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CellMat, Condensed Matter Physics Department,
University of Valladolid, Spain
Cellular Materials Laboratory CellMat
Productos bioderivados y biodegradables de bajo coste basados en almidón. Aplicación en bandejas para alimentación.
A.López-Gil, M.A. Rodriguez-Perez, J.A. De Saja.
V Jornadas de Tecnología e Innovación AlimentariaCalahorra, 25 de Abril de 2012
CellMatCellMat
ÍNDICE
1-Introducción.
2-Objetivos.
3-Fabricación y caracterización de materiales de bajo coste biodegradables y bioderivados de almidón.
4-Conclusiones.
CellMatCellMat
INTRODUCCIÓN
ENVASE
MATERIALES ENVASE
PAPEL/CARTÓN VIDRIO PLÁSTICOMETAL
• Protección física.• Conservar propiedades organolépticas.• Hacer atractivo el producto.• Información del producto.
CellMatCellMat
INTRODUCCIÓN
Los envases acaparan el 39% de la producción europea de plásticos.
(1) PLASTICS EUROPE
(1) (1)
CellMatCellMat
INTRODUCCIÓN
Ligero aumento europeo de las tasas de reciclado
Excesiva diferencia entre la producción de desechos plásticos y reciclado.
Reciclado en Europa (2)
Producción, residuos y reciclado de plásticos en Europa en 2010 (2)
(2) PLASTICS EUROPE
CellMatCellMat
EXCESIVA ACUMULACIÓN RESIDUOS PLÁSTICOS DE ORIGEN FÓSIL
Acumulación en vertederos(Landfill)
Desecho en zonas urbanas y ecosistemasterrestres y marinos
(Street and marine litter)
INTRODUCCIÓN
Disminución de los tiemposde vida útil de vertederos
Muerte de numerosas especies marinas ycostosas políticas de recogida de residuos
CellMatCellMat
INTRODUCCIÓN
SOLUCIONES
RECICLADO INCINERADO COMPOSTAJE
CellMatCellMat
Elevada diversidad de materiales en la composición de un único envase
• Diferentes tipos de polímeros y grados(HDPE, LDPE, PP, PS etc.).
• Aditivos: Cargas, colorantes, ayudantes de proceso, plastificantes etc.
• Materiales multicapa y recubrimientos.
INTRODUCCIÓN
SOLUCIONES
RECICLADO INCINERADO COMPOSTAJE
CellMatCellMat
INTRODUCCIÓN
SOLUCIONES
RECICLADO INCINERADO COMPOSTAJE
Material Poder calorífico (MJ/kg) (4)
Almidón 14,5-16,5Papel 16,7Madera 18Carbón 26-33PMMA 29PC 31,1PS 39,2PE 44,8
(3) PLASTICS EUROPE(4) Eastop and Croft (1996)
Reciclado y recuperación energética (3)
CellMatCellMat
RECICLADO
SOLUCIONES
INCINERADO COMPOSTAJE
La mayoría de plásticos utilizados para envasado son de origen fósil.
INTRODUCCIÓN
400 años
Mecanismos de degradación en polímeros:
1- Luz solar. Foto-oxidación2- Degradación química. Oxidación química.3- Bacterias. Degradación por microorganismos
CellMatCellMat
RECICLADO
SOLUCIONES
INCINERADO COMPOSTAJE
BIOPOLÍMEROS
INTRODUCCIÓN
CellMatCellMat
RECICLADO
SOLUCIONES
INCINERADO COMPOSTAJE
BIOPOLÍMEROS
INTRODUCCIÓN
Problemas biopolímeros:
•Pobres propiedades.•Alto coste.•Escaso desarrollo tecnológico.
CellMatCellMat
ALMIDÓN
AMILOSA
AMILOPECTINA
INTRODUCCIÓN
+
Cereales y tubérculos Almidón Nativo
Ventajas
•Abundante producción mundial.•Anualmente renovable.•Biodegradabilidad y compostabilidad.•Bajo precio (0,5-1€/kg).
DESVENTAJAS
•Elevada densidad•Pobres propiedades mecánicas (Frágil)•Fuerte caracter hidrofílico.
