Conceptos básicos para coextrusión de películas de alta barrera

La coextrusión de película flexible con materiales de alta barrera es un proceso de alto valor agregado. La incorporación de equipos de coextrusión de alta tecnología es imperativa para la obtención de película con propiedades superiores y para garantizar el ahorro en el consumo de resinas.

---

La coextrusión es la extrusión simultanea a través de un cabezal (dado, boquilla o molde) de dos o más polímeros para la formación de una estructura multicapas. Ya se trate del proceso de Película soplada, Película Cast, lámina o perfiles, el sistema de coextrusión debe repartir al coextruido garantizando una distribución uniforme de su espesor, minimizando las distorsiones en la interfaz entre las diferentes capas y previniendo problemas de inestabilidad interfacial.

La extrusión Multicapa o Coextrusión permite la combinación de polímeros que poseen diferentes propiedades para asegurar un empaque más económico y funcional. A su vez, se optimiza el consumo de resina cuando se extruye como capa(s) interna del coextruido material reciclado o materiales de menor costo.

Con el uso de los procesos de coextrusión los procesadores consiguen mejorar propiedades como la resistencia a la punción del empaque, su sellado térmico o simplemente su apariencia cuando la capa externa es de color. Por otro lado la coextrusión permite la elaboración de un empaque con propiedades de alta barrera a gases.

En este artículo se aborda el tema del empaque de alta barrera, presentando al lector en principio y de manera introductoria los conceptos básicos sobre las propiedades de los principales materiales de alta barrera para luego pasar a la descripción de la configuración requerida en quipos de coextrusión de Película soplada y Cast usados para la producción de este tipo de empaque, acotando las diferencias entre ambos procesos con el objetivo de dejarle al procesador una herramienta conceptual útil a la hora de determinar cual de las dos tecnologías se adecua mejor al tipo de empaque a producir.

Materiales de alta barrera

En simples palabras los materiales de alta barrera son aquellos que minimizan el paso de gases a través del empaque. La barrera a constituir en el empaque o en la película coextruida que es convertida en empaque depende de la aplicación final de la misma.

En la industria farmacéutica es importante la barrera contra el vapor de agua. El empaque de cosméticos requiere una barrera contra olores y recientemente en la industria agrícola ha cobrado gran importancia el uso de películas coextruidas de alta barrera que desaceleran la tasa de difusión a la atmósfera de pesticidas que atacan la capa de ozono como el bromuro de metilo y permiten un consumo racionalizado de este tipo de químico al aumentarse la relación área de terreno / volumen de pesticida. 

La industria alimenticia necesita de empaques con barrera contra el oxígeno, el vapor de agua, el anhídrido carbónico u olores y sabores o combinaciones de lo anterior. Al contarse con una alta barrera al oxígeno y al anhídrido carbónico o contra la luz, según sea el caso, se controla el problema de la rancidez que es producto de la oxidación de grasas y aceites insaturados o de la oxidación inducida por rayos ultravioleta si se trata de alimentos grasos. La barrera a la humedad (pérdida o ganancia de esta) ayuda a preservar la textura del alimento y la barrera a los aromas y sabores contribuye a preservar el sabor del alimento.

• La variable de medición de la permeabilidad al oxígeno se conoce como OTR (Oxigen Transmission Rate o Tasa de Transmission de Oxígeno) y se expresa como:
• Centímetros cúbicos de O2 / 100 in2 de área de película de 25 micrones de espesor por día a presión atmosférica y temperatura de 23ºC
• La variable de medición de la permeabilidad al vapor de agua se conoce como WVTR (Water Vapor Transmission Rate o Tasa de Transmisión de Vapor de Agua) y se expresa como:
• Gramos de H2O / 100 in2 de area de película de 25 micrones de espesor por día a Presión atmosférica, temperatura de 38 ºC y humedad relativa de 90 %

---

Extrusión: ¿Qué es y cómo funciona?

