Films coextruidos para envasado de leche UHT

Unas semanas atrás leí en este blog un artículo muy técnico y detallado (escrito por Héctor Touzet) sobre el uso de films coextruidos para leche UHT, ahora me gustaría compartir con ustedes 7 años de experiencia en el proceso de fabricación de este tipo de láminas y la interacción con las plantas envasadoras. Debo hacer hincapié que los detalles que mencionaré están relacionados a films coextruidos utilizando solo PE y los films llamados de alta barrera que utilizan Poliamida y/o EVOH en su construcción, ya que los problemas que mencionaré no discriminan el tipo de coextrusión ni los materiales usados para la fabricación del film.

La principal falla de los films coextruidos para envasar leche UHT es el mal sellado en el proceso de envasado o la presencia de fugas y micro fugas

Posibles causas:

• Desgaste de las mordazas de sellado vertical u horizontal de las envasadoras. Este defecto no es exclusivo de este tipo de envasadoras, pero sí es más evidente en este tipo de producto, por obvias razones. La solución no es compleja, y teniendo un juego de recambio se resuelve rápidamente, pero esto debe estar acompañado de un proceso de mantenimiento preventivo para reducir o eliminar esta potencial causa.
• Variación del espesor del film. Las envasadoras se calibran para sellar un determinado espesor, al variar el espesor hacia arriba no permite que el calor funda el material y selle completamente, dejando la apariencia de un buen sellado pero luego con la manipulación y transporte se presenta el problema. Cuando el espesor es menor a lo especificado la temperatura a la que es expuesta logra quemar el film dejando la evidencia de zonas carbonizadas y con potenciales fugas más adelante. La industria siempre fijo como tolerancia máxima para el espesor +/- 10%, que con equipos de coextrusión con control automático de espesor es sencillo cubrir. Pero el mayor problema es la baja estandarización en el proceso de medición del espesor en los usuarios el film, desde usar micrómetros posiblemente sin calibrar, hasta no tener clara la muestra que se debe de tomar, es más, considerar la tolerancia de +/- 10% también se presta a interpretaciones. Mi recomendación en este punto es dejar de utilizar equipos manuales como los micrómetros y pasar a pruebas de laboratorio en equipos de banco especialmente diseñados para tomar las muestras representativas y entregar los valores de desviación estándar del espesor. Les puedo asegurar que es mejor invertir en un buen equipo de medición y diseñar un protocolo correcto en conjunto con su convertidor antes que arruinar miles de litros de leche y poner en riesgo la salud de sus clientes. En mi experiencia hemos manejado coextrusoras de 7 capas, del fabricante Macro Engineering de Canadá en coextrusiones con EVOH, haciendo films para leche con films de 1250 mm de ancho y 100 u de espesor a 500 Kg/hora con control automático de espesor en el cabezal entregando variaciones de espesor cercanas al +/- 2% 
• Presencia de elementos extraños (grumos) en el film. Como parte del proceso de extrusión es común encontrar cuerpos extraños, en muchos casos imperceptibles, estos cuerpos alteran el espesor y estos elementos pueden ser causados por:
• Material quemado retenido en el cabezal o los extrusores. Los presencia de materiales quemados en cabezal y extrusores se origina en la mayoría de los casos a paradas intempestivas o no programadas o lo que es peor un mal procedimiento de parada del coextrusor. Siempre es recomendable una vez al año hacer una parada, desmontar el cabezal y extrusores y limpiarlos en caliente y una cantidad constante de ayuda proceso siempre es conveniente
• Material no fundido correctamente
• Colorante negro o blanco con una granulometría incorrecta
• Mala calidad de las resinas en cuanto a presencia de agentes extraños
• Algunas fábricas utilizan carga mineral como carbonatos para mejorar la opacidad y bajar costos en colorantes. No es mala idea pero tiene este riesgo, particularmente no lo recomiendo.
• Uso inadecuado de tinta o barniz de sobreimpresión. En realidad puede parecer extraña esta causa por lo cual paso a explicarla. Cuando la tinta o el barniz de sobre impresión no son los correctos, además de ser notorio por el defecto conocido como sangrado de tinta, y que ya es causa de no conformidad visual, genera un problema luego de la pasar el film por la tina de peróxido de hidrógeno, esto hace que la superficie impresa sea pegajosa y a su vez hace que el film no deslice correctamente haciendo que se estire en algunas zonas y no permite un correcto sellado. Existen protocolos para realizar estas pruebas en las prensas de impresión ampliamente conocidos.
• Temperatura y concentración inadecuada del Peróxido de Hidrógeno (H2O2). Las tinas que contienen esta solución que sirve para garantizar la inocuidad del film, tienen que estar correctamente calibradas y el control de la concentración también es importante. Esta condición podría generar las consecuencias mencionadas en el punto anterior.
• El factor humano. Todo el proceso desde la fabricación y envasado se puede hacer con equipos de última tecnología, pero la interacción humana es necesaria y es ahí donde es sumamente importante que durante todo el proceso haya un alto nivel de involucramiento de todos los protagonistas y ojo no estamos diciendo que llenemos la planta de supervisores, porque la pregunta que surge es ¿Quién supervisa a los supervisores, además es literalmente imposible instaurar un mecanismo de control de calidad para los millones de metros que se producen. Es por eso que los modelos de mejora continua, TPM, Lean Six Sigma, entre otros funcionan y además empoderan a todos los protagonistas del proceso, con lo cual bajamos las probabilidades de errores.

