PROYECTO FONDEF DE INVESTIGACIÓN Y DESARROLLO
INFORME FINAL
TITULO DEL PROYECTO: DESARROLLO Y APLICACIONES DE NUEVOS NANOCOMPUESTOS TERMOPLÁSTICOS
CÓDIGO DEL PROYECTO: D05I10383 FECHA DE EMISION: 14/03/2011
FIRMA DEL (DE LA) DIRECTOR(A) DEL PROYECTO BERNABE LUIS RIVAS QUIROZ
I. Acta De Término Del Proyecto
1.1 Identificación del proyecto
TITULO DEL PROYECTO DESARROLLO Y APLICACIONES DE NUEVOS NANOCOMPUESTOS TERMOPLÁSTICOS
CÓDIGO FONDEF D05I10383
DIRECTOR(A) DEL
PROYECTO BERNABE LUIS RIVAS QUIROZ
INSTITUCIÓN(ES)
BENEFICIARIA(S) UNIVERSIDAD DE CONCEPCION
EMPRESA Y OTRAS ENTIDADES ASOCIADAS
FABRICA DE ENVASES FOSKO S.A.
PETROQUÍM S.A.
TERMOMATRICES S.A.
PROYECTOS PLASTICOS EIRL
1.2 Ejecución del proyecto FECHA DE TOMA DE RAZON POR LA CONTRALORÍA GENERAL DE LA REPÚBLICA
19/12/2006
DURACIÓN CONTRACTUAL 36
FECHA EFECTIVA DE INICIO 02/01/2007 FECHA EFECTIVA DE
TÉRMINO 30/11/2010
DURACIÓN EFECTIVA 46
1.3 Plan de Continuidad
Nombre Institución Beneficiaria Nombre Representante Legal Firma UNIVERSIDAD DE CONCEPCION SERGIO ALFONSO LAVANCHY
MERINO Firma Electrónica
1.4 Tabla de Conformidad
Nombre Institución Empresa u Otra
Entidad Socia Nombre Representante Legal Documento conformidad FABRICA DE ENVASES FOSKO
S.A.
PETROQUÍM S.A.
TERMOMATRICES S.A.
PROYECTOS PLASTICOS EIRL
II. Informe Ejecutivo
2.1 Resumen Ejecutivo Versión en Castellano
El polipropileno es uno de los polímeros más utilizados en la industria del envase y embalaje, debido a sus múltiples ventajas; entre las que se encuentran: bajo costo, facilidad de procesado, buenas propiedades físicas, bajo peso e inocuidad frente a alimentos. Sin embargo, su uso es restringido, debido a sus pobres propiedades barreras a ciertos gases como el oxígeno y el dióxido de carbono, que limita la vida útil del producto envasado. Las soluciones disponibles en el mercado, para enfrentar el desafío de las pobres propiedades barreras de los plásticos presentan en general, una serie de desventajas como: opacidad, límites en su resistencia mecánica y un elevado costo. Específicamente en el caso del polipropileno, se ha desarrollado la tecnología polipropileno biorientado. Aunque con la bi orientación se logran mejoras en las propiedades ópticas, mecánicas y de barrera al vapor de agua, aún no se alcanzan valores de permeabilidad al oxígeno comparables a otros plásticos derivados de la industria petroquímica, como el politereftalato de etileno (PET) y las poliamidas. Este hecho ha suscitado la necesidad de desarrollar nuevos materiales y/o elaborar materiales compuestos a partir del polipropileno como matriz polimérica con propiedades barreras al oxígeno mejoradas. Desarrollar un material con propiedades barreras en base a polipropileno y arcillas modificadas, considerando requerimientos técnicos, económicos y de mercado. Este material debe presentar un adecuado desempeño en envases con propiedades barreras para alimentos perecibles. En la elaboración del material en base a polipropileno y arcillas modificadas se han tomado en consideración diversas variables tales como: tipo de arcilla modificada y agente compatibilizante, condiciones de procesamiento, método de mezclado y configuración del husillo, por citar algunos ejemplos. Ajustando las variables antes mencionadas se logró desarrollar un material compuesto que presenta una buena distribución y dispersión de las láminas de arcilla en la matriz de polipropileno, lo que garantiza una homogeneidad en el incremento de las propiedades mecánicas y barreras del material. El material compuesto desarrollado se produce en forma de pellets y es recomendado para moldeo por inyección de piezas de mediano espesor de pared, fundamentalmente para alimentos perecibles por oxidación. En el proceso de inyección se sugiere trabajar con temperaturas inferiores a los 190°C, para prevenir la degradación de los modificadores orgánicos de las arcillas. 1 Las propiedades típicas no constituyen una especificación del producto. Se ha desarrolló un material para la fabricación de materiales compuestos en base a polipropileno y arcillas modificadas mediante extrusión, lográndose una dispersión y distribución homogénea de las láminas de arcilla en la matriz polimérica y un aumento en las propiedades barreras y mecánicas del material. Este material se puede emplear para la fabricación de envases para alimentos grasos, debido a que presentara niveles de migración en simulante etanol al 95%, inferior al límite establecido por MERCOSUR GMC Nº 32/10, lo que permite su utilización en contacto con alimentos clasificados en la resolución GMC Nº 30/92 “Envases y Equipamientos Plásticos en Contacto con alimentos: Clasificación de Alimentos y Simulantes” del tipo D que corresponde a los alimentos grasos, a temperatura ambiente o menor.
Versión en Ingles
Polypropylene is one of the most used polymers in the bottling and packaging industry due to its many advantages, among which are: low cost, ease of processing, good physical properties, low weight and harmlessness with regard to food. However, its use is restricted due to the poor barrier properties to certain gases such as oxygen and carbon dioxide, which limits the lifetime of the packing product. The solutions
available in the market, to meet the challenge of the poor barrier properties of plastics, present in general a number of disadvantages such as: opacity, limits on its mechanical strength and high cost. Specifically, in the case of the polypropylene, the biaxially oriented polypropylene technology has been developed. Although, with the bi-orientation, improvements are achieved in the optical, mechanical and water vapor barrier properties, permeability values of oxygen have not been yet reached comparable to other plastics derived from the petrochemical industry such as polyethylene terephthalate (PET) and polyamides. This fact has created the need to develop new materials and/or prepare composite materials from polypropylene such as the polymer matrix with enhanced oxygen barrier properties. Develop a material with barrier properties based on polypropylene and modified clays, considering the technical, economic and market requirements. This material should present an adequate performance in the packaging with barrier properties for perishable food. During the elaboration of the material based on polypropylene and modified clays, several variables have been taken into consideration such as: type of modified clay and coupling agent, processing conditions, mixing method and screw configuration. Adjusting the variables mentioned above, a composite material was developed that has a good distribution and dispersion of the clay layers in the matrix of polypropylene, which ensures a homogeneity in the increase of the mechanical and barrier properties of the material. The developed composite material is produced in the form of pellets and is recommended for the injection molding of pieces of medium wall thickness, mainly for perishable food by oxidation. In the injection process, it is suggested to work at temperatures below 190°C, to prevent the degradation of the organic modifiers of clays. A material has been developed for the manufacture of composite materials based on polypropylene and modified clays by extrusion, achieving a homogeneous distribution and dispersion of the clay layers in the polymer matrix and an increase in the barrier and mechanical properties of the material.
2.2 Cuadro De Sintesis de Resultados y Objetivos
Objetivos Generales
Nombre Objetivo OBJETIVO GENERAL 1
Descripción Desarrollar una tecnología para preparar y caracterizar nanocompuestos, en base a polipropileno.
