polietileno

Técnica en Envases Polietileno

POLIETILENO

Empresas

CONTENIDO

1- POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD, POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD LINEAL, POLIETILENO ALTA DENSIDAD, COPOLIMERO EVA.

1.1- Introducción (Definición)1.1.1- Estructura molecular.

1.2- Etileno .Su obtención1.3- Polietileno- Estructura molecular

1.3.1- Distribución de Peso Molecular.1.4- Características reológicas.

1.4.1- Indice de fluencia1.5- Procesos de Obtención del PE (Polietileno).

1.5.1- Polietileno de Baja Densidad - proceso de Alta Presión1.5.2- Polietileno de Alta Densidad - Proceso de Baja Presión1.5.3- Proceso de Baja Presión en Fase Gaseosa (Unipol)1.5.4- Resumen de los Procesos para Fabricación de PE.1.5.5- Comparación de distintos procesos para obtener PE.

1.6- Polietileno De Muy Baja Densidad1.7- Copolímeros con alfa olefinas de mayor peso molecular.

1.7.1- Propiedades de películas sopladas .1.8- Resumen de los distintos tipos de PE.1.9- Copolímero del etileno (EVA).

2- EXTRUSION DE PELÍCULA DE POLIETILENO2.1- Introducción2.2- Extrusor

2.2.1- Tolva2.2.2- Tornillo

2.2.2.1- Secciones del tornillo.* Sección de alimentación.* Sección de Compresión* Sección de Dosificación* Tornillo de dos etapas

2.2.2.2- Relación Largo/Diámetro (L/D)2.2.2.3- Relación de compresión.2.2.2.4- Velocidad de rotación del tornillo

* Diseño del tornillo para procesar PE lineal con L/D = 24/1.* Fundamentos del diseño.

2.2.3- Porta Tamices y Paquete de Tamices2.2.4- Adaptador y Cabezal o matriz.

2.2.4.1- Modificación del cabezal para procesar PE lineal* Optimización del diseño.* Fractura del polímero* Presión en el cabezal* Modificación del cabezal

Area de Capacitación B.A. Operación Empaques PAG. 1


* Enfriamiento de película* Sistema con collar de aire* Sistema de anillo con doble labio* Enfriamiento interno de la burbuja* Tubo de película o burbuja* Relación de soplado* Tiraje y bobinado.

3- PRODUCCION DE LA PELICULA DE PE ALTA DENSIDAD- ALTO PESO MOLECULAR

3.1- Comparación con el PEAD y Convencional desde el punto de vista reológico.3.2- Principales características del equipo. Tornillo, cabezal.3.3- Tornillo3.4- Cabezal.3.5- Enfriamiento de burbuja.

4- RESISTENCIA A LA RADIACION UV.5- PERMEABILIDAD A LOS GASES

5.1-Permeabilidad comparativa entre el PE Convencional, EVA, PEAD.6- ESCR (Resistencia al Resquebrajamiento) 7- TRATAMIENTO ELECTRONICO DE LOS FILMS DE POLIETILENO.

PAG. 2 Operación Empaques Area de Capacitación B.A


1- Polietileno Baja Densidad, Polietileno Baja Densidad Lineal , Polietileno Alta Densidad Y Copolímero Eva

1.1- Introducción.

1.1.1- Estructura molecular.

El PE es un material termoplástico producido por polimerización de Etileno, que es un gas compuesto por dos átomos de carbono y cuatro de hidrógeno. Los dos átomos de carbono de la molécula de Etileno, están unidos por una doble ligadura. Sin embargo, bajo ciertas condiciones, esta doble ligadura se abre, lo que da a la molécula de Etileno la oportunidad de unirse con otras para formar una cadena en la cual todos los átomos de carbono están unidos, manteniendo a su vez los hidrógenos (ver figura 1). Esta reacción de polimerización es fuertemente exotérmica, generándose aproximadamente 26 Kcal por gramo mol de etileno. A esta nueva molécula se la denomina Polietileno (Pol deriva de la palabra griega Polys que significa muchas). También en forma genérica, a estos materiales se los denomina Polímeros (Poly = muchos; Meros = partes) o Macromoléculas, haciendo referencia a su relativamente alto peso molecular o gran tamaño. Las cadenas de PE no son planas o bidimensionales como parece indicar la figura; por el contrario, tienen una disposición tridimensional, estando los átomos de hidrógeno dispuestos a lo largo de la cadena formada por átomos de carbono dispuestos en zig-zag. Por otro lado, la polimerización del etileno produce una mezcla de cadenas con distintas longitudes, algunas muy cortas, 12 moléculas o menos, y otras muy grandes conteniendo cientos de miles de unidades de etileno. Asimismo, la estructura molecular del PE comercial es mucho más complicada que la mostrada en la figura, siendo unas de las principales características la presencia o no de ramificación, como se indica en la figura 2.

Fig. 1



Fig. 2

En el caso del PEBD producido por el proceso de Alta Presión, la molécula de PE tiene aproximadamente 30 ramificaciones largas distribuidas al azar cada 1.000 átomos de carbono de la cadena principal. La figura 3 muestra un esquema de las ramificaciones laterales que cabe señalar, se extienden en forma tridimensional.

En el PEBD obtenido por el proceso de Baja Presión la estructura molecular es completamente distinta, dado que la molécula no tiene ramificaciones largas; o sea que es completamente lineal, de ahí que se lo denomina PE lineal. Este material posee sólo ramificaciones cortas, cuya longitud es de sólo 2, 4 o 6 carbonos, según el comonómero que se use. Un PE Lineal con MI = 1,0 y densidad 0,920 gr/cm3 tiene una frecuencia de aproximadamente 15 ramificaciones etílicas cada 1.000 átomos de carbono de la cadena principal. El PEBD tiene un grado de cristalinidad de 60 - 75%.

A su vez, el PE de Alta Densidad, obtenido según procesos de Baja Presión, tiene también una estructura lineal con muy pocas ramificaciones largas, típicamente 3 cada 1.000 átomos de carbono de la cadena principal. En este caso las moléculas están ordenadas geométricamente formando estructuras cristalinas, llegando a tener un elevado grado de cristalinidad que puede llegar al 90 - 95%, razón por la cual el polímero tiene una mayor densidad.

1.2- Etileno .Su obtención

El Etileno es el insumo petroquímico más importante tanto en cantidad como en valor económico. Aunque prácticamente no tiene uso como tal, constituye la materia prima para innumerables productos químicos además del Polietileno.



En la actualidad prácticamente todo el etileno se produce por cracking térmico de hidrocarburos. La materia más usual en Estados Unidos es el Etano y el Propano obtenidos del gas natural mediante separación del resto de los componentes o de las fracciones volátiles de petróleo. En Europa y Japón se usan fracciones líquidas más pesadas del petróleo tales como naftas livianas y gas oil. Se usa también como materia prima para el etileno gas de refinería.

En la Argentina la mayoría del Etileno es producido a partir del gas natural en la planta de Petroquímica Bahía Blanca localizada en el Polo Petroquímico de Bahía Blanca.

Las capacidades de producción de Polietileno en Argentina son las siguientes:

Firma Capacidad (Tons./año) Localización

Polisur S.A. 120.000 PEBD Lineal90.000 PEBD Convencional210.000 total Bahía Blanca.Ipako S.A. 15.000 PEBD Convencional Ensenada(Bs.As.).Duperial S.A. 20.000 PEBD Convencional San Lorenzo (Santa Fe).Total Capacidad de PE Baja Densidad: 245.000 Tons./Año Petropol S.A. 62.000 PEADBahía BlancaTotal Capacidad 307.000 Tons./Año.

1.3- Polietileno- Estructura molecular

1.3.1- Distribución de Peso Molecular. (DPM)

Como se explicó anteriormente, la longitud de las cadenas moleculares varía ampliamente, coexistiendo cadenas cortas de bajo peso molecular y cadenas largas de alto peso molecular. Esto da lugar a una importante caracterización de los polietilenos según su distribución de peso molecular, que puede ser ancha o angosta, según se muestra en la figura 6.

Una de las características fundamentales del PE Lineal de Baja Densidad adecuado para producir película y artículos inyectados, es que tiene una Distribución de Peso Molecular angosta. Esto significa que la mayoría de las moléculas presentes tienen similar longitud o peso.

En contraposición, el PEBD Alta Presión, tiene una Distribución de Peso Molecular amplia; es decir, se hallan presente moléculas cortas y moléculas largas, o sea, de distintas dimensiones.

El PEAD puede tener Distribución de Peso Molecular ancha, adecuado para extrusión y soplado, o angosta, adecuado para inyección.

En la figura se muestra las curvas de Distribución de Peso Molecular de dos PE Baja Densidad Alta Presión, producidos por Polisur. Se comparan dos materiales con distinto Índice de Fluencia, donde se observa claramente el desplazamiento hacia los mayores pesos moleculares del PE con IF = 0,5 gr/10 min. con respecto al IF = 2,0 gr/10 min. Estas curvas fueron obtenidas mediante Cromatografía por Permeación de Geles (GPC) a alta temperatura.



Esta característica (la distribución de peso molecular), es la responsable de las diferencias de procesamiento, particularmente en extrusión, del PE Lineal y de distintas propiedades del producto final. A igualdad de todos los demás parámetros, los Polietilenos con DPM ancha tienen mejor fluencia y procesabilidad y mayor resistencia al agrietamiento en presencia de productos químicos (ESCR).

