Nueva generación de dados de coextrusión para mayor versatilidad y reducción de desperdicios

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En los últimos años, el mercado de coextrusión multicapa ha crecido enormemente. Los avances tecnológicos en los diseños de maquinaria y resinas han permitido que la coextrusión multicapa sea uno de los métodos más viables para obtener productos diferenciados de forma económica. La mayor ventaja de la coextrusión reside en su capacidad para combinar las propiedades importantes de diferentes materiales en una estructura.

En cualquier diseño de estructura, algunas de las propiedades que deben tenerse en cuenta incluyen caracterí­sticas de superficie tales como el coeficiente de fricción, la claridad, el brillo y sellabilidad, así­ como propiedades fí­sicas tales como tensión, elongación, resistencia a la punción, resistencia de impacto al dardo, entre otros. Si el empaque requiere algún tipo de función de barrera, se deberán tener en cuenta requisitos adicionales tales como la barrera a gases y aromas, la resistencia quí­mica, la capacidad de formado y las propiedades de contracción.

En un mundo donde los precios de la energí­a siguen aumentando, el mayor desafí­o es tener una estructura que incluya todas las propiedades deseables y que se fabrique de la manera más económica. Esto requiere que los convertidores comprendan bien las propiedades del material, así­ como una buena comprensión de la reologí­a del polí­mero para lograr una formulación óptima. Este artí­culo discutirá brevemente las consideraciones básicas de diseño de los materiales comunes que se ven en la coextrusión de pelí­cula soplada, y cómo Macro Engineering ha desarrollado una nueva generación de diseños de dados para satisfacer distintas necesidades de los convertidores.

Selecciones de materiales

La coextrusión permite la posibilidad de incorporar resinas especiales que de otro modo no hubieran sido posibles en la extrusión de pelí­cula soplada. Algunos materiales comunes incluyen: diferentes tipos de polietilenos (PE), polipropilenos (PP), diferentes tipos de poliamida (PA), etileno-alcohol viní­lico (EVOH), poliestirenos (PS) y cloruro de polivinilideno (PVDC). Además, se requieren resinas adhesivas o de unión ya que muchas de las resinas comúnmente utilizadas no se unen entre sí­.

Con la evolución de tecnologí­as más avanzadas, algunos materiales poco comunes para la extrusión de pelí­cula soplada comienzan a emerger en diversas estructuras. Los materiales que son débiles en la resistencia al fundido cuando se procesan en configuraciones de monocapa tales como poliéster homopolí­mero, Nylon 6,6, se pueden incorporar en estructuras de coextrusión para proporcionar productos diferenciados.

En los diseños de dado y husillo, también se deben tener en cuenta las propiedades reológicas de los materiales. En coextrusión, la compatibilidad del material es absolutamente crí­tica para proporcionar pelí­culas de la más alta calidad.

Cada una de estas propiedades se describirá con más detalle a continuación.

Consideraciones de diseño de dados

La versatilidad se ha vuelto cada vez más importante en los mercados en constante cambio de hoy en dí­a. El equipo que se compra hoy en dí­a necesita no solo procesar las estructuras actuales, sino también producir la más amplia variedad de estructuras en anticipación a las necesidades del mercado del mañana. La mayorí­a de las veces, los convertidores consideran la mayor cantidad de capas por razones distintas a la necesidad de una verdadera estructura de 9 o de 10 capas. La mayor cantidad de capas da como resultado:

a) Más versatilidad del equipo para acomodar más cambios estructurales permitiendo así­ que los convertidores respondan mejor a las necesidades del mercado.

b) Mejor calidad de pelí­cula. A menudo se observa que un mayor número de capas proporciona una pelí­cula más plana con propiedades más uniformes.

c) Menores costos de materiales. Con más capas se vuelve posible incluir materiales de más bajo costo en las estructuras.

La Tabla 1 muestra dos estructuras tí­picas de 9 capas. Las poliolefinas pueden ser polietilenos o polipropilenos. El PE puede ser uno o una combinación de LLDPE, LDPE, mLLDPE, HDPE, EVA o plastómeros. El PA podrí­a ser un homopolí­mero o un copolí­mero de poliamida. El polipropileno podrí­a ser uno cualquiera de homopolí­meros de PP, elastómeros de PP o copolí­meros de PP. Con la incorporación de más resinas de ingenierí­a, otros materiales que deben tenerse en cuenta son el poliéster, el copolí­mero de estireno butadieno (SBC) y el PS, entre otros. Como nos podrí­amos imaginar, el mayor desafí­o para el ingeniero de diseño es crear un sistema óptimo para procesar todos estos materiales.

