Extrusion De PelíCulas Orientadas

Extrusión de películas orientadas

Preparado por

Héctor Touzet MarínHéctor Touzet Marín

2009

ContenidoContenido

• IntroducciónIntroducción

• Desarrollo de películas orientadas y su importancia comercialimportancia comercial

• Teoría del proceso de orientación

IntroducciónIntroducción

• La fabricación de películas orientadas se inicia conLa fabricación de películas orientadas se inicia con la extrusión de una película con un cabezal ranurado o circular Esta película es luegoranurado o circular. Esta película es luego orientada por estiramiento.

• A continuación describiremos el desarrollo del• A continuación describiremos el desarrollo del proceso y explicaremos los detalles del proceso y equipamiento con referencia a la morfología de losequipamiento con referencia a la morfología de los materiales usados.

Desarrollo de las películas orientadas ly su importancia comercial

• Ya en los 30’s, se utilizaba el aumento de resistencia a e os 30 s, se ut aba e au e to de es ste c apor orientación para producir fibras textiles.

• En esa época, ya se estaban produciendo en p y pAlemania, películas biorientadas de resinas amorfas como PS y PVC. Se entendió que era posible mejorar l i d d fí i t l i t ilas propiedades físicas tales como resistencia, estiramiento, encogimiento, modulo de elasticidad, resistencia a desgarre / rotura, rigidez y transparenciaresistencia a desgarre / rotura, rigidez y transparencia mediante la orientación de la película y utilizar estas mejores propiedades en muchas aplicaciones.


• El proceso fue adicionalmente mejorado en los 50’s p jpara fabricar películas de resinas semicristalinas como PA y PET y aumento su importancia cuando se desarrollo el PEBD en 1955 y el PP isotáctico en 1957desarrollo el PEBD en 1955 y el PP isotáctico en 1957. La utilización industrial del proceso en gran escala comenzó después de 1960 cuando el celofán fue

l d l PP l t t d l l lreemplazado por el PP y el acetato de celulosa por el PET. Para estirar longitudinalmente la película se uso estiramiento por rodillos y para el estiramiento p y ptransversal se uso un marco de mordazas (tenterframe), sistemas muy comunes en la industria textil.


• Para hacer mas eficiente el proceso, actualmente se usa el concepto de optimización de los procesos individuales, en el cual cada uno de los pasos, si es posible, se lleva a cabo en un elemento de línea dedicado. Esto aumenta el numero de factores controlables independientemente, el proceso total en si, es mas controlable. Este concepto demanda un extremadamente alto estándar de diseño y un gran numero y gde unidades conectadas en serie para formar una línea completa.

• Para tener una alta eficiencia estas líneas están diseñadasPara tener una alta eficiencia, estas líneas están diseñadas para altas producciones que fluctúan entre 1000 a 5000 kg/hora.

Teoría del proceso de orientaciónTeoría del proceso de orientación

• IntroducciónIntroducción

• Procesos de fabricación

í d d ió• Líneas de producción

• Cabezales de extrusión y unidades de enfriamiento para la producción– Control de temperatura

• Unidades de estiramiento

IntroducciónIntroducción

• La estructura molecular y la “textura” de la resina amorfa o termoplástica determinan la forma en las cual las propiedades físicas pueden influenciarse o alterarse por medio de un tratamiento termo mecánico a temperaturas por debajo del

t d f ió E d ti i t lpunto de fusión. En un proceso de estiramiento, las macromoléculas reciben una orientación determinada por la dirección del estiramiento; esta orientación, gracias a una mejor utilización de las fuerzas aumenta la resistencia y el moduloutilización de las fuerzas aumenta la resistencia y el modulo elástico, reduce el estiramiento a rotura ; también mejora las propiedades de bloqueo. Esta perfectamente claro que la calidad final del producto y la eficiencia del proceso dependefinal del producto y la eficiencia del proceso depende absolutamente de las propiedades del material usado y su tratamiento durante el fundido, homogenización y moldeo.

