Extrusion De PelíCulas Orientadas

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Extrusion De PelíCulas Orientadas

  1. 1. Extrusión de películas orientadas Preparado por Héctor Touzet Marín Héctor Touzet Marín 2009
  2. 2. Contenido • Introducción • Desarrollo de películas orientadas y su  importancia comercial importancia comercial • Teoría del proceso de orientación
  3. 3. Introducción  Introducción • La fabricación de películas orientadas se inicia con La fabricación de películas orientadas se inicia con  la extrusión de una película con un cabezal  ranurado o circular. Esta película es luego  ranurado 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 los  equipamiento con referencia a la morfología de los materiales usados.
  4. 4. Desarrollo de las películas orientadas  y su importancia comercial l • 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 a por orientación para producir fibras textiles. p y p • En esa época, ya se estaban produciendo en  Alemania, películas biorientadas de resinas amorfas  como PS y PVC. Se entendió que era posible mejorar  las propiedades físicas tales como resistencia,  l i d d fí i t l it i estiramiento, encogimiento, modulo de elasticidad,  resistencia a desgarre / rotura, rigidez y transparencia  resistencia a desgarre / rotura, rigidez y transparencia mediante la orientación de la película y utilizar estas  mejores propiedades en muchas aplicaciones.
  5. 5. Desarrollo de las películas orientadas  y su importancia comercial l • El proceso fue adicionalmente mejorado en los 50’s  p j para 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 1957.  desarrollo 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  reemplazado por el PP y el acetato de celulosa por el  l d l PP l t t d l l l PET. Para estirar longitudinalmente la película se uso  estiramiento por rodillos y para el estiramiento  p yp transversal se uso un marco de mordazas (tenter frame), sistemas muy comunes en la industria textil.
  6. 6. Desarrollo de las películas orientadas  y su importancia comercial l • 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 g de unidades conectadas en serie para formar una línea  completa.  • Para tener una alta eficiencia estas líneas están diseñadas Para tener una alta eficiencia, estas líneas están diseñadas  para altas producciones que fluctúan entre 1000 a 5000  kg/hora.
  7. 7. Teoría del proceso de orientación Teoría del proceso de orientación • Introducción  Introducción • Procesos de fabricación • Líneas de producción í d d ió • Cabezales de extrusión y unidades de  enfriamiento para la producción – Control de temperatura • Unidades de estiramiento
  8. 8. Introducción  Introducción • 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  punto de fusión. En un proceso de estiramiento, las  t d f ió E d ti i t l 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 modulo  utilización 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 depende  final del producto y la eficiencia del proceso depende absolutamente de las propiedades del material usado y su  tratamiento durante el fundido, homogenización y moldeo.
  9. 9. Nivel de rotura Estructura microscópica de un PP Micro parcialmente cristalino Lado izquierdo: diagramas esquemáticos rajadura Lado derecho: microfotografías Arriba: lamela doblada como elemento básico de una estructura cristalina Nivel de Centro: crecimiento de lamelas dobladas doblez en una superestructura esferulítica Abajo: esferulitas creciendo j j juntas desde Dirección d Di ió de el fundido. crecimiento