Almidón Termoplástico
CellMatCellMat
INVESTIGACIÓN CELLMAT
Mejorar propiedadesmecánicas
Refuerzo confibras naturales
Disminución de peso
Espumado pormicroondas
OBJETIVOS
Plastificación
CellMatCellMat
INVESTIGACIÓN CELLMAT
Mejorar propiedadesmecánicas
Refuerzo confibras naturales
Disminución de peso
Espumado pormicroondas
OBJETIVOS
Plastificación
CellMatCellMat
Matriz polimérica Almidón de Patata. Tate&Lyle
Plastificante Glicerol. Aralar Normapur
Fibras naturales Fibras de paja de cebada. Universitat Politecnica de Catalunya
Fibras de orujo de uva. Grupo Matarromera.
Fibra de paja de cebada
Fibra de orujo de uva
Almidón de Patata
Fabricación y caracterización
Materias primas
CellMatCellMat
RUTA DE FABRICACIÓN
MEZCLADO Y
PLASTIFICACIÓN
TERMOFORMADO
CARACTERIZACIÓN
MEZCLA FIBRAS
Fabricación y caracterización
CellMatCellMat
RUTA DE FABRICACIÓN
Almidón de Patata Glicerol
+
30%
MEZCLADO Y
PLASTIFICACIÓN
TERMOFORMADO
CARACTERIZACIÓN
MEZCLA FIBRAS
Fabricación y caracterización
CellMatCellMat
RUTA DE FABRICACIÓN
Almidón de Patata Glicerol
+
30%
Perfil de Temperaturas (ºC) 80-110-130-150-110ºC
Alimentación Manual
Enfriamiento Aire
MEZCLADO Y
PLASTIFICACIÓN
TERMOFORMADO
CARACTERIZACIÓN
MEZCLA FIBRAS
Fabricación y caracterización
CellMatCellMat
RUTA DE FABRICACIÓN
MEZCLADO Y
PLASTIFICACIÓN
TERMOFORMADO
CARACTERIZACIÓN
MEZCLA FIBRAS
Almidón de Patata Glicerol
+
30%
+Fibras naturales
Fabricación y caracterización
CellMatCellMat
RUTA DE FABRICACIÓN
MEZCLADO Y
PLASTIFICACIÓN
TERMOFORMADO
CARACTERIZACIÓN
MEZCLA FIBRAS
Almidón de Patata Glicerol
+
30%
+Fibras naturales
Prensa de platoscalientes
Moldes circulares
Temperatura 150 ºC
Fuerza 20 Tm
Fabricación y caracterización
CellMatCellMat
RUTA DE FABRICACIÓN
MEZCLADO Y
PLASTIFICACIÓN
TERMOFORMADO
CARACTERIZACIÓN
MEZCLA FIBRAS
Composites de TPS con fibras naturales
Formulaciones TPS(30%Glicerol)a
Cebada Uva
P 100 - -
PT1 98 2 -
PT2 95 5 -
PT3 90 10 -
PT4 85 15 -
PU1 98 - 2
PU2 95 - 5
PU3 90 - 10
PU4 85 - 15a porcentaje en peso (wt%)
Fabricación y caracterización
CellMatCellMat
Ensayos de tracción.UNE-ISO 37:2005.