Las fugas en las bolsas de leche que son visibles nos permiten implementar acciones de contención para que el problema no llegue al mercado, pero las micro fugas, esas que no vemos ni siquiera apretando con energía una bolsa de leche son las más peligrosas. Les explico porque, luego que se envasa la leche están se colocan dentro de bolsas plásticas que pueden contener 25 o 30 unidades, depende del envasador, y estas a su vez van dentro de una caja de cartón corrugado, se apilan sobre un pallet de madera y pasan a la cuarentena.

Dependiendo del envasador pueden estar de 4 a 7 días, luego pasan inspección y detectan que una caja en la parte inferior esta mojada, de inmediato esto hace que todo el pallet pase a observación, se revisa la caja inferior y detectan que ninguna bolsa tiene fugas, es mas la bolsa secundaria tampoco tiene rastros de leche, eso que significa que alguna de las cajas superiores es la causante del problema. Paso seguido se tienen que desempacar todos las cajas y revisar bolsa por bolsa manualmente. 

Si la micro fuga es reciente solo afectará algunas cajas, pero si la micro fuga ya tiene unos días el olor que se produce por la leche en descomposición terminar afectando al pallet completo ya que se impregna sobre las otras bolsas que están en buenas condiciones. Eso implicará que la leche que está en buenas condiciones tendrá que ser reprocesada y la responsable de todo esto fue una micro fuga en una bolsa que puede terminar afectando a 1000 más, es por eso que las acciones preventivas, controles en línea y uso de equipos de última tecnología en coextrusión son la única forma de reducir la probabilidad que se presente este problema. Es probable que haya omitido alguna otra causa potencial. En una siguiente entrega haré una reflexión sobre la tecnología y la gestión de procesos.

Mario Llirod
28 Diciembre 2017

Mercado de peliculas sopladas - Las bolsas comerciales

Las películas coextruídas se convertirán en una fuerza?

Hace menos de 10 años, este era un negocio manejado principalmente por estructuras de PEBDL de una sola capa. Hoy en día, el  PEAD - APM (polietileno de alta densidad - alto peso molecular) tiene más o menos el 80% del peso, un cambio que se explica por la capacidad inherente del alta densidad para ser adelgazado. Sin embargo, una gran mayoría de las películas para bolsa de comestibles es aun procesada en líneas monocapa. Por ejemplo, la mayoría de los convertidores locales, siguen fabricando productos de una sola capa.

Como lo han hecho durante años, los proveedores de maquinaria parecen convencidos de que este mercado con el tiempo ira a multicapa. No hablamos de una estampida, pero la coextrusión está incursionando en la producción de las bolsas comerciales, y sospechamos que seguirá conforme las líneas mayores sean reemplazadas. No necesariamente por razones de rendimiento, sino mas bien por apariencia y tacto. Una estructura de tres capas con LLDPE en el exterior y en el interior y PEAD-APM en el medio puede ser suave y brillante y sin embargo lo suficientemente rígido para ser adelgazada hasta 12 micrones de espesor. En otros países cuando el mercado de  bolsa de comestibles estaba con un exceso de oferta, los procesadores con capacidad de coextrusión generalmente consiguieron el negocio.

A pesar de todas las ventajas de las estructuras multicapa, algunos fabricantes de maquinaria advierten a los procesadores tener cuidado con la disposición de las capas: El PEBDL como una capa externa que comprenda el 15% del espesor total puede causar grandes problemas en la formadora de bolsas. Si la temperatura de las barras de sellado está demasiado alta, la película se pegara y no sellara. Si esta demasiado baja, no se pegara, pero tampoco sellara.