  10. 10. Dirección de estiramiento Comportamiento de deformación de polímeros parcialmente cristalinos durante el estiramiento Lado izquierdo: comportamiento de deformación después de Ilev y Keller Lado derecho: corte ultra fino de PE orientado – contraste por el método Kanig (estiramiento vertical)
  11. 11. PET, p. 261 Películas biaxialmente orientadas Películas biaxialmente orientadas Campo de aplicación Materiales Espesor Propiedades (estirado), µ j Embalaje PP, PET, PA6 , , 10-40 Transparencia, sellabilidad, maquinabilidad, p , , q , imprimible Dibujo PEAD 20-100 Homogeneidad, planitud Fotografía PET 100-300 Transparencia, pureza, precisión de perfil Grabación sonido PET 4-8 Homogeneidad, resistencia g , Aislamiento eléctrico PET, PP, PS 3-200 Homogeneidad, pureza, precisión de perfil Película de condensador PET, PP, PS, PC 2-10 Homogeneidad, pureza, precisión de perfil
  12. 12. Películas mono orientadas (encogimiento reducido) ( d d ) Campo de aplicación Materiales Espesor Propiedades (estirado) µ Cintas dh i Ci t adhesivas PP, PEAD, PP PEAD PVC 35-200 35 200 Resistencia a l t R i t i la tensión, adhesión ió dh ió Aislamiento eléctrico PC 2-50 Homogeneidad, pureza, precisión de perfil Rafia PEAD 25-30 Resistencia a la tensión, tenacidad
  13. 13. Películas mono orientadas Películas mono orientadas Campo de aplicación Materiales Espesor Propiedades (estirado) µ Cintas de embalaje PP, PET, PA 200-800 Resistencia a la tensión, estabilidad de forma, precisión de perfil, alargamiento Cintas de tela de sacos PEAD, PP 25-35 Tenacidad, adhesión Cintas para tela de PP, PET 35-50 Tenacidad, bajo encogimiento alfombra Cintas para cuerdas PP, PET 50-80 Tenacidad, alargamiento Cintas para fibras PP 25-35 Tendencia la separación, tenacidad
  14. 14. Propiedades  Unidad  PP no  PP PA  PET  PS   orientado Biaxialmente Biaxialmente Biaxialmente orientado  orientado  orientado  Mono  Biaxialmente  Biaxialmente Simultaneo Simultaneo Simultaneo orientado orientado  2  orientado  etapas Simultaneo Espesor  um 25 25 25      ‐ 40 25 25 25 25 Relación de  ‐ 1:5.5 1:10   ‐ 1:10 1:10 1:8 1:6.5 1:10 estiramiento Resistencia  tensión  DM N/mm2 50 250 140 ‐ 130 200 300 200 70 DT N/mm2 40 40 270 ‐ 250 200 300 220 70 Estiramiento a  rotura DM % 430 10 140 ‐ 143 80 70 130 10 DT % 540 700 40   ‐ 43 80 70 110 10 Resistencia a  desgarre DM N 7.6 0.25   ‐ 0.40 DT N 12 0.45   ‐ 0 70 0 45 0.70 Resistencia a  N  23 200 ‐ 360 punción Modulo  elasticidad DM N/mm2 500 2500 2500 ‐ 2500 3000 4300 DT N/mm2 900 4000  ‐ 4000 3000 4300 Permeabilidad O2 23 ºC, 75 % HR cm3/(m2.d 2500 1000    ‐ 750 800 ia.bar) Permeabilidad  vapor de agua 23 ºC, 85 % HR g/(m2.dia) 2.5 1.5 ‐ 0.9 0.8 Resistencia baja  ºC 0 ‐50   ‐ ‐50 ‐50 temperatura
  15. 15. 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, % Alargamiento % DM 70  70 ‐ 90 110  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
  16. 16. Propiedades de películas de PPBO Propiedades de películas de PPBO Propiedad PPBO soplado PPBO plano PPBO modificado con deslizante Densidad, g/dm3 0.905 0.905 0.905 Rendimiento, m2/kg 43.5 43.5 43.5 Opacidad, % 2.0 2.0 2.0 Transmisión Luz, % Resistencia Desgarre, N/mm 1.5-2.3 1.5-2.3 1.5-2.3 Rango termosellado, ºC Temperatura Termosellado ºC C Barrera O2, cm3.25 um/m2.dia 1500-2300 1500-2300 1500-2300 Barrera H2O, g.25 um/m2.dia 4 5 5 CdF, 23 ºC, 50 HR 0.4 0.4 cara-cara 0.2-0.4 Espalda-espalda 0.2-0.4
