Barreras para la aplicación de los nanomateriales en plástico

La nanotecnología representa el motor de la innovación tecnológica para la mayor parte de los sectores industriales actuales, con un mercado actual superior a 2,5 billones, y una previsión de mercado superior a 1 trillón de euros en los próximos 10 años. En el marco del sector plástico, la nanotecnología abarca el diseño, fabricación, procesado y aplicación de materiales poliméricos plásticos aditivados con materiales que presentan una o más dimensiones en el orden de 100 nm o inferior, conociéndose comúnmente como nanocargas o nanorefuerzos. Carlos Fito López, responsable Dpto. Seguridad / coordinador de proyectos I+D en NanoSeguridad- Itene impartió esta ponencia durante las II Jornada Internacional de Innovaciones Técnicas en Plástico organizada por el CEP.

Actualmente, las aplicaciones plásticas son el mercado final de una gran parte de los nanomateriales comercializados a gran escala, si bien las previsiones cuentan que para el 2020 los nanoplásticos serán la mayor sección en el mercado de los nanomateriales.

En relación a la aplicación de la nanotecnología en el sector del plásticos, el desarrollo de los llamados nanocomposites, polímeros reforzados empleando una fase orgánica o inorgánica de tamaño nanométrico, destaca como una de las aplicaciones de mayor relevancia en el campo de los nuevos materiales. Como aplicaciones importantes de los nanocomposites, destacan:

• Automóvil: depósitos de combustible, paneles interiores y exteriores, parachoques, etc.
• Construcción (paneles estructurales, secciones de edificios, etc.)
• Aeroespacial (paneles retardantaes de llama, componentes de alto rendimiento)
• Componentes eléctricos, circuitos impresos, etc
• Envase y embalaje: por ejemplo, envases para alimentos, envases inteligentes y materiales activos.

El uso de los nanorefuerzos por tanto, permite la mejora de las propiedades de los plásticos y por tanto es clave en el desarrollo de nuevos materiales, especialmente en áreas como el envase y embalaje y automoción.

Entre las propiedades que el uso de nanorefuerzos permite alcanzar, destacan:

• Mecánicas,
• Térmicas,
• Barrera (gases, vapores)
• Otras propiedades funcionales (resistencia a la llama, electro-ópticas, protección UV, ligereza, etc.)

En relación a los nanorefuerzos más empleados, destacan:

• Nanoclays (silicatos laminados): refuerzo de polímeros termoplásticos y resinas como: poliamidas (PA), nylon, poliolefinas, poliestireno (PS), etil vinil acetato (EVA), polietilentereftalato (PET), etc.
• Carbonato de calcio: proporciona una mejora de la dureza, viscosidad, estabilidad dimensional y propiedades térmicas de materiales como poliolefinas, PET o ácido poliláctico (PLA).
• Nanopartículas de óxidos metálicos: como TiO₂, ZnO y SiO₂, empleados para optimizar la absorción de rayos UV, rigidez, dureza o propiedades antimicrobianas de los plásticos como PET, PLA o poliolefinas.
• Nanotubos de carbono: proporcionan dureza en materiales PA, poliésteres, policarbonato, poliestireno, etc.

Nuevos materiales.

El potencial de la nanotecnología para mejorar las propiedades de los materiales plásticos abre la puerta al debate de los posibles riesgos para la salud y el medio ambiente relacionados con el uso de materiales a escala nanométrica, comúnmente conocidos como nanomateriales o nanorefuerzos en el caso específico de los materiales plásticos.

El creciente aumento de las aplicaciones de la nanotecnología, unido a la obtención de importantes mejoras en las propiedades de los productos resultantes, ha provocado un incremento considerable en el uso de los nanomateriales, sin embargo todavía existen numerosas incertidumbres sobre sus riesgos para la salud y el medio ambiente.

Aspectos clave en los riesgos de los nanomateriales Los materiales a escala nanométrica presentan propiedades y comportamientos característicos que determinan en gran medida sus riegos, destacando:

• Su elevada relación superficie / volumen supone un aumento de su reactividad y potencial de interacción con el entorno, así como una mayor actividad biológica (ROS)
• Debido a su tamaño (< 100 nm), son fácilmente incorporados por nuestro organismo a través de las vías respiratorios, torrente sanguíneo, fagocitosis celular, ……
• Presentan una alto nivel de interacción a nivel celular debido a su capacidad de adsorber macromoleculas en su superficie, afectando los mecanismos de regulación celular y por tanto provocando efectos adversos directos.
• En base a las propiedades físicas de las partículas y a diversos estudios realizados con materiales ultrafinos, los nanomateriales se encuentran en los rangos de tamaño con mayor potencial de persistencia en el aire (Dustiness).
• Son fácilmente inhalables, depositándose en todas las regiones del tracto respiratorio, con especial relevancia en la región alveolar, donde se han observado tasas de deposición > 35%.
• Presentan una alta velocidad de difusión, afectando negativamente a la efectividad de medidas de gestión del riesgo, incluyendo equipos de protección respiratoria, sistemas de ventilación/filtración y/o equipos de protección dérmica.

