Adhesivos EB: cada vez más populares en empaques para alimentos

Los recientes avances en materias primas, la disponibilidad de equipos de curado EB de menor costo, el desarrollo de protocolos de pruebas apropiados y auto certificables, y de producto respaldado por instrumentos, han hecho de la química de curado UV/EB una opción viable para muchos usos de empaques de alimentos, incluidos adhesivos, recubrimientos y tintas. Esta tecnología ha surgido finalmente como una de las químicas de avanzada para el empaque de alimentos, con muchos beneficios de amigabilidad ambiental y atributos de mejoramiento de la productividad. Este artículo revisará varias aplicaciones potenciales para los adhesivos curables con haz de electrones (adhesivos de laminación y sensibles a la presión), junto con algunos ejemplos de recubrimientos EB en uso actualmente.

Las tecnologías/químicas de curado UV/EB han ayudado a muchas industrias a capitalizar en los distintos beneficios de esta tecnología verde, entre los que se cuentan la nula emisión de compuestos orgánicos volátiles (VOC, por las inciales de Volatile Organic Compounds) y de polutantes peligrosos del aire (HAPS, por las iniciales de Hazardous Air Pollutants), el aumento en la velocidad de producción, el menor consumo de energía, una reducción general de los costos de operación, un desempeño mejorado o especial de los productos, y la capacidad para permitir un adecuado proceso. La industria de las artes gráficas (sobreimpresión, barniz, tintas de impresión, adhesivos para etiquetas, y recubrimientos) es uno de los segmentos del mercado en los que ha sido mayor el impacto de la tecnología UV/ EB. No obstante, la mayoría de aplicaciones de alto volumen se han limitado, al menos hasta hace 5 ó 7 años, a productos distintos a los alimenticios.

En el pasado, los convertidores de empaques para alimentos mostraban ciertas preocupaciones por la química curable con UV/ EB debido a su olor residual, a la falta de dispositivos sencillos y seguros para el monitoreo del curado, a la ausencia en la industria de protocolos adecuados para las pruebas de migración, y a la falta de comprensión acerca del estado/regulación que sobre los químicos tenía la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos (FDA). En la industria se han logrado, sin embargo, muchos avances para dar respuesta a estas inquietudes, derivadas de químicas y equipos antiguos. Estos avances han atraído mucha atención y aumentado el uso de la tecnología UV/ EB.

Los convertidores, en su afán por mejorar la estructura de costos de los materiales de empaque, aumentar la eficiencia en su producción, mejorar el desempeño del producto, reducir los inventarios, disminuir las emisiones VOC, alcanzar la meta de producir por demanda o crear nuevos diseños de empaques, buscan siempre las más recientes tecnologías o químicas disponibles. De manera predominante, las soluciones a sus deseos y necesidades se han enfocado, por razones obvias, hacia la química curable mediante haz de electrones.

Avances en materias primas y equipos de curado
Desde el punto de vista de las materias primas, los proveedores2-8 han desarrollado segundas y terceras generaciones de materias primas con bajo olor, pensando en su empleo para empaques flexibles de alimentos. Este es un mejoramiento indispensable para que la química pueda utilizarse como uno de los componentes de los materiales que se emplean en el empaque de alimentos. Como nunca antes, este mejoramiento en el olor permite a quienes formulan diseñar productos con muchas más opciones y más flexibilidad que nunca.

Desde el punto de vista de los equipos, existen dos clases principales de curado por radiación que se utilizan para adhesivos, recubrimientos y tintas: El curado UV y el curado EB. En el mercado de empaque de alimentos, el método de curado con haz de electrones se encuentra en una posición de liderazgo y es el preferido por muchos convertidores. El mecanismo de curado EB ofrece un grado más alto de conversión, mayor velocidad, un proceso de curado independiente de la velocidad, la capacidad de curar a través de sustratos opacos, y está libre de la probable migración o el olor de los fragmentos de fotoiniciadores. El curado EB da cuenta en alto grado (pero no por completo) de las preocupaciones por la migración potencial a partir de materias primas que no han reaccionado, de un mecanismo simple y seguro de curado con retroalimentación instantánea, y del olor residual y la pérdida de sabor. La introducción reciente de unidades de curado EB de bajo voltaje (90KV)9, y bajo costo ha abierto una gran cantidad de oportunidades reales en el campo de los empaques flexibles y ha representado una mejor justificación económica para los convertidores. La menor caracterización requerida por estos equipos de bajo voltaje facilita también el reacondicionamiento de los equipos actuales de recubrimiento. Muchas operaciones en línea pueden realizarse en un solo paso, incluyendo la impresión, el recubrimiento, la laminación, el corte longitudinal, y el troquelado. Se puede estar seguro de que los sistemas de curado UV que cumplen con las especificaciones de la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos estarán compitiendo en las mismas aplicaciones. Sin embargo, su limitación seguirá siendo la incapacidad para curar a través de sustratos opacos, lo que restringe para los convertidores su capacidad de operación y las flexibilidades en el diseño.