Otro fabricante de maquinas, también ve a la coextrusión convertirse en una fuerza importante en este negocio. La tendencia se moverá hacia películas coextruídas simplemente debido a la flexibilidad que ofrece el proceso de hacer diferentes y mejores productos. El mercado ha madurado hasta el punto en que los supermercados y otros grandes clientes reconocen el desempeño superior que ofrece una bolsa coextruida.

Pero que los procesadores de películas opten por la coextrusión o sigan con las estructuras probadas de una sola capa, podría depender de cuan buenos son los proveedores de resina para hacer frente a la debilidad principal del PEAD-APM - susceptibilidad al desgarre en dirección de la máquina. Los fabricantes de resinas confían en que pueden modificar las resinas para mejorar la resistencia al impacto Dart y el modulo. También pueden mejorar la resistencia al desgarre en DM bajando la densidad del material aunque así la rigidez disminuye.

El tamaño importa
Otra tendencia a seguir es el aumento de tamaño del extrusor. En los últimos años, los principales fabricantes de extrusores han introducido máquinas más grandes destinadas a este mercado. Las tasas de producción son ahora de 400 kg / hr y mucho más. La máquina estándar solía ser 80 mm diam., Ahora está en el rango de 100 mm. Los diámetros de los cabezales, asimismo, han  aumentado desde 200 mm hasta 275 mm.

El cambio a "más grande es mejor" esta impulsado por varios factores. Por un lado, la mayoría de los procesadores de hoy en día quieren extrusión de película "en tres filas", lo que significa que ellos extruyen en anchos de tubo plano de 1500 mm (60 pulgadas) y cortan el tubo colapsado dos veces para crear tres carriles. Tal sistema requiere un extrusor con más capacidad de bombeo y un cabezal de mayor diámetro.

 

Los extrusores de mayor producción, a su vez, afectan directamente a la forma en que necesitas enfriar la película. Las burbujas angostas de un carril pueden salir sin enfriamiento interno de la burbuja, pero el enfriamiento interno de burbuja (IBC, en ingles) es obligatorio para algo más grande. Cualquiera que sigue tratando de competir con equipos sin IBC está condenado al fracaso. No se puede conseguir velocidad de producción sin este.

Algunas procesadores establecidos de bolsas de comestibles han explorado producir con lineas de cuatro carriles como una forma de mejorar la productividad. Pero los fabricantes de maquinaria, advierten a los no iniciados no intentarlo. "Cuatro carriles en una bobina de 2000 mm de ancho no es viable. A mas ancha la bobina, más fuertes tienen que ser los ejes de la rebobinadora. En cuatro carriles, estamos hablando de una bobina de 2740 kgs, 1900 mm de ancho que es muy difícil de manejar. Algunos procesadores lo están haciendo, pero deben tener excelentes operarios." Con PEAD-APM especialmente, mientras mas ancha la burbuja, mayor es la probabilidad de que la película se arrugue y pandee, lo cual causa estragos en la impresión y la formación de las bolsas.

Referencias

Blown film strategies: with the right technology, you can go where the growth is

James J. Callari - Plastics Technology

Debut auspicioso de un sistema de película de 9 capas de GET

Establecido desde hace un poco menos de cuatro años en Shunde, Foshan, General Extrusión Technology (GET), está haciendo olas en la industria mostrando con éxito su primera línea coex de 9 capas, o llamémosla la primera línea sofisticada hecha por una empresa china de extrusión.

En una entrevista telefónica, el señor Jian Peng, gerente general de la compañía, dijo: "Esta línea coex de 9 capas fue adquirida en diciembre pasado por el mismo cliente que tiene nuestra primera línea coex de 7 capas. El 17 de junio, corrimos la línea para la aceptación de pre-embarque del cliente en nuestra empresa y la prueba fue todo un éxito. Tanto el cliente como nosotros estamos contentos con los resultados. Todavía recordaba la situación con este cliente hace unos dos años en nuestra primera corrida de la línea coex de 7 capas.

Tanto nosotros como nuestro cliente estábamos escépticos, pero esta vez nos sentimos muy confiados porque sabíamos que sería un éxito. Tanto las estructuras de película simétrica como asimétrica con tres capas de nylon y una de EVOH se probaron y nos tomo aproximadamente 100 kg de EVOH y 500 kg de nylon para satisfacer el requisito del cliente. En definitiva, es otro hito para GET. Ahora, tenemos juegos completos de tecnologías de extrusión de película soplada listos para satisfacer la mayoría de aplicaciones de embalaje flexible del mercado.

