UNIVERSIDAD DE COSTA RICAFACULTAD DE INGENIERÍA

ESCUELA DE INGENIERÍA QUÍMICA

Ingeniería de los MaterialesIQ-0415

Prof. Ing. Marco Villegas Primer Examen Parcial

“Propuesta para la elección de un material polimérico para la elaboración de una bolsa para empaque de alimentos al vacío”

Eric E. Baizán ArtaviaA60672

Abstract

The main goal of this project is to determine the more appropriate material to manufacture

a bag for vacuum packaging. The three polymeric materials that were pre-selected are:

LDPE, HDPE and PP. There are many aspects to consider, for example the porosity,

flexibility, the strength, and stress of the material, the scratch resistance, and others. The

selected material is a thermoplastic polymer. The option chosen was made with a selection

matrix, in which the polypropylene obtained the highest scores. This polymer is very

flexible and has a little permeability to different vapors, which guarantees the conservation

of the food.

Resumen

El presente trabajo tiene la finalidad de elegir el material polimérico más apropiado para la

elaboración de empaques al vacío para alimentos. Los polímeros que se pre-seleccionaron

fueron el polietileno de baja densidad (LDPE), de alta densidad (HDPE) y el polipropileno

(PP). Los aspectos a tomar en cuenta son la flexibilidad y mínima permeabilidad (que son

los más importantes), el costo, la toxicidad, la resistencia tensil, y a rasgaduras. Para

realizar la elección definitiva, se utilizó un matriz de selección, en la que el PP obtuvo los

mejores resultados. El PP es un polímero de buena flexibilidad, mínimoa porosidad, lo que

impide el ingreso de vapores u oxígeno que atenten contra la inocuidad de los alimentos;

también tiene una resistencia considerable y es de bajo costo.

1

INTRODUCCIÓN

El objetivo del presente trabajo es

proponer el material polimérico más

adecuado para la elaboración de bolsas

para empaque al vacío para alimentos. Se

debe tener presente que como el fin de la

bolsa es el empaque al vacío, esta debe

cumplir ciertos requisitos específicos. La

bolsa debe ser de un material flexible,

para que sea ajustable al alimento;

asimismo debe tener cierta tenacidad, y

por lo tanto ser resistente a rasgaduras;

también es importante que el material no

sea muy poroso o que tenga poca

permeabilidad, para que impida el ingreso

de aire, incluyendo humedad, olores,

entre otros; al producto. También esta

propiedad impide que se pierda la

humedad y sabor del producto. Las

anteriores características ser refieren sólo

a las propiedades físicas y mecánicas de

la bolsa.

Por otro lado, el termoplásitco debe ser

económico y fácilmente procesable y

manejable. En el primer aspecto se toma

en cuenta la materia prima, o sea el

monómero o monómeros si fuese un

copolímero. La procesabilidad y

manejabilidad se refieren a qué tan fácil

es producir los polímeros a nivel

industrial, por moldeo por inyección,

moldeo por soplado, calandrado, entre

otros. Para la elección del plástico a

utilizar se realizará una matriz de

selección, en donde se debatirá entre tres

materiales distintos.

MATERIALES POLIMÉRICOS QUE

CUMPLE CON EL PROPÓSITO

Los materiales termoplásticos que

cumplen con los requisitos necesarios

para la bolsa son:

LDPE. Polietileno de baja

densidad.

HDPE. Polietileno de alta

densidad.

PP. Polipropileno.

Dichos materiales tiene características en

común, tienen una baja densidad relativa,

lo que los hace materiales ligeros y aptos

para la realización de bolsas. Tienen

módulos similares, tienen ductilidad

similar, dureza similar, resistencia tensil

[Grassinno, 1996], elongación y poca

permeabilidad. En general es difícil

encontrar fuentes que comparen

exclusivamente los polímeros elegidos.