Nombre Objetivo OBJETIVO GENERAL 2
Descripción Fabricar productos comerciales con nanocompuestos de forma demostrativa y evaluar su comportamiento
Objetivos Específicos
Nombre Objetivo OBJETIVO ESPECIFICO 7
Descripción Evaluar económicamente el proceso de producción de los nanocompuestos y de cada uno de los productos fabricados
Nombre Objetivo OBJETIVO ESPECIFICO 3
Descripción Establecer las metodologías de caracterización químicas, reológicas y mecánicas de los nanocompuestos
Nombre Objetivo OBJETIVO ESPECIFICO 4
Descripción
Preparar por extrusión diferentes pellets de formulaciones de
nanocumpuestos, en base a polipropileno reforzado con nanocargas, para estudiar las relaciones entre ambos componentes, el tipo de polipropileno a utilizar y las condiciones de operación
Nombre Objetivo OBJETIVO ESPECIFICO 5
Descripción
Estudiar las condiciones de inyección de diferentes formulaciones de nanocompuestos, en base a polipropileno reforzado, así como las propiedades mecánicas y de barrera de los mismos
Nombre Objetivo OBJETIVO ESPECIFICO 6
Descripción
Realizar la producción demostrativa de dos productos seleccionados y evaluar su comportamiento y aceptación por parte del mercado al cual está dirigido
Nombre Objetivo OBJETIVO ESPECIFICO 8
Descripción
Realizar la protección de la propiedad intelectual y posteriomente hacer la transferencia tecnológica de los resultados obtenidos al sector producctivo que participa como contraparte en el proyecto
RESULTADO
Tipo Resultado de Producción
Nombre TECNOLOGIA DE PREPARACION Y CARACTERIZACION DE
NANOCOMPUESTOS EN BASE A POLIPROP
Descripción Se obtendrán pellets de nanocompuesto para emplearse en la fabricación de productos moldeados por procesos de inyección y extrusión por empresas de plásticos. Sus competidores son los plásticos de ingeniería que son más costosos y no están permitidos para aplicaciones de uso masivo como la fabricación de envases de alimentos. El uso de estos pellets permitirá obtener nuevos envases con mejores propiedades de barrera, térmicas y mecánicas que el polímero de origen. Además, se obtendrán por inyección que es un proceso mas barato que los productos multicapas. estos pelletes pueden ser utilizados en diferentes áreas donde se necesiten mejorar propiedades como las mencionadas anteriormente.
Descripción del Logro
En esta etapa del proyecto se determinó cuáles eran las formulaciones óptimas y se ajustaron las variables de procesabilidad térmico-mecánicas para la
elaboración de los nanocompositos de polipropileno y arcilla. Los
nanocompuestos fueron obtenidos a través del proceso de mezclado en fundido en una extrusora co-rotatoria de doble husillo y se les determinó sus propiedades mecánicas y térmicas. Aquellas formulaciones que presentaron las mejores propiedades térmicas y mecánicas fueron escogidas para la elaboración de los envases de alimentos.
Referencia Bibliográfica
RESULTADO
Tipo Resultado de Producción
Nombre PRODUCCION DE ENVASES CON BUENAS PROPIEDADES T RMICAS Y DE
BARRERA
Descripción Se fabricarán envases utilizando los pelletes de material nanocompuesto por inyección. Estos envases serán utilizados por las empresas productoras de paté, fundamentalmente, u otras que fabriquen alimentos altamente perecibles.
Actualmente, su competidor es la tripa de colágeno o de otros materiales poliméricos y un envase plástico de importación que usa la empresa La Piara para vender sus patés. Los primeros tienen la desventaja de que son envases que proporcionan una estabilidad de un mes en el producto. Esto proporciona pérdidas cuantiosas por la necesidad de recambio frecuente. El envase plástico de La Piara proporciona mayor tiempo de duración (4 meses) pero es producido por multicapas. Esto implica que es muy caro, además, su comportamiento ante la humedad no es óptimo. La idea es que el producto en base a nanocompuesto sea más barato que su competidor y de eficiencia similar. Esto garantizaría una mayor estabilidad en los alimentos con elevado contenido de grasa, como los patés. Por lo mismo, permitiría a estas empresas exportar sus patés y conquistar nuevos mercados. A los usuarios les permitiría contar con productos de igual o mejor calidad , a precios similares, pero con mayor duración.
Descripción del Logro
Se obtuvo por inyección envases monocapa rígido para paté en la empresa Fosko Ltda, el cual presentó superiores propiedades mecánicas y una reducción del 50% en su permeabilidad al oxígeno al compararlo con su homólogo hecho de polipropileno. Además, el envase elaborado con el material nanocompuesto fue inocuo para alimentos grasos.
Referencia Bibliográfica
RESULTADO
Tipo Resultado de Producción
Nombre PRODUCCION DE LINTERNAS, PARA USO EN LA ACUICULTURA,
EMPLEANDO NANOCOMPUESTOS
Descripción Se fabricarán linternas que se emplean en la industria del cultivo de ostiones por inyección de materiales nanocompuestos. Actualmente, existe un producto japonés y un chileno que se obtienen por inyección y se venden al mismo precio.
Ambos presentan la desventaja que por su área superficial acumulan mucho
\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\"fouling\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\" durante el cultivo. Esto implica que deben ser tratados cada cierto tiempo hasta que finalmente son desechados.
Debido a la notable mejora en las propiedades mecánicas que produce el uso de nanocompuestos será posible fabricar un producto con menor área superficial y similar comportamiento. Esto permite fabricar objetos más ligeros y delgados. De esta manera, se pretende disminuir la acumulación del fouling en las jaulas y los costos por recambio o tratamiento de éste material deben disminuir también.
Para los usuarios sería más conveniente el uso de este producto porque la relación costo beneficio sería mucho mayor. Además, si el producto se vendiera al mismo precio que los anteriores se le estaría agregando valor al producto y sería posible penetrar más éste mercado por la empresa productora.
Descripción del Logro
Utilizando las variables óptimas en cuanto a procesamiento, obtenidas en la producción de pellets de material nanocompuesto para inyección de envases de paté, se prepararon varias formulaciones de nanocompositos con polipropileno reciclado y arcilla. En las dependencia de la empresa Proyectos Plásticos EIRL.
se inyectaron las linternas para el cultivo de ostiones con la formulación que presentó las mejores propiedades mecánicas y térmicas.
Referencia Bibliográfica
RESULTADO
Tipo Resultado de Protección
Nombre SOLICITUD DE PATENTE DE INVENCION para tecnologia de produccion de nanocompuesto
Descripción Se presentará una solicitud de patente de invención de la tecnología para obtener nanocompuesto y su aplicación. Dicha patente sirve para proteger los resultados del proyecto legalmente. Esta puede ser licenciada (royalty) o vendida a terceros por la institución beneficiaria. La prioridad para adquirir una licencia o la patente la tienen las empresas que participan en el proyecto.
Resultados de Producción Asociados
TECNOLOGIA DE PREPARACION Y CARACTERIZACION DE NANOCOMPUESTOS EN BASE A POLIPROP
Descripción del Logro
La solicitud de patente de invención fue presentada en la INAPI bajo el título
\"Envase monocapa termoplástico rígido útil para la preservación de alimentos grasos\" El resumen la patente es: Envase monocapa termoplástico rígido elaborado por inyección, útil para la preservación de alimentos grasos, el cual comprende a: homopolímero de polipropileno; polipropileno injertado con anhídrido maléico arcilla modificada. Este envase es inocuo para alimentos grasos y presenta elevada propiedad barrera al oxígeno. El número de la solicitud de patente chilena es 1321-2010. Se protegió sólo en Chile La protección obtenida servirá para vender el producto protegido.
RESULTADO Tipo Resultado de Transferencia y Negocios
Nombre Paquete Tecnologico Disenado
Descripción El paquete tecnológico está compuesto de las bases científicas y tecnológicas para obtener nanocompuestos en base a polipropileno, que permitan fabricar productos con propiedades térmicas, mecánicas y de barrera a gases. El documento propiamente tal estará compuesto de: memoria descriptiva de la tecnología, balances de materia, estudios de mercado y evaluaciones económicas. Están dispuestos a adquirirlo las empresas transformadoras de plástico. La prioridad la tendrá las empresas socias del proyecto.
Resultados de Producción Asociados
TECNOLOGIA DE PREPARACION Y CARACTERIZACION DE NANOCOMPUESTOS EN BASE A POLIPROP
Descripción del Logro
Se formuló el paquete tecnológico con las bases científicas y tecnológicas, que permitieron obtener nanocompuestos en base a polipropileno con mejoradas propiedades térmicas, mecánicas y de barrera a gases. El documento propiamente tal estuvo compuesto de: memoria descriptiva de la tecnología, balances de materia, estudios de mercado y evaluaciones económicas.
RESULTADO
Tipo Resultado de Producción Científica (Ex "Otros")
Nombre Publicacion ISI
Descripción Publicación en revista especialida respecto a caracterización de nuevos nanomateriales. Se asegura novedad respecto al material desarrollado.
Descripción del Logro
La publicación científica J. Chil. Chem. Soc. Título: Polypropylene/clay nanocomposites. Synthesis and characterization Resumen: Polypropylene nanocomposites were synthesized by using the method of mixing in the molten state. Nanocomposites were obtained in twin-screw co-rotating extruders and the nanocomposites were prepared with percentage of nanoclay (C2) from 5 wt-%, with and without compatibilizer agent (PP-g-MA). The thermal (DSC, TGA), morphology (XRD, TEM), and dynamical mechanical (DMA) properties of the nanocomposites were characterized. All nanocomposites prepared are in intercalated state as corroborated by XRD and TEM. The Tm and Xc were not affected by the presence of clay, PP-g-MA, or processing support. The
incorporation of clay and compatibilizer agent increases the thermal stability and heat deflection temperature (HDT).
