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Soluciones flexibles

08 ene 2019

Guía práctica para controlar las cargas estáticas en los procesos de fabricación de empaques flexibles - Parte II

Supresión de campo

Cuando la película cargada pasa sobre un rodillo no impulsado o hace contacto o está cerca de otra superficie, su campo se colapsa parcial o totalmente (Fig.4). Aún cuando la película está todavía cargada, su campo no puede ser detectado ni medido. Esta condición es conocida como supresión de campo. El grado de supresión depende de la relación de distancia a la superficie de respaldo, características  eléctricas y físicas de la superficie de respaldo y del espesor del material cargado. Intentar medir el campo en estas condiciones ocasiona errores al evaluar un proceso con problemas de estática. Además, en áreas donde la supresión de campo es evidente, los neutralizadores de estática no pueden ser efectivamente aplicados

Figura 4

Efectos de campo

Atracción y adhesión de partículas

El campo eléctrico de una película cargada es una de las fuentes primarias de la contaminación de superficies por partículas. Dependiendo de la magnitud de la carga, el campo puede extenderse algunas pulgadas o alcanzar varios pies desde la superficie.

Partículas en el aire como: polvo, pelusas y fibras, sucios, consisten tanto de aislantes como conductores y pueden ser eléctricamente neutrales o cargadas por triboelectrificación (Fig.5). Partículas con carga opuesta a la polaridad del film y en su rango de alcance serán  atraídas a la superficie del film; con la misma polaridad serán repelidas. Partículas conductoras sin carga, influenciadas por el campo de la película pueden ser polarizadas y atraídas a la superficie de ésta. Una película cargada corriendo a pocas pulgadas del piso puede atraer partículas de éste.

Figura 5

Cuando el material se contamina debido a la atracción de las fuerzas de los campos eléctricos, las fuerzas de adherencia pueden ser muy fuertes, haciendo que la contaminación sea difícil de remover. Contrario a la creencia popular, neutralizar el material no hará que las partículas se suelten. Debido a los efectos del campo de supresión, las fuerzas eléctricas en el punto intimo de contacto entre la partícula y la superficie del material no pueden ser rotas. En este caso, limpiadores del material más elaborados deben ser utilizados, donde las partículas son mecánicamente agitadas de la superficie, las cargas neutralizadas y se emplea vacío para evacuar y recolectar la contaminación. Si el material puede ser mantenido cerca al estado neutral a través del sistema de transporte, el material permanecerá más limpio y el requerimiento para su limpieza podría evitarse.

Carga por inducción

Cuando un conductor sin conexión a tierra tal como una parte metálica de la máquina, un objeto metálico cercano, o el cuerpo humano se encuentra en el rango de un campo eléctrico de una superficie cargada, estos también pueden cargarse. Esto es conocido como carga por inducción. Este objeto o cuerpo cargado inductivamente una vez se acerque  o toque otro conductor experimentará un evento ESD donde el objeto cargado se descargará a el otro conductor.

Un ejemplo común de esto son los choques que sufre un operador cuando toca la estructura de la máquina o la consola. Un evento ESD puede causar también RFI (interferencia por radio frecuencia) lo cual puede ocasionar un mal funcionamiento en la lógica de los controles modernos de los equipos. Como se mencionó inicialmente, la  súbita descarga de un conductor en la vecindad de vapores ricos en solventes puede ser catastrófica.

Fuertes campos eléctricos pueden también inducir señales no deseadas en cables de entrada y salida sin protección y en paneles, dañando los controles electrónicos

Neutralizando cargas en el material

Si las cargas estáticas en el material pueden ser controladas hasta un bajo nivel, la mayoría de los problemas electrostáticos pueden ser eliminados.

Un material neutro no tendrá campos eléctricos de tal forma que no ocurrirán atracciones de partículas ni eventos ESD.A diferencia de los conductores, las cargas en materiales aislantes no pueden ser neutralizadas simplemente conectando a tierra. Métodos tales como modificar la superficie del material para dar algún grado de conductividad o el uso de aire ionizado debe ser empleado.

Humedad

Incrementar la humedad relativa es algunas veces utilizada para aumentar la conductividad de una superficie de algunos materiales que normalmente son aislantes  en un esfuerzo por reducir la carga estática. Esto puede ser efectivo en materiales higroscópicos tales como películas de tela de algodón o papeles sin recubrimiento. Típicamente, la humedad relativa debe ser cerca de 55-60%. El éxito en controlar las cargas de esta manera, dependerá de la humedad relativa, temperatura, de la habilidad de la superficie para absorber humedad y de la velocidad del proceso.

Como las películas no son higroscópicas, altos niveles de humedad pueden resultar en una generación de un reducido nivel de carga pero raramente elimina el problema.

Antiestáticos internos típicos

Los antiestáticos son ingredientes químicos añadidos a la formulación cuando se extruyen algunos tipos de películas plástica o pueden ser aplicados a la superficie del material por nebulización o recubrimiento. La resistividad de la superficie del normalmente material aislante es típicamente bajada al rango de 107 a 108 ohmios/cuadrado haciéndolo semi-conductor, lo cual reduce el tribocargue y suministra un camino para que las cargas acumuladas se disipen a tierra.

