Antioxidantes, biocidas y repelentes de origen natural

Una de las principales acciones en este sentido, ha sido el uso de pigmentos naturales basados en óxidos metálicos, que ocurren de forma natural, como reemplazo a las sales y óxidos metálicos en base Cadmio y Plomo, y muy común en las últimas décadas debido a la restricción de uso de estos últimos. Optar por cargas de origen natural como fibras y harinas procedentes de fuentes celulósicas (cáñamo, sisal, cáscaras de frutos secos, residuos agroforestales y madereros, etc.), en lugar de fibras de vidrio y cargas minerales es otra de las opciones preferidas. Al reemplazar las cargas minerales por naturales, además de aportar un alto valor añadido, también suele apreciarse a una reducción en coste de materia prima, así como una reducción en la densidad del producto. Estos productos obtenidos al mezclar plásticos con cargas naturales son los llamados WPC (Wood Plastic Composites), muy populares en el sector de la construcción y jardinería.

Además de pigmentos, cargas y refuerzos, podemos encontrar muchos otros aditivos de origen natural (algunos ya en el mercado y otros en proceso estudio) aportando diferentes tipos de prestaciones a los productos plásticos, ya sea para facilitar su procesado (lubricantes, plastificantes, ayudas de proceso), mejorar su apariencia y desempeño (antiestáticos, anti-fogging, mejoradores de brillo, aromas), protegerlos ante diversos factores o alargar su vida útil.

En comparación con los sistemas de aditivación convencional, los aditivos procedentes de fuentes renovables en productos plásticos tienen las siguientes ventajas:

• En su mayoría presentan muy baja toxicidad para humanos y mamíferos, siendo algunos de ellos comestibles, y pudiéndose emplearse en sectores como alimentación, cosmética y juguetes, además de en los sectores de automoción, agricultura, eléctrico-electrónico, construcción, etc.
• No presentan riesgos ambientales significativos si migran al suelo o agua, por ejemplo, al ser usados en productos agrícolas como geomembranas y films agrícolas, sistemas de riego, tutores, etc., o en productos marítimos como boyas y flotadores, embarcaciones de ocio, etc.
• Son en su mayoría biodegradables, permitiendo su uso en plásticos biodegradables.
• Permiten aportar un valor añadido al producto, incrementando su sostenibilidad, y adaptándolo al cambiante mercado, cuya principal tendencia va orientada hacia productos más ecológicos, seguros y con menor impacto ambiental.

Al hablar de protección de plásticos se debe tener en cuenta tanto la protección durante su procesado, como durante su uso. En el primer caso se busca prevenir los procesos de degradación termo-oxidativa o hidrolítica, y en el segundo se trata de la protección ante la luz, microorganismos (bacterias, hongos y microalgas), insectos y animales de mayor tamaño (principalmente roedores), y la combinación de todos tendrá un efecto directo sobre la vida útil del producto. Para casi todos los casos mencionados existen alternativas de origen natural, algunas con múltiples efectos, y varias de ellas disponibles a nivel comercial.

Los principales aditivos de origen natural que pueden emplearse en productos plásticos consisten en derivados de ácidos grasos, aceites esenciales, extractos naturales y los componentes activos de estos. Los inconvenientes principales que pueden presentar estas sustancias son la alta volatilidad, termolabilidad y el olor, haciendo que algunos sean completamente no-aptos para emplear en ciertos materiales plásticos y aplicaciones. Antioxidantes, biocidas y repelentes son los principales efectos protectores que se pueden obtener a partir de aditivos de origen natural. Los de mayor interés comercial para uso en plástico se describen a continuación.

Son muchas las sustancias naturales con propiedades antioxidantes. Éstas son conocidas en el sector de alimentación y cosmética por sus efectos antienvejecimiento, y empleadas en muchos casos para la conservación de alimentos, como aditivos naturales. De igual manera, algunas de estas sustancias también pueden ser empleadas en plásticos. Los principales actores son los polifenoles, tocoferoles, derivados de flavonoides y carotenoides. Otras sustancias que pueden impartir un efecto antioxidante son aminas derivadas de aceites naturales, y aceites modificados como el ESBO (aceite epoxidado de soja), ampliamente empleado en la industria de PVC, tanto como co-estabilizante como por sus propiedades plastificantes.