Referencia Bibliográfica J. Chil. Chem. Soc., 55, Nº 4 (2010)
RESULTADO
Tipo Resultado de Producción Científica (Ex "Otros")
Nombre Publicacion cientifica: Nanoclay-reinforced polypropylene nanocomposites Descripción Titulo completo: Nanoclay-reinforced polypropylene nanocomposites: the effect of
clay type and of clay-masterbatch product Constribuye a la divulgación científica de nuestros resultados. Clay containing polypropylene (PP) nanocomposites were prepared by direct melt mixing in a twin screw extruder using different types of organo-modified montmorillonite and two masterbatch products, one based on pre-exfoliated clays and another based on clay-polyolefin resin. The composites with three different types of montmorillonite were prepared also with maleic anhydride-modified polypropylene (PP-g-MA). A comparative study among composites prepared with and without PP-g-MA was performed. Mechanical, thermal and processing properties were investigated as a function of the content of PP-g-MA and the processing condition in the composite prepared with two different clays, Cloisite 15A and Cloisite 20A. The morphologies of composites were characterized by X-ray diffraction (XRD), field emission gun scanning electron microscopy (FEG-SEM) and transmission electron microscopy (TEM).
The degree of dispersion of composites increased with the content of PP-g-MA, but it is not significantly influenced by processing condition. The use of
masterbatch improved moderately flexural properties compared to neat PP, however, this property increased considerably in the nanocomposites prepared with organo-modified clays and 15 wt-% of PP-g-MA. The effect of clay on melt viscosity of composite was insignificant at the shear rate ranges of 100-6000 s-1, which were simulated to the extrusion and injection molding process.
Descripción del Logro
Publicación aceptada en el Journal of Applied Polymer Science. Título:The effect of clay type and of clay-masterbatch product in the preparation of
clay/polypropylene nanocomposites Resumen: Clay containing polypropylene (PP) nanocomposites were prepared by direct melt mixing in a twin screw
extruder using different types of organo-modified montmorillonite (Cloisite 15 and Cloisite 20) and two masterbatch products, one based on pre-exfoliated clays (Nanofil SE 3000) and another one based on clay-polyolefin resin (Nanomax-PP).
Maleic anhydride-grafted polypropylene (PP-g-MA) was used as a coupling agent to improve the dispersability of organo-modified clays. The effect of clay type and clay-masterbatch product on the clay exfoliation and nanocomposite properties was investigated. The effect of PP-g-MA concentration was also considered.
Composite morphologies were characterized by X-ray diffraction (XRD), field emission gun scanning electron microscopy (FEG-SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The degree of dispersion of organo-modified clay increased with the PP-g-MA content. The thermal and mechanical properties were not affected by organo- modified clay type, although the masterbatch products did have a significant influence on thermal and mechanical properties of nanocomposites. Intercalation/exfoliation was not achieved in the Nanofil SE 3000 composite. This masterbatch product has intercalants, whose initial decomposition temperature is lower than the processing temperature (T <
180°C), indicating that their stability decreased during the process. The
Nanomax-PP composite showed higher thermal and flexural properties than pure PP.
Referencia Bibliográfica Publicación aceptada en enero 2011 en Journal of Applied Polymer Science.
RESULTADO
Tipo Resultado de Producción Científica (Ex "Otros")
Nombre Polypropylene/clay nanocomposites. Synthesis and characterization
Descripción Polypropylene nanocomposites were synthesized by using the method of mixing in the molten state. Nanocomposites were obtained in twin-screw co-rotating extruders and the nanocomposites were prepared with percentage of nanoclay (C2) from 5 wt-%, with and without compatibilizer agent (PP-g-MA). The thermal (DSC, TGA), morphology (XRD, TEM) and dynamical mechanical properties (DMA) of the nanocomposites were characterized. All nanocomposites prepared are in intercalated state as corroborated by XRD and TEM. The Tm and Xc were not affected by the presence of clay, PP-g-MA, or processing support. The incorporation of clay and compatibilizer agent increases the thermal stability and HDT.
Descripción del Logro
Publicación aceptada en el Journal of Applied Polymer Science. Título:The effect of clay type and of clay-masterbatch product in the preparation of
clay/polypropylene nanocomposites Resumen: Clay containing polypropylene (PP) nanocomposites were prepared by direct melt mixing in a twin screw
extruder using different types of organo-modified montmorillonite (Cloisite 15 and Cloisite 20) and two masterbatch products, one based on pre-exfoliated clays (Nanofil SE 3000) and another one based on clay-polyolefin resin (Nanomax-PP).
Maleic anhydride-grafted polypropylene (PP-g-MA) was used as a coupling agent to improve the dispersability of organo-modified clays. The effect of clay type and clay-masterbatch product on the clay exfoliation and nanocomposite properties was investigated. The effect of PP-g-MA concentration was also considered.
Composite morphologies were characterized by X-ray diffraction (XRD), field emission gun scanning electron microscopy (FEG-SEM) and transmission electron microscopy (TEM). The degree of dispersion of organo-modified clay increased with the PP-g-MA content. The thermal and mechanical properties were not affected by organo- modified clay type, although the masterbatch products did have a significant influence on thermal and mechanical properties of nanocomposites. Intercalation/exfoliation was not achieved in the Nanofil SE 3000 composite. This masterbatch product has intercalants, whose initial decomposition temperature is lower than the processing temperature (T <
180°C), indicating that their stability decreased during the process. The
Nanomax-PP composite showed higher thermal and flexural properties than pure PP.
Referencia Bibliográfica Publicación aceptada en enero 2011 en Journal of Applied Polymer Science.
RESULTADO
Tipo Resultado de Formación de Capacidades (Ex "Otros") Nombre Capacitacion Investigador en Fraunhofer Institut Alemania
Descripción Consiste en capacitar a un investigador del proyecto en extrusión de nanomateriales en el instituto Fraunhofer, en su filial FKuR, expertos en
fabricación de materiales compuestos, la adición de materiales lignocelulósicos a matrices plásticas y la extrusión de mezclas complejas. Adicionará expertice en mezclas complejas al equipo de investigación del proyecto.
Descripción del Logro
Lugar: Industrial Materials Institute National Research Council Canada Adiestramiento de la investigadora Saddys Rodríguez en el IMI, centro de excelencia a nivel mundial especializado en la campo de los nanocompositos termoplásticos.
RESULTADO DE PRODUCCIÓN
Categoría Cantidad Lograda
Producto 2
Proceso 1
RESULTADO DE PROTECCIÓN
Categoría Cantidad Lograda
Patente 1
RESULTADO DE TRANSFERENCIA Y NEGOCIOS
Categoría Cantidad Lograda
Paquete tecnológico diseñado 1
RESULTADO DE PRODUCCIÓN CIENTÍFICA (EX "OTROS")
Categoría Cantidad Lograda
Publicación 3
RESULTADO DE FORMACIÓN DE CAPACIDADES (EX "OTROS")
Categoría Cantidad Lograda
Capacidades profesionales desarrolladas o
fortalecidas 1
2.3 Informe financiero a la fecha de termino
Comprometido por convenio
Montos efectivamente aportados
Gastos totales del proyecto %
FONDEF 214.200.000 190.671.246 213.346.843 43,55 %
Institución(es) Beneficiaria(s)
UNIVERSIDAD DE CONCEPCION 153.320.000 0 153.320.002 31,3 %
Empresas y otras Entidades Asociadas 126.640.000 0 123.221.408 25,16 %
Totales 494.160.000 190.671.246 489.888.253 100 %
Monto Reintegrado a FONDEF (0)
Costo Final del Proyecto 489.888.253
2.4 Autoevaluación de la Ejecución del Proyecto
El(la) Representante Institucional de cada Institución Beneficiara UNIVERSIDAD DE CONCEPCION
Para la institución, el proyecto represento la consolidación de un grupo de trabajo interdisciplinario, incluso intercampus, digno de imitar: por una parte se abordo desde un punto de vista científico y a una escala de laboratorio en la Facultad de Ciencias Químicas, y la etapa tecnológica a escala piloto en la Unidad de Desarrollo Tecnológico. A nivel de productividad científica, el proyecto alcanzo 2 publicaciones ISI y una solicitud de patente de invención a nivel nacional, en INAPI titulada “Envase monocapa termoplástico rígido útil para la preservación de alimentos grasos”. Desde un punto de vista del trabajo con las empresas socias del proyecto, también se obtuvo buenos resultados: se formuló el paquete tecnológico con las bases
científicas y tecnológicas, que permitieron obtener nanocompuestos en base a polipropileno con mejoradas propiedades térmicas, mecánicas y de barrera a gases, y se visualizaron nuevos desafíos tecnológicos para lo que se propuso un nuevo proyecto. Con respecto a los resultados de producción, no se tiene evidencia en el estado del arte, de que grupos de investigación alcancen resultados mayores en cuanto a aumento en propiedad barrera al utilizar polipropileno como matriz base. Para la institución seria de gran relevancia que el grupo pudiera continuar trabajando en conjunto enfrentando nuevos desafíos para la industria del plástico.
