Blown film extrusion/es

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La extrusión de película soplada es el método más común para fabricar películas de plástico ^W , especialmente en la industria del embalaje ^{[ 1 ]} . El proceso consiste en extruir un tubo de polímero fundido ^W a través de una matriz e inflarlo varias veces su diámetro inicial para formar una burbuja fina. Esta burbuja se colapsa y se utiliza como película plana o para fabricar bolsas. Generalmente, se utiliza polietileno ^W en este proceso, aunque también 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.

sobre

Durante el enfriamiento de la extrusión de película soplada, la masa fundida amorfa y transparente ^(W ) cristaliza ^(W) para formar una película translúcida, turbia u opaca. El punto donde comienza la opacidad en la burbuja se conoce como línea de escarcha.

La altura de la línea de congelación se controla mediante 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, pero muy difícil en la dirección transversal.

El proceso de soplado de película

Normalmente, la extrusión de película soplada se realiza verticalmente hacia arriba; sin embargo, los procesos de extrusión horizontal y descendente son cada vez más comunes ^{[ 3 ] [ 2 ].} La Figura 2 muestra un esquema del proceso de 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 viscoso continuo. ^{[ 4 ] Este} plástico fundido luego se fuerza o extruye ^a través de una matriz anular.
2. Se inyecta aire a través de un orificio en el centro del molde ^W , y la presión hace que la masa fundida extruida 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 el molde y un anillo de enfriamiento sopla aire sobre la película. La película también puede enfriarse desde el interior mediante refrigeración interna 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. Durante esta etapa, la película puede cortarse para formar una o dos películas, o bien, recibir un tratamiento superficial. ^{[ 2 ]}

Ventajas

La película soplada generalmente presenta un mejor equilibrio de propiedades mecánicas que las películas fundidas o extruidas, ya que se estira tanto en dirección transversal como en 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. La casi uniformidad de las propiedades en ambas direcciones permite una tenacidad máxima en la película. ^{[ 1 ] [ 5 ]}

La extrusión de película soplada permite producir una película grande, dos más pequeñas o tubos que se pueden convertir en bolsas. Además, una sola matriz permite producir diversos anchos y tamaños sin un recorte significativo. Esta alta flexibilidad del proceso se traduce en menos material de desecho y una mayor productividad. Las películas sopladas también requieren temperaturas de fusión más bajas que la extrusión por colada. Medida en la abertura de la matriz, la temperatura de la película colada es de aproximadamente 220 °C, ^{[ 6 ]} mientras que la temperatura de la película soplada es de aproximadamente 135 °C. ^{[ 7 ]} Además, el coste del equipo es aproximadamente el 50 % del de una línea de colada ^{W. [ 2 ]}

Desventajas

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 de calor específicas significativamente más altas que el aire que se utiliza en el proceso de enfriamiento de la película soplada. La mayor capacidad de calor específica ^W permite que la sustancia absorba más calor con menos cambios 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 del 1 al 2% frente al 3 al 4% de 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 una matriz estándar en 10 minutos de acuerdo con 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 películas fundidas son más altas: las líneas de películas fundidas pueden alcanzar tasas de producción de hasta 300 m/min, mientras que las líneas de películas sopladas suelen ser menos de la mitad de este valor. ^{[ 11 ]} Y, por último, la película fundida tiene mejores propiedades ópticas, incluidas la transparencia ^W , la opacidad y el brillo.

Problemas comunes

• Aire atrapado entre las capas de película y los rodillos: esto puede causar rayaduras o arrugas en la película, o problemas de procesamiento al enrollarla debido a la menor fricción. Una posible solución es usar un sistema de vacío para eliminar el aire atrapado o usar rodillos de bobinado con una ranura en forma de diamante en la cubierta de goma para aumentar la superficie y reducir la cantidad de aire atrapado en la película. ^{[ 2 ]}
• Grandes fluctuaciones de salida de la matriz: esto causa variaciones de espesor y se puede prevenir manteniendo limpia la extrusora y utilizando pellets con formas más uniformes en ella. ^{[ 12 ]}
• Fracturas por fusión: se presentan como rugosidades o líneas onduladas en la superficie de la película y pueden eliminarse reduciendo la viscosidad del polímero fundido. Esto puede lograrse 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 matriz en la línea de extrusión antes de cada ejecución, ajustando la velocidad del aire del sistema de enfriamiento o utilizando labios de matriz calentados. ^{[ 12 ]}
• Líneas de troquel en la superficie de la película: este defecto reduce el atractivo estético de la película, reduce las propiedades ópticas y debilita las propiedades mecánicas, como la resistencia al desgarro. Esto generalmente se puede evitar limpiando periódicamente las superficies internas del troquel y repintando las superficies de flujo rayadas o rugosas. ^{[ 12 ]}
• Geles: estos defectos son pequeños glóbulos duros encapsulados en la película o adheridos a su superficie, lo que reduce su atractivo estético y causa puntos de concentración de tensiones que pueden provocar fallos prematuros. Estos defectos se deben al sobrecalentamiento, que puede degradar el polímero en la matriz, y pueden evitarse limpiando regularmente las superficies internas de la matriz. ^{[ 12 ]}

Optimización del proceso

de coextrusión

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 matriz. Los orificios en la matriz están dispuestos de tal manera que las capas se fusionan antes de enfriarse. ^{[ 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 velocidad de producción para una película multicapa coextruida de tres capas es de aproximadamente 65 m/min, ^{[ 13 ]} y la velocidad 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 entre sí utilizando algún tipo de adhesivo. La coextrusión es el medio menos costoso de producir películas en capas y el sistema de coextrusión es capaz de realizar cambios rápidos para minimizar el tiempo de inactividad de la línea de producción. ^{[ 14 ]}

Minimizar la temperatura de fusión

La eficiencia de la extrusión de película soplada se puede mejorar minimizando la temperatura de la masa fundida del polímero. La reducción de la temperatura de la masa fundida hace que esta 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 de la masa fundida solo necesita ser de aproximadamente 135 °C. ^{[ 7 ]} Sin embargo, no siempre es práctico disminuir la temperatura de fusión en esa cantidad. Al disminuir la temperatura de la masa fundida de 2 a 20 °C, la carga del motor puede disminuirse en aproximadamente un 1 a 10 %. ^{[ 16 ]} Además, la reducción de la temperatura de la masa fundida causa una menor necesidad de enfriamiento, por lo que hay un uso reducido del sistema de enfriamiento. Además, la eliminación de 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 para eliminar, se puede aumentar la velocidad del proceso, produciendo así una mayor productividad. Una forma de mantener la temperatura de fusión al mínimo es elegir una extrusora que se adapte a las condiciones de procesamiento específicas, como el material de la fusión, la presión y el rendimiento. ^{[ 12 ]}

Labios de matriz de extrusión calentados

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

Aplicaciones

• Película agrícola
• Bolsas
• Embalaje industrial, film retráctil ^W , film estirable
• Embalajes de consumo, envolturas de alimentos, embalajes de transporte (mostrados en la Figura 3)
• Película laminada ^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 ]}

Referencias