martes, 24 de abril de 2012

Extrusión de lámina y película colada

Introducción
Las láminas y películas termoplásticas se producen por numerosos procesos, los más importantes son los basados en el proceso de extrusión. El término lámina u hojas se refiere a los materiales con un espesor entre 0.5 mm hasta cerca de 12.5 mm y se usan para productos tales como cristales planos de ventana y material para termoformado. El término película se refiere a espesores por debajo de 0.5 mm. Se usan películas delgadas para material de empaque; las aplicaciones de películas más gruesas incluyen cubiertas y revestimientos, por ejemplo cubiertas para piscinas y revestimientos para canales de irrigación.
El proceso de extrusión por dado plano ofrece algunas variantes con respecto a la extrusión de película soplada, siendo el método para obtener lámina para aplicaciones como termoformado (blister pack, skin pank, artículos desechables) y láminas de varios espesores para diversos usos.
Mediante el proceso de extrusión en dado plano también se consiguen obtener láminas de plástico espumado, como por ejemplo el poliestireno espumado EPS (no confundir con poliestireno expandido)
Línea de extrusión de lámina de PET
Extrusión de lámina y película en dado plano
Las láminas y las películas se producen en varios espesores mediante extrusión convencional, usando un dado cuya abertura tiene la forma de una rendija delgada. La rendija puede tener hasta 3 m de largo con un ancho cercano a 0.04 mm.
Esquema del dado plano
El dado incluye un conducto distribuidor que extiende la fusión de polímero lateralmente, antes de que fluya a través de la rendija (orificio delgado). Una dificultad del método de extrusión es la uniformidad del espesor a lo ancho del material. Esto se debe al cambio drástico de forma que experimenta la fusión de polímero durante su paso a través del dado y a las variaciones de la temperatura y de la presión en el dado. Generalmente, los bordes de la película deben recortarse debido a que su espesor es más grande. Para ayudar a compensar estas Variaciones los dados incluyen labios ajustables que permiten alterar el ancho de la rendija o boquilla.
Boquilla con regulador automático de espesor
Para alcanzar altas velocidades de producción es necesario incorporar al proceso de extrusión, métodos eficientes de enfriamiento y recolección de la película; esto se logra conduciendo inmediatamente la extrusión hacia un baño de temple con agua o sobre rodillos refrigerados. El método de los rodillos refrigerados parece ser el más importante comercialmente. Las bajas temperaturas de los rodillos provocan el rápido enfriamiento y solidificación en la extrusión, de hecho, el extrusor sirve como un dispositivo de alimentación de los rodillos refrigerantes, pero éstos son los que realmente forman la película El proceso es notable por sus altas velocidades de producción de hasta 5 m/s. Además pueden lograrse estrechas tolerancias en el espesor de la película.
Debido al método de enfriamiento usado en este proceso se le conoce como extrusión con rodillos refrigerantes (chill roll).
Sistemas de enfriamiento de película colada

Principales componentes de una típica línea de extrusión de lámina plana
A continuación se esquematiza una línea de extrusión de lamina típica
Esquema de línea de extrusión de lámina

Extrusora
Es la encargada de plastificar las materias primas plásticas dejándolas en el punto justo para ser transformadas. Dependiendo los materiales, las configuraciones de los mismos, la cantidad de material que deben entregar, etc. se deberán utilizar extrusoras adecuadas para tales fines.
Extrusora

Unidad de filtrado
El material plastificado pasa a través de un sistema de filtros metálicos a fin de eliminar contaminantes sólidos que pudieran contener la materia prima. El sistema de filtrado puede formar parte de la extrusora o constituir una unidad aparte colocada al final de esta.
Cambia filtro
Cabezal (dado) plano
El cabezal o dado plano es considerado la pieza más importante de la línea de extrusión de lámina plana, ya que tiene la función de tomar el flujo de materiales plastificados provenientes de la extrusora, y formar la lámina en fracciones de segundo dando las principales características al material formado tales como el ancho deseado, rango de espesores, uniformidad en el perfil del producto, homogeneidad en la distribución del material plastificado, y otras más. Lo más importante a destacar es que si el cabezal o dado no es eficiente en la formación efectiva del producto, es casi imposible luego corregir las deficiencias originadas en este cabezal.
Dado plano

Calandra
Al salir el material con las principales características, es necesario terminar de formarlo de manera definitiva para dar las características superficiales y de cuerpo finales al producto.