El(la) Director(a) del proyecto
La ejecución de este proyecto tuvo varios aspectos relevantes y de contribución relevante. Este se desarrolló con la participación de dos unidades de la Universidad de Concepción, la Unidad de Desarrollo Tecnológico, UDT, de reconocida capacidad de vinculación con el sector productivo y el Departamento de Polímeros de la Facultad de Ciencias Químicas, de reconocida capacidad científica junto a tres empresas que durante el proyecto otorgaron todo el apoyo y facilidades. Contribuyó a la importante labor de formación de recursos humanos a través tesis de y trabajos de título de pregrado, formación de personal técnico, fundamentales para la obtención de resultados los cuales se han presentado en Congresos de la especialidad y enviado a revistas ISI, cuya publicación definitiva se materializará durante el año 2011, como también la solicitud de patente presentada durante el año 2010. Los investigadores tuvieron la oportunidad de realizar estadías cortas en Centros de Investigación de Excelencia como los de la Universidad Karlsruhe, Alemania y de Universidad Rio Grande do Soul, Brasil y participar activamente en la feria mundial más importante de polímeros, como es la Feria K, en Dusseldorf, Alemania. Todo ello ha generado un conocimiento y
“expertise” único en nuestra Región en el área de materiales nanocompositos, especialmente a partir de un polímero de origen petroquímico como es el polipropileno y nanoarcillas de diferentes propiedades para su uso en empaque, cuyo prototipo de empaque se llegó a obtener directamente en la Empresa Fosko Ltda.
con muy buenas propiedades de barrera al oxígeno y a la agua. Este conocimiento adquirido ha permitido la presentación de un nuevo proyecto FONDEF.
2.5 Propuesta de Continuidad de la(s) Institucion(es) Beneficiaria(s)
La propuesta de continuidad tiene directa relación con los resultados del proyecto y los impactos que éstos puedan tener, por esta razón, la propuesta de continuidad se desarrollará en el marco de los principales logros del proyecto: • El desarrollo de la tecnología para la producción de nanocompuestos de polipropileno y arcilla. Material que presenta propiedades mecánicas, térmicas y de barrera mejoradas con respecto al polipropileno. • El desarrollo de la tecnología para la producción de nanocompuestos de polipropileno reciclado y arcilla. Material que presenta propiedades mecánicas, térmicas mejoradas con respecto al polipropileno reciclado. • El desarrollo de la tecnología para la producción de envases inocuos a mediante la técnica de transformación de plástico de inyección por colada caliente. En este contexto, las acciones del Plan de Continuidad estarán direccionadas de acuerdo a lo siguiente: Transferencia Tecnológica: lograr la transferencia de los resultados del proyecto al sector productivo, lo cual permita la generación de negocios concretos. En relación a esto se espera: • Validar comercialmente la utilización del material compuesto en base a polipropileno y arcilla que aumenta la vida útil del alimento graso envasado. • Empresas transformadoras de plástico puedan generar una nueva línea de negocio mediante la fabricación y comercialización de envases inyectados con mejoradas propiedades barrera respecto a los productos actualmente ofrecidos en el mercado. • La generación de un negocio en torno a la producción y comercialización de pellet del material compuesto en base a polipropileno y arcilla. Lo anterior sería transferido a la empresa Petroquim. • Proteger los resultados del proyecto y licenciar la tecnología en términos razonablemente onerosos para la institución. Investigación y Desarrollo: potenciar esta línea de investigación con el objetivo de que los trabajos de I&D se prolonguen en el tiempo y esta tecnología pueda ser aplicada en otros sectores productivos. En relación a esto se espera: • La mantención y consolidación de las líneas de I+D asociadas al proyecto, por un plazo no inferior a 3 años. • El uso de la infraestructura y equipamiento asociados al proyecto en el apoyo a proyectos de I+D o de servicios científico-tecnológicos con alto impacto económico y social. • Un resultado positivo respecto del proyecto de continuidad,
“Desarrollo de envases para alimentos con propiedades barrera activa/pasiva basados en nanocompuestos termoplásticos”, presentado al XVIII concurso de proyectos FONDEF en el año 2010.
III. Informe De Gestión
3.1 Objetivos
3.1.1 Objetivo(s) General(es)
Nombre Objetivo OBJETIVO GENERAL 1
Descripción
Los dos objetivos generales del proyectos fueron cumplimos al 100%. A continuación se destacan los resultados más relevantes obtenidos durante la ejecución del proyecto: Ø Los materiales nanocompuestos obtenidos presentaron incrementos en la temperatura de descomposición térmica inicial y en las propiedades mecánicas, flexión y tracción, de. Ø Los nanocompuestos preparados tanto a escala de laboratorio como escala industrial presentaron aumento de un 50% en las propiedades barreras. Ø Se logró definir las condiciones de procesamiento adecuadas para obtener una buena relación exfoliación/intercalación, siendo éstas las siguientes: el mezclado en dos etapas, con una configuración de husillo de alta
cizalladura, a una velocidad de rotación de 180 rpm y con un perfil de temperatura por debajo de los 180°C. Ø Se elaboraron envases inocuos para paté en la empresa Fosko Ltda. mediante el proceso de inyección con colada caliente. En la Figura 1 se muestra un ejemplo de los productos inyectados.
Nombre Objetivo OBJETIVO GENERAL 2
Descripción Ø Se elaboraron linternas utilizadas en el cultivo de ostiones a partir de polipropileno reciclado con excelentes propiedades mecánicas.
3.1.2 Objetivos Específicos
Nombre Objetivo OBJETIVO ESPECIFICO 3
Descripción
Este objetivo fue cumplido al 100%, debido a que se implementaron los análisis de laboratorio y las metodologías necesarias para realizar la caracterización de los materiales compuestos y los productos elaborados.
Así, la caracterización morfológicas de los nanocompuestos se realizó por TEM y SEM; la caracterización térmica por TGA y DSC, la caracterización de las propiedades mecánicas por ensayos de flexión y tracción; la
permeabilidad al oxígeno por ensayos de OTR y la inocuidad del envase por ensayos de migración global para simulante graso del tipo D.
Nombre Objetivo OBJETIVO ESPECIFICO 4
Descripción
Preparar por extrusión diferentes pellets de formulaciones de
nanocumpuestos, en base a polipropileno reforzado con nanocargas, para estudiar las relaciones entre ambos componentes, el tipo de polipropileno a utilizar y las condiciones de operación. Se obtuvieron tres formulaciones de nanocompuestos con las siguiente arcillas comerciales: Cloisite 15A, Cloisite 20A y Nanomer I-44PT y con ellas se optimizaron las variables de procesamiento, el tipo y proporción de agente compatibilizante.
Nombre Objetivo OBJETIVO ESPECIFICO 5
Descripción
Estudiar las condiciones de inyección de diferentes formulaciones de nanocompuestos, en base a polipropileno reforzado, así como las propiedades mecánicas y de barrera de los mismos. Las principales variables que se tuvieron en cuenta durante el proceso de inyección por colada caliente fueron: perfil de temperatura en el cilindro y la boquilla y velocidad de cristalización en el punto de inyección. Esta última
dependiente de la formulación y fue optimizada variando la proporción de anhídrido maleico en el agente compatibilizante. En las pruebas industrial el material de nanocompuesto se inyectó usando dos perfiles de
temperaturas, uno con temperaturas inferiores a los 190°C y otro con las temperaturas habituales con que las que se producen los envases de paté, las que pueden llegar hasta los 230°C. Con este último perfil de
temperatura los envases presentaron coloración café oscura y olor, lo cual se debió a la descomposición de los modificantes orgánicos de la arcilla.
Por lo que se definió que el perfil de temperatura durante la inyección no podía exceder los 190°C.
