Blown film extrusion/es

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La extrusión de película soplada es la tecnología más común para fabricar películas de plástico ^W , especialmente para la industria del embalaje ^{[ 1 ]} . El proceso consiste en extruir un tubo de polímero ^W fundido a través de una boquilla e inflarlo hasta varias veces su diámetro inicial para formar una fina burbuja de película. Esta burbuja se colapsa y se utiliza como película plana o se puede convertir en bolsas. Generalmente se utiliza polietileno ^W en este proceso, y se pueden usar otros materiales como mezclas con estos polímeros. ^{[ 1 ]} En la Figura 1, a la derecha, se muestra un diagrama de una cadena de polietileno.

En la etapa de enfriamiento de la extrusión de película soplada, el material fundido amorfo ^y transparente cristaliza ^para formar una película translúcida, opaca o ligeramente difusa. El punto donde comienza la opacidad en la burbuja se conoce como línea de congelación.

La altura de la línea de escarcha está controlada por varios parámetros: el flujo de aire, la velocidad de la película y la diferencia de temperatura entre la película y el entorno. ^{[ 2 ]} Las propiedades de la película, como la resistencia a la tracción, la resistencia a la flexión, la tenacidad y las propiedades ópticas, cambian drásticamente según la orientación de las moléculas. ^{[ 2 ]} A medida que aumentan las propiedades en la dirección transversal o circunferencial, disminuyen las propiedades en la dirección longitudinal o de la máquina. Por ejemplo, si todas las moléculas estuvieran alineadas en la dirección de la máquina, sería fácil rasgar la película en esa dirección y muy difícil en la dirección transversal.

Normalmente, la extrusión de película soplada se realiza verticalmente hacia arriba; sin embargo, los procesos de extrusión horizontal y descendente se están volviendo más comunes ^{[ 3 ] [ 2 ].} La Figura 2 muestra un esquema de la configuración para la extrusión de película soplada. Este procedimiento consta de cuatro pasos principales:

1. El material polimérico comienza en forma de gránulos, que se compactan y funden sucesivamente para formar un líquido ^{W continuo y viscoso. [ 4 ]} Este plástico fundido se fuerza, o extruye ^W , a través de una matriz anular.
2. Se inyecta aire a través de un orificio en el centro de la boquilla ^W , y la presión provoca que el material fundido extruido se expanda formando una burbuja. El aire que entra en la burbuja reemplaza al que sale, de modo que se mantiene una presión uniforme y constante para garantizar un espesor uniforme de la película. ^{[ 3 ]}
3. La burbuja se eleva continuamente desde la matriz y un anillo de enfriamiento sopla aire sobre la película. La película también se puede enfriar desde el interior mediante enfriamiento interno de la burbuja. Esto reduce la temperatura dentro de la burbuja, manteniendo su diámetro. ^{[ 2 ]}
4. Tras la solidificación ^W en la línea de congelación, la película pasa a un conjunto de rodillos de presión que colapsan la burbuja y la aplanan en dos capas planas. Los rodillos de tracción tiran de la película hacia los rodillos de enrollado. Durante este proceso, la película pasa por rodillos tensores para asegurar una tensión uniforme. Entre los rodillos de presión y los rodillos de enrollado, la película puede pasar por un centro de tratamiento, según la aplicación. En esta etapa, la película puede cortarse para formar una o dos películas, o someterse a un tratamiento superficial. ^{[ 2 ]}

La película soplada generalmente presenta un mejor equilibrio de propiedades mecánicas que las películas fundidas o extruidas, debido a que se estira tanto en la dirección transversal como en la dirección de la máquina. Las propiedades mecánicas de la película delgada incluyen la resistencia a la tracción y a la flexión, así como la tenacidad. Las propiedades casi uniformes en ambas direcciones permiten una tenacidad máxima en la película. ^{[ 1 ] [ 5 ]}