Los polietilenos con DPM angosta, tienen mayor resistencia mecánica, al impacto y al alabeo.

1.4- Características reológicas.

Debido a la distinta configuración molecular del PE Lineal, particularmente el hecho de tener una distribución angosta de Pesos Moleculares, su viscosidad difiere substancialmente del PE Alta Presión en las condiciones de procesamiento. En la figura 8 se muestran las curvas típicas de viscosidad de un PE Lineal comparado con un PE Alta Presión de igual Indice de Fluencia. Como puede observarse, la viscosidad del PE Lineal es siempre superior a las del PE Alta Presión en el rango típico de extrusión de 100 1/seg a 2.000 1/seg.(1/seg = seg-1)

Como puede observarse en la figura, a la velocidad de corte dentro del rango de medición del Indice de Fluencia, las viscosidades de ambos PE son similares.

En la figura 9 se muestran las curvas reológicas de un PE Lineal de Polisur, con IF = 1,0 gr/10 min., comparado con un Polietileno Baja Densidad Alta Presión, también de Polisur, con IF = 2,0 gr/10 min.

Estas curvas fueron obtenidas en un reómetro capilar Instron.

Como ejemplo, a la velocidad de corte de 100 1/seg, típica en un tornillo de extrusión y a una temperatura de 200° C, la viscosidad (PE Lineal IF = 1) = 18.000 poises, mientras que la viscosidad (PE Alta Presión IF = 2) es = 5.200 poises. Esta diferencia se ve atenuada por el hecho de que el PE



de Alta Presión (IF = 2) se procesa a 180oC, mientras que el PE Lineal (IF = 1) se recomienda a 200oC o más. En estas condiciones, como se aprecia en la figura 8, la viscosidad del PE Alta Presión es de 6.900 poises, con lo cual el PE Lineal tiene una viscosidad aproximadamente 2,5 veces mayor.

Como consecuencia práctica de estas características de viscosidad, se deben introducir modificaciones en el proceso de transformación para lograr un procesamiento óptimo de cada tipo de Polietileno, y son necesarios equipos y condiciones de producción distintos según se procese PE Lineal, Convencional o PE Alta Densidad.

Fig. 8

Fig. 9

1.4.1- Indice de Fluencia

En la práctica industrial la viscosidad del PE se determina con un equipo denominado Plastómetro que se muestra en la figura 10. La muestra de PE se introduce en el cilindro, se calienta a 190° Cy se aplica al pistón con el peso correspondiente, el material fundido sale por el orificio inferior y se mide los gramos de material que fluyen en 10 minutos. Este valor se lo denomina Indice de Fluencia (IF), Indice de Fluidez, o Melt Index, a veces se lo llama "Grado". Por ejemplo un material con IF = 2 gr/10 min significa que fluyen 2 gr. en 10 minutos a 190° Ccon un peso de 2.160 gr. Se lo llama a veces PE "grado 2". En los casos que se deba medir materiales de muy alta viscosidad es necesario colocar un peso mayor para que fluya, se usa normalmente 5.000 Kg o 21.600 Kg. En estos casos se especifica el peso usado, normalmente figura por ejemplo IF (5 Kg) = 6,5 gr/10 min o IF (21 Kg) = 9,5 Kg/10 min. En la literatura de Estados Unidos el IF (21 Kg) figura a veces como "flow index" o como "High load Melt Index".



La determinación del IF está normalizada en la norma ASTM D - 1238 e IRAM 13315 "Método de determinación del índice de fluidez en caliente".

Cabe asimismo señalar que, dentro de una misma familia de PE, el IF guarda proporcionalidad inversa con el Peso Molecular (PM), es decir a menor IF mayor PM.

Es muy útil además para caracterizar los PE hacer el cociente de los IF:

IF (21) ó IF (5) ó IF (21)IF (2) IF (2) IF (5)

que da una indicación de la Distribución de Peso Molecular (DPM). Así por ejemplo tenemos

IF (2)(gr/10min) IF (21)(gr/10min) IF(21)/IF(2) DPM.PEAD 7,0 190 27 AngostaPEAD 0,5 50 100 Ancha.

En el caso del PEAD en general los materiales con DPM Angosta son usados para inyección y los DPM Ancha para extrusión.

1.5- Procesos de Obtención del PE(Polietileno).

Los métodos de obtención de PE son los siguientes, que serán descriptos en orden cronológico:

1.5.1- Polietileno de Baja Densidad - proceso de Alta Presión

Este proceso fue desarrollado por primera vez en Inglaterra en el año 1941. Durante la 2da. Guerra Mundial, la producción de PE, tanto de Inglaterra como U.S.A., fue destinada enteramente a la aislación de cables para equipos de radar. Luego de la guerra, la producción de PE crece rápidamente y su principal uso pasa a ser las películas destinadas al envasamiento en general.

El proceso de polimerización se lleva a cabo a muy alta presión en un reactor tubular o autoclave.

La presión de polimerización está en el rango de 1.500 a 3.500 Kg/cm2 y a una temperatura del orden de los 150º C-200º C.



En la figura 11 se muestra el esquema típico de producción de PE por el proceso de Alta Presión.

Una de las características básicas de este proceso es el gran consumo de energía y las medidas de seguridad que se deben tomar, debido al manejo de altísimas presiones.

Los distintos tipos de PE se obtienen variando las condiciones de temperatura, presión y catalizadores en el reactor. Con este proceso se logra obtener una gama de Polietilenos relativamente limitado que abarca en la práctica industrial valores típicos de: IF: 0,25 - 30 gr/10 min y Densidad: 0,917 a 0,926 gr/cm3.

El PE fundido que sale del reactor se separa del etileno remanente sin polimerizar y se alimenta un extrusor pelletizador que lo transforma en pequeñas esferas de aproximadamente 3 mm de diámetro que son enfriadas en un baño de agua. Luego de secadas se envían a silos donde se mezcla para obtener partidas homogéneas y se embolsa.

Los distintos aditivos que lleva el PE, que son descriptos más adelante, se agregan en la etapa de extrusión de tal manera que quedan incorporados en el mismo.

1.5.2- Polietileno de Alta Densidad - Proceso de Baja Presión

La producción industrial del PE de Alta Densidad se inició en 1956 cuando Ziegler desarrolló un catalizador adecuado para polimerizar etileno a presiones más reducidas, del orden de los 20 a 30 kg/cm2 y a temperatura de 130 a 180º C.

Actualmente, la mayoría del PE de Alta Densidad se obtiene por el proceso de suspensión que se muestra en la figura 12, usando catalizadores de diversos tipos: Ziegler, Philips o Standard Oil Co of Indiana.

La característica más importante de este proceso es la necesidad de manejar el diluyente en el que se polimeriza el etileno (Isobutano o Hexano) que debe ser separado y recuperado para volver a utilizarse. El diluyente debe ser extraído totalmente del polímero, mediante un proceso de lavado y secado. En la figura 13 se muestra el esquema completo del proceso de obtención del PE de Alta Densidad.



(Fig 12)

(Fig 13)

1.5.3- Proceso de Baja Presión en Fase Gaseosa (Unipol)

Este proceso permite la obtención de toda la gama de polietilenos, desde 0,989 hasta 0,967 gr/cm3, o sea de todo tipo de PE: Alta, Media y Baja Densidad, usando el mismo reactor de polimerización.

Fue desarrollado por Unión Carbide de U.S.A., que en 1971 operó la primera planta para obtener PEAD. En 1977 se inició la producción de PE de Baja y Media Densidad.

En la figura se muestra el esquema de producción del PE, mediante el proceso de polimerización en fase gaseosa.



El equipo más importante del nuevo proceso es el reactor de lecho fluidificado, que es un recipiente cilíndrico de gran tamaño, con una zona de expansión en la parte superior. El reactor está lleno con un lecho de gránulos de polímero, a través del cual fluye el etileno. Al reactor se agregan continuamente etileno fresco, comonómero, catalizadores y agentes reguladores del peso molecular.

Los monómeros son purificados para evitar el envenenamiento del catalizador, que es muy sensible a venenos tales como el monóxido de carbono, oxígeno, agua y azufre.

La zona de expansión en la parte superior asegura la separación de las partículas de polímero más fino del gas sin convertir.

El gas que sale del reactor, es tomado por un compresor de reciclo, luego se enfría en un intercambiador y retorna al reactor.

La polimerización se va produciendo alrededor de las partículas del catalizador, tomando el polímero la forma de pequeños gránulos, de alrededor de 1-3 milímetros de diámetro.

Estos gránulos, de color blanco, recuerdan por su forma el aspecto del café soluble.

El producto descargado del reactor, pasa por un sistema de purga de hidrocarburos. Gran parte de estos hidrocarburos son recirculados.

La conversión promedio del conjunto, etileno/comonómero, es superior al 96%. La presión de trabajo del reactor es de 21 Kg/cm2 y la temperatura varía entre 85 y 110º C.

La densidad del producto se varía agregando comonómero, el que introduciendo cadenas laterales en el polímero, reduce la misma a valores típicos de un PE de Baja Densidad.

El catalizador juega un rol fundamental en el proceso de polimerización en fase gaseosa y se puede obtener una amplia gama de IF y de Densidades, variando el tipo de catalizador y la composición de la alimentación (cantidad y tipo de comonómero).

La actividad o productividad del catalizador es muy alta; es decir que, con pequeñas cantidades de catalizador se logran grandes cantidades de polímero, a tal punto que no es necesaria la extracción de residuos de catalizador del polímero.