Estructura microscópica de un PP parcialmente cristalinoLado izquierdo: diagramas esquemáticosLado derecho: microfotografías

Micro

rajadura

Nivel de rotura

Lado derecho: microfotografíasArriba: lamela doblada como elemento básico de una estructura cristalinaCentro: crecimiento de lamelas dobladas en una superestructura esferulíticaAbajo: esferulitas creciendo juntas desde

Nivel de doblez

Di ió dj j

el fundido.Dirección de crecimiento

Dirección de estiramiento

Comportamiento de deformación de polímeros parcialmente cristalinos durante el estiramientoLado izquierdo: comportamiento de deformación después de Ilev y KellerLado izquierdo: comportamiento de deformación después de Ilev y KellerLado derecho: corte ultra fino de PE orientado – contraste por el método Kanig (estiramiento vertical)

Películas biaxialmente orientadasPET, p. 261

Películas biaxialmente orientadas

Campo de aplicación Materiales Espesor (estirado),

µ

Propiedades

Embalaje PP, PET, PA6 10-40 Transparencia, sellabilidad, maquinabilidad, j

Dibujo Fotografía

Grabación sonido

, ,

PEADPETPET

20-100100-300

4-8

p , , q ,imprimible

Homogeneidad, planitudTransparencia, pureza, precisión de perfil

Homogeneidad, resistenciaGrabación sonidoAislamiento eléctrico

Película de condensador

PETPET, PP, PS

PET, PP, PS, PC

4-83-2002-10

g ,Homogeneidad, pureza, precisión de perfilHomogeneidad, pureza, precisión de perfil

Películas mono orientadas( d d )(encogimiento reducido)

Campo de aplicación Materiales Espesor (estirado)

µ

Propiedades

Ci t dh i PP PEAD PVC 35 200 R i t i l t ió dh ióCintas adhesivasAislamiento eléctrico

Rafia

PP, PEAD, PVCPC

PEAD

35-2002-5025-30

Resistencia a la tensión, adhesiónHomogeneidad, pureza, precisión de perfil

Resistencia a la tensión, tenacidad

Películas mono orientadasPelículas mono orientadas

Campo de aplicación Materiales Espesor (estirado) µ

Propiedades

Cintas de embalaje PP, PET, PA 200-800 Resistencia a la tensión, estabilidad de forma,

Cintas de tela de sacosCintas para tela de

alfombra

PEAD, PPPP, PET

25-3535-50

precisión de perfil, alargamientoTenacidad, adhesión

Tenacidad, bajo encogimiento

Cintas para cuerdasCintas para fibras

PP, PETPP

50-8025-35

Tenacidad, alargamientoTendencia la separación, tenacidad

Propiedades Unidad PP no orientado

PP PA Biaxialmenteorientado Simultaneo

PET Biaxialmenteorientado Simultaneo

PS Biaxialmenteorientado Simultaneo

Mono orientado

Biaxialmente orientado 2

Biaxialmenteorientado

etapas Simultaneo

Espesor um 25 25 25 ‐ 40 25 25 25 25

Relación de estiramiento

‐ 1:5.5 1:10 ‐ 1:10 1:10 1:8 1:6.5 1:10

Resistencia tensión DMDT

N/mm2N/mm2

5040

25040

140 ‐ 130270 ‐ 250

200200

300300

200220

7070

Estiramiento a roturaroturaDMDT

%%

430540

10700

140 ‐ 14340 ‐ 43

8080

7070

130110

1010

Resistencia a desgarre

DMDT

NN

7.612

0.25 ‐ 0.400 45 0 70DT N 12 0.45 ‐ 0.70

Resistencia a punción

N 23 200 ‐ 360

Modulo elasticidad

DM N/mm2 500 2500 2500 2500 3000 4300DMDT

N/mm2N/mm2

500900

2500 2500 ‐ 25004000 ‐ 4000

30003000

43004300

PermeabilidadO2

23 ºC, 75 % HR cm3/(m2.dia.bar)

