Películas plásticas orientadas en dirección de la máquina (ODM)

INTRODUCCIÓN
En el proceso ODM (MDO, en inglés), una película, tubo o lámina de polímero se estira uniaxialmente en la dirección de la máquina. la ODM es también comúnmente vista como el primero de dos pasos asociados con películas biaxialmente orientadas, con la segunda etapa siendo la sujeción en un marco, lo que estira la película en la dirección transversal.

La orientación de la dirección de la máquina (ODM) de películas plásticas proporciona mejoras en la rigidez, resistencia, óptica y barrera y se ha practicado comercialmente durante décadas. La ODM está siendo utilizado para producir películas para una amplia gama de aplicaciones y mercados, incluyendo embalaje de alimentos, médicos e industriales. Debido a los fuertes impulsores económicos, las empresas están utilizando películas ODM a un ritmo cada vez mayor (1, 2). La mejora de las propiedades mecánicas permite la reducción del espesor de una película actual, que es el uso más común de películas ODM.

Además, las películas ODM pueden usarse para reemplazar un sustrato menos deseable, tal como uno que es más costoso, es más difícil de obtener, es menos receptivo a la tinta, tiene un rendimiento más bajo (m2/kg) y/o  es menor amigable con el medio ambiente. También, a través del uso de diversos polímeros y tecnologías de extrusión de pelıcula, se puede usar la ODM para producir una única pelıcula que tiene la combinación deseada de propiedades que de otro modo solo podıan alcanzarse a través de un proceso secundario más costoso, tales como laminaciones o revestimientos.

PASOS DEL PROCESO DE ORIENTACIÓN EN LA DIRECCIÓN DE LA MÁQUINA
Hay cuatro pasos principales para el proceso de ODM, como se muestra en la Figura 1 (3).

Figura 1. Esquema de un MDO. El equipo consiste en el precalentamiento (PH), el arrastre lento y rápido (SD, FD) y el termofijado (A) y el enfriamiento (C). Los rodillos de presión se muestran en PH-1, SD, FD, A-1 y C-2.

La figura 2 es una fotografía de una unidad de ODM a escala comercial y su respectivo desenrollador. 

Precalentamiento (PH). La función de la sección de precalentamiento es calentar uniformemente la película a la temperatura de orientación deseada. Esto debe hacerse sin generar arrugas o dañar la superficie de la película.

Estiramiento (SD, Slow Draw, FD, Fast Draw). Después del precalentamiento, la película se orienta entre los rodillos de estiramiento lento y rápido. En esta etapa, el rodillo de estiramiento rápido está girando a una relación especificada más rápidamente que el rodillo de estiramiento lento. La separación entre estos rodillos puede ser ajustable para procesar una amplia variedad de películas. Típicamente, la pelıcula puede estar orientada a una proporción tan alta como 10: 1 en una sola sección de estiramiento. Relaciones más altas son posibles, pero dependen del diseño del equipo, la selección del polímero y la estructura de la película.

Termofijado (A). La tercera sección de una ODM consiste en los rodillos de termofijado. Esta sección estabiliza térmicamente las propiedades de la película, tales como el porcentaje de encogimiento. Por ejemplo, el termofijado de la película a una temperatura elevada le permite relajarse, minimizando el porcentaje de contracción cuando la película se expone a temperaturas elevadas, como es el caso del proceso de formación de bolsas planas o bolsas preformadas. Por el contrario, inmediatamente Enfriar la película en la sección de recocido impide la relajación de la película. El esfuerzo residual en la película hace que se contraiga cuando se expone a temperaturas elevadas. Esta característica es deseable en varias aplicaciones, tales como el embalaje termoencogible y las etiquetas termoencogibles de las botellas.

Enfriamiento (C). La sección de enfriamiento es la última etapa en la ODM, donde la película se enfría a la temperatura casi ambiental para el rebobinado.

DISEÑO DE LOS COMPONENTES DE UNA LÍNEA ODM
La línea de producción de ODM consta de los siguientes componentes (3):

• Desenrollador
• Unidad ODM
• Equipos auxiliares, tales como tratadores, medidores de perfil y sistemas de refilado de bordes
• Rebobinador

MEJORA DE LAS PROPIEDADES DE LA PELÍCULA
La OMD mejora en gran medida las propiedades mecánicas de las películas de polímeros (4-8). La Tabla 1 muestra las relaciones tıpicas entre los cambios en las propiedades de la pelıcula a medida que se relacionan con la relación creciente de estirado.

Tabla1. Relación Entre los Cambios en Películas Poliméricas ODM con Respecto a una Tasa de Estiramiento Creciente

El módulo de la película de polímero puede aumentar significativamente con la creciente relación de estiramiento (4-6), y en algunos casos 10 veces en la dirección de la máquina y casi dos veces en la dirección transversal (4, 5). Se observaron magnitudes similares de cambio en la resistencia a la rotura en la dirección de la máquina (4).