  17. 17. Propiedades de películas de PPBO Propiedades de películas de PPBO Propiedad Acrílico (1) Pvdc (1) PVOH (1) Sellado Baja Coextruído Blanco Metalizado Temperatura opaco Densidad, g/dm3 0.91 0.91 0.91 0.905 Rendimiento, m2/kg 43.3 38.7 42.5 43.3 43.3 60.6 43.5 Opacidad, % 1.1 1.5 1.0 1.5 2.0 Transmisión Luz, % 15-60 0.5-2.5 Resistencia Desgarre, N/mm 1.5-2.3 1.5-2.3 1.5-2.3 1.5-2.3 Rango termosellado, ºC 39 28 22-61 Temperatura Termosellado ºC C 110 150 110-150 121 150 121-150 74 150 74-150 88 150 88-150 Barrera O2, cm3.25 um/m2.dia 1500-2300 10-45 0.3 2000-2700 1500-2300 0.45-150 Barrera H2O, g.25 um/m2.dia 5 5 5 5.5 5-9 0.45-5 CdF, 23 ºC, 50 HR cara-cara 0.25 0.2-0.4 0.23 0.2-0.4 Espalda-espalda 0.25 0.2-0.4 0.2-0.4 (1) Recubrimiento que modifica las propiedades de la película
  18. 18. Extrusión de películas orientadas Extrusión de películas orientadas • Extrusora • Estiramiento transversal Estiramiento transversal • Cambia Filtro • Termofijado • Cabezal plano Cabezal plano • Control de espesor p • Rodillo de enfriamiento • Tratamiento corona • Arrastre de película o  Arrastre de película o • Refilado y reciclamiento             y al extrusor lámina • Rebobinadora • Estiramiento longitudinal Estiramiento longitudinal PET 1987, pag. 257
  19. 19. Temperaturas usadas en la producción de PPBO (orientación secuencial) a. Precalentamiento f. Estiramiento transversal b. b Extrusión g. Termofijado g. Termofijado c. Enfriamiento h. Enfriamiento d. Estiramiento longitudinal i. Rebobinado  e. calentamiento PET, p. 265
  20. 20. Etapa de proceso Designación Datos técnicos  Extrusión  Extrusión Monotornillo  Monotornillo Producción  4500 kg/h Producción < 4500 kg/h Coextrusión  Extrusor paralelo y adaptador  Vpu < 2500 cm3/rev laminar ΔP < 0.3 bar Dosificación  Bomba de engranajes ΔT < 0.2  C ΔT < 0.2 ºC Extrusor en cascada
  21. 21. Etapa de proceso Designación Datos técnicos  Filtración Filtro de larga vida Área de filtración: 0.1 a 46.5  Filtro de doble cámara Fil d d bl á cm2 Filtro de cascada Ancho de malla: 10 a 20 µ ΔP = 20 a 100 bar Vida de servicio de 1 a 3  Vida de servicio de 1 a 3 semanas
  22. 22. Etapa de proceso Definición  Datos tecnicos Colada  Cabezal, rodillo frio, medidor de aire Ancho de 450 a 1150 mm Enfriamiento  E fi i t Cabezal de soplado, anillo de  C b ld l d ill d Diámetro de rodillo, 500 a  Diá t d dill 500 enfriamiento, baño de agua 2500 mm Velocidad de arrastre hasta  100 m/min / Hasta 3 mm de espesor
  23. 23. Etapa de proceso Designación Datos técnicos  Temperatura Rodillos calentados con aceite T: 180 a 220 ºC Acondicionamiento Hornos de aire caliente Hornos de aire caliente ΔT ≤ 1 ºC ΔT ≤ 1 ºC Radiadores térmicos
  24. 24. Etapa de proceso Designación Datos técnicos  Estiramiento  Líneas biaxiales Relación estiramiento: (Secuencial o simultanea) (Secuencial o simultanea) Longitudinal 1:3 a 1:6 1:3 a 1:6 Líneas mono axiales Transversal 1:3 a 1:10 V2 > V1 = 100 a 400 m/min
  25. 25. Etapa de proceso Designación Datos técnicos  Rebobinado Central Diámetro hasta 600 mm Automático de Automático de torreta Ancho hasta 4000 mm Ancho hasta 4000 mm Multipropósito 
  26. 26. Etapa de proceso Designación Datos técnicos  Recuperación de desperdicios Molino de corte Aditivos hasta 50 % Ciclones Dosificación de desperdicios
  27. 27. Capacidad de extrusores  Capacidad de extrusores Diámetro de tornillo, mm Rangos de producción PP, kg/h PET, kg/h 90 220 ‐ 250 200 – 300 120 300  300 ‐ 350 350  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
  28. 28. Mezclador de fundido tipo 3DD (tope) e ilustración simplificada del paso de flujo en las ranuras (abajo) 1 a 10 líneas de flujo