2500 1000 ‐ 750 800

Permeabilidad vapor de agua23 ºC, 85 % HR g/(m2.dia) 2.5 1.5 ‐ 0.9 0.8

Resistencia baja temperatura

ºC 0 ‐50 ‐ ‐50 ‐50

Propiedades de tensión de películas orientadas sopladas y planas

Propiedad Dirección PP BO Soplado PPBO plano

Resistencia a la tensión, MPa DM 186 ‐ 207 124 – 165

DT 186 ‐ 207 207 – 241

Alargamiento % DM 70 ‐ 90 110 – 150Alargamiento, % DM 70 90 110 150

DT 70 ‐ 90 30 – 60

Modulo secante 1 %, MPa DM 2415 1725 ‐ 2415

DT 2415 2760 – 4140

Fuente: The Wiley Encyclopedia of Packaging Technology, p. 419

Propiedades de películas de PPBOPropiedades de películas de PPBO

Propiedad PPBO soplado PPBO plano PPBO modificado con deslizante

Densidad, g/dm3Rendimiento, m2/kg

0.90543.5

0.90543.5

0.90543.5

Opacidad, %Transmisión Luz, %

Resistencia Desgarre, N/mmRango termosellado, ºC

Temperatura Termosellado ºC

2.0

1.5-2.3

2.0

1.5-2.3

2.0

1.5-2.3

Temperatura Termosellado CBarrera O2, cm3.25 um/m2.diaBarrera H2O, g.25 um/m2.dia

CdF, 23 ºC, 50 HRcara-cara

1500-23004

0.4

1500-23005

0.4

1500-23005

0.2-0.4Espalda-espalda 0.2-0.4

Propiedades de películas de PPBOPropiedades de películas de PPBO

Propiedad Acrílico (1) Pvdc (1) PVOH (1) Sellado Baja Temperatura

Coextruído Blanco opaco

Metalizado

Densidad, g/dm3Rendimiento, m2/kg

0.9143.3 38.7 42.5

0.9143.3

0.9143.3 60.6

0.90543.5

Opacidad, %Transmisión Luz, %

Resistencia Desgarre, N/mmRango termosellado, ºC

Temperatura Termosellado ºC

1.1

1.5-2.339

110-150

1.5

1.5-2.328

121-150

1.0 1.5

1.5-2.3

74-150

2.0

1.5-2.322-61

88-150

15-60 0.5-2.5

Temperatura Termosellado CBarrera O2, cm3.25 um/m2.diaBarrera H2O, g.25 um/m2.dia

CdF, 23 ºC, 50 HRcara-cara

110 1501500-2300

5

0.25

121 15010-45

5

0.2-0.4

0.35

74 150

0.23

88 1502000-2700

5.5

0.2-0.4

1500-23005-9

0.45-1500.45-5

Espalda-espalda 0.25 0.2-0.4 0.2-0.4

(1) Recubrimiento que modifica las propiedades de la película

Extrusión de películas orientadasExtrusión de películas orientadas

• Extrusora • Estiramiento transversalExtrusora

• Cambia Filtro

• Cabezal plano

Estiramiento transversal• Termofijado• Control de espesorCabezal plano

• Rodillo de enfriamiento

• Arrastre de película o

p• Tratamiento corona• Refilado y reciclamiento • Arrastre de película o

lámina

• Estiramiento longitudinal

yal extrusor

• RebobinadoraEstiramiento longitudinal

PET 1987, pag. 257

a. Precalentamientob Extrusión

f. Estiramiento transversalg. Termofijado

Temperaturas usadas en la producción de PPBO (orientación secuencial)

b. Extrusiónc. Enfriamientod. Estiramiento longitudinale. calentamiento

g. Termofijadoh. Enfriamientoi. Rebobinado

PET, p. 265

Etapa de proceso Designación Datos técnicos

Extrusión Monotornillo Producción < 4500 kg/hExtrusión

Coextrusión

Dosificación

Monotornillo

Extrusor paralelo y adaptador laminar

Bomba de engranajes

Producción 4500 kg/h

Vpu < 2500 cm3/rev

ΔP < 0.3 bar

ΔT < 0.2 ºCExtrusor en cascada

ΔT < 0.2 C


Filtración Filtro de larga vida

Fil d d bl á

Área de filtración: 0.1 a 46.5 cm2Filtro de doble cámara

Filtro de cascada

cm2

Ancho de malla: 10 a 20 µ

ΔP = 20 a 100 bar

Vida de servicio de 1 a 3Vida de servicio de 1 a 3 semanas

Etapa de proceso Definición Datos tecnicos

Colada E f i i t

Cabezal, rodillo frio, medidor de aireC b l d l d ill d

Ancho de 450 a 1150 mmDiá t d dill 500Enfriamiento Cabezal de soplado, anillo de

enfriamiento, baño de aguaDiámetro de rodillo, 500 a 2500 mmVelocidad de arrastre hasta 100 m/min/Hasta 3 mm de espesor