Para ello la calandra tiene un papel importante. La calandra es un conjunto de varios rodillos atemperados. Dependiendo del tipo de proceso y material estos rodillos pueden formar figuras en su disposición, por ejemplo pueden estar dispuestos en forma vertical, horizontal, inclinada, formando una L, etc.
Ejemplos de configuración de calandra
La lámina plana pasa en los espacios entre los rodillos y apoyándose sobre las superficies de éstos para lograr una formación final de las superficies al mismo tiempo que dicho producto termina de enfriarse para también obtener las características dimensionales finales.
Rodillos o calandra
Rodillos estabilizadores del material
Luego de la calandra la lámina ya formada es llevada a una especie de jaula donde por un lapso corto de tiempo (mientras sigue circulando hacia el final del proceso) termina de estabilizarse tanto molecular como superficialmente.

Tren de tiro
Un sistema de rodillos motorizados llamado tren de tiro arrastra el material producido en forma sincronizada a medida que va saliendo de la calandra para ser llevado a las etapas finales del proceso.

Control y corte de bordes

Habitualmente se utilizan cuchillas para cortar los bordes de la lámina formada ya que éstos salen desparejos al momento de la formación de la lámina el material estaba en estado de plastificación o “derretido” con lo cual es normal que los bordes no sean parejos del todo. A la vez, es necesario darle el ancho final al material. Las cuchillas accionan sobre ambos bordes de la lámina (izquierdo y derecho). Es muy usual que estos bordes cortados sean llevados por un sistema mecánico o neumático hasta un molino al pie de máquina para ser recuperado en un lazo cerrado (closed loop).

Embobinador / Guillotina
Dependiendo del espesor del material, el último paso de este proceso puede ser:
- Embobinado: el material se embobina en rollos, utilizando para ello una máquina que se denomina embobinadora.
Embobinadora
- Guillotinado (corte): el material es cortado mediante una guillotina de movimiento, que se posiciona en el lugar de corte avanzando al compás de la lámina y realizando el corte acompañando a la lámina a su salida. Luego se realiza el apilado (manual o mediante robots) de los productos finales, utilizando a veces separadores para proteger las superficies si es necesario.

Película de polipropileno biorentada (BOPP)
Normalmente el polipropileno biorientado, es producido en extrusoras de dado plano, en donde se puede lograr la biorientación, que es un estiramiento de la película durante el proceso en ambas direcciones (transversal y longitudinal).
La biorientación es la que en cierta medida le da las propiedades al material.
Esquema de una línea de PP biorientado
ESTIRADO LONGITUDIONAL
MDO: Estirado Orientado en Dirección Máquina, consta de rodillo de precalentamiento, rodillo de estirado y templado. El estirado se consigue por el paso de la película por esta serie de rodillos girando a diferentes velocidades.
Rodillos de estirado longitudinal
ESTIRADO TRANSVERSAL
TDO: Estirado de Orientación en Dirección Transversal, consta de zona paralela de precalentamiento, zona divergente de estirado, zona convergente de fijación, zona neutra y zona de enfriamiento.
Estirado transversal
En las líneas de extrusión de BOPP, la película conformada luego de ser estirada longitudinalmente, es sujetada por clips o mordazas de presión desde los bordes y forzada a un estiramiento transversal, a medida que avanza, con aporte de calor.
Horno de estirado transversal
Esquema del interior del horno de estirado transversal
Para que el polipropileno sea apto para impresión, necesita tener durante su proceso un tratamiento corona, que es la preparación de la superficie a un “dinaje” superior a la tensión superficial de la tinta, para que dicha tinta pueda ser adherida al polipropileno, así como también los adhesivos utilizados durante los procesos de laminación. Una película de BOPP sin tratamiento, no es apto para impresión ni laminación, por lo tanto debe asegurarse que su superficie tenga un tratamiento superior a las 38 dinas para considerarse apto para dichos procesos.
Este tratamiento debe darse durante el proceso de fabricación para que sea 100% efectivo, pero tiene una vida inestable, por lo que puede perderse a los 6 meses, es recomendable utilizar BOPP con un tiempo en almacén no mayor a 6 meses, de lo contrario se debe verificar su tratamiento corona antes de ser utilizado. Por lo general, suele aplicársele un tratamiento corona también antes de la impresión.