  29. 29. Extrusión de doble tornillo Extrusión de doble tornillo Detalles 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 entrelazado. t l d Desgasificado de materiales higroscópicos no se necesita secador. Diseño compacto de maquina se requiere menos p espacio Cilindro y tornillo en material especial y diseño modular alta flexibilidad, larga vida Motor CA con enfriamiento por agua menor carga térmica en el ambiente, bajo nivel de ruido, casi sin mantenimiento
  30. 30. Coextrusión de 5 capas  con doble tornillo
  31. 31. Extrusión de película multicapa Extrusión de película multicapa A  Coextrusor  B  B Extrusor  Extrusor C  Coextrusor  D  Coextrusor  B1  Doble tornillo B2  Mono tornillo A, C, D Coextrusores 
  32. 32. Sistema de extrusión de doble tornillo con alimentación directa de resina en polvo Tornillo alimentación polvos Unidad de enfriamiento Bomba de fundido Filtro Cabezal Extrusores E t satélites Rodillos Película Filtros colada ODM Extrusión principal
  33. 33. Arreglo de filtros de alta capacidad en unidades de extrusión para producción de películas orientadas A) Película de PET orientada B) Película fina de PET C) Película de PP orientada D) Película multicapa orientada a) Extrusor de fundido b) Extrusor con alimentación de fundido c) Filtro continuo d) Filtro larga vida e)) Bomba de B b d engranajes j f) Adaptador multicapa
  34. 34. 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 figura. deformable. 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 multicanal, l componentes f did i di id l están como lti l los t fundidos individuales tá 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 p multicapa.
  35. 35. Rodillo de enfriamiento a) Cabezal ranurado b) Cuchilla de aire c) Rodillo de colada d) Rodillo de arrastre
  36. 36. Formación de la película
  37. 37. Cabezal Soplado de aire Banda metálica Campo electrostático Rodillo frio
  38. 38. Sistema ajustable de sujeción de bordes con soplado de aire Cabezal C b l Enrollado de banda E ll d d b d Comando de tensión de banda Bordes de bobina Película Sistema de en bobina soplado de aire Rodillo frio Enrollado de banda
  39. 39. Cuchilla de aire
  40. 40. Cabezal  Rodillo de enfriamiento  con rociadores de agua i d d Carro de remoción de cabezal Tina de agua con  rociadores de agua Cuchilla de aire C hill d i
  41. 41. Colada de la película
  42. 42. Cámara de distribución de agua
  43. 43. Rodillo de enfriamiento
  44. 44. Baño de agua mejorado
  45. 45. Secado de la película
  46. 46. Control de espesor con rayos X
  47. 47. Estiramiento en DM
  48. 48. Rodillo para ODM
  49. 49. Hector Touzet: DMT, 10.2001 Rodillo ODM con calentamiento directo a gas: alta eficiencia, bajo mantenimiento; costo eficiente
  50. 50. Proceso de estiramiento secuencial Película original Después de estiramiento Después de estiramiento g longitudinal longitudinal y transversal Cambio de forma durante el estiramiento Película original Después de estiramiento Rl: relación de estiramiento longitudinal simultaneo i lt Rt: relación d estiramiento t l ió de ti i t transversal l
  51. 51. Película plana orientada.  La orientación en DM se hace jalando la película a través de rodillos rotativos de  L i t ió DM h j l d l lí l t é d dill t ti d velocidad creciente. La orientación en DT se hace en una armazón tenter, la cual estira la  película en la DT.
  52. 52. Estiramiento en DT Estiramiento en DT
  53. 53. Línea para la producción de película de PPBO con una producción de 3,500 kg/hora a 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.
