 600
ErcrosBio
LL 650
ErcrosBio
LL 700
Figura 5. Índice de fluidez en fundido de los materiales ErcrosBio® LL y los sectores de
aplicación de estos materiales.
Con el PLA se utilizan equipos y técnicas de procesado similares a las
empleadas con las poliolefinas o los poliésteres presentes hoy en el mercado
(extrusión, inyección y termoformado).
Teniendo en cuenta su viscosidad en fundido, los ErcrosBio® LL 550, LL 600 y
LL 650 son adecuados para los productos que se obtienen por inyección,
mientras que se recomiendan los productos ErcrosBio® LL650 y LL 700 para la
obtención de productos por extrusión.
El PLA tiene unas propiedades mecánicas en el mismo rango que los
polímeros de síntesis petroquímica y son similares a las del PET y el PS.
Los valores de resistencia a tracción y de deformación a rotura de los
productos ErcrosBio® LL se recogen en las gráficas de la Figura 6.
-5-
Resistencia en tracción (MPa)
80
70
60
50
40
30
20
10
0
ErcrosBio
LL 550
ErcrosBio
LL 600
ErcrosBio
LL 650
ErcrosBio
LL 700
ErcrosBio
LL 550
ErcrosBio
LL 600
ErcrosBio
LL 650
ErcrosBio
LL 700
5
Elongacion a rotura (%)
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
Figura 6. Resultados del ensayo de tracción: Resistencia en tracción y deformación a
rotura de los materiales ErcrosBio® LL.
La resistencia a tracción tiene un valor elevado y se incrementa desde 63 a 72
MPa con el aumento del peso molecular del PLA. El módulo de Young es
elevado, entre 2.8 y 3.2 GPa, lo que hace que los productos sean aptos para
aplicaciones en las que se requieran cargas elevadas.
Por su parte la deformación a rotura se corresponde con la de un material
rígido con valores bajos entre 3.4-5%.
En cuanto al comportamiento de impacto, los valores de resistencia al impacto
con entalla según la norma UNE-EN ISO 179 son similares para los productos
ErcrosBio® LL, entre 2.2 y 4.2 KJ/m2, como se muestra en la Figura 7.
-6-
Resistencia al impacto con entalla
(KJ/m2)
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
ErcrosBio
LL 550
ErcrosBio
LL 600
ErcrosBio
LL 650
ErcrosBio
LL 700
Figura 7. Resultados del ensayo de impacto de los materiales ErcrosBio® LL.
Aplicaciones
El PLA es un material muy versátil que ha sido utilizado desde hace 25 años en
la industria médica y quirúrgica debido a que es bioabsorbible empleándose en
hilos de sutura y en prótesis de huesos
En los últimos años, teniendo en cuenta las propiedades mecánicas descritas
anteriormente y que además es un material transparente, resistente a los
productos acuosos y a las grasas, termosoldable a menor temperatura que las
poliolefinas e imprimible sin tratamiento superficial, el PLA ha empezado a
introducirse en otros sectores tales como el sector del embalaje, alimentarios y
no alimentarios, en utensilios de catering y domésticos, en el sector de la
construcción y edificación para fabricación de espumas aislantes,
revestimientos y perfiles, en el sector de la automoción para parachoques,
tableros, mandos, tapacubos, etc. y en el sector eléctrico para carcasas de
móviles, ordenadores, CD, etc.
En la Figura 8 se muestran ejemplos de aplicaciones del ErcrosBio® en hilo
para impresora 3D obtenido con el ErcrosBio® LL 650 y en lámina para la
obtención de envases para el sector alimentario con el ErcrosBio® LL 700.
En la Figura 9 se muestran ejemplos de piezas obtenidas por inyección con el
ErcrosBio® LL 600 y LL 650 como son los envases alimentarios y cosméticos y
las preformas y botellas para diferentes aplicaciones.
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TERMOCONFORMADO
Figura 8. (a) Hilo para impresora 3D y (b) lámina obtenida para posterior
termoconformado para obtención de envases para el sector alimentario.
Figura 9. (a) Envases sector del embalaje alimentario y cosmético y (b) preformas y
botellas obtenidas por inyección e inyección-soplado.
-8-
Biodegradabilidad de los materiales ErcrosBio® LL
Se ha comentado anteriormente que el PLA es un material compostable y esto
implica que se biodegrada (descompone) en un tiempo determinado bajo las
condiciones específicas que definen el compostaje.
El compostaje es un procedimiento que acelera los procesos naturales de
descomposición biológica dando como productos dióxido de carbono, agua,
minerales y abono (compost).
Los materiales compostables son, por definición, biodegradables pero los
materiales biodegradables no son necesariamente compostables.
El procedimiento de compostaje descrito en la norma europea EN 13432 (US
ASTM D6400-04) indica que para que un material sea compostable tiene que
tener una descomposición superior al 90% en 6 meses.
En la Figura 10 se muestran los resultados del test de compostaje industrial
realizado con una botella de ErcrosBio® LL 650 en la que se muestra la
evolución de la biodegradación con el tiempo. Puede observarse que tras 57
días de ensayo la botella prácticamente ha desaparecido, cumpliendo con los
requerimientos de compostaje.
0 días 7 días 20 días
40 días
50 días
57 días
Figura 10. Resultados del ensayo de compostaje industrial de una botella obtenida con
ErcrosBio® LL650.
Los materiales ErcrosBio® LL como alternativa sostenible
Por tanto, los materiales de la gama ErcrosBio® LL presentan unas
características que les confieren potencial técnico para la sustitución de
muchos de los plásticos utilizados en el mercado y que se pueden emplear
-9-
para la obtención de una gran variedad de productos mediante diferentes
técnicas de procesado.
Además, los ErcrosBio® LL son materiales sostenibles por su origen basado en
fuentes renovables, presentan una huella de carbono muy baja comparados
con los plásticos de origen petroquímico y, al final de su vida útil, son
biodegradables y compostables.
Los materiales ErcrosBio® LL, como el resto de materiales plásticos, admiten la
incorporación de aditivos y cargas para modificar sus propiedades ajustándolas
a los requerimientos específicos de cada aplicación.
Ercros desarrolla estas formulaciones adaptadas a la medida de cada cliente,
en su gama de productos ErcrosBio® LM que incluye materiales con
prestaciones similares a las los plásticos técnicos tales como el ABS o el SAN.
Es por todo ello que el mercado de los materiales ErcrosBio® LL y LM está en
plena expansión como alternativa sostenible para muchas de las aplicaciones
en las que actualmente se emplean los plásticos de origen petroquímico.
DPTO. COMERCIAL: Domingo Font, Tel. +34 93 444 53 03/ Fax: +34 933 237 927/ E-mail: [email protected]
SERVICIO TÉCNICO: Belén Pascual, Tel. +34 974 41 71 19/ Fax: +34 974 417 106/ E-mail: [email protected]
www.ercros.es
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