Nombre Objetivo OBJETIVO ESPECIFICO 6
Descripción
Realizar la producción demostrativa de dos productos seleccionados y evaluar su comportamiento y aceptación por parte del mercado al cual está dirigido. En dependencias de la empresa Fosko Ltda. se realizaron las pruebas industrial para obtener envases de paté, utilizando el material compuesto en base a polipropileno y láminas de arcilla. En este ensayo a escala industrial se uso la formulación de material compuesto en base al homopolímero del polipropileno, PH-1310, y con diferentes arcillas
comerciales modificadas Cloisite 20A, Cloisite 15A y Nanomer I-44PT. En el desarrollo de esta formulación se tuvieron en cuenta las siguientes
variables: tipo de arcilla y de agente compatibilizante, forma de mezclado, configuración del husillo y perfil de temperatura. La formulación
seleccionada presentó la mejor dispersión y distribución de las láminas de arcilla en la matriz polimérica, así como propiedades mecánicas mejoradas con respecto al polipropileno. Cabe señalar que durante la prueba de inyección por colada caliente del material compuesto de polipropileno y arcilla modificada, pudo ser transformado en un proceso de producción continua implementado en la empresa Fosko, para los envases de paté. En dependencias de la empresa Fosko Ltda. se realizaron las pruebas
industrial para obtener linternas usadas en el cultivo de ostiones, utilizando el material compuesto en base a polipropileno reciclado y láminas de arcilla.
En este ensayo a escala industrial se uso la formulación de material compuesto en base al polipropileno reciclado, y la arcilla comercial modificada Nanomer I-44PT. Esta formulación se preparo con aquellas condiciones de procesamiento, que permitieron lograr una mejor dispersión y distribución de las láminas de arcilla en los pellets utilizados en la
fabricación de envases para paté.
Nombre Objetivo OBJETIVO ESPECIFICO 7
Descripción
Evaluar económicamente el proceso de producción de los nanocompuestos y de cada uno de los productos fabricados. Se analizó la prefactibilidad económica de la fabricación de envases para alimentos grasos utilizando el material de nanocompuesto obtenido a partir del homopolímero de
polipropileno, arcilla modificada y polipropileno injertado con anhídrido maleico. Se analizó la prefactibilidad económica de la fabricación de linternas para el cultivo de ostiones utilizando el material de
nanocompuesto obtenido a partir del polipropileno reciclado, arcilla modificada y polipropileno injertado con anhídrido maleico.
Nombre Objetivo OBJETIVO ESPECIFICO 8
Descripción
Realizar la protección de la propiedad intelectual y posteriomente hacer la transferencia tecnológica de los resultados obtenidos al sector producctivo que participa como contraparte en el proyecto. Se presentó la solicitud de patente de invención titulada “Envase monocapa termoplástico rígido útil para la preservación de alimentos grasos”, con número de registro 01321-2010.
3.2 Resultados
RESULTADO
Tipo Resultado de Producción
Nombre TECNOLOGIA DE PREPARACION Y CARACTERIZACION DE
NANOCOMPUESTOS EN BASE A POLIPROP
Descripción Se obtendrán pellets de nanocompuesto para emplearse en la fabricación de productos moldeados por procesos de inyección y extrusión por empresas de plásticos. Sus competidores son los plásticos de ingeniería que son más costosos y no están permitidos para aplicaciones de uso masivo como la fabricación de envases de alimentos. El uso de estos pellets permitirá obtener nuevos envases con mejores propiedades de barrera, térmicas y mecánicas que el polímero de origen. Además, se obtendrán por inyección que es un proceso mas barato que los productos multicapas. estos pelletes pueden ser utilizados en diferentes áreas donde se necesiten mejorar propiedades como las mencionadas anteriormente.
Descripción del Logro
1. Los ensayos de MFI y de las curvas de viscosidad determinadas a altas velocidades de deformación (reómetro capilar) de gran importancia práctica en cuanto a las condiciones de procesamiento, no son indicativos de la dispersión de las arcillas en los nanocompositos. 2. El incremento en propiedades
mecánicas de los nanocompositos, es función del tipo de PP utilizado y las condiciones de procesamiento, obteniéndose mejores propiedades en los nanocompositos preparados con PH-1310 a una velocidad de giro del husillo de 180rpm. Las mezclas preparadas con PCC4414 a una velocidad de giro del husillo de 380 rpm también presentaron un aumento en sus propiedades mecánicas de flexión. 3. Los análisis termogravimétricos revelaron que la incorporación de Nanofil SE 3000 al PP mejora la estabilidad térmica de los nanocompositos, alcanzándose mayores estabilidades en los nanocompositos del PCC-4414 preparados a velocidades de giro mayor a los 180 rpm. 4. El aumento en el porcentaje de Nanofil SE 3000 en la mezcla no mejoró las propiedades mecánicas, ni la estabilidad térmica de los nanocompositos estudiados. 5. La incorporación de Nanofil SE 3000 al homopolímero PH-1310 aumenta la opacidad del producto final, siendo este aumento mayor cuando las mezcla son preparadas sin agente compatibilizante.
RESULTADO
Tipo Resultado de Producción
Nombre PRODUCCION DE ENVASES CON BUENAS PROPIEDADES T RMICAS Y DE
BARRERA
Descripción Se fabricarán envases utilizando los pelletes de material nanocompuesto por inyección. Estos envases serán utilizados por las empresas productoras de paté, fundamentalmente, u otras que fabriquen alimentos altamente perecibles.
Actualmente, su competidor es la tripa de colágeno o de otros materiales poliméricos y un envase plástico de importación que usa la empresa La Piara para vender sus patés. Los primeros tienen la desventaja de que son envases que proporcionan una estabilidad de un mes en el producto. Esto proporciona pérdidas cuantiosas por la necesidad de recambio frecuente. El envase plástico de La Piara proporciona mayor tiempo de duración (4 meses) pero es producido por multicapas. Esto implica que es muy caro, además, su comportamiento ante la humedad no es óptimo. La idea es que el producto en base a nanocompuesto sea más barato que su competidor y de eficiencia similar. Esto garantizaría una mayor estabilidad en los alimentos con elevado contenido de grasa, como los patés. Por lo mismo, permitiría a estas empresas exportar sus patés y conquistar nuevos mercados. A los usuarios les permitiría contar con productos de igual o mejor calidad , a precios similares, pero con mayor duración.
Descripción del Logro
Producto: Envase termoplástico monocapa rígido con propiedades barreras
¿Cómo se presenta físicamente? Envase monocapa para alimentos grasos, específicamente envases para Paté ¿Cuáles son sus condiciones de uso? Las condiciones de uso son equivalentes a la de los envases de polipropileno puro que actualmente se utilizan para el envasado de paté. ¿Cuáles son sus
principales competidores o sustitutos? Envases multicapas obtenidos mediante la técnica de termoformado. ¿Cuáles son las principales diferencias funcionales, operacionales y productivas que tendrá la solución con respecto al mejor competidor o sustituto? La principal diferencia con el competidor es que el material de nanocompuestos puede ser procesado mediante la técnica de inyección utilizando las mismas condiciones operacionales que las usadas para obtener los envases con el polipropileno puro. Además será un envase
monocapa. ¿Cuáles son los beneficios que las diferencias mencionadas le generarán al productor, usuario intermedio y/o usuario final? El principal
Beneficio es que la empresa productora podrá utilizar la mismo equipamiento de inyección de colada caliente para la fabricación de los envases. El usario final podrá tener un alimento conservado con un tiempo de vida útil mayor y a un precio competitivo. ¿Quiénes lo producirían? Las empresas trasnformadoras de plásticos. En particular, la empresa Fosko Ltda.
RESULTADO
Tipo Resultado de Producción
Nombre PRODUCCION DE LINTERNAS, PARA USO EN LA ACUICULTURA,
EMPLEANDO NANOCOMPUESTOS
Descripción Se fabricarán linternas que se emplean en la industria del cultivo de ostiones por inyección de materiales nanocompuestos. Actualmente, existe un producto japonés y un chileno que se obtienen por inyección y se venden al mismo precio.
Ambos presentan la desventaja que por su área superficial acumulan mucho
\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\"fouling\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\" durante el cultivo. Esto implica que deben ser tratados cada cierto tiempo hasta que finalmente son desechados.
Debido a la notable mejora en las propiedades mecánicas que produce el uso de nanocompuestos será posible fabricar un producto con menor área superficial y similar comportamiento. Esto permite fabricar objetos más ligeros y delgados. De esta manera, se pretende disminuir la acumulación del fouling en las jaulas y los costos por recambio o tratamiento de éste material deben disminuir también.
