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Técnica en Envases Polipropileno Polipropileno Empresas CONTENIDO 1- POLIPROPILENO. 1.1- Introducción 1.2- Que es el polipropileno 1.3- Comparación de propiedades físicas 1.3.1- Propiedades térmicas 1.3.2- Propiedades mecánicas 1.3.3- Transparencia 1.4- Tendencias en desarrollo de materiales. 1.4.1- Catalizadores 1.4.2- Mezclas con goma (EP) en reactor 1.4.3- Nuevos procesos (Nuevas mezclas en reactor) 1.4.4- Procesos post-reactor. 1.4.4.1- Reología controlada 1.4.4.2- Alta resistencia de fundido mediante irradiación 1.4.4.3- Modificadores acrílicos para alta resistencia de fundido 1.4.4.4- Nucleación (Clarificación) 1.4.4.5- Compuestos de polipropileno 1.5- Resumen (Tendencias). 1.5.1- Envases rígidos y semirigidos 1.5.2- Envases flexibles 1.6- Posicionamiento del PP en envasamiento. 1.7- Envases para alimentos (Situación actual y tendencias) 1.8- Envases de Rafia 1.9- Conclusiones 2- POLIPROPILENO BIORENTADO (BOPP). 2.1- Película de Polipropileno Biorentado 2.1.1- Introducción 2.1.2- Diferencia entre PP y BOPP 2.1.3- Tipos de BOPP 2.1.3.1- Plano no termosoldable 2.1.3.2- Termosoldable 2.1.4- Ventajas de biorientar 2.1.4.1- Efecto de la orientación sobre las propiedades mecánicas Area de Capacitación B.A. Operación Empaques PAG. 1

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Técnica en Envases Polipropileno

Polipropileno

Empresas

CONTENIDO

1- POLIPROPILENO.1.1- Introducción1.2- Que es el polipropileno1.3- Comparación de propiedades físicas

1.3.1- Propiedades térmicas1.3.2- Propiedades mecánicas1.3.3- Transparencia

1.4- Tendencias en desarrollo de materiales.1.4.1- Catalizadores1.4.2- Mezclas con goma (EP) en reactor1.4.3- Nuevos procesos (Nuevas mezclas en reactor)1.4.4- Procesos post-reactor.

1.4.4.1- Reología controlada1.4.4.2- Alta resistencia de fundido mediante irradiación1.4.4.3- Modificadores acrílicos para alta resistencia de fundido1.4.4.4- Nucleación (Clarificación)1.4.4.5- Compuestos de polipropileno

1.5- Resumen (Tendencias).1.5.1- Envases rígidos y semirigidos1.5.2- Envases flexibles

1.6- Posicionamiento del PP en envasamiento.1.7- Envases para alimentos (Situación actual y tendencias)1.8- Envases de Rafia1.9- Conclusiones

2- POLIPROPILENO BIORENTADO (BOPP).2.1- Película de Polipropileno Biorentado

2.1.1- Introducción2.1.2- Diferencia entre PP y BOPP2.1.3- Tipos de BOPP

2.1.3.1- Plano no termosoldable2.1.3.2- Termosoldable

2.1.4- Ventajas de biorientar2.1.4.1- Efecto de la orientación sobre las propiedades mecánicas2.1.4.2- Efecto de la biorientación sobre la permeabilidad

2.1.5- métodos de biorientación2.1.6- Mercados más usuales. Estructuras Utilizadas

2.2- Controles de Propiedades físicas y químicas.2.2.1- Densidad2.2.2- Permeabilidad2.2.3- Resistencia mecánica2.2.4- Estabilidad dimensional2.2.5- Deslizamiento2.2.6- Pegado por calor

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2.2.7- Propiedades ópticas2.2.8- Rotura iniciada2.2.9- Tratamiento corona

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1- Polipropileno

1.1- Introducción

El polipropileno (PP) es el material termoplástico, de los conocidos como "commodities", que mantiene un neto liderazgo mundial como el de mayor tasa de crecimiento anual, tanto la verificada en los últimos años, como en las proyecciones que se efectúan para el corto y mediano plazo en mercados desarrollados y en países en desarrollo.En muchas economías emergentes son aún normales tasas de crecimiento superiores al 10% por año.

En Estados Unidos, la demanda creció casi un 8% durante 1993, más de tres puntos por encima que el promedio de los termoplásticos.

Podríamos definir hoy el polipropileno como una muy amplia "gama de especialidades" dentro de las poliolefinas, y en esta diversidad se basa su enorme potencial de penetración en los mercados, sustituyendo todo tipo de materiales, entre ellos a muchos plásticos.

Se presentará una breve descripción de los distintos tipos de polipropilenos, puntualizando en cada caso sus propiedades más relevantes, así como las tendencias que marcan los nuevos desarrollos tecnológicos. Se correlacionará la información anterior con sus técnicas de transformación y aplicaciones en envases para alimentos, área de mercado de acentuada demanda de PP en virtud de sus cualidades.

1.2- Que es el Polipropileno?

El polipropileno es un termoplástico semicristalino que se obtiene mediante la polimerización de propileno, o de propileno y co-monómeros, en presencia de catalizadores de alta estereoespecificidad (Titanio - Aluminio) desarrollado por el Prof. Natta y Ziegler en 1954.

En el caso de la polimerización de propileno como único monómero se obtienen los homopolímeros, materiales de buena rigidez, dureza y resistencia al calor pero de pobre desempeño al impacto a bajas temperaturas. En general el aspecto óptico de los homopolímeros es traslúcido, aunque en ésto influye decisivamente el proceso de transformación, como veremos más adelante.