Dependiendo de los procesos siguientes y el uso final del material, el uso de antiestáticos puede no ser apropiado. La mayoría dejan algún residuo de aceite en la superficie, el cual puede ser un contaminante para el recubrimiento o la impresión además de ser dependientes de la humedad; la aprobación FDA puede ser un problema. Los costos para el producto deben ser también considerados.

Ionización

El uso de ionizadores de aire es el método económico más común para controlar las cargas estáticas en el material. Los ionizadores emiten una vasta cantidad de moléculas de gas con cargas negativas y positivas llamadas iones de aire. Los iones están disponibles para el material cargado donde el campo eléctrico atrae los iones necesarios de polaridad opuesta a la superficie, balanceando de esta manera la carga en el material. Ver Fig.6

Figura 6

Los ionizadores más comunes utilizados en los sistemas de transporte de películas son las barras estáticas y los sopladores de aire ionizado.  Ellos pueden ser eléctricamente operados, pasivos, o pueden utilizar materiales radioactivos como fuente de generación de los iones.

Una barra estática típica trabaja con una distancia de trabajo de 1 pulgada. Algunas barras de rango extendido pueden ser efectivas hasta varias pulgadas, dependiendo de la intensidad de la carga y las geometrías de la aplicación. En aplicaciones donde es necesario un mayor rango de ionizado, se debe utilizar aire forzado para impulsar los iones a la superficie objetivo. Esto puede ser en forma de un tubo de aire comprimido o de cuchilla de aire acoplada a una barra estática, o puede ser un arreglo de un soplador/abanico con una fuente ionizadora.

El ionizador debe ser colocado justo adelante del área del problema y debe tratar el material donde este tenga espacio de aire en el lado opuesto. No debe ser colocado sobre un rodillo no impulsado o dondeel material está contra otra superficie ya que el efecto de campo de supresión evitará la efectividad de la neutralización. En la mayoría de los casos el material puede ser neutralizado desde cualquier lado cuando se utilicen barras estáticas, deben ser colocadas donde menos interfieran con el enhebrado del material.

Aplicaciones típicas en el sistema de transporte del material

Desembobinado

Altas cargas se pueden desarrollar a medida que el material sale del desembobinador. Una barra estática deberá ser posicionada saliendo del primer rodillo no impulsado si está relativamente cerca al rollo desembobinando.

Si hay un espacio grande de algunos pies al primer rodillo y se presenta contaminación, se debe utilizar una barra estática de rango extendido o sopladores ionizadores. La barra deberá estar mirando hacia el material entre tres a cuatro pulgadas de donde el material sale del rollo. La barra deberá tener un rango efectivo capaz de manejar las fluctuaciones en el camino del material debido a cambios en el diámetro del rollo. Si se utilizan sopladores ionizadores, idealmente, ellos deberán ser posicionados para soplar exactamente en el punto donde el material sale del rollo.

Rodillos de pellizco (NIP)

Los rodillos donde hay pellizco del material son generadores de altas cargas ya que ejercen presión considerable contra el material para poder arrastrar a través del proceso. Una barra estática deberá ser colocada inmediatamente saliendo de los rollos y colocada en el mismo lado del rodillo de caucho

Rodillos no impulsados/Rodillos banano/Acumuladores

Si el material contacta dos o tres rodillos no impulsados puede que no genere cargas significativas en algunos materiales; sin embargo, la generación de electricidad estática es un proceso aditivo y contactar varios rodillos no impulsados como los que se encuentran en acumuladores pueden producir altas cargas.

Una barra estática puede ser colocada donde el material sale de esta sección o sopladores de ionizado de alto volumen o barras estáticas asistidas por aire pueden ser colocadas para entregar el aire ionizado directamente dentro del acumulador desde el borde externo del material.

Los rodillos no impulsados y los rodillos banano con mangas  aislantes o cubiertas como teflón, corcho, polietileno, caucho, etc, son  generadores de alta carga. Una barra estática deberá ser colocada justo a la salida y al mismo lado del material como del rollo. Es deseable también neutralizar la superficie del recubrimiento del rodillo, la barra estática puede ser apuntada hacia el NIP del rollo en el lado de salida como se muestra en la (Fig. 7).

Figura 7

Tratador corona

La mayoría de los materiales que salen de un tratador corona tienden a exhibir cargas significativas. Si la atracción de partículas al material es una situación, una barra neutralizadora de estática debe ser instalada a la salida del tratador corona.

Cabezales de recubrimiento

El material que se aproxima a un sitio de recubrimiento debe estar libre de estática tanto como sea posible. Una barra estática deberá ser localizada donde el material entra a la sección de recubrimiento. Se debe tener cuidado de localizar la barra de tal forma que el recubrimiento no gotee o nebulice sobre la barra haciendo que no sea efectiva. Como esta es un área peligrosa, todos los ionizadores en el área deberán ser para ambientes de Clase 1, División 1, Grupo D.