El área de estabilizantes naturales para plásticos es relativamente nueva y aun muchas sustancias se encuentran en proceso de estudio y validación como, por ejemplo, los aceites esenciales de romero, orégano, canela y clavo, entre otros. Extractos de productos derivados de la producción de aceite de oliva y de vino, también han mostrado un efecto antioxidante en plástico en diferentes estudios de laboratorio. El uso de este tipo de materia prima constituye una buena opción para el aprovechamiento de residuos de alimentación y sigue siendo un campo de estudio en auge. A nivel comercial se pueden encontrar antioxidantes muy efectivos para poliolefinas, basados en aceite de colza hidrogenado.

Según la ECHA-European Chemical Agency, los biocidas son sustancias que se utilizan para proteger a las personas y a los animales, así como materiales o artículos contra organismos nocivos, como plagas o bacterias, gracias a la acción de las sustancias activas que contienen. En la naturaleza, existen múltiples sustancias con propiedades biocidas, generadas principalmente por plantas (en las hojas, tallos, flores, semillas o sabia) y algunos animales (en los caparazones y secreciones) para su propia protección. Estas sustancias pueden actuar de distintas formas, y según el modo de acción podrán tener un efecto bactericida, fungicida o anti-incrustante (antifouling), por ejemplo, previniendo la formación de biofilms, microalgas y el ataque organismos marinos de pequeño tamaño a: redes, boyas, embarcaciones, piscinas, etc., previniendo la proliferación de organismos patógenos en superficies públicas, como: aseos, equipos médicos, pasamanos, etc., y evitando la formación de moho y crecimiento de bacterias en: gomas y juntas, zapatos, juguetes de baño, entre otros.

Los principales componentes antimicrobianos naturales que se pueden encontrar en las plantas están presentes en sus aceites esenciales, encontrando compuestos como el eugenol, carvacrol, timol, geraniol, cinamalaldehido, capsaicina, alicina, entre otros; procedentes de animales se encuentra principalmente el quitosano de los caparazones de los crustáceos y las secreciones de moluscos; y generadas por bacterias se encuentran productos como la polilisina y la natamicina. A nivel comercial, se pueden encontrar limpiadores y desinfectantes en base a extractos de tomillo, romero y orégano, desodorizantes en base a extractos de menta y árbol de té, y antifúngicos para alimentos frescos basados en natamisina y polilisina. Aunque estos productos no son añadidos directamente a los plásticos, demuestran la eficacia de dichos extractos naturales ante múltiples patógenos.

El estudio de aceites esenciales y sustancias naturales con propiedades antimicrobianas en aplicaciones de envases activos ha demostrado incrementos importantes en la vida útil de los alimentos envasados. Estas sustancias biocidas pueden ser incorporadas de diferentes formas en el envase, tales como en etiquetas impregnadas, recubrimientos, laminados, en la matriz polimérica o en saquitos. En diversos estudios de laboratorio se ha demostrado la fuerte actividad inhibidora de estas sustancias naturales ante muchas bacterias patógenas, entre las que se pueden encontrar S. Typhimurium L. monocytogenes E. coli y S. aureus, y frente a hongos como P. Expansum, C. albicans, A. niger, y M. gypseum.

Muchas de los aceites esenciales o extractos naturales con propiedades antimicrobianas presentan una estabilidad térmica relativamente alta, pero cercana a la del procesado de los polímeros, por lo que mediante una correcta metodología pueden ser incorporados en la matriz polimérica para lograr una liberación controlada y un producto plástico con efecto biocida de larga duración. Aunque aún las sustancias con propiedades antibacterianas y antifúngica no son comercializadas directamente para su uso en plásticos, a nivel comercial ya se pueden encontrar aditivos naturales anti-incrustantes para polipropileno, compuestos por aceites vegetales y derivados del aceite de ricino.

Es conveniente indicar que, aunque la mayoría de las sustancias mencionadas son directamente aptas para el contacto alimentario (por ser en gran parte derivados de productos alimenticios), al emplearlas en productos plásticos se deberá tener en cuenta si han sido aprobadas de conformidad con la Directiva 98/8/CE (Directiva sobre biocidas) y el Reglamento (UE) nº 528/2012 (Reglamento sobre biocidas), indicando las restricciones de uso, y en algunos casos prohibiciones para ciertas aplicaciones. En este último aspecto, se deberá tener especial atención en productos destinados al contacto alimentario, farmacéutico, cosmético y juguetes, debiendo cumplir la respectiva normativa del sector.