La extrusión de película soplada permite fabricar una película grande, dos más pequeñas o tubos que pueden transformarse en bolsas. Además, una sola matriz permite obtener diferentes anchos y tamaños sin necesidad de recortes significativos. Esta gran flexibilidad del proceso reduce el desperdicio de material y aumenta la productividad. Las películas sopladas también requieren temperaturas de fusión más bajas que las extrusiones por colada. Medida en la abertura de la matriz, la temperatura de la película por colada es de aproximadamente 220 °C, ^{[ 6 ]} mientras que la de la película soplada es de aproximadamente 135 °C. ^{[ 7 ]} Asimismo, el coste del equipo es aproximadamente el 50 % del de una línea de extrusión por colada ^{en W. [ 2 ]}

La película soplada tiene un proceso de enfriamiento menos efectivo que la película plana. El enfriamiento de la película plana se realiza mediante rodillos de enfriamiento o agua, ^{[ 5 ]} que tienen capacidades caloríficas específicas significativamente más altas que el aire que se usa en el proceso de enfriamiento de la película soplada. La mayor capacidad calorífica específica ^W permite que la sustancia absorba más calor con menos cambio en la temperatura de la sustancia. En comparación con la película fundida, la película soplada tiene un método más complicado y menos preciso para controlar el espesor de la película; la película fundida tiene una variación de espesor de 1 a 2% frente al 3 a 4% para la película soplada. ^{[ 2 ]} Las resinas utilizadas para la fundición suelen tener un índice de flujo de fusión más bajo, ^{[ 2 ]} que es la cantidad de polímero que se puede forzar a través de un molde estándar en 10 minutos según un procedimiento estándar. ^{[ 8 ]} El índice de flujo de fusión para la película fundida es de aproximadamente 5,0 g/10 min ^{[ 9 ]} mientras que para la película soplada es de aproximadamente 1,0 g/10 min. ^{[ 10 ]} En consecuencia, las tasas de producción de película extruida son más altas: las líneas de película extruida pueden alcanzar tasas de producción de hasta 300 m/min, mientras que las líneas de película soplada suelen ser menos de la mitad de este valor. ^{[ 11 ]} Y finalmente, la película extruida tiene mejores propiedades ópticas, incluyendo transparencia ^W , turbidez y brillo.

• El atrapamiento de aire entre las capas de película y los rodillos puede provocar arañazos o arrugas en la película, o problemas de procesamiento al enrollarla debido a la reducción de la fricción. Algunas soluciones posibles son el uso de una aspiradora para eliminar el aire atrapado o el uso de rodillos de bobinado con una ranura en forma de diamante en la cubierta de goma para aumentar la superficie y disminuir la cantidad de aire atrapado en la película. ^{[ 2 ]}
• Grandes fluctuaciones en la salida de la boquilla: esto provoca variaciones en el espesor y puede prevenirse manteniendo la extrusora limpia y utilizando gránulos de forma más uniforme en la extrusora. ^{[ 12 ]}
• Fracturas por fusión: estas aparecen como rugosidades o líneas onduladas en la superficie de la película y pueden eliminarse reduciendo la viscosidad del polímero fundido. Esto se puede lograr aumentando la temperatura de fusión o añadiendo un lubricante interno a la composición del material. ^{[ 12 ]}
• Variaciones de espesor en la película: esto se puede evitar centrando la boquilla en la línea de extrusión antes de cada ciclo, ajustando la velocidad del aire del sistema de enfriamiento o utilizando labios de boquilla calefactados. ^{[ 12 ]}
• Líneas de extrusión en la superficie de la película: este defecto reduce el atractivo estético de la película, disminuye sus propiedades ópticas y debilita sus propiedades mecánicas, como la resistencia al desgarro. Esto generalmente se puede evitar limpiando periódicamente las superficies internas de la matriz y restaurando las superficies de flujo rayadas o rugosas. ^{[ 12 ]}
• Geles: estos defectos son pequeños glóbulos duros encapsulados en la película o adheridos a su superficie, que reducen el atractivo estético de la misma y provocan puntos de concentración de tensiones que pueden causar fallos prematuros. Estos defectos se producen por el sobrecalentamiento hasta el punto de degradación del polímero en el molde y, por lo tanto, pueden evitarse limpiando las superficies internas del molde periódicamente. ^{[ 12 ]}