Dependiendo del método de producción del Polímero, los co-monómeros pueden ser distribuidos en forma estadística dentro de la cadena molecular (copolímeros random) o conformar zonas de goma etileno - propileno inmersas en la matriz de homopolímero dando lugar a una estructura heterofásica (copolímeros de impacto o copolímeros de bloque).

Formula general CH2-C2H4

Estructuras de los polipropilenos

Homopolímeros

P - P - P - P ..... P - P - P - P

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Cadena polimérica consistente exclusivamente en unidades de propileno (P). Son polipropi-lenos altamente isotácticos, muy cristalinos. Los productos fabricados con este material, presentan la rigidez, dureza y resistencia a la deformación por calor.

Copolímeros de impacto (de bloque)

P-P-P-P...-P P-E-P-E-E-P...-E-P E-E-...-E-E

Copolímero heterofásico

PP homopolímero y caucho etileno - propileno (E P)Son copolímeros en bloque etileno-propileno que muestran una alta resistencia al impacto a temperatura ambiente y a temperatura bajo cero. El rango de resistencia al impacto se extiende desde moderada hasta muy alta, con materiales que poseen un alto contenido de goma. Presentando extremadamente alta resistencia al impacto a temperaturas bajo cero.

Copolímeros Random

P - P - P - C - P - P - C - P...- P - P - C - P - P - P - P

Cadena polimérica consistente en unidades de propileno (P) y de comonómero (C) distribuidas en forma aleatoria

Los copolímeros random menos cristalinos que los homopolímeros. Consecuentemente los artículos producidos con este material son más resistentes al impacto a temperatura ambiente y muestran una excelente claridad.

El co-monómero más habitual es etileno, aunque también se utiliza buteno o hexeno, existiendo la posibilidad de usar más de un co-monómero para elaborar random terpolímeros.

Los copolímeros de impacto brindan una muy alta resistencia al golpe, particularmente a temperaturas por debajo de 0° C. La goma, o caucho etileno-propileno (EP) aporta su capacidad de absorción de energía evitando la propagación de la fractura, mientras que la matriz de homopolímero confiere propiedades estructurales que aseguran un correcto balance rigidez-impacto en los artículos conformados. Paralelamente, la estructura heterofásica hace que estos copolímeros sean más bien opacos.

1.3- Comparación de Propiedades Físicas

La comparación de algunas propiedades claves de los polipropilenos a nivel general nos permitirá apreciar mejor la magnitud de sus diferencias, e interpretaremos adecuadamente las tendencias que se verifican para potenciar las cualidades de esta versátil poliolefina.

1.3.1- Propiedades Térmicas

La temperatura de fusión cristalina (se ilustra el pico máximo en DSC en Fig. 3) es de 162-165° C, tanto para el homopolímero altamente isotáctico como para los copolímeros de impacto. Se reduce a 130-146° C para los copolímeros random.

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Es destacable la diferencia entre los PP random y los otros PP, lo cual hace que puedan procesarse, soldarse y sellarse a temperaturas bien inferiores a aquellas de los homopolímeros y copolímeros de impacto.

Las curvas de fusión por DSC (Diferencial Scanning Calorimetry ºC) demuestran lo anterior.

Como veremos luego la industria del envase flexible hace buen uso de esta ventaja de los copolímeros random.

No obstante la lógica disminución de la resistencia para deformarse por calor, respecto a los homopolímeros, los PP random muestran buena performance a 90° C y pueden ser esterilizados (121° C/20 min).

1.3.2- Propiedades Mecánicas

El adecuado balance de rigidez y resistencia al impacto es una de las características generales de los polipropilenos. Sin embargo, existen diferencias notables en estas propiedades. Los homopolímeros alcanzan normalmente módulos de elasticidad del orden de 1500 N/mm2 (Newton / mm2)mientras que en el otro extremo, un random con elevado contenido de co-monómeros está en aproximadamente 500 N/mm2.

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En materia de resistencia al impacto, la figura 6 refleja las diferencias entre los distintos tipos de materiales. Vale apreciar la gran incidencia de la temperatura del ensayo así como la prácticamente coincidencia de valores entre los homopolímeros y los copolímeros random en el test a -30° C.

1.3.3- Transparencia

Si bien esta propiedad va íntimamente ligada a la técnica usada en la transformación del termoplástico, existen diferencias importantes inherentes a cada tipo de material al ser procesados en las mismas condiciones. La fig. 7 muestra valores porcentuales de transparencia de discos inyectados de 1 mm de espesor, definida T % (transparencia) = 100-Haze (opacidad).(escala que va de 0 a 100)

Dada la relevancia de esta propiedad en aplicaciones de envasamiento, se incluyen en la comparación otros termoplásticos como PS, PVC y PET, así como la transparencia de un PP random clarificado. Hablaremos del concepto de nucleación y clarificación del PP más adelante.

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1.4- Tendencias en Desarrollo de Materiales

La gran actividad presente y la verificada en los últimos años en materia de desarrollos en poliolefinas ha dado lugar a una gama de materiales con propiedades bien extremas y aptos para ser procesados con técnicas diversas para muy diferentes aplicaciones finales.

