¿Cómo seleccionar el número de capas en una película co-extruida?

Aun cuando la tecnologí­a de co-extrusión y el diseño de estructuras multicapas han avanzado tanto, muchos productores y usuarios de pelí­culas multicapas se plantean la pregunta de cuántas, o más en especí­fico, cuáles capas realmente se requieren. En principio la respuesta parece sencilla: depende de la aplicación y de la funcionalidad que se necesite.

Sin embargo, en la práctica la respuesta es mucho más compleja. Cada resina aporta propiedades y funcionalidades únicas a la pelí­cula. En algunos casos, pueden mezclarse dos o tres resinas diferentes resultando en una combinación que reúne las propiedades de todos los materiales utilizados. Pero en la mayorí­a de los casos la mezcla de resinas es prácticamente imposible, debido a las diferencias en sus composiciones quí­micas y morfológicas que las hacen incompatibles. Y entonces, ¿cómo se combinan las propiedades de diferentes materiales? La respuesta invariablemente es: con la co-extrusión de múltiples capas.

Pareciera que hemos simplificado el problema, pero en realidad ahora debemos incrementar la complejidad. ¿Qué pasa en la interfase entre las capas? Si las capas adyacentes no son compatibles o miscibles en el fundido, no pueden combinarse los materiales. Sencillamente tendrí­amos una pelí­culas cuyas capas se delaminarí­an por  falta de adhesión interfacial. Aquí­ es donde debemos considerar el uso de resinas adhesivas.

Desde el punto de vista del diseño de estructuras o pelí­culas, las resinas adhesivas a base de polietilenos, con cierta concentración de injertos polares, han permitido la producción de pelí­culas multicapas, donde cada resina contribuye con una función importante en el desempeño de la pelí­cula en el producto final.

La próxima pregunta que nos debemos hacer es: ¿puede el material proporcionar la funcionalidad en el ambiente en el que debe desempeñarse? Esta consideración es importante en el caso de la producción de pelí­culas de barrera al oxí­geno, lo que comúnmente se requiere en el envasado de alimentos. Las resinas de alcoholes de polivinilos, conocidas como EVOH, son el ejemplo más claro de un material que aporta barrera al oxí­geno. Esta funcionalidad se ve comprometida en presencia de vapores de agua, por lo cual las capas adyacentes al EVOH deben proporcionar barrera al vapor de agua para que el EVOH pueda actuar de manera efectiva e impedir la transmisión de oxí­geno.

Ahora que tenemos un preámbulo más claro, reformulemos la pregunta de una manera más especí­fica. Por ejemplo, ¿para qué aplicación se usará esta pelí­cula? ¿Qué propiedades o funcionalidades se requieren? ¿Cuántos materiales se necesitan para alcanzar la funcionalidad requerida? Y, ¿son compatibles todos los materiales o se requerirán capas adhesivas? Como verán, hemos llevado una pregunta general a una serie de preguntas especí­ficas que nos proporcionan una guí­a útil para el diseño de estructuras o pelí­culas, bien sean sencillas o complejas.

¿Qué aplicaciones requieren pelí­culas monocapa?

Las principales aplicaciones en monocapa son las bolsas de supermercado, las bolsas o fundas para basura, pelí­culas termo-contraí­bles y otras aplicaciones donde la pelí­cula proporciona aislamiento eléctrico, o la separación de dos medios sin posibilidad de migración.

Por ejemplo, las bolsas para basura requieren buena resistencia a la punción, al desgarre y un sellado uniforme y cohesivo para que cumplan su función. Las resinas comunes de polietileno pueden aportar todas estas propiedades, y en algunos casos, una mezcla de dos o tres resinas de polietileno diferentes puede proporcionar un balance de propiedades superior, si así­ se requiere.

El ejemplo de las bolsas para basura nos puede guiar a otra consideración: ¿qué otras propiedades requerirí­a la misma bolsa si fuese utilizada para desechos lí­quidos? Entonces es claro que el sellado tiene que ser perfecto para evitar fugas de lí­quidos. Esto representa un nuevo planteamiento y en esta oportunidad es de í­ndole financiero.

Hay varias opciones: se hace una mezcla con un material que proporcione buen sellado o se co-extruyen tres capas donde la capa interna proporcione el sellado. Con la segunda opción, la capa interna puede ser delgada, representando no más del 20% de la estructura. El resto de la estructura se compone de dos capas del polietileno original, resultando así­ en una pelí­cula menos costosa y con mejor desempeño en la aplicación final.