Características de la película BOPP:
Control de la contracción
Mejor propiedad barrera
Mejor sellado
Mejores propiedades mecánicas
Línea de extrusión para PP biorentado

Coextrusión
A medida que las tecnologías fueron evolucionando y los mercados demandando mejores materiales, se encontró a la coextrusión como una forma de “unir” diferentes tipos de materiales plásticos (cada uno con características diferentes) de manera tal de poder sumar dichas características para darle al producto final cualidades antes jamás alcanzadas.
Una de las aplicaciones más requeridas es la de producción de materiales de alta barrera para la conservación de productos alimenticios que necesiten de un largo período de vencimiento en las góndolas de los supermercados (shelf life).
Otra de las aplicaciones más requerida es la de fabricación de productos con la capa central de materiales recuperados.
Básicamente el proceso consiste en extrudar (o plastificar) diferentes materiales, cada uno de ellos en una extrusora diferente ya que debe estar preparada para cada uno de estos materiales. Cada extrusor entregará la proporción deseada de cada material plastificado.

Feedblock
La unión de los materiales (coextrusión) se realiza en un elemento especial llamado distribuidor de flujos o feedblock el cual contiene las entradas de cada extrusora, y a su salida la conexión al cabezal para fabricar la lámina.

En este caso, cada extrusora será conectada a una entrada del feedblock el cual tiene la función de formar la configuración final de las capas. Esta configuración será entregada al cabezal el cual la toma en su entrada y (manteniendo la estructura de capas y porcentajes) la distribuirá en todo su ancho para obtener a la salida una lámina del ancho deseado y con la configuración de capas tal como la entregó el feedblock. Algunos feedblock cuentan con un sistema intercambiable de distribución (cassette) de los distintos materiales plastificados con el fin de poder modificar la configuración de las capas de la lámina o película.

Las configuraciones (estructuras) de materiales
En realidad no debería haber demasiado límite en la cantidad de capas y diversidad de materiales a utilizarse en una coextrusión. Claro está que, cuantas más capas y más tipos de materiales, el proceso puede resultar más complicado y a la vez hay que tener mucho cuidado en el cálculo comercial (costos del producto final).
Hoy en día es común la coextrusión en 3 y 5 capas, llegando en varios casos a 7 capas y en menos casos a 9 o más capas.
Película de 5 capas
La configuración más sencilla puede ser la de fabricación de un material de 3 capas donde las capas externas son iguales, y la del centro de otro material. Para ello con solamente dos extrusoras es suficiente, como por ejemplo:
- Estructura:
Capa externa superior (material A): 30%
Capa central (material B): 40%
Capa externa inferior (material A): 30%.
- Extrusoras:
Para el material A: debe entregar el 60% del total
Para el material B: debe entregar el 40% del total

La línea de producción contará con estas dos extrusoras y un feedblock con dos entradas. El resto de la línea será estándar y acorde al producto final, sin mayores variantes. Los materiales A y B deberán ser compatibles puesto que de lo contrario se necesitarían capas intermedias de un material que haga las veces de adhesivo, necesitando dos capas más y una tercera extrusora para este adhesivo.
La coextrusión de más capas es una forma de obtener materiales diferentes con mejores características, pudiendo utilizar más de un material barrera, y a la vez pudiendo limitar la cantidad de materiales utilizados (que son más caros que los comunes) logrando costos que con menos capas no se podría.