---

Con el uso de materiales de alta barrera en el empaque se impacta positivamente la Vida de Anaquel del producto. Se entiende como vida de anaquel el tiempo que toma para que el producto empacado pierda tan solo una de sus cualidades características. Sin embargo, este tiempo también puede ser medido como el tiempo transcurrido luego del cual el consumidor no está ya dispuesto a adquirir el producto así este conserve inalterables todos sus parámetros de calidad.

Son diversos los factores que pueden afectar el tiempo de vida de anaquel. Cabe citar ciertas características del producto tales como su contenido de agua, su PH y su contenido de lípidos y vitaminas. Ótros factores son las condiciones de producción empleadas (esterilización o no), la logística del transporte y almacenamiento (control de temperatura y humedad) y finálmente las propiedades del empaque empleado.

La Tabla 1 muestra los valores máximos aceptables de pérdida o ganancia de humedad y oxígeno que requieren diferentes tipos de alimentos y bebidas para poder disfrutar de una vida de anaquel de un año a una temperatura ambiental de 25 °C y 50% de humedad relativa.

• Entre los materiales de alta barrera de mayor uso están el Poli - Cloruro de Vinilideno o PVdC, al Nylon o PA y al Copolímero de Etileno y Alcohol Vinílico o EVOH.

El PVdC proporciona sin duda la mejor barrera a la humedad combinada con una buena barrera al oxígeno, olores y grasas. Sin embargo, por no ser térmicamente estable (propenso a la degradación cuando su tiempo de residencia en el proceso de extrusión es largo) y ser altamente corrosivo, los equipos de extrusión han de ser de diseño especial y ser construidos con materiales muy particulares y costosos. Por otro lado los empaques hechos con PVdC tienden a agrietarse cuando se someten a flexión, son quebradizos al congelarse y con el tiempo adquieren una coloración amarillenta.

La Poliamida o Nylon (PA) proporciona una barrera moderada al oxígeno y una excelente barrera al aroma. En Nylon es, sin embargo, un material higroscópico. Este tipo de materiales ven afectada negativamente su barrera a los gases cuando son sometidos a ambientes con alta humedad relativa. De la familia de las poliamidas el material más usado es el Nylon 6 o PA6. Este material es resistente a altas temperatures, proporciona una buena barrera a las grasas y los aceites y goza de una muy buena termoformabilidad y dureza por lo que es muy usado en empaques de carnes y quesos.

---

PROVEEDOR RECOMENDADO PARA MAQUINARIA DE EXTRUSIÓN, Y AUTOMATIZADAS ELÉCTRICAS O HIDRÁULICAS.

---

El EVOH es el material que brinda la mejor barrera al oxígeno. Provée también una buena barrera a los olores y es resistente a aceites y solventes orgánicos. Al igual que las Poliamidas, el EVOH es higroscópico, esto sin embargo no necesariamente actua en detrimento de las propiedades de alta barrera al oxígeno del EVOH en empaques de alimentos ya que por un lado los ambientes por los que transita el producto (almacenamiento, unidad de transporte y punto de venta) son ambientes con humedad relativa controlada y por otro lado el EVOH se coextruye como capa interna de una estructura multi-capa que tiene como capas externas materiales poliolefínicos que brindan barrera a la humedad protegiendo al EVOH de esta.

• El EVOH es fácilmente procesable ya que se comporta como una poliolefina, es transparente y de alto brillo y no necesita adhesivo cuando se coextruye con Nylon.
• La  Figura 1 muestra como la tasa de transmisión de oxígeno OTR varía en función de cambios en la humedad relativa del ambiente en materiales de alta barrera.
• A manera de síntesis las  Tablas 2 y  3 presentan algunas propiedades generales y las propiedades de barrera al oxígeno y vapor de agua de un buen número de resinas comunes.

Mercado de las películas de alta barrera

En los últimos años la industria del empaque flexible y más específicamente la del empaque flexible con propiedades de barrera ha gozado de un crecimiento sostenido.

