PICUS – DESARROLLO DE MALLAS BIODEGRADABLES … · bastante alejadas de los materiales a utilizar, ... El principal objetivo es desarrollar mallas 100 % biodegradables para envases

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DESARROLLO DE UN NUEVO ENVASE. CASO PRACTICO

PICUS – DESARROLLO DE MALLAS BIODEGRADABLES PARA EL ENVASADO DE PRODUCTOS AGRICOLAS.

ECOBIONET – INDUSTRIALIZACIÓN DE LAS MALLAS BIODEGRADABLES DESARROLLADAS PARA ENVASADO

EN EL SECTOR AGROPECUARIO. Lista de participantes:


ANTECEDENTES

En los últimos años ha habido un gran aumento en la demanda y utilización de mallas para el envasado de diferentes productos destinados a la venta directa en las grandes superficies.

La utilización de dichas mallas fabricada a partir de poliolefinas se ha incrementado enormemente debido a su bajo coste y a lo practico de su utilización.


ANTECEDENTES

El reciclado mecánico (separación, tritutación, lavado, dosificación, procesado) es el medio más adecuado para la gestión de los residuos generados con este tipo de malla; sin embargo, debido a su estructura y la dificultad de manipulación tanto en su separación del producto orgánico como en su triturado y dosificación, hace en muchas ocasiones inviable este proceso de reciclado.

La separación es costosa, a la vez que el triturado y la dosificación.


ANTECEDENTES

El proceso de obtención de este tipo de mallas es la EMS (Extrusion MeltSpining)


ANTECEDENTES

Este tipo de proceso requiere materiales con un bajo índice de fluidez < 1 g /10 min y alta resistencia en fundido para favorecer la formación del hilo y evitar su descuelgue. Los tres factores que determinan dichas propiedades son:

- El peso molecular (MW)- La distribución de pesos moleculares (MWD)- La densidad (D)

Variaciones en estos factores modifican tanto la procesabilidad como las propiedades finales del producto a obtener:

- A < MW, menor viscosidad peores propiedades mecánicas y resistencia en fundido.

- A anchas MWD mayor resistencia en fundido. - A D alta mejor resistencia química, rigidez, dureza.

EL MATERIAL UTILIZADO EN LA ACTUALIDAD SON MEZCLAS DE HDPE, MDPE, LDPE Y LLDPE.


ANTECEDENTESLos materiales biodegradables comerciales presentan unas propiedades bastante alejadas de los materiales a utilizar, por lo en este proyecto fue necesario modificar su formulación para poder ajustarlo a este tipo de procesado.

Por otro lado, constatar que los materiales biodegradables comerciales tienen su principal aplicación en la obtención de lamina plana y film soplado.

La siguiente tabla muestras las distintas familias de materiales biodegradables que fueron estudiados durante el desarrollo del presente proyecto.

Polibutilen succinato PBS y PBSAPolibutilen adipato tereftalato PBAT

Poliésteres Alifáticos y aromáticos

Ácido poli lácticoSíntesis de monómerosBiopolímeros en base almidónPolisacáridos

TIPO DE BIOPOLIMEROSGRUPOS


ANTECEDENTES

Biopolímeros en base almidón

Origen: patata, trigo, maíz, arroz, guisante, etc Termoplástico amorfo, polar (Tm~115ºC), compostable y biodegradable. Diferentes grados para extrusión e inyección. Baja resistencia térmica. Barrera a gases y aromas. Resistente a grasas Buena procesabilidad, sensible a la humedad Buenas propiedades de sellado Permitido para contacto alimentario Descomposición: 30-60 días Aplicaciones: film para envasado, bolsas de compra o basura, film agrícola Grados comerciales: Mater Bi®, GraceBio®, BioStarch®, BioPlast®, Plantic®,

Biotech® … Con modificación química: mayor resistencia al agua, fuerza de fundido y

versatilidad

Baja Resistencia Térmica.

Propiedades mecánicas similaresa un LDPE


ANTECEDENTES

Síntesis de monómeros. PLA

Polimerización ácido láctico (fermentación azúcar, maíz) Termoplástico polar (amorfos, semicristalinos), compostable y biodegradable. Requiere secado previo. Degradación por hidrólisis (por agua) Alta rigidez y fragilidad Baja temperatura de uso T~55ºC Buena barrera a gases y aromas Temperatura de fusión (~170ºC) Es transparente y presenta buen acabado superficial. Buena procesabilidad. Extrusión, inyección y termoconformado Propiedades entre las de PS y PET Se puede fabricar PLA flexible añadiendo plastificantes Aplicaciones: film para envasado de alimentos, envase termoconformado, artículos

de menaje, botellas, bandejas espumadas. Grados comerciales: NatureWorks®, Hycail®, Revode®, …

Material muy rígido, necesaria su modificación mediante

Plastificantes.