Si el rodillo de recubrimiento regenera la carga, se debe utilizar un ionizador donde el material sale del nip de recubrimiento. Si existe un campo de alta intensidad podría darse un arco aquí. Una barra estática montada aquí, de 1 a 2 pulgadas del nip podría ser utilizada.

La barra puede ser asistida por aire y montada de 4 a 10 pulgadas de la salida con el flujo de aire dirigida al nip. Una alternativa sería un transvector de cortinas de aire ionizadas o sopladoras de aire montados de 1 a 2 pies a la salida soplando hacia el nip.

Embobinador

A medida que un material cargado se embobina, la capacitancia eléctrica aumenta a medida que el diámetro crece. El rollo tiene la habilidad de almacenar tremenda energía eléctrica y es una fuente para cargarse por inducción y peligro de choques eléctricos al operario de la máquina. El campo eléctrico puede alcanzar varios pies y atraerá partículas a la superficie del rollo.

En embobinadores estándar, una barra estática deberá ser montada después del último rodillo en el embobinador. Dependiendo del tamaño del núcleo de cartón  y del máximo diámetro del rollo, se puede necesitar una barra estática del tipo rango extendido o un ionizador asistido por aire para compensar las fluctuaciones del transporte del material.

Si el embobinador utiliza un rodillo de presión (lay-on-roller), especialmente cubierto con caucho, se pueden generar altas cargas en el rollo de material. Una barra estática puede ser montada en los brazos del soporte del rodillo de presión y posicionada a una distancia específica del rollo de material. A medida que cada capa del material se embobina en el rollo, este pasa bajo la barra y la carga es reducida (Ver Fig.8). Una alternativa es utilizar ionizadores asistidos por aire y soplar directamente sobre el material; estos métodos no son óptimos debido al grado de supresión de campo; sin embargo se pueden alcanzar resultados satisfactorios.

Figura 8

Los embobinadores de superficie requieren un enfoque similar, utilizando ionizadores asistidos por aire o ionizadores sin flujo de aire de  rango extendido que traten el material a medida que este se embobina.
Con algunos embobinadores de torreta, dependiendo de su diseño , del diámetro máximo del rollo de material y de las fluctuaciones en el transporte del material, una barra estática o de rango extendido puede ser colocada cerca después del último rodillo no impulsado. Si esto no es posible, una barra estática de rango extendido o un ionizador asistido por aire puede necesitarse para tratar el rollo por sí mismo.

Aquí terminamos el tema de estática y en el próximo blog, iniciaremos el análisis de la importancia de la aplicación de empaque en los empaques flexibles (Producto a empacar, máquina empacadora, rollo de empaque flexible). Estudiaremos los principales sistemas de empaque que tienen los clientes VFFS y HFFS (Vertical and Horizontal Form Fill and Seal) por sus siglas en inglés; es decir los diferentes sistemas de empaque tanto verticales como horizontales, sus características y requerimientos para un buen desempeño del material flexible en estos sistemas.

Resumen

Cargas electrostáticas significativas se desarrollan en el material a medida que éste desembobina por sí mismo y se coloca en contacto con varios componentes del sistema de transporte del material. Los problemas asociados con cargas estáticas pueden ocasionar problemas de seguridad tales como choques eléctricos al operador o fuegos en los equipos de recubrimiento. Las cargas estáticas en el material también atraen partículas y pueden también ocasionar recubrimientos no uniformes lo que produce una baja calidad en el producto y rechazo de materiales.

Los ionizadores son comúnmente utilizados para neutralizar cargas estáticas en las películas. Estos emiten tanto iones negativos como positivos y hacen que estén disponibles para la superficie del material.  El campo de la carga en el material atrae los iones de polaridad opuesta y la carga es neutralizada. Colocando correctamente los ionizadores en el sistema de transporte del material, las cargas estáticas pueden ser controladas a través del proceso.

¡Hasta pronto y sus preguntas siempre serán bienvenidas!

 


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CLAUDIO
23 de enero de 2019 a las 04:46

En la elaboración de envases flexibles con impresión de plenos surge el problema del deslizamiento entre los envases al momento de zunchar en fardo de 250 envases. ¿El uso de estos sistema de ionización reduce ese deslizamiento que se genera entre los envases?

WILMER
23 de enero de 2019 a las 14:56

Hola Claudio, La respuesta es no, mas aún teniendo en cuenta que la fricción estre dos cuerpos no es la que causa la carga estática, sino la fuerza adhesiva entre protones y electrones. En el caso que mencionas, para disminuir o eliminar el deslizamiento entre los envases, debes enfocarte en la formulación de la pelicula que está conformando el envase. Normalmente se usan resinas sin aditivos slip por el lado externo y una dosificación de slip muy a la medida por el lado de selle; se debe colocar mucho cuidado con el tratamiento corona, si es sin impresión no se coloca, si es impreso se debe colocar lo justo, ya que éste atrae el sliphacia el lado externo, bajando el coeficiente de fricción. Espero que lo anterior te sea de utilidad. Saludos Wilmer