¿Cómo influyen las estructuras multicapa en el rendimiento de los empaques flexibles?

En el contexto actual, las consideraciones de sustentabilidad de los materiales plásticos han adquirido gran relevancia, en particular en el sector del empaque. Por ello, con este número damos inicio a una serie de artículos, donde trataremos primero de revisar los aspectos técnicos que impactan en el procesamiento de películas multicapa, en una segunda publicación, trataremos sobre las observaciones a tomar en cuenta en el reciclado de empaques de película multicapa, y concluiremos con reflexiones en torno a la sustentabilidad y circularidad de empaques flexible multicapa.

Sin duda, los materiales plásticos han jugado un papel predominante en el sector del empaque y embalaje de alimentos y bebidas, debido a los diversos requisitos que implican el contener y proteger productos alimenticios con diferentes exigencias para su vida de anaquel.

Entre los requerimientos importantes a considerar para empaques flexibles de alto desempeño se encuentran:

• Propiedades barrera: para incrementar la vida de anaquel se requiere que el empaque proteja al producto contenido, evitando la entrada al interior del empaque o la salida de éste, según sea el caso de luz, oxígeno, vapor de agua o de algún sabor extraño al producto.
   
• Permeabilidad selectiva: en casos especiales de productos empacados se requiere permitir que el oxígeno y/o el dióxido de carbono penetren a través del empaque a una velocidad y cantidad estimada buscando extender la vida útil de almacenamiento de productos frescos.
   
• Resistencia del empaque durante el transporte y el almacenamiento: los materiales plásticos utilizados en el empaque deberán ofrecer principalmente resistencia al rasgado y a la punción para evitar daños tanto del empaque como de su contenido durante la etapas de transporte y almacenamiento.
   
• Sellado del empaque: como se comentó previamente en el apartado de propiedades barrera, se requiere asegurar un sellado de las costuras del empaque de la manera lo más eficiente posible, y en altas velocidades de producción, además que no presente falla alguna y además que asegure todos los requisitos de funcionalidad y calidad que implica el producto contenido.  

Como bien se puede evaluar al considerar los atributos previamente descritos que demandan los empaques, un solo polímero no puede cumplir con todos los requerimientos finales tanto de carácter económico como de desempeño en condiciones especiales, para la diversidad de los productos que se puedan contener en los empaques plásticos.

Por ello, para compensar estas propiedades, una estructura multicapa, mediante el acomodo de diferentes materiales, ofrece una buena combinación de propiedades. La estructura completa ofrece el beneficio de la suma de las propiedades de cada una de las capas, representando una opción viable tanto para materiales rígidos como flexibles.

Un dato interesante reportado sobre películas de tres capas es que incluso si las capas son del mismo polímero, puede aumentar tanto la resistencia al rasgado como a la caída de dardo hasta en un 25–30% sobre las de una película gruesa equivalente fabricada en una sola capa. Esta mejora permite calibrar la película de menor espesor mientras mantiene la resistencia del producto y, por lo tanto, produce un ahorro de materia prima de hasta el 35–40%.

Estructuras multicapa

Los sistemas multicapa están constituidos por diferentes materiales plásticos con funciones específicas en la estructura y pueden ser: capas base, capa barrera, capa sellante y capa adhesiva.

Capa base. Implica aquellos materiales plásticos que le otorguen a la estructura multicapa criterios de comportamiento físico-mecánico de flexibilidad, suavidad, rigidez, además de la variable de costo.

Capa barrera. Una barrera funcional es un material plástico o en ocasiones una capa metalizada que impide la difusión de gases (oxígeno, nitrógeno, dióxido de carbono) y vapor de agua y líquidos a través de la estructura dentro de los empaques plásticos flexibles o rígidos, aumentando con ello la vida útil de anaquel de los productos.

Además, estos materiales barrera se pueden utilizar para incorporar plásticos reciclados dentro de la estructura multicapa, separando y evitando el contacto con los productos alimenticios empacados, lo que evita la transferencia de sustancias no autorizadas de la capa reciclada al producto alimenticio. Otra manera de duplicar la protección es implementando estructuras simétricas de múltiples capas con barreras funcionales a ambos lados de la capa reciclada para evitar efectos de migración durante el almacenamiento.