En lo referente a polipropileno los desarrollos principales podríamos desagregarlos como sigue:

- Catalizadores- Mezclas con goma (EP) en reactor (reactor blends)- Nuevos procesos - Nuevas mezclas en reactor- Procesos post-reactor

. Reología controlada

. Alta resistencia de fundido mediante irradiación

. Modificadores acrílicos para alta resistencia de fundido

. Nucleación - clarificación

. Compuestos de polipropileno

1.4.1- Catalizadores

La evolución de los sistemas de catálisis ha permitido modificar en forma controlada variables como productividad, distribución de pesos moleculares (es la masa de la molécula gramo. Molécula gramo equivale a la masa de la molécula de la sustancia que se trate, multiplicada por el número de Avogadro (6,02 x 1023)), estereoespecificidad, morfología del polímero y adición - distribución de comonómeros.

Las principales incidencias de éstos en las propiedades del polipropileno son:

Productividad- Economía- Presencia de residuos catalíticos

Distribución de pesos moleculares.- Procesabilidad- Rigidez- Transparencia y brillo

Estereoespecificidad- Isotacticidad Cristalinidad- Contenido de co-monómero- Rigidez

Morfología- Densidad aparente- Economía

Adición y distribución de co-monómeros- Resistencia al Impacto- Contenido de Co-monómeros- Flexibilidad

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- Soldabilidad

Los últimos desarrollos en catalizadores para poliolefinas, basados en metalocenos, marcarán también un nuevo hito para polipropileno, tanto en procesos como en materiales. Generarán un nuevo tipo de polímero, con estructuras moleculares que podrán ser "hechas a medida" con amplias posibilidades de adición de co-monómeros y por ende de propiedades finales.

Sin embargo, si bien avanzados, se está aún en la etapa de desarrollo de estos sistemas catalíticos para polipropileno, y debemos esperar los anuncios de las empresas líderes a nivel mundial en relación a los primeros lanzamientos comerciales.

1.4.2- Mezclas con goma E-P (etileno-propileno) en reactor (reactor blends)

No estaría completa la enumeración de las posibilidades tecnológicas que hoy brinda el PP sin mencionar la fuerte tendencia que se desarrolla en el campo de materiales de alta flexibilidad y resistencia al impacto producidos en el reactor.

Ya se producen "reactor blends" con contenidos de goma EP (etileno-polipropileno) del orden del 60%. La goma le brinda al copolímero de bloque formado una muy alta resistencia al impacto, en particular a muy bajas temperaturas.

Las figuras 8 y 9 nos muestran la resistencia al impacto en función del contenido de goma EP y de la temperatura, así como el módulo de elasticidad en función del contenido de goma EP, respectivamente.

IZOD c/entalla: Método de ensayo al impacto con probeta entallada. KJ/m2 = kilo Joules / m2

Estos materiales, producidos con tecnología fase gas compiten con ventaja frente a los compuestos donde la goma se introduce mediante mezcla mecánica en un extrusor.

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Además de un menor consumo energético, los "reactor blends" poseen en general un mejor balance rigidez-impacto que las mezclas de extrusión.

Un resumen de las posibilidades de estos materiales de reactor en términos de contenido de goma y rigidez es el siguiente:

1.4.3- Nuevos procesos - Nuevas Mezclas en Reactor

No es objetivo de este trabajo penetrar en los procesos de producción de polipropileno, aunque cabe citar la primacía de la polimerización en fase gas, principalmente por su versatilidad, eficiencia y consistencia de productos.

La versatilidad del proceso ha permitido la generación de un cuarto tipo de polipropilenos que debe sumarse a los ya descriptos homopolímeros, copolímeros random y copolímeros de impacto. Se trata de los copolímeros random bloque, que al igual que los copolímeros de bloque (o de impacto) son sistemas de dos fases. A diferencia de los copolímeros de impacto, la matriz no está formada por un homopolímero sino por un copolímero random.

Es así que podemos citar ahora una cuarta estructura de polipropilenos:

* Copolímeros Random Bloque

P-P-C-P- P-P-E-P-E-E-P E-E- E-E E...E E

Copolímero heterofásico

PP random y goma (E - P)

Las propiedades más destacables de estos materiales son flexibilidad, mayor transparencia y alta resistencia al impacto a bajas temperaturas. Se posicionan en aplicaciones para competir con PVC plastificado, por ejemplo.

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Comparados con copolímeros de impacto de igual porcentaje de goma etileno-propileno estos nuevos materiales brindan:

- Mayor flexibilidad- Menor punto de fusión- Menor temperatura de sellado- Menor dureza- Buena compatibilidad con elastómeros

Estas diferencias pueden apreciarse en la Figura 12.

1.4.4- Procesos Post - Reactor

Sólo desarrollaremos aquí aquellas alternativas de modificación de comportamiento y propiedades del polipropileno que más incidencia tienen en el diseño y fabricación de envases. Se citan también algunas novedades que pueden marcar tendencias en el mediano plazo.

1.4.4.1- Reología controlada (CR)Se trata de una modificación en la distribución de pesos moleculares del polímero mediante degradación selectiva con peróxidos en extrusión.

Los polímeros de reología controlada tienen una distribución más angosta que los materiales convencionales.

DPM (Distribución de Peso Molecular) REOLOGIA CONTROLADA

Esto les confiere ventajas, particularmente cuando se los procesa por inyección:

- Mejor flujo- Menor distorsión post-moldeo- Mayor resistencia al impacto- Ciclos de moldeo más cortos

La baja distorsión post moldeo hace a estos materiales particularmente aptos para la elaboración de envases de pared delgada, aún en diseños no simétricos. La resistencia al impacto medida sobre

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envases terminados (multiaxial) es decididamente superior en artículos inyectados con PP-CR que con tipos convencionales de polímero.