Y el proceso de formulación del problema continúa. Miremos la misma estructura con una capa de resina de alto sello y dos capas de polietileno. Ahora, las dos capas de polietileno se pueden reformular de la siguiente manera: una capa interna de polietileno convencional (o de bajo desempeño) y una capa externa de un polietileno de metaloceno, que proporciona mejores propiedades mecánicas. En este caso, el efecto resultante es poder reducir el calibre o grosor de la pelí­cula sin sacrificar el desempeño en el uso final. Estos dos pasos contribuyen a la producción de una pelí­cula más delgada, con mejor desempeño y menos costosa.

En resumen, hemos convertido una pelí­cula monocapa en una tri-capa considerando los requerimientos para su uso final, al igual que minimizando los costos de producción al seleccionar resinas diferentes para cada capa. Este proceso es similar al que debemos seguir para el diseño de pelí­culas multicapa.

¿Cuándo se requieren estructuras de cinco capas?

Esta es una pregunta bastante común. Las estructuras de cinco capas pueden proporcionar buenos niveles de barrera al oxí­geno, gracias a la incorporación de materiales como el EVOH y en algunos casos poliamidas. Cabe recalcar que en estos casos el EVOH, al no ser compatible con el polietileno (que se utiliza en las capas interna y externa), requiere de una resina adhesiva para funcionar en la pelí­cula. En este caso se utilizan cinco capas. Estas pelí­culas de cinco capas comúnmente se usan en procesos de laminación.

En otros casos, se utilizan cinco capas para alcanzar mejoras en desempeño al igual que una reducción de costos. La aplicación del envasado termo-contraí­ble a contracolado es un ejemplo de esto. El cambio de tres a cinco capas de diferentes polietilenos reporta mejoras en las propiedades de la pelí­cula en el uso final, incluyendo mayor rigidez, mayor resistencia al desgarre y mejor brillo. La incorporación de más capas sencillamente permite más flexibilidad en el diseño de estructuras, al igual que una reducción del costo total de la pelí­cula.

Si con cinco capas se pueden producir pelí­culas con buenas caracterí­sticas de sellado, rigidez, barrera y brillo, entonces surge la pregunta: ¿por qué se requieren siete capas? Nuevamente, la respuesta radica en la aplicación final. Siete capas permiten la incorporación de más capas de poliamida, que proporcionarán a la pelí­cula mayor rigidez, un estiramiento más profundo y uniforme en el termoformado y una alta barrera al oxí­geno.

Como vemos en la tabla de ejemplo, se pueden producir estructuras o pelí­culas simétricas con dos capas de poliamida, o pelí­culas asimétricas con tres capas de poliamida, donde una de ellas está colocada en la capa más externa. La adición de esta tercera capa resulta en una pelí­cula más rí­gida, más formable y con mejor calidad de impresión. Sin embargo, debido a diferencias en el enfriamiento y cristalización de cada capa, las pelí­culas asimétricas son susceptibles a la aparición de rizado (“curling”), un fenómeno muy común en la industria.

Las pelí­culas de alta barrera al oxí­geno con siete capas comúnmente se utilizan en el empaque de carnes, quesos, algunos embutidos y otros artí­culos que requieran ser preservados en el mostrador por largos perí­odos de tiempo. Las bandejas flexibles termoformadas (“bottom web”) y las pelí­culas de tapa (“lidding”) son productos tí­picos. Igualmente, estas pelí­culas de alta barrera encuentran destinos en el empaque de alimentos para la industria de servicio.

El rizado o “curling” puede ser un factor limitante en la velocidad de producción de lí­neas de envasado y, al mismo tiempo, puede presentar riesgos en la integridad del envase. La introducción de dos capas, una capa adicional de polietileno y, en consecuencia, una capa adicional de resina adhesiva, ayuda a controlar de una manera efectiva el rizado en pelí­culas asimétricas. Esta nueva estructura de nueve capas presenta un enfriamiento más uniforme resultando en una pelí­cula con mayor estabilidad dimensional y más libre de tensiones internas.

En estos ejemplos hemos pasado de una pelí­cula monocapa a una de nueve, ya que hemos analizado los requerimientos de la aplicación, la funcionalidad de cada capa, la compatibilidad entre cada capa, las consecuencias de la simetrí­a de la pelí­cula, y los factores económicos asociados con la flexibilidad de diseño que otorga un número mayor de capas.

Es importante considerar que los equipos de extrusión deben proporcionarle al transformador la flexibilidad de producción requerida para múltiples aplicaciones. Una lí­nea nueve capas deberí­a permitir una amplitud de proceso para la manufactura de pelí­culas de siete, cinco, tres, o una resina sin limitarse a una sola estructura. El productor de pelí­cula puede utilizar este proceso de formulación para definir el rango de estructuras que requiera producir. Esta información será invaluable para que el fabricante de equipos pueda ofrecer un proceso versátil que garantice la rentabilidad de la inversión.

Artí­culo proveniente de la revista impresa con el código TP3203-extrusión.