Aplicaciones potenciales en empaques de alimentos
El mercado de empaques de alimentos puede subdividirse en tres sub-mercados: Empaques plegadizos, empaques flexibles y etiquetas- envolturas-marbetes. En cada uno de estos mercados existen oportunidades potenciales para que los recubrimientos y adhesivos EB reemplacen las tecnologías que dominan el mercado. Se presentará en cada caso un reemplazo potencial y se ofrecerá información comparativa, cuando sea necesario.

Para el mercado de empaques plegadizos
Las cajas ofrecen diversos grados de protección de barrera (dependiendo de los requerimientos del producto) y tienen distintos requisitos para sus propiedades de deslizamiento, resistencia de los productos y resistencia a la fricción. Las oportunidades para la tecnología de curado UV/ EB son los recubrimientos de sobreimpresión y las tintas y, en ambos casos, es necesario que se ajusten a las regulaciones de la Administración de Drogas y alimentos de los Estados Unidos relacionadas con el contacto indirecto con los alimentos. Los recubrimientos y las tintas UV/ EB comparten actualmente el mercado con los recubrimientos y tintas de base de agua, y los basados en solventes (con una participación mucho menor). Los recubrimientos curables con haz de electrones se encuentran definitivamente en una posición que les permite reemplazar los de base de agua y base de solvente.

La  Tabla 1 muestra los resultados de las pruebas de migración de las antiguas y nuevas generaciones de recubrimientos EB para cajas plegadizas de jugos y de productos lácteos, efectuadas con el empleo de los más avanzados protocolos de pruebas y equipos de detección (cromatografía con espectofotómetro de triple/ cuádruple de masa: LC-MS-MS). Se puede concluir que el método tradicional de detección11 GC-MS no logró detectar las especies "migrables pero no volátiles" y que la sensibilidad de detección puede haber sido ligeramente menor. (Nota: Se utilizó extracción de celda para la etapa de extracción en lugar del método de desorción termal, para poder realizar una extracción de contacto indirecto con los alimentos, de acuerdo con la referencia 11 para el método GC-MS).

Las características de deslizamiento, resistencia del producto y resistencia a la fricción para la nueva generación de recubrimientos EB son todas mejores que las del sistema WB estudiadas, o que las del sistema sin recubrimiento. Se alcanzó fácilmente una velocidad de la línea superior a los 1.000 pies por minuto para este proceso en línea.

Mercado de empaques flexibles 
Adhesivos para laminación
Para obtener buenas propiedades de barrera ante el oxígeno y la humedad, sellabilidad al calor y gráficas atractivas, la creación del empaque consta, por lo general, de películas de distintos materiales en múltiples capas, agrupadas con adhesivos de laminación. Los adhesivos de laminación de poliuretano (PU), (SB de dos componentes, SB de un componente, WB de dos componentes, WB de un componente, y dos componentes de sistemas sin solventes) han tenido un enorme éxito en la industria de empaques flexibles. Sólo en los últimos cinco años alternativas de menor costo como los acrílicos WB comenzaron a penetrar las aplicaciones de menor demanda de productos como las de los alimentos secos. El curado instantáneo y el desarrollo de pegado con adhesivos de laminación EB representan las propiedades más atractivas para los convertidores. En la  Figura 4 se aprecian ejemplos de tales diferencias en los desarrollos de enlaces.

Se han desarrollado ya adhesivos de laminación EB, que se hallan disponibles comercialmente o en estado experimental. Las combinaciones aplicables de sustratos se enumeran en la  Tabla 2 para esos productos, comparándolos con los adhesivos de laminación de poliuretano. Algunos valores típicos de intensidad del enlace para varias combinaciones de películas se presentan igualmente en la  Tabla 3.

Existe un trabajo continuo de desarrollo de la intensidad de pegado para películas PET (polietileno) con un tratamiento corona simple, para optimizar su desempeño sobre diversas combinaciones de sustratos y para equilibrar los requerimientos de desempeño y migración para las películas internas de bajos niveles de barrera (el lado más cercano al alimento).

El recubrimiento EB en reemplazo de la película
Aunque el reemplazo directo de los adhesivos de laminación de poliuretano por adhesivos de laminación EB es realizable, el costo de los productos formulados es todavía más alto con los sistemas EB. Los ahorros reales deben determinarse a partir del costo general de operación, incluyendo la incineración, el costo de la secadora, el tiempo de elaboración del producto, y los ahorros que se desprenden de la reducción de los inventarios.

