extrusion de películas orientadas
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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.
Desarrollo de las películas orientadas ly su importancia comercial
• 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.
Desarrollo de las películas orientadas ly su importancia comercial
• 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
Etapa de proceso Designación Datos técnicos
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
Etapa de proceso Designación Datos técnicos
TemperaturaAcondicionamiento
Rodillos calentados con aceiteHornos de aire caliente
T: 180 a 220 ºCΔT ≤ 1 ºCAcondicionamiento Hornos de aire caliente
Radiadores térmicosΔT ≤ 1 ºC
Etapa de proceso Designación Datos técnicos
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
Etapa de proceso Designación Datos técnicos
Rebobinado CentralAutomático de torreta
Diámetro hasta 600 mmAncho hasta 4000 mmAutomático de torreta
Multipropósito Ancho hasta 4000 mm
Etapa de proceso Designación Datos técnicos
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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