De forma general, los efectos biológicos de los NMs se relacionan con sus propiedades físicas y químicas, especialmente: forma, tamaño, comp. química, área superficial, solubilidad, química superficial y aglomeración/agregación.

Los peligros identificados indican que los nanomateriales tienen efectos tóxicos potenciales en el ser humano y el medio ambiente, sin embargo, es preciso señalar que no todos los nanomateriales inducen efectos tóxicos.

Riesgos ambientales

• Presentan a un amplio rango de toxicidades dependiendo de su naturaleza química, distribución de partículas, forma, área superficial, estado de agregación/aglomeración, etc.
• Los peligros identificados indican que los nanomateriales tienen efectos tóxicos potenciales en el ser humano y el medio ambiente, sin embargo, es preciso señalar que no todos los nanomateriales inducen efectos tóxicos.
• La mayor parte de los datos son relativos a especies utilizadas en el marco regulador, con una evidente falta de conocimiento de efectos en bacterias, especies terrestres y plantas superiores.
• Todavía es incierta la aplicación de test estandarizados (OCDE) en la evaluación de la toxicidad ambiental de los NMs.

Riesgos para la salud humana

• Existe una gran incertidumbre relativa a la adecuación de los ensayos toxicológicos clásicos al caso especifico de las formas nanometricas de las sustancias y/o materiales - Dependiendo de las rutas de exposición (inhalación, ingestión o dérmica), los NMs muestran patrones diferentes de biodistribución, provocando efectos muy diverso como fibrosis, daños en el ADN y cáncer.
• A pesar de la información disponible, todavía son desconocidos los mecanismos de acción de los NMs, no existiendo un consenso relativos a las condiciones de ensayo a utilizar.
• Se desconocen en gran medida las interacción entre los NMs y los Sistemas Vivos, existiendo una evidente falta de conocimiento sobre los efectos crónicos de los NMs.

Potencial de exposición

• Existe un número limitado de datos publicados relativos a los niveles de exposición, incluyendo datos cuantitativos obtenidos principalmente en laboratorios y entornos no industriales.
• Los NMs muestran comportamientos aerodinámicos diversos debido a su alto potencial de reactividad y a las interacciones cuánticas entre las partículas.No existen valores limites de exposición aceptados (OELs), dificultando el establecimiento de medidas de control y la evaluation objetiva de los riesgos por exposición

Gestión y control del riesgo

• Un número limitado de estudios han reportado la eficacia de equipos de protección respiratoria (EPR) y/o protección dérmica, siendo necesaria la realización de nuevos estudios para evaluar la eficacia de los distintos equipos de control.
• Los sistemas de ventilación y captación parecen ser efectivos, disminuyendo los niveles de NMs en el ambiente, sin embargo su alto potencial de difusión genera incertidumbres en ambientes industriales, donde un número limitado de publicaciones demostrado su eficacia.
• En el caso de los equipos de protección dérmica, se han obtenido resultados divergentes debido fundamentalmente a la variabilidad de factores que afectan a la eficacia de guantes o ropa de protección, incluyendo en el caso de los guantes, variaciones debidas a la deformación y la existencia de microclimas.

La necesidad de salvaguardar la salud de los trabajadores, consumidores y el medio ambiente ha dado lugar al nacimiento de un nuevo campo científico, la NanoSeguridad, encargándose de definir las dosis que pueden provocar efectos adversos y caracterizar los niveles de exposición.

Riesgo= Peligro (severidad) x Exposición (Probabilidad)

- Peligro (severidad): dosis potencial para hacer un daño - Exposición (probabilidad): medida cuantitativa del grado de presencia de un peligro determinado Riesgo: probabilidad de que el peligro genere un daño

El el caso de la evaluación de los riesgo de los NMs, la caracterización de la exposición es clave para la determinación de la existencia de un riesgo, por ello la aplicación de métodos de medida in situ resulta imprescindible en la evaluación de los riesgos por exposición a NPs.

Nanoseguridad

Para el estudio de sus riesgos, no existen metodologías estándares o técnicas universales, no obstante los investigadores coinciden en la necesidad de abordar las siguientes áreas:

En relación a la gestión y control de riesgos de la nanotecnología, fruto del trabajo de las Agencias de Seguridad y Salud en el Trabajo, así como de los resultados de investigación, se han definido medidas de higiene 'Buenas Prácticas' y medios de protección obligatorios, que permiten mitigar los riesgos potenciales de estos materiales El gran problema en este campo surge de la incertidumbre relativa a la eficacia de las medias actuales de protección frente a materiales en rangos de tamaño nanométrico. Es por ello necesaria la evaluación de la efectividad de medios de protección como respiradores, guantes y mecanismos de filtración.