Propiedades Mecánicas similares a un PS o un PET.


ANTECEDENTES

Poliésteres alifáticos. PBS y PBSA

Termoplástico semicristalino Diferentes grados, entre LDPE - HDPE. Resistencia térmica entre 70 - 95 ºC. Compostable y biodegradable. Temperatura de extrusión 110 - 140 ºC Alta flexibilidad y resistencia al impacto Aplicaciones en lámina, film soplado, monofilamento, soplado de cuerpo hueco… Grados comerciales: Bionolle®, SkyGreen BDP®

…

Resistencia térmica media.

Propiedades Mecánicas entre un LDPE y HDPE .


OBJETIVOS

El principal objetivo es desarrollar mallas 100 % biodegradables para envases de productos agrícolas de bajo peso.

Las mallas biodegradables desarrolladas debían tener las mismas propiedades físicas y mecánicas que las obtenidas con poliolefinas durante toda su vida útil y debían ser completamente biodegradables en las condiciones de una planta de compostaje.

Además, el material desarrollado debía ser procesado mediante el proceso convencional de extrusión de mallas, “Extrusion Melt Spinning”.


1. Definición de los requerimientos. Selección de material

2. Desarrollo del Bio-compuesto.

3. Ensayos de Procesabilidad 4. Ensayos de Compostabilidad y Ecotoxicidad.

5. Escalado Industrial.

6. Validación del Producto.

7. Estudio E

conómico y M

edioambiental.


1.DEFINICIÓN DE REQUERIMIENTOS.

Para definir los requerimientos, se evaluaron las propiedades de las mallas fabricadas con poliolefinas. Creando una ficha técnica donde se recojan:

Características generales

- Características del material, peso y ancho de la malla,…

Condiciones de procesado.

- Temperatura del fundido, velocidad de la línea, temperatura de enfriamiento,…

Propiedades mecánicas de la malla.

- Resistencia y alargamiento a fluencia y rotura.

Parámetros funcionales

- Durabilidad, rangos de uso en temperatura y humedad, soldabilidad,…

Compostabilidad según UNE EN 13432



Muestra obtenida a partir de una malla comercial.

NET from Terrolire

1,E+02

1,E+03

1,E+04

1,E+05

0,001 0,01 0,1 1 10 100Shear rate (1/s)

Visc

osity

(Pa·

s)

T = 170ºC

T = 190 ºCT = 210 ºC

El cuadro marca la procesabilidad en extrusión de este tipo de material.



Muestra prensada obtenida a partir de una malla comercial.

Pressed Samples

0

10

20

0 100 200 300 400 500

Elongation (%)

Stre

ss (M

Pa)

11.33Elongación a fluencia (%)

10.87Resistencia a fluencia (MPa)

MUESTRA PRENSADA


1. SELECCIÓN DE MATERIALES

Teniendo en cuenta las propiedades definidas en la hoja técnica se realizo una primera selección de materiales biodegradables comerciales.

Los materiales seleccionados se han evaluado estudiando las siguientes propiedades:

- Propiedades reológicas.

- Propiedades mecánicas (según la normativa UNE EN ISO 527 parte 2 )Probetas obtenidas por prensado.



Propiedades reológicas

Para medir las propiedades viscoelasticas del material. Estudiando la viscosidad en función de la cizalla a diferentes rangos de temperatura.



Propiedades Mecánicas

Para evaluar las propiedades mecánicas de forma comparativa.



90032393 - 94Bionelle 3001

700656 114 - 115Bionelle 1001

Ultimateelongation (%)

Modulus (MPa)Melt Tre (ºC)Material

560 - 710---110 - 115Ecoflex F BX 7011

23500185 - 200PLA 2002 D



Propiedades reológicas. Todos los materiales son extruibles.

Propiedades mecánicas

Propiedades de compostabilidad. Todos los materiales son compostables según sus hojas técnicas.

Comparison between Pressed Samples

0

10

20

30

40

50

60

70

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Elongation (%)

Stre

ss (M

Pa)

LDPEPLABio 1001Bio 3001Ecoflex


2. DESARROLLO DEL BIOCOMPUESTO.

Mezclas de los diferentes materiales seleccionados en diferentes proporciones:

PLA + EcoflexBionelle 1001 + PLA

Bio materiales Compatibilizantes Reticulante

Experimental

2 x y



Ha sido necesario tener en cuenta:

- La composición química de cada material biodegradable que forma la mezcla.

- Los grupos reactivos que presentan en su estructura molecular.

- Tamaños, afinidades,….

- Realizar pruebas de compatibilidades.

- Reacciones de funcionalización, extrusión reactiva.

- Selección de las combinaciones más adecuadas para realizar los primeros ensayos comparativos y de procesabilidad en planta piloto.



