Desarrollo de materiales compostables multicapa y evaluación de sus propiedades de barrera a gases.

Abstract

Los empaques son esenciales para la preservación de variados productos, incluyendo alimentos. Actualmente, los plásticos son el material predilecto para la fabricación de empaques, pero el impacto ambiental de los plásticos no biodegradables ha generado preocupación a nivel global. En la busca de alternativas sostenibles, han destacado las nanofibras de celulosa (NFC) y el ácido poliláctico (PLA). Bajo este contexto, se desarrolló una metodología para fabricar películas NFC y PLA, las cuales fueron laminadas en estructuras multicapa con el objetivo de evaluar las capacidades de barrera a gases (oxígeno y vapor de agua) de estos materiales para sus posibles aplicaciones en empaques. Se realizó un estudio bibliográfico con tal de establecer procedimientos piloto para la fabricación de películas de NFC por nebulización y películas de PLA mediante compresión en caliente. Estos procedimientos fueron refinados hasta llegar a metodologías confiables, culminando con la fabricación de estructuras multicapa laminadas. Se efectúo una caracterización visual y morfológica de los materiales fabricados y finalmente se evaluaron sus capacidades de barrera a gases. Para esto último, se montó un equipo piloto para medir la permeabilidad al oxígeno de las muestras, el cual además fue comparado con un equipo similar utilizado para medir porosidad mediante paso de aire (porosímetro). La nebulización de NFC resultó ser un método rápido y consistente para fabricar películas de espesores en el rango de 10 a 30 µm. Por su parte, la compresión en caliente fue efectiva para formar películas de PLA, uniformes localmente y de menos de 100 µm de espesor, pero no permitió un control preciso del espesor final. Esta misma situación se vio reflejada en el espesor de la capa de PLA de las estructuras/películas multicapa. A pesar de esto, se apreció por microscopía óptica que la unión entre ambos materiales resultó ser fuerte y completa. Aunque no se logró medir la permeabilidad al oxígeno, debido a la inadecuada sensibilidad del equipo montado, se demostró, al comparar con el porosímetro, que el equipo puede ser útil para evaluar paso de gases y porosidades en otros materiales. Por otra parte, se determinó utilizando este mismo equipo de medición de porosidad, que las películas fabricadas, incluyendo las de NFC, eran no porosas. Finalmente, las películas multicapa presentaron una buena barrera contra el vapor de agua, sin observarse efectos negativos al combinar las películas de NFC con películas de PLA. Su velocidad de transmisión de vapor de agua promedio fue de 16,5 g/m²·día, similar a la del PLA y superior al de la NFC, estando en un rango adecuado para el envasado de alimentos como frutas, verduras y carnes.

Packaging is essential for the preservation of various products, including food. Currently, plastics are the preferred material for packaging production, but the environmental impact of non-biodegradable plastics has raised global concern. In the search for sustainable alternatives, nanocellulose fibers (NFC) and polylactic acid (PLA) have stood out. In this context, a methodology was developed to manufacture NFC and PLA films, which were laminated into multilayer films with the aim of evaluating the gas barrier properties (oxygen and water vapor) of these materials for potential packaging applications. A bibliographic study was conducted to establish pilot procedures for manufacturing NFC films through spraying, and PLA films through hot compression. These procedures were refined until reliable methodologies were achieved, culminating in the production of laminated multilayer films. A visual and morphological characterization of the films was performed, and their gas barrier properties were evaluated. For the latter, a custom-made equipment was set up to measure oxygen permeability, which was also compared with an equipment used to measure porosity, via air flow (porosimeter). NFC spraying proved to be a fast and consistent method for manufacturing films with thicknesses ranging from 10 to 30 µm. On the other hand, hot compression was effective in forming locally uniform PLA films with a thickness of less than 100 µm, but it did not allow precise control of the final thickness. This same situation was reflected in the thickness of the PLA layer in the multilayer films. Despite this, optical microscopy showed that the bond between both materials was strong and complete. Although oxygen permeability could not be measured due to the inadequate sensitivity of the assembled equipment, it was demonstrated, through comparison with the porosimeter, that the equipment can be useful for evaluating gas permeation and porosities in other types of materials. Furthermore, it was determined via the same porosimeter, that the manufactured films, including the NFC films, were non-porous. Finally, the multilayer films showed good barrier properties against water vapor, with no negative effects observed when combining NFC films with PLA films. Their average water vapor transmission rate was 16.5 g/m²·day, like that of PLA and higher than that of NFC, falling within a suitable range for packaging food such as fruits, vegetables, and meats.