Nunca me hubiera imaginado que pudiéramos llegar a este punto tan rápido desde que arrancamos la empresa en menos de cuatro años. Siempre he creído que el éxito de la empresa se mide más por la tecnología, que por el tamaño. Queremos ser una empresa de tecnología y lo que estábamos haciendo en los últimos años han probado que estamos haciendo las cosas bien y seguimos haciendo eso. Muy pronto, nos estaremos moviendo hacia una instalación nueva de 8.000 metros cuadrados y estoy seguro de que esto nos ayudará a satisfacer la demanda creciente del mercado".

Este sistema de película soplada de 9 capas está equipado con nueve extrusoras de cañón liso de 60 mm de diámetro, un mandril en espiral de perfil bajo de 500 mm, un cabezal  de coextrusión de 9 capas, un anillo de aire Autoprofile con 116 zonas de control, arrastre oscilante horizontal, todos diseñados, fabricados y montados por GET. El sistema de control total de línea es proporcionada por Doteco de Italia, el medidor de espesor de barrera por Kundig de Suiza y los controles de IBC por Dr. Joseph de EUA.

Pelicula sellante para laminacion

Una película sellante de alto desempeño generalmente sera laminada a una película impresa por el revés de PPBO, PET, PA y usada en una aplicación de maquina formadora, llenadora, selladora vertical u horizontal.
A continuación detallamos la estructura:

El m-PEBDL (polietileno de baja densidad lineal metaloceno) de la capa interna reemplaza a los tradicionales ionómeros o EVAs (copolímero etileno acetato de vinilo) como capa sellante. este tiene una baja temperatura de iniciación de sello y excelente habilidad de flujo durante el sellado, por lo tanto encapsula cualquier contaminante (material extraño) presente en el área de sello. Esta resina permite sellos herméticos a prueba de fugas en una aplicacion de formar llenar sellar y una mayor velocidad de linea debido a su mejor sellabilidad. Mediante los alimentadores gravimétricos se adiciona a esta capa, deslizante (1.5 %), antiblock (1 %).
La capa media es una resina PEBDL convencional excepto por la adición de deslizante, antiblock y ayuda de proceso. Este ultimo mejora la procesabilidad en el extrusor, el deslizante migra hacia las capas externas.
El m-PEBDL de la capa externa se usa por su resistencia a los arañazos y sus superiores propiedades mecánicas, las cuales permiten alguna reducción de espesor de la estructura.
Esta estructura ha sido exitosamente coextruída en 750 de ancho de tubo plano, relación de soplado 3:1, espesor de 38 micrones, 390 kg/hora, lo cual equivale a una linea corriendo a 60 m/min. Esta tasa es también equivalente a 1.2 kg/mm de circunferencia de cabezal.


Mayores ahorros se pueden obtener si las capas externas se pueden dividir en dos para tener 12.5 % PEBDL, 12.5 % m-PEBDL cada una respectivamente, en una linea de cinco capas.

Copolímeros de polietileno para películas multicapa

Para los convertidores de películas que producen coextrusiones, recubrimientos por coextrusión y laminaciones, existe una amplia disponibilidad de copolímeros de polietileno.

Los comonómeros afectan la cristalización en el Polietileno de Baja Densidad (PEBD), disminuyendo su punto de fusión e incrementando su flexibilidad. Sus polaridades aumentan la fuerza de enlace en las películas compuestas. Diferentes comonómeros tienen varios efectos adicionales. Por ejemplo, los copolímeros de etileno con acrilatos o alcoholes lineales tienen mayor estabilidad térmica que los copolímeros de etileno acetato de vinilo (EVA).

Los copolímeros se clasifican de la forma siguiente:

Polares apróticos,
Este grupo incluye copolímeros de etileno con monómeros como acetato de vinilo, acrilato de metilo, etilo y butilo, así como varios anhidridos. Las aplicaciones son variadas: películas moldeo por soplado, moldeo por inyección, adhesivos termofundibles. Estos copolímeros pueden también ser usados en mezclas poliméricas para mejorar la elasticidad.

Polares próticos,
Estos incorporan grupos ácidos o hidroxílicos (ácido acrílico, ácido metacrílico, ácido maleico, alcohol vinílico) y se usan principalmente como sellantes o capas adhesivas en embalaje, así como agentes emulsificantes en mezclas poliméricas. los copolímeros ácidos son importantes por dos razones: los enlaces de hidrógeno entre los grupos ácidos forman sistemas en el fundido y en el solido; estos enlaces mejoran la resistencia de las lineas de soldadura y el pegado en caliente cuando la resina se pega a si misma; y los grupos ácidos pueden también reaccionar químicamente con otros grupos funcionales en otros materiales, de manera que las resinas son usadas para producir compuestos de alta resistencia con plásticos metales, cartón y papel.