Los productos de reología controlada pueden ser tanto homopolímeros como copolímeros.

Un ejemplo comparativo de dos polipropilenos uno convencional y otro de reología controlada se ilustra en la tabla siguiente:

1.4.4.2- Alta resistencia de Fundido mediante irradiaciónLa necesidad de una alta resistencia de la masa fundida (baja viscosidad extensional) es necesaria en polipropileno para aumentar sus posibilidades de procesamiento en transformación como en soplado de cuerpos huecos de gran volumen, extrusión de espumados y termoformado de piezas exigentes.

Existen hoy materiales comerciales que hacen uso de diversos recursos con este objetivo. Mediante catálisis y parámetros de proceso se ha trabajado en materiales de alto peso molecular y distribución ancha.

Sin embargo, una novedad que podríamos calificar como recurso de post-reacción, ha sido introducida recientemente en algunos grados comerciales. Se trata de la irradiación electrónica del material, que induce ramificación de cadenas moleculares y genera un grado de cross-linking del orden del 5%.

Este efecto mejoraría sensiblemente la resistencia de fundido de estos grados de polipropileno.

1.4.4.3- Modificadores Acrílicos para resistencia de fundidoSe trata de copolímeros acrílicos para ser incorporados al polipropileno en busca de aumentar su procesabilidad en termoformado.

Trabajan como modificadores reológicos que disminuyen la viscosidad bajo condiciones de extrusión de alto régimen de corte, e inversamente, la elevan bajo las condiciones de bajo régimen de corte como son las que predominan durante el termoformado de lámina.

Este tipo de innovaciones tienden a ampliar las posibilidades de uso de PP en el parque de maquinaria existente, apta, en principio, sólo para el termoformado de polímeros amorfos (PS, PVC).

1.4.4.4- Nucleación - ClarificaciónSe entiende por nucleación a la adición de núcleos de cristalización en la masa del polipropileno. Mediante la nucleación se eleva la temperatura de cristalización durante el moldeo, se aumenta la dureza y la rigidez, disminuyendo sensiblemente el tamaño de los cristales.

Las láminas siguientes muestran dos fotografías de cristales de PP tomados mediante microscopía con luz paralizada, donde puede notarse nítidamente el efecto citado.

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Agentes nucleantes como ácido benzoico, benzoato de sodio, tiobenzoato de sodio y talco, entre los más conocidos, cumplen con la función anteriormente descripta.

Sin embargo, la utilización de derivados del sorbitol (DBS, MDBS, EDBS) ha generado una verdadera revolución, pues estos agentes de nucleación permiten obtener, adicionalmente al mejoramiento de propiedades citadas, niveles de claridad y transparencia nunca antes alcanzados en polipropileno. En especial la clarificación de copolímeros random, de por sí más transparentes, brinda los mejores resultados.

En términos prácticos, la nucleación permite obtener en polipropileno:

- Ciclos más cortos y mayor productividad- Artículos de mayor rigidez y dureza- Artículos más transparentes

Una rápida visualización de los efectos de 2400 ppm (partes por millón) de DBS (dibenzil sorbitol) en un copolímero random utilizado como referencia se muestra en las siguientes figuras:

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La clarificación del polipropileno random, conjuntamente con el desarrollo de técnicas de procesamiento basadas en la biorientación, brinda hoy en día, un gran número de posibilidades de envasamiento transparente en competencia con materiales tradicionales como PVC y PET.

1.4.4.5- Compuestos de PolipropilenoAl sólo efecto de completar la enumeración de los principales recursos disponibles para la modificación del polipropileno mediante procesos post-reactor citamos este amplísimo campo.

Ya sea con cargas minerales y/o reforzados se logran con PP materiales de alta rigidez, resistencia mecánica y a la temperatura, controlando a su vez la tendencia a la contracción post-moldeo.

Las mezclas con caucho y las aleaciones generan un amplio espectro de posibilidades en términos de propiedades y prestaciones. Finalmente, los compuestos especiales brindan soluciones específicas, como las protecciones antillama, por ejemplo.

Debe citarse el recurso de utilizar una carga mineral usado ocasionalmente en técnicas de producción de envases por termoformado.

En este caso, al hecho de facilitar las condiciones de transformación (mayor estabilidad de la lámina) se suma la obtención de recipientes de gran rigidez y estabilidad dimensional.

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1.5- Resumen - Tendencias

El siguiente cuadro, a modo de síntesis, muestra la situación actual de tipos de polipropilenos. El mismo nos servirá de base para ubicar las tendencias en desarrollos.

Las tendencias actuales, que podrían resumirse como una búsqueda permanente de propiedades extremas sin detrimento de sus prestaciones básicas se resumen de la siguiente forma:

TENDENCIAS EN PP

1.5.1- Envases rígidos y Semirígidos

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PROPIEDADES COMPARATIVAS. Envase OPP vs. OPET

PERMEABILIDAD DE FILMS DE PP. (Ensayos a 23C - Films de 40 )

1.6- Posicionamiento del Polipropileno en Envasamiento

El gran desarrollo del polipropileno en aplicaciones en envasamiento tiene su fundamento en cualidades como las que se citan:

- Es el más liviano de los termoplásticos ( = 0.9 g/cm3)- Su precio es altamente competitivo (commodity)- Posee muy buena resistencia química- Está ampliamente aprobado por F.D.A. y otras entidades de control.- Tiene alta resistencia al stress- cracking- Muy baja contribución al olor y al gusto- Muy baja permeabilidad al vapor de agua- Moderada barrera a los gases- Alta claridad, transparencia y brillo- Buena estabilidad dimensional- Permite llenado en caliente- Permite operaciones de esterilización- Permite diseño de envases mono-material- Muy buena resistencia al apilamiento- Es de sencillo reciclado- Puede ser incinerado sin dificultad

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- Se lo considera "amigable" con el medio ambiente

Este potencial ha generado un fuerte crecimiento en mercados como el europeo, donde en aplicaciones de termoformado, soplado y coating, ha crecido y seguirá creciendo.