Las propiedades de barrera también mejoran significativamente: las tasas de transmisión de vapor de agua se redujeron en casi un 70% para PEAD ODM (6), y las tasas de transmisión de oxígeno disminuyeron en más del 40% en películas coextruidas de PEBDL/adh/EVOH/adh/PEBDL. Además, la película ODM tenía una barrera al oxígeno 70% superior a una humedad relativa alta (90% HR) cuando se comparaba con la película no estirada (7).

Para las películas bimodales PE-APM, las tasas de transmisión de oxígeno y humedad pasan por un máximo, en relación con el aumento de la relación de estiramiento, antes de disminuir significativamente a tasas mayores de estiramiento (8). Las películas más complicadas ODM rivalizan con las propiedades de barrera de oxígeno y humedad de los menos deseables revestimientos y laminaciones que contienen PVdC y películas metalizadas (2).

Estos ejemplos demuestran cómo se puede usar la ODM no sólo para proporcionar una alta barrera, sino también para afinar las propiedades de barrera de las películas de polímeros.

Las propiedades ópticas mejoran significativamente después de la orientación. Para PEAD, el brillo aumentó en más del 70%, mientras que la nubosidad disminuyó casi un 60% a una relación de estirado de 6: 1 (6). Para la pelıcula PEBDL/adh/EVOH/adh/PEBDL, el brillo aumentó en un 60% y la opacidad disminuyó más del 70% a una relación de estirado de 6,5:1 (7).

Típicamente, la resistencia al impacto por dardo y al desgarre en dirección de la máquina disminuyen con el aumento de la relación de estiramiento. Las estructuras de pelıcula especialmente formuladas pueden tener resistencias a la rotura aceptables para una aplicación dada, al tiempo que obtienen varios de los beneficios mencionados anteriormente del procedimiento ODM (5). Un trabajo adicional también ha demostrado que a través del diseño de la película, la relación entre el impacto por dardo y la relación de estiramiento se puede invertir, produciendo películas que tienen una resistencia al impacto por dardo creciente con una relación de estiramiento creciente (1).

BENEFICIOS ECONÓMICOS DE UTILIZAR PELÍCULAS ODM
Los costes de embalaje pueden reducirse significativamente, a menudo con una mejora en el desempeño, mediante la utilización de películas ODM. Tres maneras en que las películas MDO pueden reducir los costos de envasado son (2):

• Reducir el espesor de una película actual
• Sustitución de películas menos deseables
• Reducir o eliminar los pasos adicionales necesarios para la producción de un embalaje flexible

Para el primer escenario, las mejoras en el módulo pueden permitir que un convertidor reduzca el espesor de una película utilizada en una estructura, tal como una capa sellante para una bolsa parable, sin comprometer la rigidez estructural del envase.

Típicamente, esta estructura consiste en una película sellante laminada a una película más rígida impresa por el revés. Los fabricantes de bolsas están limitados en la reducción del espesor de la película de sellado por los requisitos de rigidez necesarios para la característica parable del empaque. A través de la ODM, se puede aumentar la rigidez de la película de sellado, manteniendo al mismo tiempo las propiedades de sellado, permitiendo al convertidor utilizar una película sellante mas delgada sin comprometer el desempeño. La Tabla 2 muestra un ejemplo de una pelıcula sellante de ODM, cuando se compara con una pelıcula sellante convencional, que captura un aumento significativo del rendimiento con mejoras en las propiedades mecánicas y ópticas.

Tabla 2. Datos Típicos para una Película Sellante Convencional y una Película Sellante ODM Mas Delgada

Cuando se comparan las pelıculas mas delgadas ODM y las pelıculas de sellado genéricas, la pelıcula ODM proporciona un aumento del rendimiento del 32%, un aumento de casi 800% en el módulo en DM, un aumento de mas del 500% en la resistencia a la rotura en DM, una reducción de 40 % en la resistencia en DT, opacidad similar, y mejor brillo. Esta película forma un sello con resistencias de aproximadamente 2.27 kg (5 lb) a una temperatura de sellado de 121°C (250 °F).

Un ejemplo para el segundo escenario sería reemplazar una película de poliéster con una película de poliolefina ODM. Un caso específico implica reemplazar una película de PET de 12 micrones (0.48 mil) con una película de poliolefina de 15 micrones (0.6 mil) (2), como se muestra en la Tabla 3.

Tabla 3. Datos Típicos para una Película Orientada de PET y una Película de Poliolefina ODM

Mientras que el calibre de la película de poliolefina es 25% más pesado, el rendimiento (m2/kg) se mejora en un 15%. Esto se debe a la diferencia en las densidades de los dos polímeros. Los beneficios adicionales incluyen un aumento del 90% en la resistencia a la rotura en DM, un desgarre anisotrópico que resulta en mejores características de desgarro en línea recta, la naturaleza hidrófoba inherente de la poliolefina y una película termosellable.