El aumento poblacional, los bajos costos de producción, transporte y almacenamiento del empaque flexible de plástico cuando se le compara con otras alternativas como el de vidrio, lata o cartón, sus excelentes propiedades de barrera (vida de anaquel de hasta 6 meses en la mayoría de los casos) y nuevos hábitos de consumo son todos factores que contribuyen con este crecimiento.

En el ámbito, por ejemplo, del EVOH cabe resaltar su uso en aplicaciones como la del empaque de salsa de tomate para pastas o pizza ( Figura 2) con una vida de anaquel de hasta 6 meses, de quesos rallados ( Figura 3) con una vida de anaquel de hasta 60 días si son refrigerados a 5 °C, de envases de jugos auto-sostenibles o Stand up Pouches( Figura 4) con una vida de anaquel de hasta 6 meses y de carnes procesadas y fiambres con una vida de anaquel de 3 a 6 meses ( Figura 5 ).

Un segmento de gran crecimiento actual en los mercados mundiales y en especial en los mercados de Latino América es el del empaque de leche líquida de larga duración en bolsas hechas con película coextruida de 5 o 7 capas con EVOH como material de alta barrera ( Figura 6).

---

CONSULTE LOS CATÁLOGOS DESTACADOS PARA LA INDUSTRIA PLÁSTICA, AQUÍ.

---

La película coextruida es una película de 90 micrones de espesor con un 8% de EVOH. La leche puede ser pasteurizada (en el proceso de pasteurización la leche es sometida a una temperatura de 98 °C) o del tipo UHT (Ultra High Temperature; en el proceso UHT la leche es sometida a una temperatura de 135 °C por espacio de 4 segundos).

La vida de anaquel de la leche pasteurizada en empaque de alta barrera es de unos 30 días. Para el caso de la leche UHT la vida de anaquel se extiende por espacio de 120 días.

La Tabla 4 muestra el crecimiento porcentual entre los años 2001 y 2002 en el consumo de películas de empaque en diferentes segmentos de las industrias alimenticia, farmaceutica y tabacalera

Proceso de película soplada 

Aplicaciones de películas coextruidas sopladas

En esta sección la atención será enfocada principalmente en la descripción y producción de estructuras coextruidas de 7 capas.

La producción de película soplada de 7 capas goza hoy por hoy de un franco crecimiento especialmente en los mercados latinoamericanos; las películas de 7 capas cubren un amplio espectro de aplicaciones y por la naturaleza del proceso productivo (gran número de capas) los procesadores se pueden beneficiar en muchos casos racionalizando el consumo de resinas costosas sin comprometer el buen desempeño de la película coextruida al colocar en capas interiores del coextruido resina de menor costo o reciclado del proceso.

A continuación presentamos un listado con algunas de las estructuras coextruidas que se pueden obtener con el uso de una máquina coextrusora de película soplada de 7 capas:

Película para laminación de 50 micrones

• Capas 1 - 6 ® 1 MI LLDPE (50%) + 2 MI LDPE (50%)
• Capa 7 ® 80 - 85% LLDPE + 10% LDPE + Slip&Antiblock

Película de uso agrícola

• LLDPE+LD+UV/LLDPE+LDPE/AD/EVOH/AD/ LLDPE+LDPE/LLDPE+LDPE

Películas de barrera para vinos "bag-in-the-box", leche UHT, químicos, etc.