1.5.4- Resumen de los procesos de fabricación de PE

A los fines de sintetizar y visualizar los distintos tipos de PE que pueden producirse según los diferentes procesos, se han preparado las figuras 15, 16 y 17 en las que se muestra la secuencia cronológica de los tipos de PE que se usan industrialmente. La primera de ellas (fig. 15) muestra la primera generación de Poliolefinas, tal como se encontraba hasta el año 1977.

La figura 16 muestra, a partir de dicho año, la aparición del PE Lineal que en los primeros años cubrió el rango de Baja Densidad y Media Densidad.

La figura 17 representa la generación actual de Poliolefinas, que se inicia en los años '80 y que cubre todo el rango de densidades. Cabe señalar que este nuevo proceso, tal como lo indica la figura, amplió el rango de densidades, siendo los más novedosos los polietilenos con densidades de 0,90 gr/cm3 o menores, que ya se comercializan en U.S.A., y que constituyen una alternativa novedosa en el campo del envasamiento.

De todo ésto se concluye que dada la versatilidad de los nuevos procesos de fabricación y de los polímeros obtenidos, la distinción entre los polietilenos de Baja y Alta densidad es obsoleta.

Actualmente, corresponde designar a estos polímeros simplemente como Polietilenos.

Fig. 15

Fig. 16



Fig. 17 - (1) Rango usual en el proceso de Alta Presión.

1.5.5- Comparación de distintos procesos para obtener PE

En la tabla siguiente se muestran los distintos tipos de PE en función de la densidad y el índice de fluencia y los distintos procesos mediante los que se pueden obtener.

El proceso de polimerización en fase gaseosa (Baja Presión) permite producir un rango muy amplio de polietileno, cubre toda la gama de densidad y de IF. El proceso de suspensión tiene limitaciones dado que no es posible obtener PE con densidades menores a 0,930 gr/cm3 e IF mayores a 20 - 30 gr/10 min. El proceso de solución tiene la limitación en cuanto a los PE con IF menores a 1,0 gr/10 min. aunque abarca todo el rango de densidades. El proceso de Alta Presión está indicado para un rango limitado de IF y Densidades como se muestra en la tabla.

El rango que abarca cada proceso es:

(1) Con limitaciones en los Altos PM y densidades entre 0,932 y 0,945.

En la figura 18 se muestran los distintos tipos de PE de uso común en la industria indicando la principal aplicación o método de transformación.

Las tendencias futuras, con relación al desarrollo de nuevos materiales son las siguientes:



Fig. 18

- PE de alta fluencia: con índice de Fluencia entre 80 y 120 gr/10 min., tanto en Alta Densidad como en Baja Densidad.

- Cabe señalar que PE Lineales de baja densidad con Indice de Fluencia mayores a 100 gr/10 min., ya son comerciales en USA y están destinados a inyección de artículos de paredes muy finas, tales como tapas y potes.

- PE de Media Densidad para Moldeo Rotacional. Este material tiene sobresalientes propiedades que ha abierto una gama de nuevas aplicaciones.

- PE de Alta Densidad con Alto Peso Molecular para película. Este material tiene una excelente combinación de propiedades.

- PE de Baja Densidad con Alto Peso Molecular, que ya se han producido con carácter experimental y abren un campo interesante de aplicaciones que requieren elevada resistencia.

- PE de Muy Baja Densidad. Este material se describe con más detalles a continuación.

1.6- Polietileno de muy baja densidad

Esta es una nueva familia de Polietileno con densidades entre 0,890 gr/cm3 y 0,915 gr/cm3, que es posible obtener gracias a nuevas tecnologías de polimerización en fase gaseosa y en Solución.

Estos polímeros han comenzado a producirse y comercializarse en 1984 en USA y se conocen con la sigla VLDPE (Very Low Density PE) o ULDPE (Ultra Low Density PE).

Estos materiales son aptos para la extrusión de películas, inyección y soplado. Las principales aplicaciones de estos nuevos Polietilenos son en sustitución del EVA, PVC plastificado, cauchos termoplásticos, etc., en artículos tales como:

Tubos deformables (pomos), envases que requieren alto ESCR o mayor resistencia a la temperatura, mangueras flexibles, películas extensibles, guantes, etc..

La tabla 1 muestra comparativamente las propiedades del VLDPE con el EVA.

1.7- Copolímeros con alfa olefinas de mayor peso molecular

Los Polietilenos copolímeros usados actualmente, consisten en la copolimerización del etileno con Alfa Olefinas tales como: Buteno, Hexeno y Octeno.

En la figura 19 se muestra la influencia del comonómero usado en la resistencia mecánica del polímero.



Fig. 19

Como se aprecia, con el uso de alfa olefinas de cadenas más largas, se mejora sustancialmente las propiedades mecánicas del polímero.

En el caso del PE Lineal de baja densidad copolimerizado con Hexeno, destinado a películas, se logran mejoras en varias propiedades, particularmente la resistencia al rasgado, al impacto al dardo y a la rotura a la tracción, como se aprecia en la tabla 2.

En el caso del PEAD copolimerizado con Hexeno, destinado a Inyección, se logra una sustancial mejora de la resistencia a los productos químicos (ESCR), como puede observarse en la figura 20.

Con respecto a las demás propiedades mecánicas, las diferencias entre los copolímeros Hexeno y Buteno, se aprecian en la tabla 3 donde se comparan dos PEAD destinados a inyección.

Las principales aplicaciones de estos nuevos copolímeros son: bolsas para supermercados, bolsas industriales, bolsa de basura, para mezclar con otros Polietilenos para elevar sus propiedades mecánicas, y en todas aquellas aplicaciones que requieren una elevada resistencia.

Los copolímeros Hexeno son producidos en el país por Polisur, en su planta de Bahía Blanca. Esta línea de productos está compuesta por PEBD Lineal para película.

TABLA 1

PE DE MUY BAJA DENSIDAD

MétodoASTMVLDPE EVA

.DENSIDAD (gr/cm3)D-1505 0,900 0,930INDICE DE FLUENCIA (gr/10 min) D-1238 0,4 2,0

PROPIEDADES DE LA PLACA MOLDEADA

RESISTENCIA A LA ROTURA (kg/cm2) D-638 169 176ELONGACION (%) D-638 800 800MODULO SECANTE (kg/cm2) D-638 913 913ESCR (% fallas en 500 hs) D-1693 0 75Area de Capacitación B.A. Operación Empaques PAG. 15


RESISTENCIA A LA FLEXIÓN REPETIDA(millones de ciclos hasta falla) (UCC) 4,0 0,7PUNTO DE FUSIÓN (°C) (UCC) 116 96

TABLA 2

1.7.1- Propiedades de las películas sopladas

COMPARACIÓN ENTRE COPOLIMEROS BUTENO Y HEXENO

PRODUCTO Método PE Lineal PE LinealASTM (Buteno) (Hexeno)

(Polisur 6210/1) (Polisur 6810/1).Indice de fluencia D-1238 1,0 1,0(gr/10 min).Densidad (gr/cm3) D-1505 0,920 0,920.Espesor (micrones) --- 50 50.Relación de soplado --- 2:1 2:1.Rasgado Elmendorf DM 260 800

D-1922DT 560 1100

.Impacto al Dardo (gr) D-1709 150 260.Rotura a la Tracción(Kg/cm2) DM 350 450

D-882DT 300 430

.Punto de Cedido kg/cm2 DM 110 120

D-882DT 110 130

.Módulo Secante(Kg/cm2) DM 2000 2300(1% Elongación) D-882

DT 2250 2500.Elongación a la rotura % DM 600 670

D-882DT 700 720

.Resistencia al Punzonado (I/mm) 21 24.Nubosidad % 10 13



Fig. 26

TABLA 3

P E A D - INYECCIÓN

Método COPOLIMERO COPOLIMEROASTM BUTENO HEXENO

INDICE DE FUSION (gr/10 min) D-1238 8,3 8,1DENSIDAD (gr/cm3) D-1505 0,950 0,951

RESISTENCIA A LA TRACCION EN EL PUNTO DE CEDIDO (Kg .cm2) D-638 256 251

RESISTENCIA A LA TRACCION A LAROTURA (Kg/cm2) D-638 132 141

ELONGACION A LA ROTURA (%) D-638 230 353

RESISTENCIA AL RESQUEBRAJAMIENTOBAJO TENSION (ESCR) (h) D-1693 305 480

RESISTENCIA AL IMPACTO(sobre pieza moldeada) (joule) (UCC) 35 39

1.8- Resumen de los distintos tipos de PE

En las tablas 4, 5, 6 y 7, se muestran los distintos tipos de PE, indicando en cada caso sus principales características, comonómero, aditivos cuando corresponde, y aplicaciones.

Esta lista de materiales de ninguna manera incluye toda la variedad de PE producidos por distintos fabricantes en el mundo. Se incluyen los tipos de PE más típicos para cada una de las familias y aplicaciones.



Incluye la gama o variedad más usual de aplicaciones del PE en la industria moderna y como puede observarse la mayoría de ellos con importantes aplicaciones en envases.

La información incluida en las tablas es la mínima, básica, que necesita la industria del envase para seleccionar adecuadamente un material por parte del proveedor de PE. Cada uno de los materiales señalados tiene un código de identificación que junto a la marca comercial constituye la identificación de un PE.