Para los usuarios sería más conveniente el uso de este producto porque la relación costo beneficio sería mucho mayor. Además, si el producto se vendiera al mismo precio que los anteriores se le estaría agregando valor al producto y sería posible penetrar más éste mercado por la empresa productora.
Descripción del Logro
Producto: Linterna para el cultivo de mariscos ¿Cómo se presenta físicamente?
Son las bases plásticas denominadas linternas, que se utilizan en el cultivo de mariscos. ¿Cuáles son sus condiciones de uso? Las condiciones de uso no han variado con respecto al producto original. Además, el material compuesto con nanoarcillas podrá ser utilizado de forma similar al PP reciclado. ¿Cuáles son sus principales competidores o sustitutos? Las linternas que se elaboran actualmente a partir de PP reciclado. ¿Cuáles son las principales diferencias funcionales, operacionales y productivas que tendrá la solución con respecto al mejor
competidor o sustituto? La principal diferencia estriba en su mejores propiedades mecánicas, en especial la resitencia y el módulo flexión, lo que permite que puede resistir sin doblarse mayor pesos. En cuanto a las variables de operación para su obtención a partir de material compuesto con arcilla serían similares a las que actualmente se utilizan. ¿Cuáles son los beneficios que las diferencias mencionadas le generarán al productor, usuario intermedio y/o usuario final? El productor podrá ofertar un producto de mejor calidad a precios competitivos, ya que el material base será el PP reciclado. El usuario final podrá contar con linternas más resistente al doblez por peso y por tanto con mayor tiempo de vida útil. ¿Quiénes lo producirían? Las empresas transformadoras de plásticos, en especial Proyectos Plásticos EIRL.
RESULTADO
Tipo Resultado de Protección
Nombre SOLICITUD DE PATENTE DE INVENCION para tecnologia de produccion de nanocompuesto
Descripción Se presentará una solicitud de patente de invención de la tecnología para obtener nanocompuesto y su aplicación. Dicha patente sirve para proteger los resultados del proyecto legalmente. Esta puede ser licenciada (royalty) o vendida a terceros por la institución beneficiaria. La prioridad para adquirir una licencia o la patente la tienen las empresas que participan en el proyecto.
Resultados de Producción Asociados
TECNOLOGIA DE PREPARACION Y CARACTERIZACION DE NANOCOMPUESTOS EN BASE A POLIPROP
Descripción del Logro
La solicitud de patente de invención fue presentada en la INAPI bajo el título
\"Envase monocapa termoplástico rígido útil para la preservación de alimentos grasos\" El resumen la patente es: Envase monocapa termoplástico rígido elaborado por inyección, útil para la preservación de alimentos grasos, el cual comprende a: homopolímero de polipropileno; polipropileno injertado con anhídrido maléico arcilla modificada. Este envase es inocuo para alimentos grasos y presenta elevada propiedad barrera al oxígeno. El número de la solicitud de patente chilena es 1321-2010. Se protegió sólo en Chile La protección obtenida servirá para vender el producto protegido.
RESULTADO Tipo Resultado de Transferencia y Negocios
Nombre Paquete Tecnologico Disenado
Descripción El paquete tecnológico está compuesto de las bases científicas y tecnológicas para obtener nanocompuestos en base a polipropileno, que permitan fabricar productos con propiedades térmicas, mecánicas y de barrera a gases. El documento propiamente tal estará compuesto de: memoria descriptiva de la tecnología, balances de materia, estudios de mercado y evaluaciones económicas. Están dispuestos a adquirirlo las empresas transformadoras de plástico. La prioridad la tendrá las empresas socias del proyecto.
Resultados de Producción Asociados
TECNOLOGIA DE PREPARACION Y CARACTERIZACION DE NANOCOMPUESTOS EN BASE A POLIPROP
Descripción del Logro
El documento denominado paquete tecnológico describe las materias primas, equipos y las metodologías de preparación y caracterización utilizadas para la obtención de nanocompositos termoplásticos
RESULTADO
Tipo Resultado de Producción Científica (Ex "Otros")
Nombre Publicacion ISI
Descripción Publicación en revista especialida respecto a caracterización de nuevos nanomateriales. Se asegura novedad respecto al material desarrollado.
Descripción del Logro La publicación científica en J. Chil. Chem. Soc., 55, Nº 4 (2010)
RESULTADO
Tipo Resultado de Producción Científica (Ex "Otros")
Nombre Publicacion cientifica: Nanoclay-reinforced polypropylene nanocomposites Descripción Titulo completo: Nanoclay-reinforced polypropylene nanocomposites: the effect of
clay type and of clay-masterbatch product Constribuye a la divulgación científica de nuestros resultados. Clay containing polypropylene (PP) nanocomposites were prepared by direct melt mixing in a twin screw extruder using different types of organo-modified montmorillonite and two masterbatch products, one based on pre-exfoliated clays and another based on clay-polyolefin resin. The composites with three different types of montmorillonite were prepared also with maleic anhydride-modified polypropylene (PP-g-MA). A comparative study among composites prepared with and without PP-g-MA was performed. Mechanical, thermal and processing properties were investigated as a function of the content of PP-g-MA and the processing condition in the composite prepared with two different clays, Cloisite 15A and Cloisite 20A. The morphologies of composites were characterized by X-ray diffraction (XRD), field emission gun scanning electron microscopy (FEG-SEM) and transmission electron microscopy (TEM).
The degree of dispersion of composites increased with the content of PP-g-MA, but it is not significantly influenced by processing condition. The use of
masterbatch improved moderately flexural properties compared to neat PP, however, this property increased considerably in the nanocomposites prepared with organo-modified clays and 15 wt-% of PP-g-MA. The effect of clay on melt viscosity of composite was insignificant at the shear rate ranges of 100-6000 s-1, which were simulated to the extrusion and injection molding process.
Descripción del Logro
Esta publicación fue enviada a revisión el 11 de agosto del presente año a Journal of Applied Polymer Science. Constituye la segunda publicación científica generada con los fondos de este proyecto .
RESULTADO
Tipo Resultado de Producción Científica (Ex "Otros")
Nombre Polypropylene/clay nanocomposites. Synthesis and characterization
Descripción Polypropylene nanocomposites were synthesized by using the method of mixing in the molten state. Nanocomposites were obtained in twin-screw co-rotating extruders and the nanocomposites were prepared with percentage of nanoclay (C2) from 5 wt-%, with and without compatibilizer agent (PP-g-MA). The thermal (DSC, TGA), morphology (XRD, TEM) and dynamical mechanical properties (DMA) of the nanocomposites were characterized. All nanocomposites prepared are in intercalated state as corroborated by XRD and TEM. The Tm and Xc were not affected by the presence of clay, PP-g-MA, or processing support. The incorporation of clay and compatibilizer agent increases the thermal stability and HDT.
Descripción del Logro
La publicación ha sido sometida a revisón por los editores de la revista Europen Polymer Journal. Además fue enviada una copia de la misma via e-mail a nuestro ejecutivo Sr. Khaled Awad
RESULTADO
Tipo Resultado de Formación de Capacidades (Ex "Otros") Nombre Capacitacion Investigador en Fraunhofer Institut Alemania
Descripción Consiste en capacitar a un investigador del proyecto en extrusión de nanomateriales en el instituto Fraunhofer, en su filial FKuR, expertos en
fabricación de materiales compuestos, la adición de materiales lignocelulósicos a matrices plásticas y la extrusión de mezclas complejas. Adicionará expertice en mezclas complejas al equipo de investigación del proyecto.
Descripción del Logro
Lugar: Industrial Materials Institute National Research Council Canada Adiestramiento de la investigadora Saddys Rodríguez en el IMI, centro de excelencia a nivel mundial especializado en la campo de los nanocompositos termoplásticos.
3.3 Gestión del Proyecto
3.3.1 Plazos efectivamente utilizados v/s plazos considerados inicialmente
Plazos iniciales: 36 meses Plazos efectivamente utilizados: 46 meses Fue necesario aumentar el período de ejecución del proyecto para lograr los resultados técnicos esperados, los cuales debido a la complejidad del proyecto, no pudieron ser obtenidos durante los primeros 36 meses de ejecución del proyecto.