Una gran parte de este volumen, cerca del 67%, se estima corresponderán a aplicaciones de extrusión y de soplado, compitiendo especialmente con PVC y PET.

Las presiones mundiales de carácter ambiental tienen mucho que ver con las proyecciones de avance de PP por sobre otros materiales.

Actualmente, el perfil de aplicación de PP en el mercado europeo nos dice que casi un 40% del total va destinado a aplicaciones de envasamiento.

Debemos tener también en cuenta que el hecho de que el PP sea un termoplástico "commodity" facilita mucho la expansión rápida de desarrollo de aplicaciones, iniciadas en Europa, USA o Japón, hacia países menos desarrollados del mundo.

Ya hemos citado la capacidad de sustitución de otros materiales que tienen el PP.

Se ha calculado que en Europa este fenómeno representó casi el 80% del volumen total en que creció el consumo de PP en la década 1982 - 1991.

La figura 23 muestra valores comparativos de permeabilidades y peso específico entre distintos materiales usados en envases, donde PP muestra una posición entre equilibrada y ventajosa.

Si consideramos adicionalmente su excelente resistencia a grasas y aceites, a la posibilidad de llenado en caliente y a su bajo precio relativo, se completa una posición de privilegio para el PP en envasamiento.

Cabe citar la influencia de procesos que, como la biorientación, mejoran no sólo propiedades mecánicas y estéticas, sino también el comportamiento de barrera a gases y vapor de agua del PP.

1.7- Envases Para Alimentos – Situación Actuasl y Tendencias

Dada la decisiva influencia que tienen los procesos de transformación sobre las cualidades finales del envase, trataremos a estos temas en forma paralela, procurando una mejor ilustración.

Debemos tener en cuenta no sólo el rango de propiedades que nos brindan los diferentes tipos de polipropilenos, sino también el trabajo de desarrollo en conjunto que realizaron y realizan fabricantes de máquinas de transformación y productores de materia prima en todo el mundo.

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1.8- Envases de Rafia

No quedaría completa la cita de envases flexibles sin mencionar esta aplicación, pionera en usos de PP y tradicional en bolsas y bolsones de hasta 3 m3 de capacidad.

La tela de rafia tejida puede o no ser coteada y en el caso de los bolsones, es habitual el uso de un liner interior de polietileno.

Es creciente el uso de bolsones de PP para transporte y almacenaje a granel, a un costo altamente competitivo (Fig. 46).

En mercados desarrollados, la industria alimentaria hace uso de estos envases, generalmente retornables, para sus insumos (sal, azúcar, cereales, concentrados, etc.).

1.9- Conclusiones.

* El PP incrementará su poder de penetración en envases rígidos y flexibles.* Las tendencias hacia envases monomaterial y cada vez más livianos, fortalecen su posición.* La industria de maquinaria de transformación cuenta con polipropilenos cada vez más

diversos, para sus desarrollos. Esto amplia sus posibilidades de uso.* Tecnológicamente, el PP está hoy en el umbral de una nueva etapa en la vida del producto.

Nuevos materiales y nuevas propiedades son ya previsibles.* Sigue siendo un polímero de bajo costo, con abundante y moderna capacidad instalada alrededor del mundo.

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2- POLIPROPILENO BIORIENTADO

2.1- Película de Polipropileno Biorientado (BOPP)

2.1.1- Introducción

El desarrollo del envasamiento ha ido convirtiendo esta actividad en una ciencia de alta tecnología, que involucra materiales naturales o sintéticos solos o combinados entre sí. Dentro de esta ciencia el envase flexible ha ocupado y aún ocupa un espacio de gran importancia. Desde hace cincuenta años se han creado y desarrollado una serie de películas plásticas a partir de nuevos polímeros, las que, en general, han satisfecho las exigencias de los productos a envasar y de las industrias productoras ofreciendo costos menores del material de envase. Una de estas películas es el Polipropileno biorientado (BOPP), quien aún obteniéndose del mismo polímero que el polipropileno "as cast" se ha diferenciado de éste en forma muy marcada. Esta diferencia se logró debido a las ventajas que se obtienen con el proceso de biorientación.

La diferencia fundamental entre un tipo de película y el otro está en el ordenamiento de la estructura cristalina de cada una. Así en el caso del PP ésta no tiene un orden determinado, sino que es azarosa, mientras que en el caso del BOPP la estructura fue "obligada" a adoptar un patrón determinado, alineando las cadenas de cristales según dos direcciones transversales entre sí.

Desde el punto de vista del envasamiento el PP presenta las siguientes características:

a) Baja resistencia y alta elongaciónb) Baja performance a bajas temperaturasc) No es sellable por los métodos utilizados para soldar películas de celulosa regeneradad) Sus propiedades restringen su uso en mercados de grandes volúmenese) Su mayor mercado ha sido el de bolsas para presentación de prendas de vestir y el de películas

soldante en laminaciones y estructuras combinadas.