Existe una amplia variedad de plantas que incorporan sustancias repelentes e insecticidas en sus flores, hojas y sabia, para su propia protección frente al posible ataque de insectos, ya sea para alimentarse, anidar o desovar, y que en muchos casos son empleadas como “remedios caseros” para el control de algunos insectos. El principal ejemplo que podemos encontrar en la naturaleza son las piretrinas presentes en algunas flores del género Chrysanthemum, y que actualmente son empleadas como pesticidas naturales para uso doméstico, en invernaderos, mascotas y ganado. El equivalente sintético de estos compuestos son los llamados piretroides, entre los que podemos encontrar a la permetrina y la deltametrina, comúnmente empleados en la fabricación de productos antiparasitarios también para mascotas y ganados, incluyendo los collares vinílicos para el control de pulgas, garrapatas y mosquitos. En cuanto a sustancias naturales con acción repelentes, se pueden encontrar derivados de los aceites esenciales del clavo y la canela, tales como el eugenol y el cinamalaldehido; el geraniol, procedente de los aceites de la citronela y otras plantas; y finalmente la capsaicina y capsaicinoides, extraídos de diferentes plantas y pimientos del género Capsicum.

La mayoría de ellos, aunque relativamente volátiles, son lo suficientemente estables para poder ser incorporados en polímeros con temperaturas de procesado bajas, tales como LDPE, EVA y PVC. A nivel comercial, ya es posible encontrar diversos productos plásticos y masterbatches repelentes, cuyos componentes activos son completamente de origen natural, orientados principalmente a la protección ante garrapatas, flebotomos, mosquitos y roedores. Los productos comerciales mas representativos en este ámbito son los collares repelentes con geraniol para mascotas, y las pulseras antimosquitos con citronela, también son comercializados concentrados de capsaicinoides en poliolefinas, para la protección de cables y tuberías contra el ataque de ratas y ratones. Todos estos productos ayudan en la prevención de múltiples enfermedades transmitidas por vectores y parásitos, tanto a mascotas como a humanos. También aportan protección a cableados, sistemas de riego, canalización y desagües, cuyo daño puede ocasionar múltiples problemas adicionales y pérdidas económicas asociadas a su reparación o sustitución.

Existen muchos desarrollos en curso sobre el uso de otras sustancias repelentes e insecticidas de origen natural y combinaciones de ellas, teniendo como objetivo común un área de efecto máxima con una larga duración. Así mismo, también los desarrollos se enfocan a la incorporación de estas sustancias en plásticos con una temperatura de procesado superior, mediante el uso de distintos sistemas de encapsulación y carriers, que además también permiten un mejor control sobre la velocidad de liberación.

Los dos principales retos a la hora de desarrollar un producto empleando estrategias de protección de origen natural, son los siguientes:

1. Garantizar que la sustancia activa soporte las condiciones de procesado del plástico en el que desean ser incorporados.
2. Asegurar que la tasa de liberación sea la adecuada, con el fin de obtener tanto el efecto como la durabilidad deseada.

En este sentido, Aimplas ha participado en una gran variedad proyectos empleando sustancias activas de origen natural en el desarrollo de productos para diversos sectores, como envases activos antimicrobianos para múltiples productos alimenticios de IV gama, suelas y esterillas repelentes de mosquitos, bolsas y contenedores de basura con repelencia ante moscas y cucarachas, entre otros. Para conseguir los objetivos planteados en estos desarrollos, se ha implementado una metodología a medida para la incorporación de cada una de las sustancias activas, con el fin de protegerlas durante el procesado, tanto en el proceso de compounding como durante su transformación final (extrusión o inyección). La metodología consiste en el uso de sistemas de encapsulación o carriers, y permite el uso de sustancias naturales con una estabilidad térmica relativamente baja (cercana o ligeramente inferior a la temperatura de procesado del plástico matriz), protegiendo a dicha sustancia de las condiciones de procesado, y a su vez, facilitando su manipulación y controlando la tasa de liberación en el producto final. Debido a las ventajas que aporta esta opción, en muchos casos también es elegida para sustancias con alta estabilidad térmica que puedan soportar dichas condiciones de procesado, obteniendo una mayor durabilidad del efecto protector. Aun empleando un sistema de encapsulación, se deben tener en cuenta ciertas consideraciones técnicas, tanto durante su procesado como durante su uso, principalmente referidas a la temperatura de trabajo, parámetros de proceso, diseño de husillo, etc., para garantizar la eficacia de las estrategias de protección natural empleadas.

El uso de estrategias de protección natural, y en general aditivos de origen natural, son una creciente tendencia en el sector del plástico, principalmente en productos biodegradables, en base a PLA, PHAs y almidones, reduciendo el impacto ambiental desde el punto de vista de los aditivos empleados, pero también en productos procedentes del petróleo, como PE, PP y PVC, entre otros, para la fabricación de productos en sectores de ocio, jardinería, agricultura y ganadería, embalaje, etc.