3.3.2 Gastos Ejecutados vs. Presupuesto inicial
Presupuesto Inicial Fondef: $ 214.200.000 Gasto ejecutado: $ 214.200.000
3.3.3 Participación de las instituciones y Empresas
Las empresas socias durante el desarrollo del proyecto fueron Petroquim S.A., Fosko Ltda., Termomatrices Ltda. y Proyectos Plásticos EIRL. Las cuatro empresas que nos acompañaron durante el desarrollo del proyecto pusieron a nuestra disposición fundamentalmente su infraestructura, recursos humanos altamente calificados y experticia empírica, lo que permitió sin dudas dar buen cumplimiento a los desafíos planteados.
Además, cada una de las empresas tuvo una representación en el comité directivo, siendo por Petroquim S.A., la Ing. Mónica Reyne, por Fosko Ltda., el Sr. Juan Milstein y por Termomatrices y Proyectos Plásticos EIRL, el Sr. Andrés Valdivia. Petroquim SA. Esta empresa, única productora de polipropileno en Chile, cuenta con la licencia de Basell Polyolefins para el uso de la tecnología Spheripol®, la cual es líder a nivel mundial en la producción de polipropileno. Con una capacidad productiva de 120.000 ton/año, cuenta con un laboratorio completamente equipado para el procesamiento a escala piloto y caracterización de los
diferentes grados de polipropileno que comercializan. Este laboratorio, así como el personal que en el
labora, estuvo siempre a disposición para ejecutar pruebas o análisis relacionados con el proyecto FONDEF.
Tal es así, que todos las film extruidos para análisis de permeabilidad, análisis esencial para el proyecto, se hicieron en este laboratorio. Fosko Ltda. Esta compañía chilena, dedicada a la producción y comercialización de envases y productos inyectados para la industria de alimentos, laboratorios farmacéuticos, fast food y elementos promocionales, jugó un rol fundamental en las pruebas industriales que se hicieron durante el desarrollo del proyecto. Nos apoyaron no sólo con su infraestructura sino además con sus vastos
conocimientos en el área de transformación de los termoplásticos por inyección. Las pruebas de inyección a escala industrial de envases para paté se realizaron en esta empresa. Proyectos Plásticos EIRL Esta
empresa orientada a la fabricación, comercialización y reciclaje de productos plásticos, nos apoyo no sólo con las pruebas de inyección a escala industrial de las linternas utilizadas para el cultivo de ostiones, sino además nos facilitaron todo la materia prima de plástico reciclado necesaria para llevar a buen término el resultado de producción relacionado con estas linternas. Cabe señalar, que desde que la empresa asumió como socia del proyecto, el Sr. Andrés Valdivia, gerente general, nos apoyo incondicionalmente y nos facilitó otros contactos con empresas transformadoras de plástico. La empresa Proyecto Plásticos EIRL reemplazo a Termomatrices Ltda. La empresa Termomatrices Ltda. se retiró como empresa socia del proyecto, debido a que en el mes de agosto del 2009 cesó su actividad comercial. La empresa Proyectos Plásticos EIRL.
adquirió las principales líneas de negocios de Termomatrices Ltda. y reemplazó a Termomatrices Ltda. como empresa socia del proyecto FONDEF.
3.3.5 Participación de las instituciones y Empresas
El(la) Representante Institucional de cada Institución Beneficiara UNIVERSIDAD DE CONCEPCION
El proyecto, tal como puede observarse en la síntesis de resultados, alcanzo numerosos resultados de gran impacto. La subdivisión de actividades y etapas, permitió generar un conocimiento y capacidades en el grupo, que le permitirán enfrentar problemas y desafíos en los ámbitos nanocompuestos termoplásticos inédito a nivel nacional y con buenas perspectivas en la escena investigativa internacional. Como acierto se destaca el equipo científico profesional y la comprometida participación de las empresas socias, en toda la cadena: Petroquim como proveedor de materias primas y con vasta experiencia en la industria del plástico, que además participo activamente por que ve en la tecnología desarrollada una posibilidad de ampliar sus líneas de negocios, Fosko y Proyectos plásticos, empresas innovadoras comprometidas con la búsqueda de nuevos productos. Como desacierto, solo el evento del terremoto que afecto a la Facultad de Ciencias Químicas y retraso el termino oportuno del proyecto y produjo una merma en la capacidad de equipamiento científico que el grupo había alcanzado.
El(la) Director(a) del proyecto
El proyecto se desarrolló adecuadamente con todos los logros mencionados en el informe final que permitieron llegar a la producción de un envase y linternas en ambas empresas miembros del proyecto, lo que implicó un importante trabajo de coordinación y colaboración para llevar los resultados obtenidos a nivel de laboratorio (Departamento de Polímeros, Facultad de Ciencias Químicas), aquellos obtenidos a nivel Piloto (Unidad de Desarrollo Tecnológico, UDT) a nivel industrial, produciendo prototipos en ambas empresas, Fosko Ltda. y Proyectos Plásticos Ltda. La naturaleza y el desafío que el proyecto involucraba generaron inconvenientes menores que se fueron solucionando, para llegar a la etapa del informe final en que se cumple con lo que se estipuló. Se debe mencionar la constante participación y apoyo otorgado por las tres empresas participantes, PETROQUIM, Fosko Ltda. y Proyectos Plásticos Ltda.
IV. Informe CT y Económico Social
4.1 Negocios Tecnológicos y Productivos
4.2.1 Síntesis de las actividades realizadas en Transferencia A continuación se presenta un listado con las principales acciones tendientes a alcanzar una transferencia de los resultados del proyecto: 1. Durante el desarrollo del proyecto se mantuvo una comunicación fluida con las empresas socias del proyecto. Se realizaron 3 reuniones de comité directivo y se enviaron informes ejecutivos con los avances del proyecto en forma cuatrimestral. 2. Participación en Feria K, en Dusseldorf, Alemania La participación en la Feria se realizo para la difusión del concepto Nanomateriales en base a arcilla y polipropileno (“Oxygen barrier”). La participación del proyecto en la Feria K 2010 tuvo repercusiones en los siguientes medios de prensa: • Diario La Tercera: “Universidad de Concepción representará a Chile en feria mundial del plástico” (22/10/2010). • Diario de Concepción: “UDT exhibe seis proyectos en feria mundial del plástico” (26/10/2010). • Revista Plástico: “Unidad de Desarrollo Tecnológico (UDT) de Chile, por primera vez en la K” (25/10/2010). • Página web Fondef: “Centro de excelencia de la UDEC participará en feria mundial del plástico” (24/10/2010).
Además, se realizaron los siguientes contactos comerciales: • Tubo Pack: Desea realizar proyecto para aumentar barrera oxígeno. Aplicaciones; Vino, aceite de oliva. • Andesocean: Requiere barrera en alimentos.
Exportación de vino a granel. Utilizó hace tiempo Nanocompuesto poliamida Mitsubichi • Osku: Trabaja para la industria de agroalimentos. Interesado en film para la protección de uvas. /Nanoclay. • SAN JORGE PACKAGING: Fabrican film de atmosfera modificada multi capa • Ropak Packaging: Les interesa barrera oxígeno • TIME: Para envases médicos, inyección / soplado. Solicita muestra / Nanoclay • ITC Limited:
Requiere envasar alimentos / Plástico con propiedades barrera • Unik Polypack: Requiere envasar alimentos / Plástico con propiedades barrera • Plásticos Dise S.A.: Films barrera / Para envasado de carne, utilizan 7 capas pero tienen un 30% menos de vida útil que la competencia • Sudarsshan Pollyalloys: Interesado en nanopartículas de arcilla y cobre / Nanocobre • Argha Karya Prima Industry: Requiere más información sobre barrera O2 tiempo máximo de almacenamiento. • Llorach: Requiere materiales con nanoarcillas que no migren. Han trabajado con Aimplas y han encontrado migración. • Novaplast: Requiere envasar alimentos / Plástico con propiedades barrera • Poly-America: Requiere envasar alimentos / Plástico con propiedades barrera • POLYMER ADDITIVES: interesado en nuevas clases de aditivos, por ejemplo, nanocompuestos. • Seven G: Requiere envasar alimentos / Plástico con propiedades barrera • SOPRANO: Requiere envasar alimentos / Plástico con propiedades barrera • BLUDOTASIA: Requiere envasar alimentos / Plástico con propiedades barrera • ANKAPOR: Requiere envasar alimentos / Plástico con propiedades barrera 1. En materia de propiedad industrial, anualmente se realizo una búsqueda del estado del arte en materia de propiedad industrial, de modo de evaluar las posibilidades de alcanzar resultados potencialmente transferibles, a través de un licenciamiento tecnológico. 2. Fue presentada ante INAPI, una solicitud de patente de invención bajo el título "Envase monocapa termoplástico rígido útil para la preservación de alimentos grasos". El resumen la patente es: Envase monocapa termoplástico rígido elaborado por inyección, útil para la preservación de alimentos grasos, el cual comprende a: homopolímero de polipropileno; polipropileno injertado con anhídrido maleico arcilla modificada. Este envase es inocuo para alimentos grasos y presenta elevada propiedad barrera al oxígeno. El número de la solicitud de patente chilena es 1321-2010, y se protegió sólo en Chile. 3. Se identifico una marca comercial para poder difundir y transferir la tecnología: Nanoplest ®. Se estimaron los costos operacionales para la producción demostrativa o envío de muestras comerciales, utilizando la capacidad de la Empresa de Servicios Tecnológicos Ltda.