A partir de estas características poco satisfactorias para el envasamiento automático, la investigación ha permitido desarrollar los procesos de biorientación que confieren a esta misma película propiedades sobresalientes para ser utilizada en mercados de volúmenes importantes. Es esta la razón por la que el BOPP ha tenido una aceptación mundial tan importante, agregado a la economía que produce respecto de sus competidores naturales: Celulósicos y plásticos.

PAG. 18 Operación Empaques Area de Capacitación B.A

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2.1.2- Diferencias entre PP y BOPP

Diferencia entre PP y BOPP

2.1.3- Tipos de BOPP

- Plano no termosoldable

- Termosoldable. Blanco - Opaco. Perlado. Metalizable o Metalizado. Especial para cigarrillos

Distintas formas de obtener termosoldabilidad* Coextrusión------ Con materiales de menor temperatura de sellado

Pvdc* Revestimiento---

Acrílico

* Homogéneo------ Soldantes en masa

La biorientación de la película de polipropileno lleva consigo una gran cantidad de beneficios:

a) La resistencia a la tracción aumenta un 400%b) La rigidez de la película aumenta un 200%c) La barrera a gases aumenta un 50%d) La barrera al vapor de agua se mantiene en niveles excelentese) Las propiedades ópticas mejoran considerablemente

De aquí surge que las características de BOPP son sobresalientes para el envasado automático.

A modo de resumen las listaremos:1) Excelente resistencia mecánica2) Alta barrera a la humedad3) Muy buena resistencia a bajas temperaturas (-70 ºC)

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4) Alta estabilidad dimensional5) Excelente flexibilidad6) Alta resistencia al punzonado7) No se requieren condiciones especiales de almacenado8) Buen brillo y claridad9) Buena maquinabilidad

2.1.4- Ventajas de biorientar

Mejora:- Propiedades ópticas- Rigidez- Tensión de rotura- Resistencia a bajas temperaturas- Barrera a gases y humedad

2.1.4.1- Efecto de la orientación sobre las propiedades mecánicas

2.1.4.2- Efecto de la biorientación sobre la permeabilidad

2.1.5- Métodos de biorientación

Existen dos métodos de biorientación: a) burbujas, b) mesa estiradora. En ambos el propósito y el resultado es el de alinear las cadenas de cristales en dos direcciones preferenciales. También, en ambos procesos, esta alineación se logra mediante la deformación mecánica de la película que se está fabricando.

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a) Burbuja: este proceso consiste en la extrusión de un tubo grueso (2 ó 3 mm de espesor de pared) de polímero fundido a través de una matriz circular. Este tubo es arrastrado por un par de rodillos hacia una zona de calentamiento donde se le inyecta aire comprimido. El efecto de la presión del aire y el ablandamiento del tubo debido al calentamiento da como resultado el inflado de una "burbuja" que tiene un diámetro ocho veces mayor al del tubo original. Esta deformación alinea los cristales en sentido transversal al de avance de la película. Simultáneamente al inflado, la película sufre un estiramiento en el sentido de avance producido por un par de rodillos que gira ocho veces más rápido que los que entregan tubo antes de la burbuja. Este estiramiento produce la alineación de las cadenas cristalinas en el sentido de avance, completándose el proceso de biorientación. Luego de la biorientación la burbuja es "aplastada" abriéndose en sus bordes para dar lugar a dos láminas de película plana. Antes de ser bobinadas ambas láminas son sometidas a un proceso de asentamiento por calor, lo que brindará al material una gran estabilidad dimensional. Finalmente, recibe el tratamiento "corona" que la hará apta para imprimir y/o laminar.

b) Método de mesa estiradora: este método conocido como "Stenter fram", consiste en la extrusión de polímero a través de una matriz plana. El film obtenido es estirado por una batería de rodillos que giran uno más rápido que el anterior. Luego la película es conducida dentro de un túnel calefaccionado donde por medio de mordazas que sujetan la película lateralmente, se procede al estiramiento transversal. Las mordazas se montan sobre una cadena que se abre gradualmente y a medida que avanza sobre la mesa de estirado. Luego del túnel se cortan los bordes donde se apoyaron las mordazas, se hace el asentamiento por calor para conferir a la película estabilidad dimensional, se le hace tratamiento "corona" y se bobina el rollo final.

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2.1.6- Mercados usuales. Estructuras utilizadas

Si bien lo siguiente no incluye la totalidad de los casos, haremos una reseña de algunos mercados donde es muy importante el uso del BOPP.

a) Snacks, productos para copetín: esta industria, donde propiedades tales como barrera a la humedad, al oxígeno y rayos ultravioletas son importantes, ha encontrado una muy buena solución en el BOPP, ya sea en estructuras simples o compuestas. Así, desde la simple lámina de BOPP pasando por laminados consigo mismo u otras películas (PEBD, PP, papel/PEBD, etc.) hasta el sofisticado BOPP metalizado laminado consigo mismo, tienen un excelente campo de aplicación. En esta misma industria interviene el BOPP no termosellable como proveedor de resistencia mecánica, barrera a la humedad y brillo a estructuras que contienen papel metalizado y coteado con resinas ionoméricas de soldadura.

b) Pastas: esta industria ha encontrado también una respuesta excelente de envases que incluyen en su diseño BOPP. Partiendo del envase fabricado con una simple lámina de 35 micrones de BOPP, con impresión exterior, se llega a laminados de BOPP consigo mismo y con PEBD y PP cuando los productos son muy agresivos y superan la resistencia a la punción del BOPP, perforándolo y destruyendo el envase por la alta propagación de rotura iniciada que él tiene. También aquí aparecen diseños con BOPP metalizado cuando las características del producto requieren protección a rayos UV y al oxígeno.