El fabricante de materia prima para cada tipo de PE tiene una información más completa que figura en el Boletín Técnico u hoja de especificaciones que incluyen además las propiedades mecánicas, ópticas, condiciones de procesamiento, aptitud para estar en contacto con alimentos, etc..

TABLA 4PE BAJA DENSIDAD LINEAL



TABLA 5

PE ALTA DENSIDAD - INYECCION

TABLA 6

PE ALTA DENSIDAD - SOPLADO

I F DENSIDAD TIPO DE APLICACIONES(Gr/10 min) (Gr/cm3) POLIMERO Y

DIST. DE P.M.IF (2)=0,065 0,953 COPOLIMERO ANCHA CUERPOS HUECOS CHICOS QUE REQUIEREN CICLO DE SOPLADO RAPIDO, SIN REQUERIMIENTOS DE RESISTENCIA A PROD. QUIMICOS P.EJ: BOTELLAS DE LECHE.IF (2)=0,20 0,954 COPOLIMERO ANCHA CUERPOS HUECOS CHICOS, CON ELEVADA RIGIDEZ YRESISTENCIA A PROD. QUIM. P.EJ: BOTELLAS DE DETERGENTE, COSMETICOS, BAZAR, ETC.IF (21)=20



IF (2)=0,10 0,953 COPOLIMERO ANCHA CUERPOS HUECOS DE TAMAÑO IF(21)=12,0 MEDIO (20-100 LTS) QUE REQUIERAN ALTA RESIST. A PROD. QUIM. Y MECANICA. P.EJ: BIDONES.IF (2)=0,09 0,948 COPOLIMERO ANCHA CUERPOS HUECOS DE GRAN TAMAÑO (200 LTS), CON ALTA RESISTENCIA AL IMPACTO. P.EJ: TAMBORES PARA PROD.ALIMENTICIOS Y QUIMICOS.IF (21)=10 IF (21)=6-7 0,948 COPOLIMERO ANCHA CUERPOS HUECOS DE GRAN TAMAÑO (200 LTS) CON MUYALTA RESIST. AL IMPACTO. P.EJ: TAMBORES DE ALTO REQUERIMIENTO MECANICO. SE TRATA DE UN MATERIAL EXPERIMENTAL..

TABLA 7

PE ALTA DENSIDAD - EXTRUSION

.I F DENSIDAD TIPO DE POLIMERO APLICACIONES(GR/10 MIN) (GR/CM3) Y DIST. DE P.M.

IF (2)=0,65 0,953 COPOLIMERO ANCHA EXTRUSION DE MONOFILAMENTOS Y RAFIA..IF (2)=0,15 0,953 COPOLIMERO ANCHA PELICULA CON ALTA RIGIDEZ Y RESISTENCIA, CON ESPESORES MEDIOS,PARA ENVASAR PROD. ALIMENTICIOS. MENOR PERMEABILIDAD A LOS GASES, COMPARADA CON EL 7997 Y 7900. COEXTRUSION.IF (21)=15.IF (2)=0,09 0,948 COPOLIMERO ANCHA PELICULA P/USO GRAL. EN BAJOS ESPESORES. BOLSAS PARA SUPERMERCADO, DE ARRANQUE, ETC. MEZCLA CON PE LINEAL.IF (21)=10.IF (2)=0,10 0,944 COPOLIMERO ANCHA CAÑOS DE GRAN RESISTENCIAA PROD. QCOS. Y DE GRAN TAMAÑO, PARA AGUA, DESAGÜES, INDUSTRIA, ETC. REDES DE DISTRIBUCION DE GAS NATURAL.IF(21)=12.IF (2)=0,11 0,939 COPOLIMERO ANCHA PELICULA DE USO GRAL.EN BAJOS ESPESORES, CON BUEN BALANCE DE PROPIEDADES. BOLSAS DE ARRANQUE, PARA EL COMERCIO, ETC.IF(21)=14.

1.9- Copolimero del etileno (EVA)



Cuando en el proceso de polimerización están presente dos monómeros distintos, da lugar a la formación de diversas estructuras moleculares que se muestran en la figura 21.

El copolímero más usado industrialmente del etileno (E) es cuando la polimerización se lleva a cabo con Acetato de Vinilo (VA) que da lugar al copolímero denominado EVA, como se muestra en las figuras 22 y 23. Los copolímeros usados normalmente como películas en envasamiento, tienen entre un 5% al 20% de Acetato de Vinilo (VA) con respecto al Etileno.

Fig. 22

Los copolímeros EVA son polimerizados en reactores de alta presión similares a los usados para producir PE homopolímero. Este método produce copolímeros altamente ramificados con los grupos acetoxi distribuidos al azar a lo largo de la cadena molecular.



El copolímero EVA tiene propiedades distintas al Polietileno, que lo hacen un material muy interesante en la industria del envase.

Las propiedades dependen fundamentalmente del: IF y contenido de V.A. El IF controla el peso molecular y la viscosidad del fundido, el VA controla la cristalinidad. En la tabla 10 se muestran las variaciones de propiedades en función del contenido de VA.

Particularmente interesantes en envasamiento son:

-. Transparencia (claridad)-. Permeabilidad-. Flexibilidad a bajas temperaturas-. Soldabilidad

En la figura 24 se muestra cómo disminuye la temperatura de ablandamiento de los copolímeros EVA. Esta propiedad se aplica en envasamiento termocontraíble cuando necesitan bajas temperaturas de termocontracción. También se muestra cómo se reduce la rigidez del material, tornándolo más flexible cuando aumenta el contenido de VA.

Una propiedad importante es la soldabilidad del copolímero EVA comparado con el PEBD. Como se muestra en la figura 25, el área de soldabilidad del copolímero EVA es más amplia que la del PEBD y permite una soldadura a más baja temperatura. Esta propiedad tiene amplia aplicación en el envasamiento automático, donde se usan laminados con una capa de EVA y en las películas multicapas por coextrusión, donde se usa la mayor facilidad de soldado del EVA.

El procesamiento del copolímero EVA es similar al del PE, con IF equivalente, aunque no deben pasarse los 205º C para evitar la degradación del polímero. Se procesa fácilmente en equipos convencionales de extrusión e inyección. En el caso de la película cuando el contenido de VA es alto tiene gran tendencia al bloqueo o adhesión de las caras.

Fig. 25



2- EXTRUSIÓN DE PELICULA TUBULAR DE POLIETILENO

2.1- Introducción

La extrusión es el proceso de transformación de materiales plásticos más ampliamente usado. Esto está avalado por el gran volumen y variedad de materiales que son procesados mediante la técnica de extrusión y por las amplias posibilidades que ofrece.

La obtención de película tubular de polietileno es uno de los procesos más típicos e importantes de la técnica de extrusión. Mediante este proceso se obtiene película con la que se puede confeccionar bolsas de diversos tipos y tamaños, sachets, películas para coberturas agrícolas e industriales, laminados, etc..

2.2- Extrusor

Un extrusor típico consiste básicamente en un tornillo giratorio alojado en un cilindro. Una combinación adecuada de tornillo y cilindro con un sistema de calentamiento, permite que el material plástico alimentado sea plastificado, se homogeneice térmicamente y genere la presión necesaria para forzarlo a salir en estado fundido a través de una estrecha abertura con forma de corona circular denominada matriz o cabezal.

De esta manera, al trasponer el material fundido el cabezal, se forma un tubo que inmediatamente es soplado, enfriado y luego bobinado, obteniéndose así la película tubular.

El desarrollo de las materias primas adecuadas a cada tipo de película y la necesidad de obtener producciones cada vez mayores mejorando la eficiencia y reduciendo costos, hizo que se desarrollaran equipos o unidades compactas, relativamente sencillas, capaces de obtener distintos tipos de películas tubulares.



Las principales características o especificaciones de un extrusor son: diámetro interior del cilindro, la relación largo/diámetro y la capacidad de producción. El diámetro normalmente se expresa en milímetros o pulgadas, variando entre 30 mm para los extrusores más pequeños a 250 mm para los grandes.

La relación longitud del cilindro a diámetro interno (L/D) varía entre 18 a 33, teniendo en líneas generales menores relaciones las máquinas más pequeñas y viceversa. La capacidad o producción horaria de un extrusor depende de varios factores, siendo los más importantes: tipo de resina que se use, diseño del perfil del tornillo, relación de compresión, potencia del motor, relación L/D, velocidad del tornillo, capacidad de la caja de reducción, etc.

En la figura 2 puede apreciarse un equipo de extrusión horizontal, que posee ventajas, sobre las de tipo vertical, especialmente para la fabricación de películas tubulares.

En la misma figura se indican los principales componentes del mismo.

2.2.1- Tolva

La forma cónica favorece la compresión del material con que se alimenta el extrusor, siendo además ventajosa para la caída de materiales fácilmente atascables por su granulometría, permitiendo además una mayor comodidad de carga. No es éste el único sistema de alimentación pero es el más simple y se adapta perfectamente para el transporte de polietileno.

Una vez cargada la tolva, se debe cuidar de mantenerla tapada para evitar la contaminación de polietileno con materias extrañas.

Una mirilla longitudinal en uno de sus lados, permitirá apreciar el nivel contenido en cada momento.

El cono de la tolva termina en lo que se denomina garganta de alimentación, la que posee refrigeración para evitar que los pellets o gránulos de polietileno se fundan prematuramente, produciendo un tapón o empaste con el material frío que soporta, lo que impedirá la secuencia normal de producción y alimentación.