2

DESCRIPCIÓN DE LOS

MATERIALES POLIMÉRICOS

LDPE

El polipropileno es un polímero que se

deriva del etileno, el cual es el monómero

del mismo. Entre los polímeros se

clasifica como un termoplástico, puesto

que puede ser moldeado, o sea cuando se

sobrepasa su temperatura de transición

vítrea puede deformarse y ser moldeado,

al enfriarse puede retomar su dureza. El

polietileno de baja densidad, es un

polímero lineal, su estructura es

semicristalina, o sea en ciertas partes es

cristalino, y en otras es amorfo.

El polietileno puede ser producido, a altas

presiones o bajas. Inicialmente, se

empezó a producir a presiones de

aproximadamente 1000 atm [Golding,

1959]. En años posteriores alrededor de

los 70’s se utilizaron catalizadores,

gracias a las investigaciones de Karl

Ziegler y Giulio Natta, que dieron origen

a la proceso Ziegler-Natta. El proceso

Ziegler-Natta, utiliza una suspensión de

trietil aluminio y tetracloruro de titanio,

en un aceite alifática a presión

atmosférica y aproximadamente a 60 °C.

Bajo esas condiciones el costo de

producción es mucho menor.

Figura 1 Estructura en 2D, del

monómero del polietileno.

Las fuentes de etileno, son diversas. Por

ejemplo, este puede obtenerse a partir de

los subproductos obtenidos mediante el

craqueo catalítico del petróleo [Golding,

1959]. Asimismo otro método de

obtención de etileno, que vale recalcar es

muy utilizado es el craqueo térmico de las

reservas de etano, propano, butano y

nafta. Entre otros métodos se pueden

mencionar la oxidación parcial de etano y

la hidrogenación del acetileno. Estos

últimos no son muy favorables

económicamente, no obstante si se cuenta

con una gran fuente de acetileno, por

ejemplo, se puede aprovechar el mismo

como materia prima para la obtención del

acetileno. Se puede mencionar también la

reacción de Fischer-Tropsch, que consiste

en la reducción catalítica de monóxido de

carbono con hidrógeno; y la

descomposición del diazometano.

[Golding, 1959]

3

Las características del polietileno que lo

hacen apto para la elaboración de films y

láminas, son la flexibilidad, la alta

tenacidad, la baja densidad, la resistencia

a cortes y a ataques químicos. No

obstante tiene un punto débil que es muy

permeable para con el oxígeno y con

vapores orgánicos, pero no al vapor de

agua, debido a su humedad intrínseca

[Rodríguez, 2003].

HDPE

Este tipo de polietileno se obtiene a partir

de las técnicas de manufactura, no hay

cambios en la estructura química. Es

importante mencionar que es obtenido a

partir de procesos de baja presión como el

Ziegler-Nata. Dichos procesos producen

polietileno con gravedades específicas

entre 0,93-0,96; mientras que con las

métodos convencionales se obtienen

densidades de entre 0,91-0,94 [Golding,

1959].

Cabe mencionar que el HDPE es más

rígido que el LDPE, lo cual no es

favorable para el tipo de material que se

está buscando.

En cuanto a la procesabilidad que se está

buscando, se sabe que el polietileno no es

bueno para el calandrado y la extrusión,

debido al poco ámbito de temperatura en

que el material tiene la plasiticidad

óptima [Rodríguez, 2003], lo que se

utiliza con más frecuencias es el moldeo

por soplado.

Otro punto en contra del polietileno en

general, aunado a lo mencionado líneas

atrás, es la falta de transparencia

completa, y la inflamabilidad. Asimismo

el polietileno tiene una estabilidad

moderada a condiciones de intemperie, y

aunque un alimento empacado al vacío

generalmente estará bajo refrigeración,

este es un punto muy en contra del

polietileno.

Polipropileno

El polipropileno es un polímero obtenido

a partir del propileno, se obtiene al igual

que el PE mediante una reacción de

polimerización por adición. Es un

termoplástico y es parcialmente cristalino.

La reacción generalizada de

polimerización se aprecia acontinuación.