c) Galletitas: los productos de esta industria también requieren protección a la humedad y al oxígeno. En adición a ésto es necesaria una muy alta estabilidad dimensional del material de envase para evitar que las variaciones de su tamaño produzcan roturas del producto empaquetado. Aquí también la utilización de BOPP como película simple o laminada consigo misma ha dado excelentes resultados; los paquetes obtenidos en la máquina automática conservarán su apariencia y dimensiones aún cuando en su etapa de comercialización sean expuestas a altas o bajas temperaturas, o altos o bajos porciento de humedad. Esta misma propiedad ha contribuido a la decisión de los fabricantes de cigarrillo a adoptar BOPP como

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material de envase. Aquí también la estabilidad dimensional de la película es apreciada teniendo en cuenta que es necesario que el envoltorio no deforme el paquete de cigarrillos, en especial si éste es blando, debido a variaciones en sus dimensiones originales.

d) Golosinas: si bien para una parte importante de esta industria el BOPP todavía no ha dado una respuesta satisfactoria, su utilización está muy difundida. La memoria de BOPP no permite su uso en caramelos y productos de envoltorio retorcido, a no ser que los equipos envasadores estén especialmente diseñados para este uso. Sin embargo, fuera de esta materia, el envasado de obleas, bocaditos, chocolatines, caramelos (por termosoldado y no retorcido), chupetines, chicles, etc., se sirven de este material como simple lámina o en estructuras más complejas. Aquí el alto rendimiento del BOPP y consecuente bajo costo de cada envase es importante, adicionando la posibilidad de crear, sobre él y gracias a él, envases de gran atractivo para el consumidor.

La calidad del envase sugiere calidad de producto y justamente esta asociación se obtiene con el uso de BOPP, cristalino, perlado, metalizado, etc.

El BOPP también es de frecuente uso en: panificados, cintas adhesivas, té, café, queso, laminados decorativos, productos de horno, polvo para solubilizar y diluir y especias, etc..

De todos ellos, cada uno aprovecha en mayor o menor medida las propiedades del BOPP para resolver la compleja ecuación a la que hicimos mención al comienzo.

2.2- Controles de propiedades físicas y químicas:

2.2.1- Densidad:

La densidad del polipropileno es la más baja de todas las películas usadas en envasamiento. Por ello el BOPP es siempre, para un mismo micronaje, la película de mayor rendimiento superficial por unidad de peso. Esta es una de las llaves del éxito de este material en el mundo. Su densidad es de 0,9 gr/cm2 y es sólo comparable a la del polietileno de baja densidad con 0,915 gr/cm2.

En general la densidad del BOPP no se mide a partir de la película. Se puede llegar a conocerla siguiendo métodos indirectos como es la medición de peso unitario y espesor. Luego de realizar cálculos se puede obtener densidad

Densidad grs/cm3

PVDC 1,6PET 1,38PVC 1,35Poliamida 1,15Celulosa Regenerada 1,35 - 1,40Polipropileno 0,9Polietileno 0,91 - 0,92

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2.2.2- Permeabilidad:

La permeabilidad o "barrera" en la jerga común, es una medida de la capacidad de una película de permitir o no el paso de agentes gaseosos a través de ella misma. La permeabilidad se divide generalmente en dos: 1) al vapor de agua, 2) a los gases (generalmente oxígeno, nitrógeno y anhídrido carbónico).

1) La permeabilidad del BOPP al vapor de agua es excelente. Su barrera permite envasar productos sensibles a la humedad otorgándoles una gran protección y aumentando, en general, su vida de estantería.

2) En lo que hace a los gases (O2, N2, CO2) la barrera del BOPP es baja. La protección que le brinda a los productos sensibles a la acción de estas sustancias es pobre, salvo en los casos en que el BOPP esté revestido con PVDC (cloruro de polivinilideno), casos en los que la protección es muy alta por efecto del revestimiento.

Para el control de estos valores se hacen ensayos de laboratorio utilizando técnicas más o menos sofisticadas. En general se coloca entre dos cámaras una muestra de película que hará de única vía de unión entre ellas. Midiendo las condiciones en una cámara antes y después de finalizado el ensayo es posible medir y calcular la cantidad de sustancia (vapor de agua, O2, N2, CO2, etc.) que ha pasado a través de la muestra de película. Con este dato se obtienen los valores de permeabilidad.

2.2.3- Resistencia mecánica:

El BOPP es una película de altísima resistencia mecánica. La forma de medirla es directamente con un dinamómetro. Se la expresa en general como tensión específica de rotura (kg/cm2) o como carga en un determinado ancho de película (kg/cm).

Con la ayuda de los dinamómetros también se pueden obtener los valores de elongación de rotura que como ya hemos dicho son bajos (75%/90%).

2.2.4- Estabilidad dimensional:

Las películas de polipropileno biorientado tienen una alta estabilidad dimensional. Sólo a partir de 145 ºC pierden esta estabilidad para encogerse severamente. Así, los ensayos comunes de esta propiedad consisten en colocar muestras de largo conocido en hornos a 110 ºC, 120 ºC, y 130 ºC durante un tiempo predeterminado. Luego de esos tiempos se sacan las muestras y se miden los nuevos largos, calculándose los valores de contracción o elongación por efecto de la temperatura.