2.2.2- Tornillo

El tornillo es uno de los elementos más importantes de un equipo de extrusión, y el que contribuye en mayor medida al rendimiento y productividad del mismo.

2.2.2.1- Secciones del tornillo



Como se muestra en la figura 3 el tornillo tiene maquinado todo a su largo canal con dimensiones específicas para cada tipo de material en el cual se distinguen tres zonas básicas:

- Sección de Alimentación- Sección de Compresión y- Sección de Dosificación

D=DiámetroP=PesoW=Ancho de Fileteh1=Profundidad en la zona de alimentaciónh2=Profundidad en la zona de dosificación

Las características y funciones de cada Sección son las siguientes:

- Sección de Alimentación:

Como su nombre lo indica, la función de esta zona es transportar y precalentar los gránulos de polietileno que recibe la tolva, hacia las zonas más calientes del cilindro. Esta zona generalmente tiene una longitud de 3 a 5 veces el diámetro del tornillo, con una profundidad de canal constante.

- Sección de Compresión:

En esta zona la profundidad del canal disminuye progresivamente hasta tomar la profundidad final al comenzar la zona de dosificación. En esta sección la resina se comprime y el aire existente entre los gránulos de polietileno es obligado a volver hacia la zona de alimentación escapando por la tolva. Además como consecuencia del calor generado por fricción y del calor transmitido a través de la pared del cilindro, la resina se funde.

Normalmente, al finalizar esta zona, gran proporción del material se halla fundido y comprimido a la presión necesaria para dosificarlo y forzarlo a través de la matriz.

- Sección de Dosificación:

Esta zona tiene como finalidad completar la fusión del material y homogeneizarlo térmica y mecánicamente. Normalmente la profundidad del canal es constante y como se muestra en la figura, sensiblemente inferior a la profundidad de la sección de alimentación, teniendo una longitud de 6 a 10 veces el diámetro.



Tornillos de dos etapas

El diseño de tornillo de tres zonas descripto anteriormente está siendo reemplazado en los modernos extrusores por un tornillo de dos etapas que incluye una zona de mezclado. En la figura 4 se muestra el dibujo esquemático de un tornillo de este tipo.

Existen varios tipos y diseños de zonas de mezclado que varían de acuerdo al fabricante del equipo. La zona de mezclado favorece la fusión de la resina, mejora el mezclado y homogeneiza el material y como consecuencia, se obtiene un aumento de la producción y una mejora en la calidad de la película sin un aumento excesivo de la temperatura de extrusión ni del consumo de energía.

2.2.2.2- Relación Largo/Diámetro (L/D)

La utilización de tornillos largos conduce a obtener un buen mezclado de la resina, mayor producción y mejor aspecto de la película. Usualmente se usan tornillos con un largo de por lo menos 18 veces el diámetro, siendo los valores más comunes de 22 a 26 veces, llegándose a un máximo de 33 veces el diámetro para equipos grandes.

La tendencia general es llevar la mayor longitud del tornillo a una sección de dosificación más larga; con ello se logra mayor producción y un mínimo de fluctuaciones que redunda en un espesor de película más uniforme.

2.2.2.3- Relación de compresión

Es la relación entre el volumen barrido por una vuelta de tornillo en la sección de alimentación, con respecto al volumen barrido por una vuelta en la sección de dosificación.

Esta relación se calcula en base a la información técnica que suministra el fabricante acerca del equipo. Por ejemplo: para un extrusor de 120 mm de diámetro:

Diámetro (D) 120 mm.Profundidad del canal en lazona de alimentación 12,7 mm.Profundidad del canal en lazona de dosificación 3,9 mm.Longitud del tornillo 2880 mm

Relación L/D= 2880 = 24120



L/D= 24:1

Relación de compr.= Volumen zona alimentación Volumen zona dosificación

Suponiendo un tornillo de paso constante:

Donde:W Ancho del canal (Constante a lo largo del tornillo)De Diámetro externo del tornilloDa Diámetro en la Sección de AlimentaciónDd Diámetro en la Sección de Dosificación

R.C.= 120,0 - 94,6 = 3,0120,0 - 112,2

R.C.= 3,0:1

Esta relación indica la compresión a que se somete el polímero al pasar de la sección de alimentación a la dosificación. Normalmente la relación de compresión en tornillos para película de polietileno es de 2,5:1 a 3,5:1.

2.2.2.4- Velocidad de rotación del tornillo

Normalmente el tornillo es accionado mediante un motor eléctrico a través de un adecuado reductor de velocidad. Las velocidades periféricas a la que gira el tornillo varían entre 0,2 a 0,7 mts/seg en extrusores convencionales. Esto equivale a una velocidad de rotación de 64 a 210 r.p.m. para un extrusor de 60 mm de diámetro.

El aumento de velocidad de rotación trae aparejado un incremento de producción y mayor generación de calor interno por fricción, por lo que para mantener el perfil de temperatura de trabajo, debe disminuirse el calentamiento eléctrico externo.

Una velocidad de rotación excesiva conduce a la aparición de defectos en la película tales como el clásico "puré de manzanas" provocado por fluctuaciones de temperaturas pese a trabajar con tamices o filtros de mallas finas.

Diseño de tornillo para procesar PE lineal con L/D = 24/1

La mayor viscosidad del PE lineal requiere el uso de un tornillo especial para mantener la potencia consumida durante la extrusión en valores aceptables.

Desde un punto de vista mecánico del extrusor, cuando se procesa PE Lineal, se debe usar un tornillo cuyo torque (HP/rpm del tornillo) sea compatible con el que admite el diseño del equipo.



La diferencia es muy marcada, a igual temperatura (200oC) y a un régimen de corte de 100 1/seg que es típico en el tornillo de un extrusor, se tiene:

MATERIAL VISCOSIDAD (Poises).Polisur 45/6010/1 18.000Polisur 2003 9.000Polisur 08/2010/1 5.100

Como puede verse y teniendo en cuenta las temperaturas reales de extrusión, se tiene que la viscosidad del PE Lineal es aproximadamente entre 2,0 y 3,0 veces mayor que la del PE Convencional.

En la figura 5 puede observarse el diseño de un tornillo para PE Lineal con L/D - 18/1. Este diseño fue desarrollado para procesar PE Lineal con un bajo torque; es decir, para igualar la potencia necesaria para elaborar el PE Convencional. Dado que la mayoría de los extrusores para producir película tienen un L/D de 24/1 o mayor, cuando se usa este tornillo debe instalarse un torpedo para llenar el espacio que queda libre entre el tornillo (18 D) y la longitud de la camisa original. Este tornillo no es adecuado para procesar PE Convencional con elevado rendimiento.

Por último, puede verse el diseño de un nuevo tornillo para procesar PE Lineal que tiene L/D - 24/1 y que es apto para procesar ambos PE, Lineal y Convencional, con elevado rendimiento y con un torque adecuado a los equipos de extrusión existentes.

Fundamentos del diseño

Los estudios realizados con extrusores experimentales dotados de sistemas especiales, que permiten visualizar el proceso de fusión del PE a lo largo del tornillo, muestran un mecanismo de fusión como puede observarse en la figura 7.



El proceso de fusión comienza a dos diámetros de distancia de la tolva y continúa según se muestra en la figura hasta que se completa la fusión.

Con el nuevo diseño de tornillo se divide en dos el lecho de PE sin fundir, mediante la inclusión de un doble filete a una distancia de 4 D, y el mecanismo de fusión continúa en cada canal separadamente, con lo que se logra de hecho duplicar la velocidad de fusión. Al finalizar el doble filete, se produce un cambio en el paso, con lo que se logra romper nuevamente el lecho de PE sin fundir; a partir de allí la fusión continúa por conducción de calor hasta alcanzar la zona de mezclado (Maddhock). El PE remanente sin fundir es fusionado en las barreras de la zona mezcladora mediante un proceso combinado de conducción de calor y generación de calor por esfuerzo de corte, produciendo un PE fundido homogéneo.

Asimismo, en este diseño de tornillo se introduce un nuevo concepto con respecto al diseño convencional, que se muestra en la figura 8, en el que la profundidad del canal es prácticamente constante y la compresión está dada por la disminución del paso. Este criterio se adopta para mantener baja la potencia consumida debido a que permite un canal profundo en la zona de dosificación.

Cabe asimismo señalar que la zona de alimentación tiene un paso extendido (1,2 D) para optimizar la alimentación. Esto es particularmente importante ya que en los diseños actuales de tornillo una de las zonas que limita la producción es la de alimentación de sólidos, o sea el transporte de los pellets sin fundir en los primeros pasos del tornillo.



2.2.3- Porta Tamices y Paquete de Tamices

Este conjunto está ubicado entre el extremo del cilindro y el adaptador, por lo tanto la resina fundida transportada por el tornillo debe pasar a través del conjunto de tamices que se encuentra alojado en el porta tamices para llegar hasta el cabezal pasando por el adaptador.

El porta tamices consiste en un disco de acero de unos 5 a 30 mm de espesor con perforaciones equidistantes de unos 3 a 5 mm.

La función del porta tamices es la de servir de soporte o alojamiento al paquete de tamices, sirve como elemento de cierre entre el cilindro y adaptador a la vez que permite corregir el flujo en espiral provocado por el tornillo.