Deben reconocerse deficiencias significativas de la película de poliolefina ODM, e incluyen la falta de estabilidad térmica a temperaturas elevadas, una mayor opacidad, una barrera de oxígeno inferior y unas propiedades de tracción inferiores en DT. Como resultado, algunas aplicaciones pueden utilizar la película de poliolefina ODM y capturar el beneficio de rendimiento, mientras que otras pueden estar limitadas por las deficiencias de la película de poliolefina ODM.

Las películas de alta barrera para las capas sellantes o los reemplazos de laminación son una tercera aplicación en la que las películas ODM pueden utilizarse para reducir significativamente los costos de embalaje (2).

Estas películas se utilizarían para reducir los costes en las aplicaciones de bolsas en las que las propiedades inherentes de las películas ODM, tales como mejores módulo, barrera, resistencia y brillo agregan valor al empaque acabado y reducen los costos del empaque reduciendo la necesidad de procesos secundarios. El siguiente ejemplo de una película ODM de alta barrera sellable combina una excelente barrera contra la humedad y el oxígeno, buena capacidad de termosellado, alta rigidez, alto brillo y baja opacidad (Tabla 4).

Tabla 4. Propiedades de una Película ODM de Alta Barrera Sellable para el Reemplazo de una Estructura de Barrera Laminada en Embalaje Flexible (2)

Las propiedades de tracción de la película son significativamente mayores que las de las estructuras laminadas de poliéster . Además, la superficie de alto brillo es similar a, si no mejor que, otras películas impresas de grado laminación y proporciona una estética excelente al empaque.

Esta película tiene propiedades de barrera contra el oxígeno y la humedad similares a las de muchas películas recubiertas y metalizadas (9-11), como se muestra en la Figura 3.

Figura 3. Tasas de transmisión de agua y oxígeno para varias películas de polímero. Datos para todas las películas distintas de la película ODM de las referencias (9-11). Datos para la película de ODM tomada de la referencia (2).

CONCLUSIÓN
La orientación de la dirección de la máquina (ODM) de películas de polímeros proporciona mejoras significativas tanto en el costo como en el desempeño del embalaje flexible. Los aumentos significativos en la rigidez, fuerza, óptica, y la barrera se alcanzan fácilmente con ODM. Cada sección de la unidad ODM es crítica para la producción de películas de alta calidad, cada una de las cuales requiere una consideración cuidadosa durante el proceso de diseño del equipo. La utilización de películas ODM puede reducir los costos de embalaje a través de la reducción del espesor, reemplazo de películas menos deseables y/o la reducción de la la necesidad de procesos secundarios más costosos en la fabricación de embalaje flexible.

REFERENCIAS,
MACHINE DIRECTION ORIENTATION
D. RYAN BREESE, Eclipse Film Technologies, Hamilton, Ohio
ERIC HATFIELD, Vice President, MDO Engineering, Cincinnati, Ohio

A. L. Brody, and K. L. Marsh, The Wiley Encyclopedia of Packaging Technology, 3rd edition, John Wiley & Sons, New York, 2009, p. 685.

Bibliografia,
1. K. L. Williams, G. Laverde, R. Wolf, and D. R. Breese, Economic benefits of machine direction orientation, SPE Polyolefins RETEC Conference, 2005.
2. D. R. Breese, Economic benefits of utilizing MDO films in flexible packaging, TAPPI PLACE, 2007.
3. E. Hatfield, Some of the important design requirements of a machine direction orientor (MDO) Machine, TAPPI PLACE, 2007.
4. D. R. Breese, G. Beaucage, and K. L. Williams, Modeling the effects of solid state orientation of blown high molecular weight high density polyethylene films: A composite theory approach, SPE ANTEC, 2005.
5. D. R. Breese and J. J. Strebel, Balancing tear strength and modulus of machine direction oriented films containing high molecular weight polyethylene, SPE FlexPackCon, 2006.
6. E. Hatfield, R. Tate, K. L. Williams, and B. Todd, New MDO Medium molecular weight high density polyethylene films, SPE ANTEC, 2001.
7. E. Hatfield and D. R. Breese, Step change improvements in barrier using MDO, TAPPI 2006 Innovations in Barrier Packaging, 2006.
8. D. R. Breese, and G. Beaucage, Effects of machine direction orientation on the moisture and oxygen barrier properties of HMW-PE films, TAPPI PLACE Conference (2005).
9. S. E. M. Selke, J. D. Cutler, and R. J. Hernandez, Plastics Packaging: Properties, Processing, Applications, and Regulations, 2nd edition, Hanser, Munich, 2004.
10. A. L. Brody, and K. L. Marsh, The Wiley Encyclopedia of Packaging Technology, 2nd edition, John Wiley & Sons, New York, 1997.
11. O. Vetter, Trends and opportunities in the European clear barrier market, TAPPI PLACE, 2006.