Los valores normales en BOPP van desde 0% a 110 ºC hasta 10% a 130 ºC.

Como ya dijimos a partir de 145 ºC la contracción de la película es tan severa que queda inutilizada para fabricar envases.

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2.2.5- Deslizamiento:

En general esta propiedad es medida por medio de planos inclinados. El resultado de los ensayos se registra como el coeficiente de roce (COF) (coheficiente de fricción) de la película ya sea con otra película o con partes metálicas. También se suele medir el COF cuando la película o las pistas de deslizamiento están calientes. Siempre el COF en caliente es superior que el COF en frío, lo que significa que la película desliza con mayor dificultad cuando está caliente.

Los fabricantes de BOPP utilizan cuando diseñan sus películas aditivos que colaboran en el deslizamiento. El mecanismo de funcionamiento de estos aditivos es el siguiente: son inmiscibles en el polímero en estado sólido pero son solubles en él cuando están fundidos. Así se mezclan en masa con el polímero líquido y se extrudan dentro de la masa de película. Al enfriarse ya no son más solubles en esa masa por lo que son "extraídos" o sea migran a la superficie modificando sus características. En este caso, la característica que modifican es el deslizamiento.

2.2.6- Pegado por calor

Esta propiedad es de fundamental importancia para el envasamiento moderno. Todas las operaciones automáticas requieren de un método de soldadura que no necesite la intervención del hombre. La solución más simple y rápida es soldar la película por calor.

El BOPP no es soldable por calor a no ser que haya sido diseñado de esta manera. A diferencia de PE y PP donde la soldadura se realiza fundiendo todo el espesor de la película en el caso de BOPP ésto no puede realizarse debido a que la fusión del PP se produce a 170 ºC y ya hemos visto que la película sufre una severa contracción a partir de 145 ºC. Por ello es necesario preveer en el diseño de la película sus caras termosoldables. En la práctica ésto se hace a través de dos métodos:

a) Coextrusiónb) Revestimiento

a) En este caso se extrudan simultáneamente tres capas: dos caras exteriores compuestas por copolímeros con punto de fusión inferior a 145 ºC y una interior formada por polipropileno puro. En estos casos el pegado por calor se logra por fusión de los copolímeros (caras exteriores) sin afectar el homopolímero (capa interior).

b) Revestido: en estos casos luego de fabricar la película con polipropileno puro se la reviste o cotea con lacas con punto de fusión inferior a 145 ºC. Estas lacas en general son lacas acrílicas o PVDC (Cloruro de polivinildeno) quien además de convertir la película en termosoldable le agrega barrera a los gases.

La comprobación del pegado por calor se realiza con equipos de laboratorio quienes controlan la temperatura, presión y tiempo con exactitud. Luego de soldar la película se la coloca en el dinamómetro para medir la resistencia de las soldaduras.

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2.2.7- Propiedades ópticas

Como se dijo las propiedades ópticas de la película son importantes para brindar mayor atractivo al envase. En general se estudian tres cualidades: a) brillo, b) claridad, c) nubosidad.

Para un mejor entendimiento de claridad y nubosidad usaremos este ejemplo:

-. Un cristal muy fino tiene alta claridad y baja nubosidad.-. Un vidrio esmerilado tiene baja claridad y alta nubosidad.-. El efecto combinado de claridad y nubosidad se traduce conceptualmente en transparencia.

En todos los casos estas propiedades dependen de la homogeneidad del material. Si la película es heterogénea tendrá cristales grandes y la dispersión de la luz será alta, bajando la claridad y aumentando la nubosidad. Si en cambio es homogénea, la claridad será alta y la nubosidad baja.

2.2.8- Rotura iniciada

El BOPP tiene una gran sensibilidad a la rotura iniciada. Debido a la orientación de las cadenas cristalinas la rotura tiene una dirección preferencial de propagación. Al no encontrar cadenas cristalinas que crucen esa dirección, la rotura es sumamente fácil. Aún así, en ausencia de roturas iniciadas este material es indestructible.

Una medida de ésto es el ensayo de resistencia a la punción. En él se mide la fuerza necesaria para que una punta o bolilla rompan el material. De todos los materiales de envasamiento los valores de resistencia a la punción del BOPP son de "los más altos".

2.2.9- Tratamientos corona

El tratamiento corona consiste en una descarga eléctrica sobre la superficie de la película. Esta descarga se realiza para "activar" eléctricamente la superficie a imprimir.

Es necesario hacerlo porque la película tiene una gran estabilidad química y de no activarla no sería "mojable" por las tintas de impresión. Como ventaja adicional las descargas eléctricas sobre la superficie de la película producen un "poceado" de la misma, con lo que el proceso de absorción de la tinta se ve favorecido por una superficie mayor. En la práctica se mide el nivel de tratamiento corona comparándolo con la tensión superficial de diferentes soluciones. Esta comparación da idea de cuál es la tensión superficial* del líquido que será capaz de mojar la película, comprobándose si este nivel es

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apto para la impresión con las tintas normales. Existen también lápices cargados con soluciones de tensión superficial determinada, que se usan como medidores inmediatos de nivel de tratamiento. Si este lápiz escribe sobre la película, el nivel de tratamiento es superior a la tensión superficial de la solución del lápiz y la película se mojará por cualquier tinta con tensión igual o menor.

*Tensión Superficial: es la propiedad de un líquido de extenderse o permanecer como una gota cundo se aplica sobre una superficie sólida.

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