Development of high-performance recyclable films for food packaging

Abstract

Algumas embalagens de plástico para produtos alimentares permitem o aumento do prazo de validade dos alimentos, diminuindo o seu desperdício e tornando-os mais acessíveis a toda a população. Estas embalagens, de um modo geral, combinam diferentes tipos de materiais em filmes coextrudidos ou laminados, permitindo assim melhorar as propriedades estéticas e funcionais (mecânicas e/ou de barreira), mas dificultando a reciclabilidade das mesmas. Uma estratégia para diminuir a utilização de diferentes materiais numa embalagem sem perda de propriedades poderá ser a incorporação de micro e nanopartículas (nanoargilas (NC), microcristais de celulose (MCC), nanocristais de celulose (CNC), nanopartículas de dióxido de silício (SiO2)) no filme plástico. Com este objetivo foram realizados dois estudos, um com uma matriz de polietileno de baixa densidade (LDPE) e o outro com matriz de etileno vinil álcool (EVOH), onde foram produzidos diferentes micro e nanocompósitos e correspondentes filmes, procedendo à composição por extrusão e à extrusão de filme tubular, respetivamente. O desempenho destes filmes foi analisado através de uma caracterização abrangente com especial foco nas propriedades barreira e mecânicas. Para além desta análise, foi estudada a incorporação de plástico recuperado de sobras e aparas de produção industrial de filmes multi-material, em filmes de base em LDPE virgem e avaliado o seu comportamento quando sujeito a vários ciclos de reprocessamento (numa tentativa de simulação de reciclagem termomecânica). Estes filmes foram também submetidos a uma caracterização de largo espetro, com foco nas propriedades mecânicas e óticas. Concisamente, os resultados dos três diferentes estudos reportados neste trabalho revelaram que: a dispersão de NC numa matriz de LDPE e a barreira ao oxigénio do filme resultante melhoram com a incorporação de Polietileno enxertado com anidrido maleico (PE-g-MA); a incorporação de 0, 5 wt.% NC e 1,0 wt.% MCC numa matriz de EVOH diminui os valores de taxa de transmissão ao oxigénio (OTR) sem condicionar a boa visibilidade dos produtos na embalagem; apesar de o LDPE e o EVOH serem materiais incompatíveis, o reprocessamento dos grânulos provenientes de filmes multicamada contendo estes materiais, e a sua mistura com LDPE, não afetou negativamente a produção de filme e as suas propriedades em relação ao LDPE virgem. No geral, a incorporação de NC e MCC melhora as propriedades barreira do polímero virgem e a incorporação de plástico reciclado (de fontes rastreáveis) numa embalagem alimentar prova ser uma estratégia viável com vista à sustentabilidade.

The primary goal of plastic packaging for food products is to extend the shelf life of packaged foods, thereby reducing food waste and making this type of product more accessible to the majority of the population. This type of packaging generally combines different types of materials in coextruded or laminated films, thus improving the aesthetic and functional properties (mechanical and/or barrier) of plastic films, but detrimentally affecting their recyclability. This work aims to explore the incorporation of micro and nanoparticles (nanoclays (NC), cellulose microcrystals (MCC), cellulose nanocrystals (CNC), silicon dioxide nanoparticles (SiO2)) in plastic films as a strategy to reduce the use of different materials in packaging. Therefore, two studies were carried out, one with a low-density polyethylene (LDPE) matrix and another with an ethylene vinyl alcohol (EVOH) matrix, where different micro and nanocomposites and corresponding films were produced, by extrusion compounding and blown film extrusion, respectively. The performance of these films was analyzed through a comprehensive characterization with a special focus on the barrier properties. Additionally, the possibility of incorporating recycled plastic material (from leftovers, second quality and scraps from the industrial production of multi-material films) into films with virgin LDPE base was studied, and its behavior when subjected to several reprocessing cycles (in an attempt to simulate thermomechanical recycling) was assessed. These films were also subjected to a broad-spectrum characterization, with a focus on mechanical and optical properties. Concisely, the results of the three different studies reported in this work revealed that: NC dispersion in a LDPE matrix improves, and oxygen permeability of the resulting film decreases, with the incorporation of Polyethylene grafted with maleic anhydride (PE-g-MA) compatibilizer; the incorporation of 0.5 wt.% NC and 1.0 wt.% MCC in an EVOH matrix reduces the oxygen transmission rate (OTR) without affecting the visibility of food products in the packaging; furthermore, despite the incompatibility of LDPE and EVOH, reprocessing of granules from multilayer films incorporating these two materials and their blend with LDPE did not have a negative impact on film production or their properties when compared to the corresponding LDPE virgin film. In general, the incorporation of NC and MCC improves the barrier properties of the virgin polymer and the incorporation of recycled material (from traceable sources) in food packaging showed to be a viable strategy towards sustainability.