TPS-Grape waste TPS-Barley Straw
0 2 4 6 8 10 12 14 16
2
3
4
5
6
7
8
TPS-Cebada TPS-Uva
Contenido en fibra (%)
Res
iste
nca
a Tr
acci
ón (M
Pa)
Fabricación y caracterización
CellMatCellMat
Fibra de orujo de uvaAltura 0,83 mm
Anchura 0,53 mm
Relación 1,57
Fibra de paja de cebadaAltura 0,25 mm
Anchura 0,01 mm
Relación 25Fibra de orujo de uva Fibra de paja de cebada
0, 53mm
0 2 4 6 8 10 12 14 16
2
3
4
5
6
7
8
TPS-Cebada TPS-Uva
Contenido en fibra (%)
Res
iste
nca
a Tr
acci
ón (M
Pa)
≈ 4
Fabricación y caracterización
CellMatCellMat
Fibra de paja de cebada
Distribución homogenea
Buena adhesión
0 2 4 6 8 10 12 14 16
2
3
4
5
6
7
8
TPS-Cebada TPS-Uva
Contenido en fibra (%)
Res
iste
nca
a Tr
acci
ón (M
Pa)
Fabricación y caracterización
≈ 4
CellMatCellMat
INVESTIGACIÓN CELLMAT
Mejorar propiedadesmecánicas
Refuerzo confibras naturales
Plastificación
1. Aumento resistencia y rigidez.2. Mantener biodegradabilidad
1. Termoplástico flexible2. Procesabilidad
Fabricación y caracterización
CellMatCellMat
INVESTIGACIÓN CELLMAT
Mejorar propiedadesmecánicas
Refuerzo confibras naturales
Plastificación
1. Aumento resistencia y rigidez.2. Mantener biodegradabilidad
1. Termoplástico flexible2. Procesabilidad
Fabricación y caracterización
4 mm
Peso: 186,2gVolumen: 133 cm3
Densidad: 1300-1400 kg/m3
4 mm
Peso: 4gVolumen: 133 cm3
Densidad: 30 kg/m3
CellMatCellMat
INVESTIGACIÓN CELLMAT
Mejorar propiedadesmecánicas
Refuerzo confibras naturales
Disminución de peso
Espumado pormicroondas
Plastificación
Fabricación y caracterización
CellMatCellMat
RUTA DE FABRICACIÓN
Molde PTFE
VENTAJAS
•Rápido y homogeneo calentamientovolumétrico.
•Agua como agente espumante
1Jiang Zhou, Jim Song, Roger Parker. Carbohydrate Polymers 69 (2007) 445-454
• Resistente a altas temperaturas (>200ºC).• Fácil desmoldeado.• Transparente a la radiación microondas.
Procesos tradicionales de espumado de almidón: Extrusión y “Baking”.
Fabricación y caracterización
MEZCLADO Y
PLASTIFICACIÓN
ESPUMADO POR
MICROONDAS1
TERMOFORMADO
HORNO MICROONDAS
MOLDE PTFE
CellMatCellMat
Objetivo espumado por radiación Microondas
Reducir densidad
1. Disminución cuadrática propiedades mecánicas.2. Perdida del agente plastificante (agua).
N=2
N=1
(*)
Espumas de TPS muy quebradizas y con poca resistencia
Evaporación agua
Sólido plástico Espuma rígida
30% agua 6% agua
Youn
g´s
Mod
ulus (
MPa
)
Density (kg/m3)
Fabricación y caracterización
CellMatCellMat
Objetivo espumado por radiación Microondas
Reducir densidad
Modificaciones en la matriz polimérica Modificaciones en la estructura celular
Modificación de las formulaciones y de los parámetros de proceso:1.Fibras naturales.2.Plastificantes con mayor estabilidad (Glicerol)
1. Disminución cuadrática propiedades mecánicas.2. Perdida del agente plastificante (agua).
Fabricación y caracterización
CellMatCellMat
Matriz polimérica Almidón de trigo. (Meritena 200). Tereos Syral
Plastificante Agua y Glicerol (Aralar Normapur)
Fibras naturales Fibras de paja de cebada. (Universitat Politecnica de Catalunya)Fibras de orujo de uva. (Matarromera Group).
Espumas de TPS.Formulaciones Almidón de trigo Agua Glicerol Cebada Uva
TPS 70 30
TPS-Cebada 70 30 5 -
TPS-Uva 70 30 5
TPS- Glicerol 70 30 10a phr
Fabricación y caracterización
CARACTERIZACIÓN
CellMatCellMat
TPS-Cebada
TPS- Uva
TPS-Glicerol
• Densidades en torno a 300kg/m3
• Modificaciones de la estructura celular
Fabricación y caracterización
CellMatCellMatTPS TPS-Uva TPS-Cebada TPS-Glicerol
0
100
200
300
400
500
600
Mod
ulo d
e Co
mpr
esión
/ De
nsida
d2
(MPa
cm6 /g
2 )
Espumas
TPS TPS-Uva TPS-Cebada TPS-Glicerol0
5
10
15
20
25
30
35
Resis
tenc
ia a
com
pres
ión
70%
def
orm
ación
(MPa
)
Espumas
TPSUva
Solo en el caso de las espumas reforzadas con fibradeorujo de uva se consiguen espumas mas rigidas.