• PE/PE/AD/EVOH/AD/PE/PE

Películas sin curling para pouches al vacio: 75 - 100 micrones

• PA/AD/PE/AD/PA/AD/PE

Películas barrera para termoformado: 100 - 300 micrones

• PA/AD /PA/EVOH/PA/AD/PE
• PP/AD/PA/EVOH/PA/AD/PE

Películas de barrera para tapas laminadas: 75 - 85 micrones

• PE/AD/PA/EVOH/PA/AD/PE

Películas barrera para tapas y fondos: 85 - 100 micrones

• PA/EVOH/PA/AD/PE/PE/PE

Películas respirables para verduras frescas: 25 - 50 micrones

• cPP/PE/PE/PE/PE/cPP/PE

"Skin packaging" para bandejas de PS expandido (Carnes) 

• Surlyn/AD/EVOH/AD/Surlyn/Surlyn/Surlyn

"Skin packaging" para bandejas de PS expandido (camarones)

• EVA/AD/EVOH/AD/Surlyn/Surlyn/Surlyn

La línea de producción

Las Figuras 7 y 8 muestran de manera esquemática la configuración de una línea de producción de Película soplada coextruida. A grosso modo, la línea está constituida por el sistema de alimentación y mezcla de resinas, el sistema de extrusión, el cabezal de coextrusión, el anillo de aire y sistema de enfriamiento interno de la burbuja (IBC), la jaula de la burbuja, el colapsador, la plataforma de tiro oscilatoria, y los equipos aguas abajo (sistema de tiro secundario, tratadores corona y embobinadoras).

No es el objetivo de este artículo explicar en detalle el funcionamiento de cada componente de la línea sino más bien dejar al lector una idea clara de cuales son sus componentes críticos y cuales han de ser los requerimientos técnicos que se exigen en los mismos a la hora de querer producirse películas multi-capa de alto valor agregado.

Así, es importante contar con un sistema de dosificación gravimétrico (en este sistema la alimentación de las resinas se basa en mediciones de peso por lo que es más preciso que el dosificador volumétrico el cual basa su lógica de control en mediciones de volumen) y con un conjunto de extrusoras diseñadas para poder satisfacer una gama amplia de productos coextruidos pero a su vez especificadas adecuadamente en función de la ventana de operación específica de cada una. Así tenemos que un grupo de las extrusoras son de uso "universal" ya que son diseñadas para procesar Nylon, EVOH, Adhesivos y Poliolefinas, y el otro grupo son de uso dedicado a Poliolefinas.

El cabezal de coextrusión es el corazón de la máquina, este ha de ser capaz de procesar diferentes resinas y ha de contar con un diseño de canales con la aerodinámica y tamaño adecuados para distribuir uniformemente a los materiales, prevenir un excesivo tiempo de residencia en los mismos y su consecuente degradación, y presiones internas indeseablemente altas.

La Figura 9 muestra un dibujo esquemático de un cabezal de 7 capas. En el dibujo se puede apreciar como las diferentes capas son distribuidas internamente por secciones cónicas apilables. Estas secciones cónicas cuentan con canales mecanizados en su superficie con dimensiones que son calculadas de acuerdo al comportamiento reológico de los materiales asociados a cada una de ellas.

Con el objeto de maximizar el caudal de producción, aspecto aún más crítico cuando se trata de producir películas con materiales de alto valor agregado, se cuenta con la presencia del anillo de aire y del sistema de enfriamiento interno de la burbuja. Con estos componentes se pueden obtener producciones de hasta 15 libras por pulgada lineal de circunferencia del cabezal en Película de poliolefinas de 50 micrones de espesor y unas 13 libras por pulgada lineal de circunferencia de cabezal en películas de alta barrera de 200 micrones de espesor.

Otro componente necesario en maquinas de producción de película de alto valor agregado es el del controlador automático del espesor de la Película. Este subsistema está compuesto por un sensor de medición de espesor y por un controlador que transmite una señal correctiva de voltaje a resistencias instaladas en los labios de salida del cabezal automático. El cambio en la temperatura de las Resistencias genera el efecto corrector sobre el espesor de la Película que sale del cabezal. Con el sistema automático de control de espesor se pueden obtener películas con variaciones máximas de espesor en el orden de 2s = +/- 3%.

Con relación a las embobinadoras, se recomiendan embobinadoras centrales periféricas. Este tipo de bobinadora cuenta con ejes motorizados de rotación que giran en el centro de la Bobina en formación. Estas embobinadoras tienen la capacidad de controlar variables como la Presión y tensión del embobinado y facilitar un embobinado Gap en el que un mínimo colchón de aire es dejado entre los pliegues de la Bobina.