Una sugerencia interesante se mencionó en un artículo de actualización tecnológica, "Un recubrimiento EB podría reemplazar la capa superior de una estructura laminada". Recientemente, se demostró en un ambiente de producción que una estructura como ésta cumplía con los requerimientos de la Administración de Drogas y Alimentos de los Estados Unidos, con base en estudios de migración (con el más estricto método de detección LC-MS-MS). Las características de resistencia al calor, resistencia a la fricción, brillo y deslizamiento son comparables a las de las construcciones multicapas hechas todas a partir de películas. Un ejemplo de las comparaciones apropiadas se muestra en la  Tabla 4.

Los ahorros en costos calculados para el proceso se encuentran en el rango de 15-20 por ciento y les permite a los convertidores utilizar un proceso de un solo paso. Este enfoque de una sola banda para reemplazar las estructuras laminadas es la tendencia creciente, en especial en aplicaciones para golosinas o pasabocas.

Mercados de etiquetas, envolturas y marbetes
Las estructuras más populares para productos con películas incluyen OPP/OPP-blanco y OPP/metalizado-OPP para estructuras laminadas, o película monocapa para etiquetas `in-mold´, sencillas y para aplicaciones contraíbles.

En este formato de empaque, existe por lo general una capa plástica muy gruesa por razones de rigidez del producto y, por tanto, el aspecto de la migración (para el cumplimiento con las regulaciones de la FDA) es mucho menos problemático que en el caso de películas de calibre delgado para empaques flexibles, como se mencionó en la sección anterior. Sin embargo, es necesario realizar todavía el estudio de migración. Entre algunos productos comerciales y potenciales en esta área incluyen:

• Adhesivo de laminación UV/ EB
• Adhesivo sensible a la presión UV/ EB
• Adhesivo para borde (end-seal)
•  Recubrimiento UV/ EB para reemplazo de adhesivo de laminación y película superior. 
• Adhesivos UV de borde posterior resistentes a la contracción por calor (etiquetas contraíbles alimentadas por rollo)
• Recubrimientos superiores para protección de gráficas, resistentes a la contracción por calor (etiquetas encogibles).

Determinación por parte de la FDA de la química curable por UV/ EB
A través de una continua educación y de publicaciones10, 13-15, los convertidores han llegado a aceptar el hecho de que las regulaciones de la FDA relacionadas con la tecnología de curado UV/ EB son las mismas que las estipuladas para otras químicas y procesos de curado. Para la química curable con UV/ EB, el estado de cumplimiento se obtiene mediante dos de los ochos mecanismos estatutarios de exención que se hallan disponibles16.

(1)La determinación de "No migración/No aditivos en los alimentos": Esta determinación, conocida a menudo como la "exención a la no-migración", es la cláusula más importante que libera al convertidor de responsabilidades en esta área, pues ofrece la premisa más usada para la auto-determinación, un requisito para que un material de empaque de alimentos no sea objeto de revisión por parte de la FDA.

(2)Doctrina de la barrera funcional: Un subconjunto de la exclusión de la no- migración es la Doctrina de la Barrera Funcional. Este concepto contempla que "Si una sustancia no hace parte de la superficie de un empaque en contacto con el alimento y se encuentra separada por una barrera funcional que evite la migración del sustrato al alimento, no puede esperarse que esta sustancia se convierta en un componente del alimento y, por tanto, no constituye un aditivo del alimento, según el sentido del acta de la FD&C. "Lo que esto significa es que, si existe una barrera funcional, no puede esperarse razonablemente que la sustancia se convierta en parte del alimento y en consecuencia no se encuentra sujeta a las regulaciones de la FDA.

En tanto que la prueba de migración se practique siguiendo las directrices de la FDA17-18, el empleo de química UV/ EB en el empaque de alimentos es apropiado. Los ejercicios de tales procesos de prueba se ilustraron en dos ejemplos publicados. El primero de ellos es un recubrimiento de desprendimiento de silicona curable con EB y el segundo son recubrimientos y adhesivos de acrilatadoscurables con EB9,20. Hay que tener en cuenta que los métodos de detección elegidos para las pruebas de detección en estos dos casos son diferentes y se basan en los mejores métodos de detección, ajustados a sus propias químicas específicas.

Conclusión
Siguiendo el éxito de los recubrimientos EB en aplicaciones de empaques de alimentos, los adhesivos EB se alistan ahora para convertirse en la tendencia tecnológica y química dominante para los empaques de alimentos. Con el respaldo de una nueva generación de materias primas con olor más bajo, de mecanismos de curado más asequibles y seguros, de protocolos de prueba de la FDA mejor definidos, y de un desarrollo de producto innovador, los convertidores se muestran ansiosos ante esta nueva alternativa de tecnología curable con UV/ EB, amigable con el medio ambiente. Esta nueva manera de fabricar empaques para alimentos promete ayudar a los convertidores a alcanzar varias de sus metas: Obtener velocidades más altas de curado, desarrollar curado/enlace instantáneo, obtener menores costos generales de operación, reducir o eliminar la generación de VOC, tener menos pasos en el procesamiento y contar con nuevas capacidades para el diseño.