Los bio-compuestos desarrollados presentan estas características mecánicas sobre probetas obtenidas mediante prensa de platos calientes.

84.229033.2425.403

72.287.0424.6337.232

145.2152.702.2225.844

10.3548611.3310.87Referencia

Cost(€)

MFI (g/10 min)

Alargamiento a rotura (%)

Alargamiento a fluencia (%)

Resistencia fluencia (MPa)Mezcla

31634.367.0117.941


3.ENSAYOS DE PROCESABILIDAD.

El estudio de procesabilidad en planta piloto se realizará mediante la obtención de lámina plana para evaluar su procesabilidad en extrusión y sobretodo sus parámetros en fundido:

- Índice de fluidez

- Descuelgue

- Resistencia térmica.


3.ENSAYOS DE PROCESABILIDAD.

Con los nuevos bio compuestos desarrollados se obtuvieron láminas y se compararon los resultados mecánicos de éstas con la láminas obtenidas con la mezcla de poliolefinas utilizada para obtener este tipo de mallas biodegradables.

4.2487 (6)33.78 (2.78)23.26 (0.263

2.2410 (42)16.47 (1.75)29.45 (1.15)2

0.35486 (93)11.33 (0.84)10.87 (0.20)Referencia

MFI (g/10 min)


Alargamiento a fluencia (%)

Resistencia fluencia (MPa)Mezcla


4. ENSAYOS DE COMPOSTABILIDAD

Evaluación de la compostabilidad a escala de laboratorio.

UNE-EN 13432:2001

1. Material Composición del material dentro de los limites de la normativa. Teniendo en cuenta los sólidos volatiles, metales pesados y otras sustancias tóxicas o peligrosas.

2. Desintegración: El número de partículas con un tamaño >2 mmdebe ser <10 % a las 12 semanas en condiciones de compostaje.

3. Biodegradabilidad según normativa ISO 14855:1999. “Biodegradación del 90 % al permanecer 6 meses en condiciones aeróbicas”

4. Calidad del compuesto obtenido (Composición y Eco-toxicidad).



1. Composición del material para cálculos de compostabilidad.

En este caso siempre partimos de materiales biodegradables comerciales con lo que su composición queda garantizada por el proveedor.

99.998 99.892 99.949 99.986 Sólidos volátiles (%en base seca)

99.7299.3799.7999.72Sólidos secos (%en base húmeda)

48.339 48.818 64.744 47.019 Carbón orgánico total (%base seca )

0.149 0.131 0.132 0.012 Nitrógeno total (% base seca)

Bionolle3001

Bionolle1001

EcoflexPLA



2. Desintegración: El número de partículas con un tamaño >2 mm debe ser <10 % a las 12 semanas en condiciones de compostaje.

Según NORMATIVA ISO 20200:2004



3. Biodegradabilidad según normativa ISO 14855:1999. “Biodegradación del 90 % al permanecer 6 meses en condiciones aeróbicas”

Para realizar comparativas el ensayo se realizarádurante 3 meses en vez de en 6 meses.

BIODEGRADABILITY COMPARISON

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Time [days]

Bio

degr

adat

ion

[%]

Ecoflex PLA Bionolle 1001 Bio30 PLA70_P


EMPACK MADRID 2010EMPACK MADRID 2010


Composición del compuesto.

Para evaluar la calidad del compuesto (abono), se estudiaran ciertas características para determinar si este es adecuado para su uso en agricultura.

Los parámetros a evaluar se pueden ver en esta hoja técnica.


D) LA OPTIMIZACIÓN DEL FINAL DE LA VIDA ÚTIL DEL ENVASE.

4. Calidad del compuesto obtenido (Eco-toxicidad).

Este test evalúa el crecimiento de las plantas utilizando el abono con restos del compuesto /s desarrollados.

La experimental consiste en evaluar el crecimiento de 2 plantas diferentes con el compuesto obtenido después de la biodegradación. Las plantas son:

Lechuga (Lactuca sativa) Césped (Lolium perenne)

Los parámetros a evaluar son: Velocidad de germinación: Número de semillas germinadas dividido por el número total de semillas plantadas (expresado en porcentaje). Rendimiento de la planta: Se cortara la planta a ras del suelo y se pondrá en un horno durante 12 horas pesando el residuo seco.



4. Calidad del compuesto obtenido (Eco-toxicidad).

Lechuga (Lactuca sativa) Césped (Lolium perenne)


5. ESCALADO INDUSTRIAL

Para evaluar la resistencia en fundido se realizaron pruebas de obtención de hilo utilizando tanto el material de referencia, un material no adecuado para este tipo de procesado y los 2 materiales seleccionados.

