Polímeros funcionais para aplicações sustentáveis de selagem em embalagens flexíveis

O mercado de embalagens flexíveis está passando por mudanças significativas e geralmente impulsionadas por fatores que visam aumentar a sustentabilidade das embalagens. Devido à ampla gama de aplicações e à variedade de materiais disponíveis, muitas soluções já existem ou estão em desenvolvimento — como o aumento da reciclabilidade, a redução da quantidade de plásticos utilizados e a diminuição da pegada de carbono das embalagens.

Com o desenvolvimento de novas resinas de selagem térmica baseado em polímeros híbridos de metacrilato, poliolefina e poliéster, o design de embalagens flexíveis ecológicas e sustentáveis é favorecido em diversas frentes: uso de estruturas mono-PET, soluções de revestimento sem primer, embalagens livres de PVC e cloro, e rápida evaporação de solventes no processo produtivo.

As propriedades únicas desses polímeros híbridos podem ser adaptadas para diversas aplicações, como embalagens para laticínios, blisters farmacêuticos, cápsulas de café e embalagens alimentícias transparentes de PET. Além disso, os polímeros híbridos viabilizam o uso de embalagens de papel seláveis à quente, oferecendo funcionalidade de barreira contra água e gordura sem comprometer a reciclabilidade do papel.

A necessidade de desenvolver novas soluções sustentáveis para embalagens está impactando todos os mercados e tecnologias de processamento de embalagens, como extrusão, laminação e revestimento. Os novos designs de embalagens flexíveis têm como objetivo reduzir a pegada de carbono total, por exemplo, por meio da diminuição da espessura dos materiais ou da substituição por materiais com menor impacto ambiental.

Outros avanços visam aumentar a reciclabilidade dos materiais de embalagem, com foco principal no uso de embalagens monomateriais (mono-PP, mono-PET, mono-PE...). Em qualquer um desses novos designs, a camada de selagem térmica também é afetada — não apenas pela conexão entre novas combinações de materiais, mas também pela necessidade de melhorar o impacto ambiental da embalagem.

Embora nem todos os designs de embalagem possam utilizar revestimentos de selagem térmica, esses revestimentos possuem vantagens intrínsecas para reduzir o impacto ambiental, como baixo peso/quantidade de revestimento e processos de aplicação rápidos e eficientes, com recuperação ou combustão de solventes.

A química do revestimento de selagem térmica depende principalmente dos materiais utilizados na embalagem. Com polímeros especiais, uma grande variedade de materiais pode ser selada termicamente, atendendo às necessidades de sustentabilidade mencionadas.

Embora os revestimentos de selagem térmica baseados em polímeros sejam bem conhecidos¹, a combinação de matérias-primas incompatíveis — poliolefina (copolímero olefínico (OCP), poliéster (PES) e polimetacrilato (PMA) — em uma única resina oferece vantagens adicionais para essa aplicação. A adesão a diversos substratos polares, como alumínio ou poliéster, é obtida sem a necessidade de promotores de adesão adicionais, enquanto a selagem pode ser realizada contra diversos materiais, como poliestireno, polipropileno, poliéster, ácido polilático ou alumínio.

Embora as propriedades finais de selagem desses polímeros dependam das matérias-primas utilizadas, a reação é descrita no esquema 1.

O resultado da reação é uma dispersão orgânica de OCP e PES em uma mistura de solventes. Após a diluição com solventes padrão e, se necessário, formulação com aditivos adicionais, o revestimento final pode ser aplicado sobre filmes e lâminas em condições padrão de secagem (esquema 2).

Dependendo da composição final do polímero e do peso seco de revestimento aplicado, camadas entre 2,5 g/m² e 8 g/m² são possíveis, sendo que aplicações de peso/espessura mais baixos contribuem significativamente para os avanços atuais em sustentabilidade, pois utiliza menos material.

Em condições laboratoriais, o revestimento é aplicado após a diluição dos ligantes entre 25–33% de sólidos em peso, utilizando um aplicador manual. As condições de secagem dependem do tipo de filme/lâmina, a fim de garantir uma superfície de revestimento uniforme e segura.

O desempenho de selagem de filmes e lâminas revestidos é avaliado por meio de testes padrão de selagem. As condições de selagem (pressão, tempo, temperatura) são escolhidas de acordo com a combinação de materiais utilizada.

A resistência de selagem térmica (HSS, do inglês Heat Seal Strength) é determinada em tiras de 15 mm e medida à temperatura ambiente.

As propriedades finais das dispersões orgânicas seláveis por calor dependem dos materiais utilizados. Quatro amostras diferentes foram sintetizadas para atender a diferentes aplicações e aspectos de sustentabilidade (tabela 1).