TemperaturaAcondicionamiento

Rodillos calentados con aceiteHornos de aire caliente

T: 180 a 220 ºCΔT ≤ 1 ºCAcondicionamiento Hornos de aire caliente

Radiadores térmicosΔT ≤ 1 ºC


Estiramiento Líneas biaxiales(Secuencial o simultanea)

Relación estiramiento:Longitudinal 1:3 a 1:6(Secuencial o simultanea)

Líneas mono axialesLongitudinal 1:3 a 1:6Transversal 1:3 a 1:10V2 > V1 = 100 a 400 m/min


Rebobinado CentralAutomático de torreta

Diámetro hasta 600 mmAncho hasta 4000 mmAutomático de torreta

Multipropósito Ancho hasta 4000 mm


Recuperación de desperdicios Molino de corteCiclones

Aditivos hasta 50 %CiclonesDosificación de desperdicios

Capacidad de extrusoresCapacidad de extrusores

Diámetro de tornillo, mm Rangos de producción

PP, kg/h PET, kg/h

90 220 ‐ 250 200 – 300

120 300 ‐ 350 350 – 450120 300 350 350 450

150 450 ‐ 500 750 – 1000

200 700 ‐ 850 1500 – 1800 (*)

225 1000 ‐ 1200 2000 – 2300 (*)

250 1300 ‐ 1500 2400 – 2800 (*)

300 1700 ‐ 2000 3400 – 4000 (*)

(*) Extrusor en cascada

Mezclador de fundido tipo 3DD (tope) e ilustración simplificada del paso de flujo en las ranuras (abajo)flujo en las ranuras (abajo)1 a 10 líneas de flujo

Extrusión de doble tornilloExtrusión de doble tornilloDetalles técnicos – Amplio espectro de resinas

Corto tiempo de residencia del fundido en la unidad de plastificación mejor calidad de fundido.Auto limpieza de los elementos del tornillo debido al

t l dentrelazado.Desgasificado de materiales higroscópicos no se necesita secador.Diseño compacto de maquina se requiere menos espaciopCilindro y tornillo en material especial y diseño modular

alta flexibilidad, larga vidaMotor CA con enfriamiento por agua menor carga térmica en el ambiente, bajo nivel de ruido, casi sin mantenimientomantenimiento

Coextrusión de 5 capas con doble tornillo

Extrusión de película multicapaExtrusión de película multicapa

A Coextrusor

B ExtrusorB Extrusor

C Coextrusor

D Coextrusor

B1 Doble tornillo

B2 Mono tornillo

A, C, D Coextrusores

Sistema de extrusión de doble tornillo con alimentación directa de resina en polvo

Tornillo alimentación polvos

Unidad de enfriamiento

Bomba de fundido

FiltroFiltro

Cabezal

E t

Filtros

Rodillos

ODMPelícula colada

Extrusores satélites

Extrusión principal

Arreglo de filtros de alta capacidad en unidades de extrusión para producción de películas orientadasA) Película de PET orientadaB) Película fina de PETC) Película de PP orientadaD) Película multicapa orientada

a) Extrusor de fundidob) Extrusor con alimentación de fundidoc) Filtro continuod) Filtro larga vida) B b d je) Bomba de engranajes

f) Adaptador multicapa

Sección transversal de un cabezal plano ranurado

En el caso de una película plana, el fundido es extruido como película sobre un rodillo frio y solidificado. Con este fin, se usa un cabezal plano que lleva cartuchos de calentamiento y que tiene un labio flexible deformable Ver figuralabio flexible deformable. Ver figura.El rango de espesor es 15 – 500 um. Se puede obtener mayores espesores con aberturas de cabezal mayores.Se puede producir películas coextruídas con cabezales multicanal o por el sistema de adaptador (caja de alimentación). En el caso de

lti l l t f did i di id l támulticanal, los componentes fundidos individuales están como películas formadas en el cabezal y se juntan justo cuando llegan a la abertura del cabezal.El sistema de adaptador se prefiere para producción de películas multicapa.p