El Glicerol proporciona espumas mas flexibles perocon mayor densidad y menor resistencia.
Fabricación y caracterizaciónTPS
Glicerol
CellMatCellMat
TPS TPS-Uva TPS-Cebada TPS-Glicerol0
5
10
15
20
25
30
35
Resis
tenc
ia a
com
pres
ión
70%
def
orm
ación
(MPa
)
Espumas
TPS TPS-Uva TPS-Cebada TPS-Glicerol0
100
200
300
400
500
600
Mod
ulo d
e Co
mpr
esión
/ De
nsida
d2
(MPa
cm6 /g
2 )
Espumas
TPSUva
Solo en el caso de las espumas reforzadas con fibrade orujo de uva se consiguen espumas mas rigidas.
El Glicerol proporciona espumas mas flexibles perocon mayor densidad y menor resistencia.
Evaporación agua
Sólido plástico Espuma rígida
30% agua10% glicerol
6% agua10%
glicerol
30% agua 6% agua
Evaporación agua
Sólido plástico Espuma plástica
Fabricación y caracterizaciónTPS
Glicerol
CellMatCellMat
4 mm
Weight: 186,2gVolumen: 133 cm3
Densidad: 1300-1400 kg/m3
4 mm
Peso: 4gVolumen: 133 cm3
Densidad: 30 kg/m3
BANDEJA XPS BANDEJA TPS SÓLIDA
Fabricación y caracterización
BANDEJA XPSMaterias primas % Costes (€/kg)
XPS 93,6 1,5
Isobutano 6 1,2
Talco 0,4 1,68
Bandeja TPSMaterias primas Costes (€/kg)
Almidón 0.6
Evaluación económica
CellMatCellMat
4 mm
Weight: 186,2gVolumen: 133 cm3
Densidad: 1300-1400 kg/m3
4 mm
Peso: 4gVolumen: 133 cm3
Densidad: 30 kg/m3
BANDEJA XPS BANDEJA TPS SÓLIDA
4 mm
Weight: 40gVolumen: 133 cm3
Densidad: 300 kg/m3
BANDEJA TPS ESPUMADA
Fabricación y caracterización
Evaluación económica
CellMatCellMat
4 mm
Weight: 186,2gVolumen: 133 cm3
Densidad: 1300-1400 kg/m3
4 mm
Peso: 4gVolumen: 133 cm3
Densidad: 30 kg/m3
BANDEJA XPS BANDEJA TPS SÓLIDA
BANDEJA TPS ESPUMADACON FIBRAS
1 mm
Weight: 10gVolume: 33 cm3
Density: 300 kg/m3
TPS TPS-Uva TPS-Cebada TPS-Glicerol0
100
200
300
400
500
600
Mod
ulo d
e Co
mpr
esión
/ De
nsida
d2
(MPa
cm6 /g
2 )
Espumas
≈4
Fabricación y caracterización
Evaluación económica
CellMatCellMat
Conclusiones
1. Obtención de materiales bioderivados y biodegradables basados en almidón termoplástico.
2. Reducción drástica de densidad gracias a una tecnología novedosa como es el espumado por radiación microondas.
3. Mejora de las propiedades finales gracias al empleo de fibras lignocelulósicas naturales y de distintos tipos de agentes plastificantes.
4. Productos con coste asumible en el mercado
CellMatCellMat
Cellular Materials Laboratory CellMat
Agradecimientos:
-MICINN y programa FEDER.-ACTIBIOPACK. Subprograma INNPACTO 2011.-Programa FPI. (MAT2009-14001-C02-01).
V Jornadas de Tecnología e Innovación AlimentariaCalahorra, 25 de Abril de 2012
Muchas gracias por la atención prestada!
www.cellmat.es