A dispersão orgânica 1 (OD-1), utilizada como referência, foi projetada para obter adesão direta à folha de alumínio e para realizar selagem contra diversos substratos, como PP, PS e PET. A adesão ao alumínio é obtida por meio da utilização  de grupos ácidos na polimerização do metacrilato, enquanto a selabilidade universal resulta da estabilização das partículas de OCP em uma matriz de polimetacrilato.

Mantendo a selabilidade universal em OD-2, com a mesma quantidade de OCP, a adesão do revestimento é obtida por meio de um poliéster de alto peso molecular. Assim, não apenas folhas de alumínio, mas também diversos filmes de poliéster após revestidos apresentam excelentes propriedades de selagem térmica.

Além disso, com um teor de sólidos superior a 50%, a resina reduz a emissão de CO₂ durante o transporte em comparação com as outras amostras e aumenta a flexibilidade de formulação para o revestimento de selagem térmica.

Ao alterar a proporção entre os três componentes poliméricos — PMA, OCP e PES — a polimerização da OD-3 pôde ser simplificada, utilizando apenas propil acetato como solvente. Embora a adesão ao alumínio e aos poliésteres permaneça em um nível muito bom com a composição modificada, a capacidade de selagem em materiais como copos de polipropileno é perdida (tabela 2).

Ao utilizar um SEBS como OCP na formulação OD-4, as propriedades de adesão e selagem são mantidas constantes em comparação com OD-3. Se comparado às amostras OD-1 e OD-3, o OD-4 é uma resina transparente e, portanto, atende principalmente à tendência de embalagens mono-PET. Sua combinação única de materiais resulta em uma superfície de revestimento lisa e uniforme, além de proporcionar a selagem térmica clara e transparente (figuras 1c e 1d). Já OD-2 apresenta uma superfície de revestimento irregular e não é transparente; mesmo com uma camada de baixo peso/espessura (5 gsm), o filme de PET permanece altamente fosco (figuras 1a e 1b).

Uma visão geral das propriedades de selagem térmica das amostras é apresentada na Tabela 2. Exceto para OD-1 em filmes de PET, nenhuma resina necessita de promotor de adesão, o que reduz a complexidade do processo de revestimento por meio de uma aplicação em etapa única. Isso resulta em menor consumo de energia no processo de filmes e folhas.

As dispersões orgânicas OD-2 a OD-4 favorecem o design de embalagens recicláveis mono-PET. A estrutura química dos mesmos garante boa adesão a filmes de PET e a diversos substratos, como PET ou PLA, permitindo projetos de embalagem simplificados que podem ser recicladas após o uso.

Outra vantagem da OD-2 é a baixa temperatura inicial de selagem em relação ao PET. OD-2 atinge alta resistência de selagem já a 100 °C, economizando não apenas energia e tempo durante a selagem, mas também protegendo produtos sensíveis à temperatura, como alimentos (esquema 3).

Outra possibilidade para reduzir o impacto de CO₂ das embalagens é o uso de papel. Muitos novos designs já foram desenvolvidos para diminuir a quantidade de plásticos nas embalagens e, ao mesmo tempo, aumentar o conteúdo reciclável. As dispersões orgânicas OD-1 a OD-4 também podem ser utilizadas a aplicação em papel ou papel-cartão com propriedades de selagem térmica e certas barreiras.

A vantagem das dispersões orgânicas no revestimento de papel é que a superfície irregular do papel é coberta por um revestimento uniforme, sem penetrar profundamente na estrutura (figura 2a). Como consequência, as resinas apresentam excelentes propriedades de selagem em diversos substratos (figura 2b), baixa absorção de água (teste Cobb1800s) e uma barreira muito eficaz contra gordura (esquema 4).

Devido à camada fina formada pela dispersão orgânica, o papel revestido atende aos critérios de reciclabilidade.

Com resinas de selagem térmica baseados em polímeros de OCPs, PES e PMAs, o desenvolvimento e a aplicação de novos designs de embalagens mais ecológicas e sustentáveis são amplamente viabilizados. Dependendo da aplicação final, diferentes demandas por sustentabilidade são atendidas (esquema 5).

No mercado de alimentos lácteos, soluções sem promotores de adesão ajudam a reduzir o consumo de energia durante os processos de revestimento e selagem, além de possibilitar o uso de embalagens mono-PET.

Em aplicações de blisters farmacêuticos e no desenvolvimento de cápsulas de café, a selagem pode ser realizada sem PVC — especialmente em blisters Alu-Alu e PET-PET — reduzindo o impacto ambiental das embalagens.

Com sistemas de solventes simplificados nas dispersões orgânicas, processos de secagem rápida e recuperação de solventes tornam-se viáveis na etapa de revestimento, contribuindo para a redução da pegada de carbono das embalagens.

DE10150898, Schmitt, G.; Wicke, M.; Hartmann, J.; Schultes, K.; Schwind, H.; Arnold, T., 2001.