Una forma de mejorar la eficiencia de la línea de extrusión de película soplada es implementar la coextrusión. Este es el proceso de extruir dos o más materiales simultáneamente a través de una sola boquilla. Los orificios en la boquilla están dispuestos de tal manera que las capas se fusionan antes del enfriamiento. ^{[ 2 ]} Este proceso ahorra tiempo porque extruye dos o más capas al mismo tiempo y proporciona un método con menos pasos para producir películas multicapa. La tasa de producción para una película multicapa coextruida de tres capas es de aproximadamente 65 m/min, ^{[ 13 ]} y la tasa de producción para una sola capa de película soplada es de aproximadamente 130 m/min. ^{[ 11 ]} Por lo tanto, para producir 10 000 m de una película multicapa de tres capas, se necesitarían casi 4 horas utilizando un proceso de película soplada de una sola capa, y solo 2 horas y media utilizando el proceso de coextrusión. Además, la película producida a partir del proceso de una sola capa requeriría un paso adicional para pegar las capas utilizando algún tipo de adhesivo. La coextrusión es el método menos costoso para producir películas en capas y el sistema de coextrusión permite cambios rápidos para minimizar el tiempo de inactividad de la línea de producción. ^{[ 14 ]}

La eficiencia de la extrusión de película soplada se puede mejorar minimizando la temperatura del polímero fundido. La reducción de la temperatura de fusión hace que el polímero fundido requiera menos calentamiento en la extrusora. Las condiciones normales de extrusión tienen una temperatura de fusión de aproximadamente 190 °C ^{[ 15 ],} a pesar de que la temperatura del polímero fundido solo necesita ser de unos 135 °C ^{[ 7 ]} . Sin embargo, no siempre es práctico disminuir la temperatura de fusión en esa medida. Al disminuir la temperatura de fusión entre 2 y 20 °C, la carga del motor puede disminuir entre un 1 y un 10 % ^{[ 16 ]} . Además, la reducción de la temperatura de fusión reduce la necesidad de refrigeración, por lo que se reduce el uso del sistema de refrigeración. Asimismo, la eliminación del calor de la burbuja suele ser el factor limitante de la velocidad en este proceso de extrusión, por lo que al tener menos calor en el polímero que eliminar, se puede aumentar la velocidad del proceso, lo que resulta en una mayor productividad. Una forma de mantener la temperatura de fusión al mínimo es elegir una extrusora que se ajuste a las condiciones de procesamiento específicas, como el material de la fusión, la presión y el caudal. ^{[ 12 ]}

Normalmente, las soluciones para las fracturas por fusión implican disminuir la producción o aumentar la temperatura de fusión para reducir el esfuerzo cortante en la extrusora. Ninguno de estos métodos es ideal porque ambos reducen la eficiencia de la línea de película soplada. Los labios de la boquilla de extrusión calentados pueden resolver este problema. Este método de calentamiento selectivo permite que las extrusoras de película funcionen a mayores tasas de producción con aberturas de boquilla más estrechas, eliminando al mismo tiempo las fracturas por fusión. ^{[ 17 ]} Se aplica calor directo a la superficie del polímero fundido a medida que sale de la boquilla para reducir la viscosidad. Por lo tanto, las fracturas por fusión, que se producen al intentar extruir demasiado polímero a la vez, ya no serán un factor limitante para aumentar la tasa de producción. ^{[ 17 ]} Además, los labios de la boquilla calentados consumen menos energía que aumentar la temperatura de fusión porque solo se calienta la superficie del fundido y no la mayor parte del líquido. Otra ventaja de usar labios de boquilla calentados es que se pueden controlar las variaciones de espesor añadiendo calor a ciertas áreas a lo largo de la circunferencia de la boquilla para hacer que la película en esa posición sea más delgada. Esto garantizaría que no se utilice material en exceso. ^{[ 18 ]}

• Película agrícola
• Bolsas
• Embalaje industrial, film retráctil ^W , film estirable
• Envases para el consumidor, envoltorios para alimentos, envases para transporte (mostrados en la Figura 3)
• Laminación de película ^W
• Película de barrera
• Película multicapa ^W
• Se han realizado investigaciones para explorar la incorporación de la extrusión de película soplada en la fabricación a gran escala de películas de nanotubos de carbono ^W y nanocables ^{W [ 19 ] [ 20 ].}