(1)

4

Entre las fuentes de polipropileno se

pueden mencionar el high-temperature

cracking de las reservas de petróleo y del

propano. En general es sabido que el

propileno es más barato que el etileno, lo

que le da más puntaje para ser el material

seleccionado.

Se debe recalcar que este tipo de olefinas

son 1-sustituidas, y cuando se da la

reacción de polimerización, el metilo

puede acomodarse de diferentes maneras,

a esto se le llama tacticidad polimérica.

Así el PP puede tener una secuencia

regular (isotáctico), puede tener

configuración estérica alternada

(sindiotáctico) o puede ser tener un orden

aleatorio de acomodo (atáctico). En las

figuras adjuntas se aprecian los

respectivos tipos.

Figura 2 Polipropileno isotáctico.

Figura 3 Polipropileno sindiotáctico.

Figura 4 Polipropileno atáctico.

Es necesario resaltar que el isotáctico es

el polímero más usado comercialmente.

Debido a su distribución regular posee

una alta cristalinidad, lo que le da una

mayor resistencia. Cuando se tiene una

distribución aleatoria se dificulta el

empaquetamiento molecular del polímero,

y por eso no se utilizan los tipos atácticos

ni sindiotácticos. Los polipropilenos con

distribución aleatoria se obtienen

generalmente de los procesos a altas

presiones [Rodríguez, 2003].

En lo que respecta a la formación de PP,

anteriormente se utilizaban catalizadores

sólidos, como el óxido de cromo.

También se utilizan catalizadores de

titanio, vanadio y zirconio. Con estos

catalizadores se obtiene PP isotáctico,

esto porque los catalizadores sólidos se

enlazan con las cadenas poliméricas

iniciales, esto hace que las moléculas

adsorbidas sean presentadas siempre en

5

una orientación definida al polimerizarse.

Dicha polimerización es aniónica

[Rodríguez, 2003].

Actualmente se utilizan otros

catalizadores como el Ziegler-Natta y los

metalocenos. En lo que concierne al papel

de los metalocenos, se puede mencionar

que estos cumplen un papel de

estabilizadores estereoquímicos. Un

metaloceno muy utilizado es, por

ejemplo, el bis-cloroziconoceno, este

catalizador consta de un ion, estabilizado

entre dos aniones, el Zr+4, es estabilizado

entre dos aniones ciclopentadienilos – los

cuales al tornarse aromáticos adquieren

una mayor estabilidad – estos aniones

tienen carga -1 y estabilizan al Zr

coordinándose con él. Eso le concede al

Zr una estabilidad pero momentánea, es

entonces cuando entra en juego el

propileno, que se acerca al zirconio por el

lado opuesto al sustituyente metilo. Eso

hace que haya una estereoquímica

específica y permite obtener PP

isotáctico. Finalmente mediante un

movimiento de electrones el propileno

queda totalmente enlazado al Zr,

necesitando este coordinarse de nuevo,

puesto que siempre permanece con una

carga parcial δ+, y así sucesivamente es

como se da el proceso de polimerización.

Figura 5 Ejemplo de una reacción de

polimerización catalizada con

metalocenos [Grassinno, 1996].

En lo pertinente al catalizador Ziegler-

Natta, éste también favorece una

orientación estereoespecífica del

polímero. En esta reacción el papel

importante lo cumple el titanio. El

tricloruro de titanio se coordina con una

molécula entrante de propileno, que se

acerca con el metilo en dirección opuesta

por el impedimento estérico de la parte

que contiene el aluminio. Después de esa

coordinación se da una migración de

electrones y el aluminio que acomplejado

con el carbono del monómero recién

entrante, luego el Ti necesitará

coordinarse nuevamente, y así

6

sucesivamente se da la polimerización. En

la figura adjunta se aprecia mejor lo

explicado.

Figura 6 Ejemplo de la polimerización

catalizada con Ziegler-Natta [Grassinno,

1996].

Por otro lado las propiedades del

polipropileno que le favorecen como

material a elegir son: su flexibilidad, la

cual es mayor que la del polietileno;

estructura altamente cristalina, lo que le

da una temperatura de transición vítrea

mayor (por lo que es más procesable

mediante calandrado y extrusión).