El paquete de tamices consiste en una serie de tamices de acero inoxidable de diversas mallas sostenido por el porta tamices. Su función es retener impurezas o contaminaciones que se pueden haber introducido con el granulado y luego atascar o interferir la salid del material en el cabezal. Como consecuencia de ello es necesario cambiar frecuentemente el paquete de tamices, por lo que los extrusores tienen el porta tamices fácilmente accesible, en ciertos casos mediante simple abulonamiento del adaptador o por medio de sistemas de cierre hidráulico. Extrusores modernos están provistos de un sistema de cambio automático de paquetes de tamices, que permiten realizar la operación de cambio en un mínimo de tiempo.

El paquete de tamices al igual que el porta tamices, contribuye a crear la presión necesaria en el cilindro ya que representan un obstáculo al avance de la resina fundida.

Para obtener una buena calidad de película siempre debe usarse un paquete de tamices en la extrusión de polietileno ya que la contrapresión que genera contribuye a un buen mezclado y homogeneización de la resina. Para cada tipo de película y polietileno que se use, se requiere un conjunto distinto de tamices que da resultados óptimos. Los tamices finos, generalmente se colocan entre los tamices más gruesos como se muestra en la figura 9.

La presión en el cilindro puede ser incrementada usando un mayor número de tamices o mallas más finas, lo que mejorará la calidad de la película, a una misma velocidad del tornillo, aunque se reducirá la producción. Esta puede incrementarse aumentando la velocidad de rotación del tornillo.

2.2.4- Adaptador y cabezal o matriz

El cabezal o matriz está unido al cilindro por medio de una pieza denominada adaptador. La resina fundida, transportada por el tornillo, pasa a través del adaptador para llegar al cabezal o matriz, que es



básicamente un canal que va cambiando de perfil desde el orificio del cilindro o del adaptador, hasta el orificio con forma de sector circular que produce la forma cilíndrica final requerida por la película.

El adaptador tiene la finalidad de hacer de elemento de unión entre el cilindro y el cabezal. Lleva una abrazadera articulada que permite un ajuste perfecto con el extremo del cilindro.

En la extrusión de película soplada la resina fundida llega al cabezal a través del adaptador y es forzada alrededor de un mandril en forma de manguito y extruído a través de la abertura del cabezal en la forma de un tubo. El tubo todavía en estado de fusión, es expandido o inflado hasta el diámetro deseado y adquiere el espesor final que será considerablemente menor. Esta expansión se realiza mediante presión de aire que llega al tubo a través del centro del mandril.

La mayoría de los cabezales para película soplada están dirigidos hacia arriba. Otras posiciones del cabezal acarrean ciertos inconvenientes difíciles de solucionar como lo es el aplastamiento de la burbuja por acción de la gravedad, dificultándose el control de espesores.

En general existen tres tipos de cabezales para la extrusión de película tubular:

a) de alimentación lateral, del tipo de cabeza cruzada. Fig. 10.b) de alimentación central. Fig. 11, de peso directo.c) con distribuidor de flujo en espiral. Fig. 12.

En el caso de alimentación lateral, el material se suministra por un costado del cabezal, su dirección de flujo cambió 900º y al mismo tiempo fluye alrededor del mandril central para formar un tubo cuyo tamaño y espesor está determinado por el diámetro y abertura del cabezal.

En el caso de alimentación central, la alimentación del material es simétrica con el orificio del cabezal.



Cabezales con alimentación central para película tubular de Polietileno

En el caso del distribuidor de flujo en espiral el PE fundido se distribuye uniformemente a lo largo del perímetro mediante un canal en especial de profundidad decreciente. Este es el diseño más usado actualmente.

La abertura anular o "luz de labios" entre el mandril y el anillo del cabezal se regula mediante una serie de tornillos, como mínimo cuatro, ubicados en forma opuesta y equidistantes que ejercen presión sobre el anillo. Es de suma importancia obtener una buena concentricidad entre el mandril y anillo para producir película de espesor uniforme. El centrado se detecta y corrige aplicando una lámina o "sonda" de bronce del espesor requerido en todo perímetro del aro. Pueden realizarse pequeñas correcciones del espesor en la película moviendo ligeramente el anillo de aire.

2.2.4.1- Modificación del cabezal para procesar PE lineal. Optimización del diseño:

Fractura del Polímero

El término fractura del polímero (Melt-Fracture) es extensivamente usado en la industria de transformación de polímeros, para describir las irregularidades que surgen en la superficie del polímero a la salida del cabezal. También se conocen con el nombre de piel de tiburón, piel de naranja, etc.. En el caso de película soplada, estas deformaciones o irregularidades quedan congeladas cuando la burbuja se enfría, generando mal aspecto y en ciertos casos pérdida de las propiedades mecánicas.

En el caso del PE Lineal se cuenta con un método para calcular el cr. (Gama Crítico), o sea la velocidad de corte (expresada en 1/seg) a partir del cual se produce Fractura de Polímero.



Presión en el Cabezal

Otra consecuencia de la mayor viscosidad del PE Lineal comparado con el PE Convencional, es la necesidad de modificar la luz de labios del cabezal. Los cabezales con luz de labio convencional, de aproximadamente 0,8 mm, genera excesiva presión cuando procesan PE Lineal.

A presiones mayores de 350 Kg/cm2 (5000 psi) se incrementan las dificultades de extrusión, ya que aumenta la temperatura del fundido y la potencia consumida.

La modificación de los labios del cabezal se diseña de tal manera que la presión total en los labios es de aproximadamente 40-50 Kg/cm2 (580-700 psi).

Modificación del Cabezal

En la figura 11 se muestra el croquis de un cabezal típico para película de PE, donde se señala con un círculo la zona a modificar. Para modificar la luz de labios sólo es necesario la construcción del macho del cabezal, permaneciendo el resto invariable.

La luz de labios típica es de 1,7 a 2,4 mm aproximadamente; como se observa, es entre 2-3 veces mayor que para un PE Convencional.

Enfriamiento de película

La resina fundida proveniente del cabezal, que es empujada por el tornillo, se enfría y solidifica para ser luego tomada o tirada por el equipo de tiraje. La línea en la cual el material cambia de estado viscoso a sólido se denomina línea de enfriamiento. Es en esta línea cuando el tubo o burbuja toma su diámetro definitivo.

Si se advierte una línea de enfriamiento irregular, significa que existe algún inconveniente en el proceso. Como consecuencia de un enfriamiento desparejo por parte del anillo de aire, se obtendrá una película de baja calidad que se traduce en arrugas y espesores no uniformes.

La altura de la línea de enfriamiento puede regularse mediante la variación de la producción de la velocidad de tiraje y del flujo de aire del anillo. Cuando la velocidad del tornillo se aumenta y como consecuencia la producción, aumenta la distancia entre el cabezal y la línea de enfriamiento. Cuando aumenta el flujo de aire dirigido contra el tubo, la línea de enfriamiento baja.



Las propiedades ópticas y mecánicas de la película varían de acuerdo a la altura de la línea de enfriamiento. Cuando ésta se eleva aumenta la claridad y brillo de la película así como su resistencia al impacto, desgarramiento y tracción.

Sin embargo, una línea de enfriamiento demasiado elevada provocará "bloqueo" al ser enrolada la bobina. El término "bloqueo" se usa para señalar el fenómeno de adherencia que se manifiesta entre las caras opuestas de una película tubular plana, dificultando la operación de separar ambas caras cuando se debe abrir el tubo, por ejemplo, para llenar una bolsa. Además una línea de enfriamiento demasiado alta puede resultar en el pegado de la película a los rodillos de tiro o presión.

En la práctica para la altura de esta línea se recomiendan valores de 20 a 40 cm sobre el nivel del cabezal, siendo mayor a un diámetro de tubo más grande.

Ante la necesidad de variar la altura de la línea de enfriamiento, se debe recurrir preferiblemente a la variación de flujo en el anillo de aire.

El sistema de enfriamiento más ampliamente difundido es un aro que sopla un anillo de aire contra la burbuja, solidificándola y enfriándola, cuyo esquema se muestra en la figura 14.

Un anillo de enfriamiento adecuado debe ser capaz de suministrar un gran volumen de aire a temperatura ambiente a baja velocidad con una distribución uniforme alrededor del tubo. Diferentes espesores de película pueden ser causados por una falta de uniformidad en el flujo de aire. El caudal de aire debe poder variarse dentro de ciertos límites y fijarse de tal manera que no provoque vibraciones ni distorsiones en el tubo. El diámetro del anillo de enfriamiento es aproximadamente 50 mm más grande que el diámetro de la matriz. Debe evitarse la posibilidad de circulación de aire entre el cabezal y el anillo para evitar la solidificación prematura del material.

El cuadro siguiente muestra las producciones obtenibles con los distintos sistemas de enfriamiento de la burbuja. Como se observa, se puede incrementar sustancialmente la capacidad de producción con un adecuado sistema de enfriamiento.



Enfriamiento de la burbujaDistintos sistemas

Tipo de sistema de enfriamiento Producción obtenible(Kg/Hr x cm perímetro)

.- Anillo de Enfriamiento Convencional con labio simple 1,3

- Idem anterior con collar de aire 1,5

- Anillo de Enfriamiento con doble labio 1,7

- Idem anterior con collar de aire 2,0

- Anillos de Aire Convencionales superpuestos 2,2

- Enfriamiento Interior de la Burbuja3,8.