Finalmente, estas máquinas deben contar con un controlador computarizado de las funciones de la línea (control de temperaturas, velocidades, alimentación de materiales, control del espesor de la película) con capacidad de manejo de múltiples recetas de producto y de la evaluación en el tiempo del comportamiento de equipos críticos (análisis de tendencias).

Tecnología de producción, proceso de película cast 

Aplicaciones de películas coextruidas cast

Estableciendo un paralelo con lo ya expuesto sobre la película soplada, a continuación dejamos al lector un resumen con algunas de las estructuras más comúnmente empleadas en la elaboración de Película cast de alta barrera.

Ejemplos de 5 capas:

• Películas para laminación
• PE/AD/PA/AD/PE
• PE/AD/EVOH/AD/PE

Películas para termoformado

• PA/AD/PA/AD/PE
• PP/AD/PA/AD/PE
• PA/EVOH/PA/AD/PE

El procesador tiene la oportunidad de usar el mismo equipo de coextrusión para la producción de Película de Polipropileno Cast con las siguientes estructuras:

• coPP/hoPP/hoPP/hoPP/coPP
• coPP/hoPP/hoPP/hoPP/terPP

Ejemplos de 7 capas:

Películas sin curling para pouches: 75 - 100 micrones

• PA/AD/PE/AD/PA/AD/PE

Películas barrera para termoformado: 100 - 300 micrones

• PA/AD/PA/EVOH/PA/AD/PE
• PP/AD/PA/EVOH/PA/AD/PE

Películas barrera para tapas y fondos: 85 - 100 micrones

• PA/EVOH/PA/AD/PE/PE/PE

Películas barrera para laminación de tapas: 75 - 85 micrones

• PE/AD/PA/EVOH/PA/AD/PE

Ejemplos de 9 Capas:

Películas barrera para termoformado con barrera mejorada

• PA/AD/PA/EVOH/PA/EVOH/PA/AD/PE
• PP/AD/PA/EVOH/PA/EVOH/PA/AD/PE

Películas barrera con espesor aumentado para termoformado profundo 

• PA/AD/PE/AD/PA/EVOH/PA/AD/PE
• PP/AD/PE/AD/PA/EVOH/PA/AD/PE

La línea de producción

Tal y como se planteó para el caso de la línea de producción de película soplada, una línea de coextrusión de película Cast comisionada para la producción de películas de alta barrera también ha de contar con componentes de tecnología avanzada que garanticen tanto la alta calidad del producto coextruido como la alta productividad en el proceso.

La Figura 10  muestra un dibujo esquemático de una línea de coextrusión cast de 9 capas.

Al igual que en película soplada, la alimentación de resina debe hacerse con un sistema de alimentación gravimétrico. Este sistema de alimentación es más preciso que el volumétrico al ser el control de peso independiente de las variaciones en el tamaño de la granza o pellet con una tolerancia de error del orden de +/- 0.5%.

---

PROVEEDOR RECOMENDADO PARA LÍNEAS DE RECICLAJE, EXTRUSORAS, INYECTORAS Y MÁS.

---

En aras de la productividad del proceso, la linea de coextrusión Cast también ha de satisfacer una ventana de operación amplia e igual que en el caso de la película soplada debe contar con extrusoras de uso universal capaces de procesar tanto poliolefinas como materiales de alta barrera.

Es de suprema importancia la adecuada especificación del bloque de coextrusión y cabezal plano. Es altamente recomendable que el bloque de coextrusión sea de geometría variable y es indispensable que el cabezal de coextrusión, además de contar con un diseño de canal optimizado para flujos de coextrusión, disponga de control automático de labios.