Asimismo posee alta resistencia tensil,

alta resistencia a los solventes y no tiene

esa capa de humedad que le da el aspecto

brillante al polietileno, por lo tanto es

menos poroso y permeable que el PE.

Dicho ámbito mayor de la temperatura de

transición vítrea, permite que los

productos moldeados sean más

resistentes, duros y por ende con mayor

resistencia a las rasgaduras, esto

relacionado con el LDPE, e inclusive

HDPE.

Como se ha venido mencionando el

proceso de fabricación de las bolsas es

mediante calandras. El calandrado es un

proceso de manufactura en donde se

inserta una masa del compuesto a una

serie de rodillos, los cuales se encargan de

hacer las películas o láminas.

Generalmente se mezclan los plásticos –

por ejemplo en un Banbury, o pueden

venir de un extrusor – y se calientan,

luego el plástico se hace pasar por los

rodillos (pueden estar calientes para

trabajar a una temperatura determinada),

finalmente es enfriado. Este último paso

es muy importante para las propiedades

finales del material [Rodríguez, 2003]. El

calandrado es un proceso más rápido que

el moldeo por extrusión, aunque es más

caro.

7

Generalmente es difícil conseguir fuentes

fidedignas para los precios de la

producción por lo tanto se hace referencia

sólo a la materia prima. En general el

propileno es más barato que el etileno, y

el precio del mismo (para el período del

2006) ronda los $(1,10±0,9) USD/kg. No

obstante se debe hacer hincapié en que el

precio varía según las materias primas,

que para el caso en estudio (PE y PP) son

el petróleo y el gas natural. Debe tomarse

en cuenta también la disponibilidad de

dicha materia, por ejemplo si se ocupa gas

natural, se requiere de un gaseoducto, y

en general aumentan un poco los costos

de transporte. El precio del petróleo juega

un papel preponderante también [Quijada,

2006].

MATRIZ DE SELECCIÓN

Cuadro1 Matriz de selección para el

material polimérica a utilizar en la

elaboración de la bolsa.

Material

es

Costo

Propiedades aptas

para el proceso

Procesabilidad

Toxicidad

LDPE

3 3 3 2

HDPE

2 4 3 2

PP 1 1 2 3

Para la matriz de selección se deben

establecer diferentes niveles, para así

tomar la decisión más acertada.

Costo

1: El material es el más barato de todos,

en cuanto a la materia prima.

2: El monómero tiene un precio

intermedio.

3: El costo de la materia prima es el más

elevado.

Resistencia

1: El material polimérico tiene la menor

permeabilidad y la mejor flexibilidad.

Además tiene otras propiedades

importantes a su favor.

2: Este polímero tiene poca

permeabilidad, pero no es tan flexible, ni

resistente.

3: El material tiene buena flexibilidad y

resistencia, sin embargo es permeable

frente a diferentes vapores. La

flexibilidad no es tan alta como la del

material 1.

8

4: Este material, no es tan flexible, más

bien tiene una dureza mayor a la

clasificación 3, y es poroso.

5: Esta es la clasificación para el

polímero menos apto para el proceso que

se requiere. Poca ductilidad, inestable a

condiciones intemperie, inestable ante

diferentes solventes.

Procesabilidad

1: Este material es fácilmente manejable

y procesable, se puede moldear por

extrusión y calandrado, inclusive se puede

utilizar el soplado, para otras

aplicaciones. La reacción de

polimerización procede me manera fácil y

rápida.

2: La materia prima es difícil de

transportar. No obstante se puede

procesar fácilmente para la elaboración de

películas y láminas, mediante el moldeo

por cualquier método. La polimerización

se da fácilmente.

3: El material no es apto para moldearse

por calandrado y extrusión. Sin embargo

la polimerización se da de manera rápida

y fácil.

4: Este material polimérico se puede

obtener fácilmente mediante una

reacción. Pero es inestable y se dificulta

su procesamiento y manejo a nivel

industrial.