Empresa relacionada de la Unidad de Desarrollo Tecnológico de la Universidad de Concepción. 4. Se realizaron evaluaciones económicas y estudios de mercado, los que al contrastar con resultados técnicos, se llego a la conclusión que no se recomienda el uso de los nanocompuestos termoplásticos en la aplicación linterna, en base a polipropileno reciclado. Aun cuando las propiedades mecánicas mejoran significativamente, el costo es el doble, por cuanto la reposición resulta tan costosa como el cambio en el material. 5. Se formuló el paquete tecnológico con las bases científicas y tecnológicas, que permitieron obtener nanocompuestos en base a polipropileno con mejoradas propiedades térmicas, mecánicas y de
barrera a gases. El documento propiamente tal está compuesto de: memoria descriptiva de la tecnología, balances de materia, estudios de mercado y evaluaciones económicas.
4.3 Impactos Producidos Y Esperados 4.3.1 Impactos económicos-sociales
Producidos ü El desarrollo de la tecnología para la producción de nanocompuestos de polipropileno y arcilla.
Material que presenta propiedades mecánicas, térmicas y de barrera mejoradas con respecto al polipropileno. ü El desarrollo de la tecnología para la producción de nanocompuestos de polipropileno reciclado y arcilla. Material que presenta propiedades mecánicas, térmicas mejoradas con respecto al polipropileno reciclado. ü El desarrollo de la tecnología para la producción de envases inocuos a mediante la técnica de transformación de plástico de inyección por colada caliente. Esperados ü Las empresas
transformadoras de plástico podrán utilizar el material compuesto en productos inyectados que requieran mejores propiedades barreras. ü El empleo de material compuesto en base a polipropileno y arcilla permitirá aumentar la vida útil del alimento graso envasado. ü El material compuesto en base a polipropileno y arcilla podrá ser utilizado en otros tipos de alimentos. ü La empresa Petroquim S.A. estará interesada en la producción y comercialización del material compuesto en base a polipropileno y arcilla.
4.3.2 Impactos científicos-tecnológicos
En el proyecto se logró la formación de 2 químicos analistas y un licenciado en química con amplio conocimiento en el campo de nanacompositos. Se participó con 5 trabajos en congresos nacionales y un internacional logrando la difusión del trabajo realizado. Se realizaron estadías cortas en Centros de
Investigación de Excelencia como los de la Universidad Karlsruhe, Alemania y de Universidad Rio Grande do Soul, Brasil y participar activamente en la feria mundial más importante de polímeros, como es la Feria K, en Dusseldorf, Alemania.
4.3.3 Impactos Institucionales
La ejecución del proyecto tiene un impacto importante para la Institución. Debido al liderazgo que se logra en la preparación de envases con propiedades mecánicas y barrera mejoradas, utilizando nanocompositos de polipropileno con arcillas orgánicamente modificadas. El conocimiento y la tecnología desarrollada permitirán a la Institución continuar desarrollando proyectos con aplicaciones en esta y otras áreas. Otro de los
aspectos relevantes en el desarrollo del proyecto en la relación con el sector productivo; un ejemplo de esto es la relación consolidada que se tiene con Petroquim (empresa de la región), que ha permitido presentar en conjunto a FONDEF un nuevo proyecto en el campo de los envases.
4.3.4 Impactos Ambientales
Esperado ü El impacto ambiental que generaría la utilización del material compuesto en base a polipropileno y arcilla en la industria de alimentos sería la reducción del espesor de los envases plásticos sin que ello implique un detrimento en su funcionalidad.
4.3.5 Impactos Regionales
Esperados ü Creación de una nueva línea de negocios de las empresas socias del proyecto, en especial Petroquim. ü La posibilidad de comercializar alimentos producidos en la región en envases fabricados con material compuesto en base a polipropileno y arcilla.
V. Anexos
Investigación y desarrollo
Para cumplimentar los objetivos de este proyecto la investigación y el desarrollo de los nanocompositos poliméricos de polipropileno con arcillas modificadas, se subdividió en dos etapas: escala laboratorio y escala piloto.
Escala de laboratorio
Se presenta los resultados alcanzados en la preparación y caracterización de nanocompositos termoplástico, utilizando como matriz polipropileno (con distintos MFI), como arcilla (Nanofil SE 3000) y agente compatibilizante (PP-g-AM).
Materiales PH-0242 (MFR 2,16 kg/230 º C): 2 g/10 min PH-0610 (MFR 2,16 kg/230 º C): 6 g/10 min, PH-1310 (MFR 2,16 kg/230 º C): 13 g/10 min , y PH-1710 MFR 2,16 kg/230 º C): 17 g/10 min suministrado por PETROQUIM SA; IrganoxVVR B215 (antioxidante) de Ciba. Como agente compatibilizante se utilizó polipropileno injertado con anhídrido maléico (PP-g-MA) 0,2% en masa(MFR 2,16 kg/230 º C): 7 g/10 min de Crompton. La arcilla utilizada fue Nanofil SE 3000 (C2) suministrada por de Süd-Chemie.
Preparación de los nanocompositos
Los nanocompositos fueron obtenidos en una extrusora de doble husillo (Haake H-25, modelo Rheomex PTW 16/25, L / D ¼ 25) operada a 80 rpm. Las condiciones de temperatura fueron en un rango 170-190 °C, para la preparación y el procesamiento de nanocompositos fue escogido para reducir al mínimo posible de la degradación del modificador orgánico en la matriz.
La arcilla fue secada a 80 °C durante 24 horas eliminar la humedad. Los nanocompositos se prepararon con el 5% en masa de la arcilla con y sin agente compatibilizante. Para la preparación de los nanocompositos de PP se realizaron films por compresión a 190
°C, por 2 min para obtener la fusión completa de los "pellets".
Los nanocompositos se prepararon como se describe en la Tabla 1.
Tabla 1.
Polipropileno Agente compatibilizante Nanocomposito
PH0242 --- PH0242/C2
PH0242 PP-g-MA (5% en masa) PPH0242/PP-g-MA/C2
PH0610 --- PH0610/C2
PH0610 PP-g-MA (5% en masa) PH0610/PP-g-MA/C2
PH1310 --- PH1310/C2
PH1310 PP-g-MA (5% en masa) PH1310/PP-g-MA/C2
PH1710 --- PH1710/C2
PH1710 PP-g-MA (5% en masa) PH1710/PP-g-MA/C2
Caracterización de los nanocompositos
La distancia interlaminar de la arcilla y la estructura de los nanocompositos fueron examinados por difracción de rayos X (DRX), utilizando un equipo Siemens D500 con Cu λ = 1,54 Å. El espaciado basal de las arcillas se estimó a partir del plano (001) en el pico de DRX usando el Bragg ecuación λ = 2d sinθ, Las mediciones de Calorimetría diferencial de barrido (DSC) se realizaron en un equipo DSC Q200 TA. Todas las mediciones se realizaron en atmósfera de nitrógeno. Las muestras fueron calentadas de 50 a 200
°C, a una velocidad de calentamiento y enfriamiento de 5 °C / min. Las mediciones se realizaron en el segundo ciclo de calentamiento y enfriamiento. Los análisis Termogravimétricos se llevaron a cabo en un equipo T.A modelo QA-50 para obtener los residuos inorgánicos y orgánicos, y el perfil de la descomposición de las arcillas, y de los nanocompositos de PP. Las muestras (10,0 mg en forma de film) se calentaron de 25 a 600 °C a una velocidad de calentamiento de 10 ° C / min bajo atmósfera de argón.
Los análisis dinámico-mecánicos (DMA) fueron realizados en un equipo T.A model QA 800, la temperatura de deformación térmica (HDT) de los materiales fue realizada a una frecuencia fija de 1 Hz. Se realizaron análisis de DMA con el modo cantilever. Las muestras fueron moldeadas por compresión y calentadas de -50 °C a 120 °C en la velocidad de calentamiento de 3 °C / min. Las