Sistema con collar de aire

En la figura 16 se muestra el esquema de un sistema de enfriamiento con collar de aire. Se trata de un sistema simple y de fácil instalación, que consiste en un anillo formado simplemente por dos discos superpuestos, montado sobre un cilindro que cierra en todo el perímetro, como se muestra en la figura. El collar no va conectado al ventilador, el flujo de aire simplemente es inducido por efecto venturi provocado por el flujo de aire del anillo de enfriamiento. Este sistema permite un incremento del 15% de la capacidad de enfriamiento

Sistema de anillo con doble labio

En la figura 17 se presenta el esquema de un anillo de enfriamiento de doble labio. Se trata de un anillo con un cono profundo con dos labios que forman corrientes de aire. El flujo de aire que sale por el labio inferior o interno es de bajo caudal y alta velocidad, que por efecto venturi, o sea de succión, hace que la burbuja apenas sale del cabezal, se asiente o apoye sobre el cono de formado, teniendo una fina capa de aire intermedia. Este fenómeno mejora sustancialmente la transferencia de calor, ya que se produce sobre una capa de aire a alta velocidad.



El flujo de aire que sale por el labio superior o exterior es de alto caudal y baja velocidad; se denomina corriente de aire primaria y envuelve al flujo de aire proveniente del labio inferior y tiene la finalidad de completar el enfriamiento de la burbuja. Como se indica en la figura, este sistema logra un 30% más de eficiencia en el enfriamiento.

Enfriamiento interno de la burbuja

La figura 18 muestra un esquema del sistema de enfriamiento interno de burbuja conocido con las siglas inglesas IBC (Internal Bubble Cooling).

Este sistema requiere un diseño especial del cabezal, ya que debe tener una perforación de tamaño relativamente grande en su centro, para permitir la entrada de aire frío y la extracción del aire caliente. Normalmente, este sistema se usa en combinación con un anillo de enfriamiento de doble labio en el exterior de la burbuja.

Otra ventaja de este sistema es que usa un "canasto" guiador de la burbuja en el exterior que mediante un sistema de sensores, regula automáticamente el diámetro de la burbuja, con lo que se obtiene gran precisión en el ancho plano de la película, eliminando la necesidad de regulaciones periódicas por parte del operador.

Este sistema es particularmente adecuado para altas producciones de película de elevado espesor; se puede mejorar el rendimiento en un 50%.

Tubo de película o burbuja

La película que sale por la abertura anular del cabezal se sopla o infla introduciendo aire a través del torpedo o mandril, formando así un cilindro hueco, denominado comúnmente burbuja. Como se explicó anteriormente, dicho tubo es enfriado exteriormente mediante un anillo de aire que golpea en la parte baja. Ver figura.

El tubo es tomado y tirado por un par de rodillos que lo aplastan manteniendo de esta manera estanco el aire empleado para inflar la burbuja. De acuerdo a la cantidad de aire con que se infle la burbuja, se obtendrá un determinado diámetro de la misma, que a su vez determina el ancho de la película. Una vez logrado el diámetro de burbuja adecuado se suprime el suministro de aire y éste permanecerá constante si no existen pérdidas.

Relación de soplado



El diámetro de la burbuja es generalmente mayor que el diámetro del cabezal. Se denomina relación de soplado al siguiente cociente. Ver figura 19.

Ancho final = 1,57 Diámetro del cabezal x Relación de sopladoEl ancho de la película y su espesor dependerán de:

- Producción de la extrusora (velocidad del tornillo)- Relación de soplado- Velocidad de arrastre o de tiro de la película

Así, por ejemplo, un aumento en la relación de soplado, con velocidad de tornillo y tiraje constantes, nos dará una película de mayor ancho y menor espesor.

La regulación del ancho final de la película se logra variando la Relación de Soplado, o sea, inflando o desinflando la burbuja. Para inflar la burbuja simplemente se debe dejar entrar aire, a través del mandril, mediante la válvula. Para disminuir su diámetro se debe hacer un pequeño agujero en la burbuja para permitir que escape aire. En la tabla 1 se dan las Relaciones de Soplado para obtener distintos anchos finales de película.

(TABLA 1 - RELACIONES DE SOPLADO PARA PELÍCULASDE 10 A 140 CM DE ANCHO FINAL)

Diametro de la matriz32,5 1,2 1,4 1,6 1,8 2,02,2 2,4 2,6 2,730,0 1,1 1,3 1,5 1,7 1,9 2,1 2,3 2,62,8 3,027,5 1,2 1,4 1,6 1,9 2,1 2,3 2,6 2,83,0 3,225,0 1,3 1,5 1,8 2,0 2,3 2,6 2,8 3,13,3 3,622,5 1,1 1,4 1,7 2,0 2,3 2,6 2,8 3,1 3,43,7 4,020,0 1,3 1,6 1,9 2,2 2,6 2,9 3,2 3,5 3,84,1 4,5



17,5 1,1 1,5 1,8 2,2 2,6 2,9 3,3 3,6 4,0 4,44,7 5,115 1,3 1,7 2,1 2,6 3,0 3,4 3,8 4,3 4,7 5,15,512,5 1,5 1,9 2,6 3,1 3,6 4,1 4,6 5,1 5,610 1,3 1,9 2,6 3,2 3,8 4,5 5,1 5,77,5 1,7 2,6 3,4 4,3 5,15,0 1,3 2,6 3,8 5,1

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120130 140

.Ancho final (cm)

Muchas propiedades ópticas y físicas que son fundamentales para una buena calidad de película dependen de la Relación de Soplado. La razón de esto es que el Polietileno es un polímero compuesto por cadenas moleculares muy largas. Durante la extrusión de película las cadenas moleculares tienden a ordenarse en una dirección, o sea a orientarse, como consecuencia del tiro o arrastre que producen los cilindros de presión sobre la burbuja. Se dice que la película está orientada en la dirección de la máquina si la burbuja no está inflada, o sea, si la relación de soplado es igual a uno. Las películas con estas características se romperán fácilmente en la dirección de la máquina.

Sin embargo, cuando la relación de soplado se hace superior a uno, la película se estira en la dirección transversal. Este estiramiento ocurre en la zona entre el cabezal y la línea de enfriamiento y contrarresta el estiramiento en la dirección de la máquina ocasionado por el tiro de los rodillos de presión. Como consecuencia del estiramiento bidireccional, se obtiene una orientación molecular más balanceada en todas las direcciones. Una orientación molecular balanceada a su vez afecta favorablemente las propiedades ópticas y algunas de las propiedades mecánicas de la película; en general se recomienda una relación de soplado entre 2:1 y 3:1. Las principales conclusiones acerca del efecto de la relación de soplado sobre las propiedades de la película son:

1.-Propiedades Opticas: transparencia, brillo y nubosidad, mejoran con mayor relación de soplado.

2.-Propiedades Tensiles: tensión de rotura y elongación se hacen más balanceadas en ambas direcciones a medida que aumenta la relación de soplado.

3.-Resistencia al Impacto: se incrementa a mayores relaciones de soplado.

Tiraje y bobinado

El equipo de tiraje consiste en dos rodillos que ejercen presión sobre la película ya fría y la tiran alejándola del cabezal y del equipo de enfriamiento. Uno de los rodillos es de acero motorizado, mientras que el otro es de metal recubierto con caucho. En ciertos casos el rodillo metálico está refrigerado con agua o aire.

La principal función de estos rodillos es controlar la velocidad de tiraje. Se encuentran ubicados a una altura suficiente como para permitir que la película se enfríe lo suficiente evitando el bloqueo y la formación de arrugas.

La velocidad de estos rodillos es uno de los factores que determina el espesor de la película a una velocidad de producción constante. A mayor velocidad de tiraje, menor espesor y viceversa. La velocidad de tiraje se mide con un tacómetro instalado sobre el rodillo de tiro motorizado.



La última etapa en la producción de película es el bobinado. Cuando la película deja los rodillos de tiro, pasa a través de varios rodillos guías que giran locos, actuando uno de ellos como balancín para mantener una tensión constante. Sobre el último rodillo la película es bobinada sobre un núcleo desechable, generalmente de cartón, que está fuertemente encajado sobre un rodillo de acero.

Par obtener rollos de película uniformes, deberá mantenerse un tiro perfectamente constante y una alimentación correcta. Esto significa que el sistema de tiro y bobinado debe estar montado sobre bases sólidas, libre de vibraciones y ser mantenidos perfectamente alineados.

3- PRODUCCIÓN DE PELÍCULA DE PE ALTA DENSIDAD ALTO PESO MOLECULAR

3.1- Comparación con el PEAD y Convencional desde el punto de vista reológico

La viscosidad del PEAD Alto Peso Molecular es mucho más elevada que la de un PE Convencional. Su viscosidad es comparable a la de un PE Lineal y sus curvas se cruzan a una velocidad de corte de 70 1/seg; es decir, por debajo de este punto es más viscoso el PEAD que el Lineal, mientras que por arriba de 70 1/seg se invierte.

La figura 20 indica la influencia del Peso Molecular vs. la Resistencia al Impacto al Dardo. Como se observa, los materiales de más alto peso molecular, precisamente denominados PEAD de alto PM, son los que tienen mayor resistencia; por esta razón se los recomienda para bajos espesores. Para espesores medios y altos (40 micrones) puede usarse un PEAD de Medio PM, que es más fácilmente extrudable.