Materiales “barrera”
Un material es llamado “barrera” cuando no permite el paso de cierto producto en el aire o químico en el ambiente que lo rodea, a través de su superficie o su cuerpo. En el mundo de los plásticos hay una enorme variedad de materiales, la mayoría de ellos con características barrera a ciertos elementos, aunque no todos son eficientes a toda la cantidad y variedad de estos elementos.
Por ejemplo, se pueden encontrar materiales con: Alta barrera al oxígeno (pero menos barrera a la humedad), Alta barrera a la humedad (pero menos barrera al oxígeno) o Alta barrera a los olores (pero menos barrera a la humedad), Etc.
También en los últimos años se han desarrollado materiales con mucha más eficiencia de barrera en forma general, aunque también tienen sus inconvenientes ya que habitualmente: El costo es mucho mayor que los polímeros comunes, No son compatibles para ser unidos en forma directa con polímeros comunes (necesitan un adhesivo especial), Los parámetros de producción son muy diferentes a los polímeros comunes (hacen falta equipos o modificaciones especiales en las líneas de producción), etc.
La coextrusión es un sistema en el cual uno o varios materiales barrera pueden ser combinados en un único material final con la suma de las características de cada material integrante. Por tanto es posible tener diferentes “capas” de material barrera tratando de utilizar la menor cantidad de ellos por su costo más alto que los materiales comunes, y cumpliendo con los requisitos barrera del producto. Un ejemplo de ello puede ser:
Capa
 %
Tipo de material
A
42%
Capa externa, fácilmente sellable e imprimible
B
2%
Adhesivo
C
5%
Alta barrera al oxígeno
D
2%
Adhesivo
E
5%
Alta barrera a la humedad
B
2%
Adhesivo
A
42%
Capa externa, fácilmente sellable e imprimible
Total
100% 
Film de 7 capas de 5 materiales diferentes

Producto final: alta barrera al oxígeno y a la humedad, con las dos capas externas con fácil soldabilidad e impresión (por ejemplo para ser transformados en envases de productos alimenticios tipo standy pouch, doy pack, flow pack o envases flexibles parables, de buena presentación en góndolas de supermercados).

Fabricación de productos con la capa central de materiales recuperados
Otra de las formas de bajar costos de producción es utilizando materiales recuperados en la capa central de una coextrusión. La capa central puede convertirse en la capa que forme la mayoría del espesor del material (si el producto final lo permite) entonces el costo final del material podría ser sustancialmente más bajo.
Una capa de material recuperado dentro de una coextrusión debe cumplir con ciertos requisitos como ser el proceso de recuperación debe ser eficiente, debe conocerse los orígenes de los materiales recuperados como así también deben estar debidamente clasificados, en muchos países la legislación de alimentos no permite que los materiales recuperados puedan ser las capas externas de un material para evitar contactos con productos alimenticios, etc.

Aplicaciones de productos fabricados con láminas y películas 
Las láminas y películas obtenidas por extrusiín en dado plano tienen una gran cantidad de aplicaciones. A continuación se nombran algunas de ellas:
Films plásticos en general, Film Stretch para uso en embalajes, Cortinas para baño, Materiales con barrera para packaging de productos alimenticios, Láminas para termoformado de productos descartables (vasos, bandejas, potes de yogurt, hueveras, etc.), superficies de termoformado (interiores de heladeras y freezers, maletas, bañeras y jacuzzi), Apósitos y elementos de cobertura para usos médicos, Plásticos para recubrimiento sobre otros sustratos (coating sobre papel, aluminio, plásticos y otros materiales), Cintas magnéticas, Packaging para electrónica, Láminas para recubrimiento en plasmas y LCD, Coberturas exteriores de construcciones, Láminas de recubrimiento para parabrisas, Blisters para medicamentos y productos en general, Paneles para publicidad, Plástico corrugado alveolar, Láminas para productos de librería (tapas de carpetas, folios), Tarjetas plásticas para identificación, Paneles de exhibiciones, etc.
Ejemplo de aplicaciones de películas y láminas obtenidas por extrusión en dado plano



Fuentes:
http://www.megaplastic.com
Tecnología de los polímeros. Beltrán – Marcilla
Seminario tecnológico sobre la extrusión de film. ICE
http://www.trelsa.com
http://www.hzproduct.com
http://www.biax.com

2 comentarios:

  1. Excelente blog Mariano, mis felicitaciones por el trabajo realizado.
    Una consulta el proceso de "Extrusión de lámina y película colada" es el que se aplica para obtener el papel laminado (papel base + aplicación de lamina)

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    1. Hola Esteban. Me alegro que te haya gustado el blog. El proceso de extrusión puede ser utilizado para obtener una lámina que se adhiere directamente sobre el papel pero existen otros métodos.
      Saludos

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