Origen de la idea

La idea de NanoSafePack nace en el CEP conjuntamente con Itene, necesidad de desarrollar e investigar en el campo de las nanocargas, con nuevas propiedades que permitan al cliente la obtención de materiales de envase con mayor resistencia, menor permeabilidad, mayor ligereza o incluso alargar la vida útil del producto mediante la disminución de la actividad de microorganismos que atacan al productos perecederos.

Pero había un obstáculo: Elevado desconocimiento de los riesgos de usar nanocargas en la salud de las personas: Itene identificó un proyecto dentro del 7ª programa marco de la Comisión Europea: Nanosafepack

Objetivos

Como principal objetivo, NanoSafePack pretende el desarrollo de una guía de buenas prácticas para el uso seguro de nanorefuerzos en la fabricación de materiales de envase. En detalle, los objetivos a alcanzar son:

• Evaluar las limitaciones de uso de NPs en el sector del envase y embalaje (técnicas, legislación, riesgos…)
• Identificar y evaluar los peligros para la salud (toxicidad)
• Evaluar la exposición a los nanorefuerzos
• Diseñar e implementar metodologías de mitigación de riesgos
• Dotar al sector de una guía de referencia para el uso de aditivos en tamaño submicrométricos

Resultados esperados

Los principales resultados a alcanzar son:

• Perfil toxicológico y ecotoxicológico de los nanorefurzos de mayor interes para el sector del packaging
• Definición del los potenciales de migración de las nanorefuerzos en las principales matrices poliméricas (PP, PET, PET y PLA)
• Datos cuantitativos de los niveles de exposición (partículas / cm³) en las principales etapas de uso de los nanorefuerzos, incluyendo síntesis y procesado
• Optimización de los Equipos de Protección Individual (EPIs) y medios técnicos para el control de los riesgos en el lugar de trabajo
• Datos relativos a la reciclabidad de nanocomposites e identificación de medidas adeciadas para la gestión de residuos con alto contenido en nanocargas.

Consorcio y cadena de valor del proyecto

El consorcio del proyecto se forma por un conjunto de 7 entidades complementarias entre sí, en detalle: dos centros de investigación, tres asociaciones industriales y dos empresas.

En relación al ámbito geográfico, el proyecto representa a 4 estados miembros: España, Bélgica, Italia y Reino Unido

Plan de trabajo

Para alcanzar los objetivos planteados el proyecto se ha estructurado en 8 paquetes de trabajo, incluyendo 4 tipos de actividades:

• Actividades de investigación: a cargo de centros de investigación / centros tecnológicos
• Actividades de demostración: implantación de resultados en casos de estudios
• Gestión: gestión administrativa del proyecto por parte de Tecni-Plasper
• Actividades de difusión: difusión de los resultados en workshops, conferencias, jornadas de formación, etc.
• El proyecto comenzó en diciembre de 2011.
• El proyecto tiene una duración de 36 meses, con una fecha de finalización prevista a fecha de 30 de noviembre de 2014.

Los nanocomposites son polímeros reforzados empleando una fase orgánica o inorgánica de tamaño nanométrico (nanocarga) que permiten la mejora de las propiedades mecánicas, térmicas, barrera y otras propiedades funcionales para el desarrollo de nuevos materiales.

Las barreras en la aplicación de nanomateriales en la industria del plástico son principalmente las debidas a:

• Falta de datos cuantitativos de los efectos de las nanocargas en la salud y el medio ambiente
• Falta de datos cuantitativos de los niveles de exposición en los zonas de procesado, incluyendo síntesis y procesado: avances en los métodos de monitorización
• Optimización de los medios de prevención y protección
• Medidas de gestión de residuos con contenido en nanocargas
• Necesidad de un control riguroso de la fabricación ya que las propiedades del material dependen del método empleado
• La apuesta por la investigación es esencial para la innovación del sector y la superación de las actuals barreras

Guías de apoyo

• Workplace exposure to nanoparticles – EU/OSHA
• Appraches to Safe Nanotechnology
• Exposure to nanomaterials in consumer products RIVM

Plataformas de nanotecnología

• Nanosafetycluster - www.nanosafetycluster.eu
• Nanofutures - www.nanofutures.eu
• NanoSpain - www.nanospain.org Nanocode - www.nanocode.eu

Recursos

• QNANO Resarch Infraestructure
• JRC- ENMs repository.