Tabla 1: Dos estructuras tí­picas de 9 capas se muestran a continuación:
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Para enfrentar el desafí­o, por lo menos el ingeniero de diseño debe considerar la relación estructura-procesamiento-propiedad de los polí­meros. El parámetro reológico más importante a considerar es la viscosidad de cizallamiento. Los polí­meros, a diferencia de los fluidos newtonianos, muestran un comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento. Esto significa que la viscosidad de cizallamiento de un polí­mero disminuye al aumentar la velocidad de cizallamiento.

Los factores más importantes que afectarán la viscosidad del polí­mero son la distribución del peso molecular (MWD, por su sigla en inglés), el peso molecular (MW, por su sigla en inglés) y la ramificación de cadena larga (LCB). La estructura LCB puede ser diferente entre mLLDPE, un LDPE en autoclave y un LDPE tubular, por lo tanto, es crucial obtener curvas de viscosidad de corte especí­ficas para cada resina. La Figura 1 ilustra la relación entre la MWD y la viscosidad de cizallamiento. En términos generales, un mayor MW proporciona una mayor viscosidad de cizallamiento; más LCB da más un comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento;

Además, cuanto más angosta es la MWD, menos adelgazamiento por cizallamiento tiene el polí­mero. Por ejemplo, dado que un mLLDPE tiene una MWD más estrecha que un LLDPE, la viscosidad de cizallamiento no disminuye tan rápidamente con la velocidad de cizallamiento. Existe una comparación similar entre un LLDPE y un material de LDPE. Como resultado, una resina mLLDPE de í­ndice de fusión (MI) experimentará presiones más altas en el dado que una resina 1MI LLDPE. Esta es una indicación importante de por qué clasificar los materiales por MI es una forma muy pobre de medir la viscosidad. Como MI es solo un punto en la curva de viscosidad de cizallamiento, es posible que diferentes materiales con un comportamiento de procesamiento muy diferente tengan el mismo MI.

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Figura 1: Viscosidad de cizallamiento versus la curva de rata de cizalladura,
describiendo la relación entre MWD y viscosidad de cizallamiento.

Para los ingenieros de diseño existen tres parámetros importantes a considerar en el diseño del dado: presiones, rata de cizalladura (o velocidad del material en el dado) y esfuerzos cortantes. Una presión demasiado alta limita la ventana operativa en términos de salida, mientras que una rata de cizalladura o un esfuerzo cortante demasiado bajos aumentan el tiempo de residencia de un polí­mero, lo que contribuye a la degradación del polí­mero. Las curvas de viscosidad de cizallamiento de los diferentes polí­meros son muy útiles para ayudar a los ingenieros de diseño a tener en cuenta las presiones y ratas de cizalladuras en el proceso de extrusión para que se pueda lograr el mejor diseño.

Consideraciones de compatibilidad de materiales

Con los beneficios de la coextrusión, también existen desafí­os adicionales que deben ser considerados y abordados. Uno de ellos es el potencial de inestabilidades de flujo.

Dos de las inestabilidades de flujo más comunes son el zig-zag y los tipos de onda. La inestabilidad interfacial en zig-zag se ve comúnmente entre materiales que tienen viscosidades de cizallamiento muy diferentes, mientras que la inestabilidad interfacial de la onda se ve comúnmente entre materiales que tienen viscosidades de elongación muy diferentes. Las Figuras 2 y 3 ilustran una inestabilidad interfacial en zig-zag y onda tí­picas, respectivamente.

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Figura 2: Inestabilidad interfacial Zig-zag [2].
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Figura 3: Tipo de "onda" de inestabilidad [2].

La viscosidad elongacional describe la capacidad de un material para estirarse o extenderse. Los materiales que exhiben un comportamiento de adelgazamiento por cizallamiento similar pueden tener propiedades elongacionales muy diferentes. En general, se entiende que no solo son importantes las viscosidades de cizallamiento a altas velocidades de cizallamiento, sino que las viscosidades de cizallamiento a bajas velocidades de cizallamiento, tales como la viscosidad de cizallamiento cero, pueden influir en gran medida en las viscosidades de alargamiento de un material.