4.4Bio compuesto 32.2Bio compuesto 2 9PP

0.35Material de referencia

MFR (g / 10 min)

Material

Los hilos obtenidos tenían las siguientes características:- Tamaño de los orificios: 2 – 3 mm- Diámetro 0.5 – 1 mm- Baño de agua.



Teniendo en cuenta estos resultados, al evaluar el descuelgue según el tamaño del filamento obtenido es necesario aumentar el índice de fluidez de la mezcla.

0.340.83

0.6

1.37

Monofilament diameter

(mm)

198200

200

265

Melt Tre. (ºC)

Biocompuesto 3 Biocompuesto 2

PP

ReferenciaEs necesario aumentar la resistencia en fundido, disminuir el índice de fluidez para evitar los problemas de descuelgue.

Material

1

1.37

Monofilament diameter (mm)

200

265

Melt Tre. (ºC)

Biocompuesto 4

Referencia

Nuevo desarrollo modificando la composición.

Material



Obtención de estructura tubular y bolsa con el nuevo bio-compuesto desarrollado.

Condiciones de procesado:

Perfil de temperatura: 150 – 160 – 170 – 190 Temperatura de fundido: 150 ºC Presión: 120 bar Tiempo de residencia: 0.8 minutes.



Con la estructura lateral se obtuvo una bolsa plana con pliegues laterales y soldada para formar el fondo.

Capacidad: 4 kg

Peso: 14 g



Las estructura tubular obtenida ha sido caracterizada y comparada con las bolsas utilizas en la actualidad.

0

5

10

15

20

25

30

35

0 100 200 300 400

Elongation (%)

Stre

ss (N

)

Biodegradable net

Reference net

320.56 (13.47)32.49 (1.72)8.18 (1.15)8.64 (0.19)Malla (bio-compuesto)

365.01 (40)15.94 (0.89)136.48 (8.05)11.06 (0.49)Malla (referencia)


Resistencia máxima(N)

Elongaciónfluencia (%)

Resistencia fluencia(N)


6. VALIDACIÓN DEL PRODUCTO

Un diseño de experimentos se ha realizado para validar las mallas biodegradables obtenidas.

Las mallas se rellenaran con un peso de 2 kg y durante 15 días estarán sometidas a dos ensayos diferentes:

- En el suelo.- Colgada a 1 metro del suelo.

Caracterización visual y mecánica para evaluar la deformación de la bolsa después de su vida útil y su perdida de propiedades.





Un diseño

AIMPLAS (2 kg)

0

5

10

15

20

25

30

0 50 100 150 200 250 300 350Elongation (%)

Stre

ss (M

Pa)

Ref. net floorBio net floorRef. net hungedBio net hunged



Características finales. Propiedades mecánicas

218 (7)27.1 (0.4)Malla Bio (suelo)

280 (15)12.3 (0.2)Malla LDPE (suelo)

Después validación

Antes validación

202 (17)30.0 (3)Malla Bio (colgada)

297 (1)13.8 (0.1)Malla LDPE (colgada)

317 (14)32.5 (1.7)Malla Bio

301 (41)16.0 (1.0)Malla LDPE

Alargamiento (%)

Resistencia máxima (N)MALLAS



Características finales.

Compostabilidad

* Material de referencia es el PLA

** Datos cuando el porcentaje de compost en el sustrato es del 25 %.

Césped

Lechuga

Césped

Lechuga

7378

181100

159100Rendimiento por planta (%)

6263Tasa de germinación (%)

Ecotoxicidad (**)

91> 90Desintegración (%) en 12 semanas

Desintegración

6273Biodegradación (%) en 90 días

Biodegradabilidad

47.01948.9045Carbono total (% base seca)

0.0760.012Nitrogeno total (% base seca)

99.8699.986Sólidos volátiles (% base seca)

99.70899.72Sólidos secos (% base húmeda)

Caracterización

Bio-compuestoReferencia (*)REQUERIMIENTOS



COMPARACIÓN ECONÓMICA

Mezcla de PE: (coste material de referencia): 2.5 €/kgBio-compuesto 4: 7.2 €/kg

Peso de la malla de referencia: 9. Peso de la malla biodegradable: 14 gPrecio: 0.0225 €/bag Precio: 0.1008 €/bag

El coste de la malla biodegradable es 0.04 € mayor / kgde producto envasado.


PROYECTO ECOBIONET

El objetivo es reducir el coste de la malla biodegradable reduciendo el espesor de los hilos teniendo en cuenta que las propiedades mecánicas que presenta la nueva malla biodegradable son mayores.

0.1008 €/bag0.0225 €/bagPrice per bag

7.2 €/kg2.5 €/kgPrice of materials

14 g9 gNet weight

1.26 g/cm30.93 g/cm3Density

Biodegradable netLDPE reference net


GRACIAS POR SU ATENCIÓN

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