Los terpolímeros que incorporan comonómeros próticos y apróticos son mas blandos y pegajosos que los copolímeros; el uso de estas resinas permite una reducción adicional en las temperaturas de sellado en la operación de empaque.

Iónicos,
Los ionómeros se producen neutralizando los copolímeros ácidos con sales metálicas basadas en sodio o zinc, estas resinas tienen estructuras sistémicas que se rompen bajo calor. Las temperaturas de sellado son menores que las de los copolímeros acidos y mejores propiedades mecánicas (particularmente la resistencia a la punción). También aumenta la absorción de agua. Las resinas de ionómeros, se pueden usar en películas monocapa así como en multicapa.

Linea de película estirable (stretch) de 50 capas

SpecialChem - 30.12.2010

En su planta de Novara, la compañía italiana Colines SpA, esta exhibiendo una linea de película estirable de 50 capas ‘JUMBOrollEX® 2000’ desde el 17.01 al 21.01. Trabajando a una velocidad mecánica de 1000 m / min, la linea de 2000 mm de ancho puede producir 1800 kg de película por hora. El sistema de coextrusión y paletizado en linea esta optimizado para producir película estirable de 50 capas en el ancho deseado. Para mantener la uniformización de las capas, varios extrusores alimentan los flujos fundidos dentro de un bloque de alimentación (feedblock) optimizado, el cual es después introducido dentro de un dispositivo "multiplicador de capas"  - aquí las capas son multiplicadas en fases. Para ponerlo simple, por ejemplo 3 capas son multiplicadas en 12, las cuales luego son multiplicadas en 48.

Ventajas de la coextrusion de peliculas

La coextrusión se emplea por 3 razones:

1. Mejora del comportamiento de conversión 
2. Reducción de costos 
3. Mejora de la calidad

1. Mejora del comportamiento de conversión

• Mejora de la sellabilidad 
• Mejora de propiedades de conversión 
• Manejo de empaques

Mejora de la sellabilidad

• Si las capas sellantes son de EVA, PEBDL, m-PE, se pueden obtener mayores velocidades de operación en las selladoras de bolsas y también una mejor calidad de sello. 
• Se puede usar un ionómero para sellar en partes contaminadas con grasa o aceite. 
• Si queremos que la capa externa no se pegue a la mordaza de sellado, podemos usar PEMD, PEAD, PA, PET.

Mejora de propiedades de conversión

• En las máquinas selladoras y envasadoras automáticas, es importante que la película se transporte y manipule bien. Este requerimiento se puede satisfacer usando PEMD o PEAD como capa central o externa, ya que estos materiales son rígidos y corren mejor en la máquina. 
• En máquinas FLLS, es importante que la película se mantenga plana y que no se ondule. Esta ondulación se produce en estructuras asimétricas como PEBD/PEAD, pero se puede usar estructuras simétricas como PEBD/PEAD/PEBD.

Manipulación de empaques

• La coextrusión ofrece la posibilidad de producir estructuras que satisfacen determinadas necesidades.
• Los sacos se pueden hacer apilables con una capa externa de EVA o una capa rugosa espumada externa. 
• Para que las bolsas puedan trabajar en operaciones secundarias se requiere una capa lisa de PEAD o PEBD con alto contenido de deslizante.

2. Reducción de costos

Costos de producción,

• Por ser un proceso de una sola etapa, es mas barato que la laminación y el recubrimiento.

Costos de materia prima, se obtienen de diversas formas:

• Reducción de espesor total 
• Usando capas de polímeros de menor precio o mejores propiedades.

3. Mejora de la calidad

• La razón principal para la coextrusión es combinar las propiedades deseables de los componentes individuales en una película para aumentar la calidad de esa película. 
• El criterio de selección es permeabilidad al gas y vapor de agua, resistencia, sellabilidad, transparencia y resistencia a la temperatura.

Glosario,

• EVA: Etileno - Vinil Acetato
• PEBDL: Polietileno de Baja Densidad Lineal
• m-PE: Polietileno de baja densidad metalocénico
• PEMD: Polietileno de media densidad
• PEAD: Polietileno de alta densidad
• PA: Poliamida (Nylon)
• PET: Poliéster
• FLLS: Formar, Llenar, Sellar