Dos parámetros simples que los ingenieros de diseño deben considerar para evitar las inestabilidades de flujo en el sistema incluyen:

1) Viscosidad coincidente.En la interfaz, hay una continuidad de esfuerzos de cizallamiento. Como resultado, existe un rango óptimo de relaciones de viscosidad en función de las relaciones de capa para que el sistema sea estable.

2) Coincidencia de velocidad promedio de las dos capas. Como las viscosidades elongacionales son difí­ciles de medir, esta es una forma simple de examinar si las dos capas podrí­an enfrentar un problema de inestabilidad de flujo.

En los últimos años, muchos investigadores han contribuido a la comprensión de la aparición de inestabilidad interfacial [3-9]. Aunque el fenómeno es complejo, la comprensión de este campo se ha mejorado mucho. Macro Engineering ha incorporado muchas de estas mejoras de diseño en su nueva generación de diseños de dados, por lo que la flexibilidad operacional de los dados no tiene paralelo.

Configuraciones de la extrusora y el dado

Dependiendo de la cantidad de capas y el tamaño de los dados, Macro Engineering ha desarrollado tres diseños principales para cubrir todo el conjunto del mercado, y se muestran en las Figuras 4, 5 y 6.

La Figura 4 muestra un diseño concéntrico MacroPackâ„¢ -CP  donde todas las extrusoras están a la misma altura de la lí­nea central. Este es el primer diseño de dado de coextrusión disponible en la industria. Lo que Macro ha mejorado en comparación con el estándar de la industria incluye:

1) Diseño de bajo perfil para pasos de flujo más cortos para reducir las presiones

2) Altura más baja para un mantenimiento más fácil

3) Dado que el tiempo de residencia en el área de coextrusión es bajo, se minimiza su propensión a la inestabilidad interfacial

La desventaja de este dado es que no es fácil incorporar el aislamiento de temperatura en este diseño, y es más difí­cil procesar resinas sensibles a la temperatura. Este diseño es adecuado para ejecutar principalmente materiales de poliolefina.

La Figura 5 muestra el último diseño MacroPackâ„¢ - MPC. En este diseño de dado cónico, los extrusores también están en la misma altura de la lí­nea central. Este diseño tiene la ventaja única de usar menos pernos para facilitar el mantenimiento. Además, para dados de mayor diámetro mayores de 1 metro, este tipo de dados tiene menos tiempo de residencia (menos presiones) que el tipo apilable como se describe en la Figura 6, por lo que la ventana operativa puede aumentarse.

La Figura 6 muestra nuestro diseño más nuevo de MacroPackâ„¢ -FP que es el más adecuado para cualquier aplicación de pelí­cula de barrera. En el diseño apilado, cada capa es alimentada por un extrusor a una altura de lí­nea central diferente. Las principales ventajas de este diseño exclusivo de Macro incluyen:

1) Posibilidad de incorporar aislamiento de temperatura si es necesario. Cada capa puede procesarse a su temperatura de fundido deseada y es especialmente propicia para el funcionamiento de resinas sensibles a la temperatura.

2) El tiempo de residencia de los polí­meros en las espirales es el mismo, lo que minimiza la degradación de las resinas sensibles a la temperatura.

3) Con caracterí­sticas patentadas que se incorporan en el diseño de Macro, esta es la única matriz en el campo que puede funcionar con menos del 10% de nailon en el exterior y el tiempo de transición de PA a PE es de 2 veces a 3 veces más rápido que dados competitivos de diseños similares.

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Figura 4: Descripción pictórica del MacroPackâ„¢ - diseño CP.
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Figura 5: Descripción pictórica del MacroPackâ„¢ - diseño MCP..
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Figura 6: Descripción pictórica del MacroPackâ„¢ - diseño FP.

Conclusión

La coextrusión de pelí­cula soplada ofrece muchos beneficios con respecto al producto que se puede manufacturar, pero también crea algunos desafí­os adicionales que deben superarse. Macro Engineering ha creado una nueva generación de diseños de dados MacroPackâ„¢ para satisfacer las necesidades de los convertidores.

Consulte las referencias de este artí­culo

Este artí­culo viene de la revista impresa con el código 0617coextrusion

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