Rodillo de enfriamiento

a) Cabezal ranuradob) Cuchilla de airec) Rodillo de coladad) Rodillo de arrastred) Rodillo de arrastre

Formación de la película

Soplado de aireCabezal

Banda metálica

Campo electrostático

Rodillo frio

Sistema ajustable de sujeción de bordes con soplado de aire

E ll d d b dC b l Enrollado de banda

Comando de tensión de banda

Cabezal

Bordes de bobina

Película en bobinaSistema de en bobina

soplado de aire

Enrollado de bandaRodillo frio

Cuchilla de aire

Cabezal Rodillo de enfriamiento

i d dcon rociadores de agua

Tina de agua con rociadores de agua

Carro de remoción de cabezal

C hill d iCuchilla de aire

Colada de la película

Cámara de distribución de agua

Rodillo de enfriamiento

Baño de agua mejorado

Secado de la película

Control de espesor con rayos X

Estiramiento en DM

Rodillo para ODM

Hector Touzet:

DMT, 10.2001

Rodillo ODM con calentamiento directo a gas: alta eficiencia, bajo mantenimiento; costo eficiente

Proceso de estiramiento secuencialProceso de estiramiento secuencial

Película original Después de estiramiento longitudinal

Después de estiramiento longitudinal y transversalg longitudinal y transversal

Película original Después de estiramiento i lt

Cambio de forma durante el estiramientoRl: relación de estiramiento longitudinalR l ió d ti i t t lsimultaneo Rt: relación de estiramiento transversal

Película plana orientada. L i t ió DM h j l d l lí l t é d dill t ti dLa orientación en DM se hace jalando la película a través de rodillos rotativos de velocidad creciente. La orientación en DT se hace en una armazón tenter, la cual estira la película en la DT.

Estiramiento en DTEstiramiento en DT

Línea para la producción de película de PPBO con una producción de 3,500 kg/horaa unidad de extrusión; b rodillo de enfriamiento; c estiramiento longitudinal; d estiramiento transversal; e unidad de arrastre con sistema de medición de espesor; g sistema de rebobinado; reciclado automático de refiles.

Unidad de estiramiento biaxial simultaneo

Comparación del estiramiento secuencial (A) y el estiramiento simultaneo (B)a producción de la película con compresión del fundido, filtración, colada y enfriamiento; b calentamiento de la película a temperatura de estiramiento; c estiramiento longitudinal; d estiramiento transversal; e estabilización dimensional por calentamiento de la película; g p pf procesamiento, rebobinado, distribución

Unidad de estiramiento transversal de películas

Mordazas para estiramiento de películaMordazas para estiramiento de película

Principio de estiramiento transversal de película planaA mordaza; b ancho usable c hojaA mordaza; b ancho usable, c hoja

Ventana de proceso para PPBOVentana de proceso para PPBOComparación de Secuencial con Simultaneo

ºC

estir

amie

nto

SecuencialDT

mpe

ratu

ra d

e e

SimultaneoDM X DT

Te

Secuencial DM

R l ió d ti i tRelación de estiramiento

Recubrimiento en líneaRecubrimiento en línea

Unidad de arrastre de películaUnidad de arrastre de película

Rebobinadora

Película orientada de doble burbujaPelícula orientada de doble burbuja

W&HW&H

Técnicas de orientación

P lí l ibl á dProceso Doble-Burbuja

Película encogible estándarCalentamiento

Extrusióny orientación

Formado Enfriamiento película i dFormado

de tubo primario

orientada

Rebobinado

Proceso de estiramiento de película soplada

a. Extrusiónb. Baño de aguac Precalentamientoc. Precalentamientod. Rodillos de presión 1e. Sistema de precalentamientof. Sistema de estiramientog Armazón de colapsamientog. Armazón de colapsamientoh. Rodillos de presión 2i. Termofijadoj. Rebobinado