Capa adhesiva. Para que una estructura coextruida funcione durante las etapas de fabricación, empacado, distribución y almacenamiento durante el ciclo de vida del producto, debe haber suficiente adhesión entre las capas. La adhesión entre las capas se ve afectada por:

• El diseño de la estructura
• Las propiedades de cada capa individual
• El método empleado para la obtención de la película multicapa
• El uso otorgado al producto terminado

Para que dos polímeros se unan entre sí, primero deben entrar en contacto íntimo. En la coextrusión, esto se logra cuando las corrientes de polímero fundido se combinan en la matriz o bloque de alimentación. Para recubrimientos y laminados, esto requiere una buena humectación, que es una función de la viscosidad, polaridad y tensión superficial.

Capa de sellado. Al ensamblar una película coextruida para la industria de empaques flexibles, la mayoría de las películas requieren que sean sellables. El método de sellado más común es el térmico, utilizando un sellador de temperatura constante o un sellador de impulsos de temperatura variable. Otros métodos de sellado incluyen: frecuencia de radio, alta frecuencia y ultrasonido.

Estructura de una película multicapa

Capa base	Capa barrera	Capa de sellado	Capa adhesiva
Polietilenos	PVDC		EVA
Poliestireno	EVOH	Copolímeros de EAA o EMAA	PVDC
PVC	Poliamidas	Ionómeros	EVOH
PET	PET, PETG	EVA	Poliamidas
Mezclas	PVDC	PEBD o PP	PET, PETG
Policarbonato	Ionómeros

Métodos de producción de estructuras multicapa

Existen diversos métodos para combinar diferentes materiales y formar películas multicapa, sin embargo, en el presente artículo solo se mencionan de manera breve los procesos de coextrusión, laminación por extrusión y metalizado.

Coextrusión. Es el proceso de extrusión simultánea de dos o más capas de polímeros diferentes, mediante el empleo de dos o más extrusores interconectados a través de un sistema de dado, para la producción de una película multicapa. Es posible utilizar materiales con temperaturas de procesamiento diferentes, tomando lugar el homogenizado y el mezclado de cada capa de material en el extrusor, bajo condiciones óptimas para cada material en específico.

Una ventaja del proceso de Coextrusión es la capacidad de combinar las propiedades especiales de cada componente en una estructura multicapa, con el fin de mejorarlas sin sacrificar otras propiedades importantes. Las películas multicapa pueden obtenerse tanto por extrusión de película plana como de película soplada. El rango de espesores de película plana coextruida es de 80–320 micras, y para película soplada coextruida, de 50 a 100 micras. Entre otras características importantes a considerar durante el procesamiento se encuentran:

• Las propiedades de flujo de cada uno de los materiales.
• Las características reológicas de los flujos adyacentes de material fundido.

Laminado. El proceso de laminación difiere de la coextrusión en que esta última solo puede combinar capas de materiales plásticos, mientras que en el laminado se pueden combinar materiales no plásticos, como el papel o el metal. Existen varios métodos de laminación para preparar películas multicapa.

Laminado por extrusión. En este método, el polímero fundido se aplica como una capa adhesiva entre dos sustratos para formar una estructura laminada. El sustrato puede ser papel, cartón, película de poliéster, película de polipropileno o aluminio. Las tres capas se presionan contra un tambor frío mediante un rodillo de impresión, que solidifica el polímero fundido y une las dos capas.

La unión del extruido a las bandas está influenciada por la compatibilidad química del polímero, la velocidad de la línea, el espesor de las capas extruidas y la temperatura del polímero. Estos tipos de laminados, entre otros, son aplicables para empacado al vacío de carne, pescado y queso.

Metalizado. El metalizado es un método de aplicación de una capa metálica delgada sobre un sustrato de película plástica o, en ocasiones, sobre papel. El metal se calienta y evapora bajo vacío, siendo el aluminio el más utilizado. El espesor de la capa es muy delgado, alrededor de 0.5 μm, lo que permite lograr una buena barrera contra gas y humedad. El proceso de metalización se lleva a cabo principalmente para lograr mayores características de barrera. Las películas poliméricas metalizadas son una alternativa eficiente en embalaje para laminación con capa de aluminio.