  54. 54. Unidad de estiramiento biaxial simultaneo
  55. 55. 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 p calentamiento de la película; g por p f procesamiento, rebobinado, distribución
  56. 56. Unidad de estiramiento transversal de películas
  57. 57. Mordazas para estiramiento de película Mordazas para estiramiento de película Principio de estiramiento transversal de película plana A mordaza; b ancho usable c hoja usable,
  58. 58. Ventana de proceso para PPBO Comparación de Secuencial con Simultaneo ºC Temperatura de estiramiento Secuencial DT e Simultaneo DM X DT Secuencial DM Relación de ti R l ió d estiramiento i t
  59. 59. Recubrimiento en línea Recubrimiento en línea
  60. 60. Unidad de arrastre de película Unidad de arrastre de película
  61. 61. Rebobinadora
  62. 62. Película orientada de doble burbuja Película orientada de doble burbuja W&H
  63. 63. Técnicas de orientación P lí l encogible estándar Película ibl á d Proceso Doble-Burbuja Calentamiento y orientación Extrusión Enfriamiento película Formado orientada i d de tubo primario Rebobinado
  64. 64. Proceso de estiramiento de  película soplada a. Extrusión b. Baño de agua c. c Precalentamiento d. Rodillos de presión 1 e. Sistema de precalentamiento f. Sistema de estiramiento g. g Armazón de colapsamiento Armazón de colapsamiento h. Rodillos de presión 2 i. Termofijado j. Rebobinado  PET, p. 280
  65. 65. Línea de fabricación de película biaxialmente orientada por el proceso multiespacio para estiramiento de angostamiento reducido A extrusor; b cabezal anular de soplado; c armazón de colapsamiento; d unidad de angostamiento reducido; e rebobinado
  66. 66. Sistema de doble burbuja
  67. 67. Aplicaciones d PETBO A li i de Propósito General Transparente para empaque Laminación Especialidades Películas ultra delgadas Películas gruesas para aplicaciones ópticas Películas tensionadas Películas coextruídas Películas blancas para graficas Papeles sintéticos Tapas flexibles sellables
  68. 68. Aplicaciones de PPBO A li i d Propósito general Transparentes Películas sellables de 3 capas Especialidades p Etiquetas: envolventes, autoadhesivas, encogibles, en molde Películas de alta resistencia Películas de alta barrera Películas termoencogibles Películas de bajo punto de iniciación de sellado Papel sintético Tapas flexibles sellables Películas recubiertas
  69. 69. Película de bajo punto  de iniciación de sellado
  70. 70. Laminaciones estándar con película PETBO Estructura Trilaminado para café, te, maní, cosméticos Café C fé PET/ALU/PE, 12/8/60 um Bolsa de café PPBO/impresión/PET met/PE, 30/12/60 um Maní PET/ALU/PE, PET/ALU/PE 12/8/60 um Sachets de cosméticos PET/ALU/PE, 12/8/40 um
  71. 71. Película PET para tapa de yogurt Reemplazo de folio de aluminio Yogurt, margarina Comida rápida (sopas y pastas) Bebidas (agua mineral, jugos) Alta resistencia a la punción Posibilidad de uso de detectores de metal Tapa que no se desgarra como el alu T d l l Laca Impresión transparente Fondeado blanco (opcional) Imprimante Laca termosellable a PS, PP
  72. 72. Tendencias para películas PET orientadas simultáneamente i t d i ltá t Películas ultra delgadas para capacitores Espesor menor a 0 5 um 0.5 Alta rigidez Buen maquinado Películas tensionadas para aplicaciones técnicas Rango de espesor de 4 a 12 um Modulo ultra alto Buen maquinado Películas gruesas para aplicaciones ópticas Espesor hasta 250 um Excelentes propiedades ópticas E l t i d d ó ti Valores muy bajos de encogimiento Propiedades mecánicas isotrópicas Bajo nivel de ondulación j
  73. 73. Película de Poliamida Biorientada Aplicaciones de Empaque Comidas congeladas, comidas preparadas Vegetales marinados Bolsas de comida esterilizada Productos hospitalarios Medicinas y partes de maquinas Empaque de productos acuáticos y destilados
  74. 74. Películas de OPS Películas de OPS
  75. 75. Películas especiales de PPBO Tipo d Ti de película lí l Ventajas V t j Requerimientos de equipo Sobre envoltura encogible Paquetes ajustados a Flexibilidad en patrones de alta velocidad de encogimiento en DM empacado Encogimiento: 16 % en DM Velocidad: 800 p/min Encogimiento: solo en mordazas de sellado No se necesita túnel de encogimiento Propiedades de sellado rápido Internamente; Baja TIS y alto CdF Excelente óptica Empaque ajustado
  76. 76. Película transparente multicapa Tipo de película Ventaja Requerimientos de equipo Película multicapa  p Mayor vida de anaquel y q Proceso de estiramiento de  transparente de barrera una 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 Barrera O2: 2.08 cm3/m2, dia, bar TOTAL 20.5 um 23 ºC, 75 % HR

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