PET, p. 280

Línea de fabricación de película biaxialmente orientada por el proceso multiespacio para estiramiento deLínea de fabricación de película biaxialmente orientada por el proceso multiespacio para estiramiento de angostamiento reducidoA extrusor; b cabezal anular de soplado; c armazón de colapsamiento; d unidad de angostamiento reducido; e rebobinado

Sistema de doble burbuja

A li i d PETBOAplicaciones de PETBOPropósito General

Transparente para empaqueLaminación

EspecialidadesEspecialidadesPelículas ultra delgadasPelículas gruesas para aplicaciones ópticasPelículas tensionadasPelículas coextruídasPelículas blancas para graficasPapeles sintéticosTapas flexibles sellablesTapas flexibles sellables

A li i d PPBOAplicaciones de PPBOPropósito generalTransparentesTransparentesPelículas sellables de 3 capas

EspecialidadespEtiquetas: envolventes, autoadhesivas, encogibles, en moldePelículas de alta resistenciaPelículas de alta barreraPelículas de alta barreraPelículas termoencogiblesPelículas de bajo punto de iniciación de selladoPapel sintéticoTapas flexibles sellablesPelículas recubiertas

Película de bajo punto de iniciación de sellado

Laminaciones estándar con película PETBOEstructuraTrilaminado para café, te, maní, cosméticos

C féCafé PET/ALU/PE, 12/8/60 um

Bolsa de caféPPBO/impresión/PET met/PE, 30/12/60 um

ManíPET/ALU/PE 12/8/60 umPET/ALU/PE, 12/8/60 um

Sachets de cosméticosPET/ALU/PE, 12/8/40 um

Película PET para tapa de yogurtReemplazo de folio de aluminioYogurt, margarinaComida rápida (sopas y pastas)Comida rápida (sopas y pastas)Bebidas (agua mineral, jugos)Alta resistencia a la punciónPosibilidad de uso de detectores de metalT d l lTapa que no se desgarra como el alu

Laca Impresióntransparente

Impresión

Fondeado blanco (opcional)

ImprimanteLaca termosellable a PS, PP

Tendencias para películas PET i t d i ltá torientadas simultáneamente

Películas ultra delgadas para capacitoresEspesor menor a 0 5 umEspesor menor a 0.5 umAlta rigidezBuen maquinado

Películas tensionadas para aplicaciones técnicasRango de espesor de 4 a 12 umModulo ultra altoBuen maquinadoBuen maquinado

Películas gruesas para aplicaciones ópticasEspesor hasta 250 umE l t i d d ó tiExcelentes propiedades ópticasValores muy bajos de encogimientoPropiedades mecánicas isotrópicasBajo nivel de ondulaciónj

Película de Poliamida Biorientada

Aplicaciones de EmpaqueAplicaciones de Empaque

Comidas congeladas, comidas preparadas

Vegetales marinados

Bolsas de comida esterilizada

Productos hospitalariosMedicinas y partes de maquinas

Empaque de productos acuáticos y destilados

Películas de OPSPelículas de OPS

Películas especiales de PPBOTi d lí l V t j Requerimientos deTipo de película Ventajas Requerimientos de

equipo

Sobre envoltura encogible Paquetes ajustados a alta velocidad de

empacado

Flexibilidad en patrones de encogimiento en DM

empacado

Encogimiento: 16 % en DMEncogimiento: 16 % en DMVelocidad: 800 p/minEncogimiento: solo en mordazas de selladoNo se necesita túnel de encogimientoPropiedades de sellado rápidoInternamente; Baja TIS y alto CdFExcelente ópticaEmpaque ajustadoEmpaque ajustado

Película transparente multicapaTipo de película Ventaja Requerimientos de equipo

Película multicapa Mayor vida de anaquel Proceso de estiramiento de ptransparente de barrera

y quna sola etapa

PP COPO 0.7 um

PP HOMO 8.5 um

CAPA ADHESIVA 0.4 um

EVOH 1.3 um

CAPA ADHESIVA 0.4 um

PP HOMO 8.5 um

PP COPO 0.7 um

TOTAL 20.5 umBarrera O2: 2.08 cm3/m2, dia, bar23 ºC, 75 % HR

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