Cabe señalar asimismo, que se puede mejorar la extrudabilidad del PEAD Alto PM y cambiar algunas de sus propiedades, mezclando con PE Lineal. Esta mezcla se hace directamente en seco (dry blend), o sea pellet con pellet, y es común adicionar un 5-15% del PE Lineal a PEAD Alto PM; con ello se logra mejor extrudabilidad, mayor estabilidad de burbuja y mayor resistencia a la pinchadura.

3.2- Principales Características del Equipo. Tornillo, Cabezal

3.3- Tornillo

Nuevamente en este caso es necesario usar un diseño de tornillo especial para mantener la potencia consumida y la temperatura del fundido bajo control.

Para la obtención de película con PEAD Alto PM, se usa una gran diversidad de diseños de tornillos con distintos tipos de zonas de mezclado, tal como se observa en la figura. Asimismo, es común en los fabricantes europeos de extrusores, incluir ranuras en los cilindros en la zona de alimentación, para mejorar la capacidad de producción. Cabe señalar que en estos casos, la potencia necesaria del equipo se incrementa notablemente.

En la figura 21 se muestra el diseño de un tornillo típico para PEAD Alto PM usado en USA. Se trata de un tornillo con cinco zonas, que incluye una zona de mezclado Maddock. La diferencia fundamental con un tornillo para PE Convencional es que la profundidad del canal en la zona de dosificación es mayor, así como la luz en las barreras de la zona mezcladora. Este tipo de tornillo está diseñado para cilindros lisos en la zona de alimentación; por lo tanto, no puede instalarse en equipos con camisa ranurada.

3.4- Cabezal

Se usan cabezales con espiral distribuidor. La luz de labios recomendada es de 1,2 mm mínimo a 1,4 mm. La longitud de la zona paralela es de 25 a 35 mm. El cálculo preciso de la combinación óptima entre luz de labios y longitud de la zona paralela, se debe realizar para cada caso en particular y es una función del diámetro del cabezal y la producción en Kg/hr.

3.5- Enfriamiento de la Burbuja

La diferencia fundamental entre el PEAD y el PE Lineal o Convencional es que el primero es más rígido, no se estira y tiene un punto de fusión más alto. Todo esto influye en el sistema de enfriamiento. El punto de fusión alto hace que se pueda llegar a los rodillos de tiro más caliente, sin problemas de bloqueo; por lo tanto, puede usarse una torre más baja.



Fig. 22

La menor elongación del PEAD lo hace más sensible a las arrugas durante el enfriamiento de la burbuja; por esta razón las pantallas de colapsado deben estar lo más bajas posible.

Por otra parte, para obtener un valor de rasgado en DM aceptable, se debe usar una forma de burbuja de cuello alto, como se indica en la figura 23, para dar un tiempo adecuado de relajación del polímero.

Las dimensiones geométricas recomendadas de las burbujas se indican en dicha figura. Para poder adaptar dicha geometría a cada tamaño de cabezal y ancho plano a producir, se debe usar una torre de altura variable.

Para evitar movimientos y/o vibraciones de la burbuja, se recomienda el uso de un diafragma o iris, como se indica en la figura 23; este elemento es de suma utilidad para lograr una buena estabilidad de la burbuja y obtener una película libre de arrugas.

Las figuras muestran la variación de las propiedades mecánicas, Rasgado Elmendorf e Impacto al Dardo en función de la relación de soplado variable de suma importancia en soplado de película de PEAD. Como se observa, hay un punto óptimo a una R.S. de 4/1 a 5,5/1.

RELACION DE SOPLADO vs. ELMENDORF

Espesor Película = 30 µ



La figura 26 indica la influencia de la altura de la línea de enfriamiento, que se logra mediante un cuello alto de la burbuja que, como mínimo, debe ser de 6 veces el diámetro del cabezal.

4- RESISTENCIA A LA RADIACION UV

La radiación solar cubre un espectro que va desde los 300 a 5.000 milimicrones (mµ) de longitud de onda, cuando llega a la superficie de la tierra. La porción visible es de 400 a 700 m µ , las ondas de longitud más larga, mayores de 700 m µ , son invisibles, se denominan infrarrojo y, por su baja energía no causan daño a los polímeros. Las ondas más cortas, entre los 280 y 400 m µ son también invisibles, se denominan ultravioleta (UV) y son de alta energía. Precisamente la energía de la radiación UV es suficiente para romper la unión de los átomos que forman cadenas moleculares y provocar la destrucción o degradación progresiva del polímero. La figura 12 muestra la energía necesaria para romper distintas uniones moleculares que son comunes en materiales plásticos y la energía radiante del sol en sus distintas longitudes de onda. No es sorprendente, desde un punto de vista energético, la sensibilidad de los plásticos a la radiación solar, ya que la energía de radiación es bastante más alta que la energía de unión de las moléculas. La energía radiante recibida en la superficie de la tierra, expresada en watts por metro cuadrado de superficie a lo largo de un año, sufre una marcada influencia de latitud, siendo las zonas más afectadas las tropicales, así como de la altura sobre el nivel del mar; este efecto se debe a que a mayor altura menor es la capa de atmósfera que atraviesa la luz.

Además de la radiación UV, la degradación de un polímero a la intemperie se ve afectada por la temperatura, ya que a la degradación fotoquímica, se suma la degradación térmica. Asimismo, la humedad y el agua (lluvia) influyen en los procesos oxidativos y tienen un efecto extractivo de componentes y/o aditivos del polímero. Además tienen influencia ciertos factores, tales como el smog o atmósferas industriales, etc..

Los estabilizadores de la radiación UV, son compuestos químicos que interfieren con el proceso químico o físico que induce la radiación. En realidad, el negro de humo y algunos pigmentos protegen los plásticos de los efectos de la luz, pero en este caso afectan la transparencia del material.

El PE se puede estabilizar mediante la adición de compuestos tales como: benzofenonas, benzotriazoles, aminas bloqueadas y compuestos organometálicos derivados del níquel, agregados individualmente, en combinación y con el agregado de antioxidantes. La concentración de estabilizadores UV en el polímero, varía de 0,05% a 1%.

Las figuras siguientes muestran la evolución de la degradación de una película de PEBD, con y sin aditivos estabilizantes, expuesta a la intemperie en Ensenada (Pcia. de Buenos Aires).



5- PERMEABILIDAD A LOS GASES.

5.1- Permeabilidad comparativa entre el PE Lineal, PE Convencional, EVA, PEAD

Las figuras 1, 2 y 3 muestran la permeabilidad al vapor de agua, CO2, y O2 del PE Convencional (Polisur 08-2010/1), PE Lineal (Polisur 6010/1), PE Alta Densidad Alto PM (Polisur 7997/1) y Copolímero EVA con 4,5% de Acetato de Vinilo producido por IPAKO S.A.



Las películas fueron obtenidas en condiciones normales de producción para cada caso y los ensayos de permeabilidad fueron realizados por el INTI-CITIP a temperatura ambiente.

Como se observa, la mínima permeabilidad corresponde al PEAD en todos los casos (vapor de H2O, O2 y CO2), confirmando que a mayor densidad del PE, menor permeabilidad.

Comparando el PE Convencional con el PE Lineal, se observa que existe ligera mayor permeabilidad al vapor de agua por parte del PE Lineal, comparándolo con el PE Convencional en toda la gama de espesores. Con respecto al CO2 y O2, ambos tipos de PE tienen prácticamente igual permeabilidad.

Con referencia al Copolímero EVA, es el más permeable en todos los casos (Vapor de H2O, CO2 y O2), lo que indica que este material es el más adecuado cuando el producto envasado necesita intercambio gaseoso en lugar de barrera.



6- ESCR

La figura 10 muestra la variación de la Resistencia al Resquebrajamiento en Medio Agresivo (ESCR) del PE de baja densidad. Se observa que hay una fuerte caída de la resistencia cuando aumenta el Indice de Fluencia.

La figura 11 muestra el ESCR del PE de Alta Densidad, donde se observa la influencia de la densidad, el Indice de Fluencia y la Distribución del Peso Molecular. Se concluye que dentro de los PE de Alta Densidad (0,940 a 0,965 gr/cm3) la máxima resistencia al ESCR se logra dentro del rango de las densidades bajas (0,940 a 0,950 gr/cm3) y con Indices de Fluencia bajos.



7- TRATAMIENTO ELECTRONICO DE FILMES DE POLIETILENO

En esencia, este método consiste en exponer el film o película de polietileno a la acción de una corriente eléctrica de alta frecuencia y alto voltaje. Para ello, se hace pasar el filme entre el rodillo de tratamiento y un electrodo que va conectado al generador de corriente.

Por efecto del gran potencial aplicado entre el electrodo y el rodillo, se ioniza el aire, haciéndose conductor (efecto corona) y se origina una descarga que incide sobre la superficie del filme, alterándola.*

Ir al capitulo sistemas de impresión Tema tratamiento Corona

En general, esta alteración se produce fundamentalmente en tres formas, que son: oxidación, insaturación y formación de enlaces cruzados.

Las dos primeras, oxidación e insaturación, traen consigo un aumento de la polaridad superficial del filme, que es indispensable para facilitar la posterior adhesión con tintas u otros substratos. Al contrario, a la formación de enlaces cruzados se atribuye la degradación de la soldadura por calor, que se encuentra en ocasiones en polietilenos excesivamente tratados.

La preponderancia de uno u otro de los efectos anteriormente señalados, así como la influencia en el tratamiento de diversas variables, tanto del material como de las condiciones de trabajo, se describen más adelante.


polietileno

Documents