Los bloques de geometría variable ( Figura 11) son la herramienta ideal en la coextrusión de Película de alta barrera. Su uso es prácticamente imperativo cuando se desea coextruir estructuras complejas donde intervienen materiales de alto valor agregado o cuando la producción es diversificada. En estos bloques, componentes internos móviles son capaces de alterar tanto la distribución del espesor de las capas individuales en la dirección transversal a la dirección de máquina como la velocidad y por ende tasa de corte en cada capa. Los ajustes mecánicos de estos componentes móviles se hacen desde el exterior del bloque y son hechos sobre la marcha.

Así, problemas inherentes a la coextrusión como el de la distorsión de capas o encapsulamiento viscoso (relacionado a diferencias de viscosidad entre capas adyacentes que hacen que la capa menos viscosa encapsule a la capa más viscosa) y el de la inestabilidad interfacial (asociada a un desequilibrio dinámico en el punto de contacto de los materiales cuando se forma el coextruido y que se manifiesta como ondas a nivel de la interfaz de las capas en la dirección de máquina) pueden ser tratados con ajustes en el bloque.

En la coextrusión cast los bordes de la película son refilados; la productividad del proceso, y en especial cuando el coextruido contiene materiales costosos, se afecta negativamente en la medida en que estos materiales no puede ser reciclados. La Tecnología del Encapsulamiento de borde ( Figura 12 ) permite minimizar la cantidad de desperdicio en estructuras coextruidas.

En la figura vemos como es posible extruir una banda de material a cada lado de una estructura coextruida. El material usado en las bandas de encapsulamiento ha de ser de bajo costo, reciclable y de altas propiedades mecánicas. Así, cuando se refila la película la mayor parte de las bandas refiladas está constituida por el material de encapsulamiento lo que permite el reciclado de estas y su reinserción en el proceso con el consecuente ahorro en el consumo de las resinas costosas que forman el coextruido.

Los requerimientos para las embobinadoras en estas líneas son similares a las de las líneas de coextrusión soplado.

Finalmente, las líneas de coextrusión Cast también deben contar con sistemas de control computarizado que faciliten la adecuada integración de todos los subsistemas de control del proceso y el manejo de múltiples recetas de productos.

Soplado vs. cast

Hasta ahora hemos visto como tanto el proceso de coextrusión de película soplada como el de película cast son capaces de satisfacer un amplio espectro de necesidades de mercado con productos de suma sofisticación y similares en su conformación. Surge muy a menudo la pregunta de cual proceso es mejor. Una adecuada respuesta a esta interrogante solo es posible luego de un proceso de evaluación que determine claramente cuales son los requerimientos del empaque, los requerimientos del producto, las limitaciones por costo, la demanda del mercado, el esperado tamaño de los pedidos y como se adecuan las capacidades de la empresa a las exigencias de cada proceso.

A diferencia del proceso de soplado de película, el enfriamiento en el proceso de película cast es altamente eficiente lo que permite por un lado operar estas líneas de producción a velocidades mucho más altas con caudales de producción mayores (sobre una tonelada por hora en ciertos casos en comparación a varios cientos de kilos/hr en el proceso de soplado) y por otro lado obtener un producto final con propiedades ópticas superiores.

El grado de orientación y de deformación de la película a la salida del cabezal es mucho mayor en el proceso de soplado, es por ello que la distribución de espesores en la dirección transversal a la dirección de máquina es mucho más uniforme en el proceso cast (con variaciones de espesor que pueden llegar a tan solo +/- 1.5%). Sin embargo, las propiedades mecánicas de la película en la dirección transversal a la dirección de máquina se ven disminuidas cuando se las compara a las de la película soplada dado el nivel de orientación al que se somete la película soplada y del que carece la película cast en esa dirección.

Para abordar este tema en toda su globalidad dejamos al lector en la  Tabla 5 una comparación bastante detallada entre los dos procesos. Es importante ventilar todas las variables técnicas y de mercado tanto en el seno de la propia empresa como con el oferente de la tecnología antes de la especificación final de la tecnología de producción.