5: Este material no es apto para manejarse

y procesarse, y además se dificulta su

obtención mediante una polimerización

Toxicidad

1: El material no tiene ninguna

peligrosidad tóxica, puede ser ingerido

sin ningún daño secundario. No causa

daños al medio ambiente y puede ser

reciclada.

2: El material no es carcinógeno, pero

afecta las vías respiratorias, impidiendo

un adecuado ingreso de oxígeno a los

pulmones. No es contaminante y se

recicla.

3: El polímero puede irritar los ojos. El

vapor del proceso irrita las vías

respiratorias. La sustancia no es

cancerígena. No es dañino para el medio

ambiente.

4: La sustancias causa quemaduras, es

carcinógena. Es altamente tóxica si s

9

ingiere o inhala, provocando la muerte.

No puede ser reutilizado.

Lo que se debe hacer ahora es tomar la

decisión. No hay mucho que comentar

puesto que en la descripción de los

materiales se indican muchas de sus

propiedades y se recalca cuando son

favorables y cuando no. Nótese que el PP

tiene lo valores más favorables de costo y

propiedades. Aunque no se puede tratar

por mucho métodos de moldeado, basta

con que se puedan hacer películas y

láminas mediante el calandrado. En lo

que respecta a la toxicidad se puede decir

que aunque irrita los ojos y las vías

respiratorias, esto es cuando se encuentra

como vapor, una vez que se ha

polimerizado no hay problema alguno. Se

debe recordar que el PP no permite el

ingreso de sustancias o vapores por medio

de la permeabilidad lo que asegura que el

alimento se conserve de la mejor manera,

que es lo que importa al fin. Un aspecto

que no se puede obviar es que al polímero

se le pueden adicionar antioxidantes, el

PP tiene a oxidarse con mayor facilidad

que el polietileno, una antioxidante que se

puede utilizar para dicho polímero es el

1,3,5-tris-(3,5 ditert butil-4-

hidroxibencil)-isocianurato [Sánchez,

1992]. A continuación se muestra un

cuadro de valores en los cuales se aprecia

las propiedades favorables del PP.

Asimismo para decidir que material es

más apto se utilizaron las gráficas del

Handbook [ASM-Handbook]. En ellas se

ratifica las propiedades listadas a

continuación y se comparan gráficamente

para PP, LDPE y HDPE.

Cuadro 2 Propiedades típicas de

polímeros usados para el moldeo y la

extrusión. [Rodríguez, 2003]

Propiedad HDPE LDPE PPGravedad Específica

0.94-0.965

0.91-0.925

0.90-0.91

Elongación%

20-130 90-800100-600

Resistencia Tensil(GPa)

20-40 4-1630-40

Módulo de Tensión(GPa)

0.4-1.20.10-0.25

1.1-1.6

Resistencia a la Flexión

(MPa)7 ------

40-55

Módulo de Flexibilidad

(MPa)0.7-1.8

0.06-0.4

1.2-1.7

Resistencia a la

Compresión(MPa)

20-35 ------35-55

Temperatura de Deflexión a

0.45 MPa(°C)

60-88 38-49225-250

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REFERENCIAS

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precios del PP.

http://www.ambienteplastico.com/art

man/publish/article_545.php. Revista

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Extraído el 12 de octubre del 2009.

Golding, B. (1959). Polymers and

Resins. 1ra edición. Van Nostrand

Company: New York, USA.

ASM-Metals Handbook. Materials

Selection & Design. Capt. 21.

Rodríguez,F. et al. (2003). Principles

of Polymer Systems. 5th edición.

Taylor & Francis Group: New York,

USA.

Grassino, S. (1996). Universidad

Nacional de Córdoba, Argentina.

Macrogalería: El maravillso mundo

de los polímeros.

http://www.pslc.ws/spanish/index.htm

. Argentina. Extraído el 12 de octubre

del 2009.

Sánchez, S. (1992). Aditivos para

Materiales Plásticos. 1ra edición.

Editorial Limusa: México.

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