Optimizando las Superficies Termosellables

Optimización del termosellado en el embalaje es un poco dependiente del tipo de máquina de embalaje a usar: formar/llenar/sellar/vertical (FLLSV) o formar/llenar/sellar/horizontal (FLLSH). Para sellado con alambre caliente y corte o sellado ultrasónico, también habrá un conjunto particular de requerimientos de la bobina sellante.

Nos centraremos aquí en lo que se necesita para ser una buena superficie de termosellado en una película coextruida [o recubierta] para su uso con máquinas de embalaje FLLSV y FLLSH, dejando otras situaciones de sellado para una fecha posterior. En estas formas de sello, dos superficies adyacentes son forzadas juntas bajo calor y presión durante un tiempo fijo y la mayoría de las superficies interiores de las películas se funden juntas para formar el sellado térmico.

En general, una capa termosellable interior para la formación de un sello plano o engarzado tiene que tener dos características principales, la primera es la temperatura de iniciación del sellado (TIS), a veces llamada la temperatura mínima de sellado (TMS). Esta es la temperatura a la que el polímero sellante está lo suficientemente fundido para fluir y para pegarse fundido a una capa adyacente en el sello. Además, la capa termosellante debe fundir por debajo del punto de fusión del resto de la película, de modo que la película sellante no esté distorsionada, encogida o se funde antes de que se pueda formar el sello.

Así, como podemos imaginar, el punto de fusión de los polímeros en la superficie termosellable es muy importante para la formación de una película termosellable. La figura 1 muestra una relación típica entre el punto de fusión del polímero termosellable y la TIS para una película coextruida de tres capas. El rango de sellado de cualquier película está definido como el intervalo de temperatura entre la TIS y la temperatura superior que está determinada por la distorsión térmica de la estructura total de tal manera que se forma un empaque inutilizable.

FIGURA 1. Sellos engarzado, Iniciación de Sello [umbral] Temperatura como función del punto de fusión de un copolímero EP

Pero la TIS no es suficiente para formar paquetes robustos a alta velocidad. Un segundo atributo importante de la resina sellante es que debe mantener unida conforme el producto se pone dentro de la bolsa formada, incluso mientras está caliente. Esto se llama Pegado en Caliente (Hot Tack). La pegajosidad en caliente se mide por cuan lejos se separara un sello cuando esta sujeto a una carga conforme se separan las mordazas de sellado. Al igual que con el termosellado, se puede producir una curva de resistencia de sellado vs temperatura y también se puede producir una curva de pegado en caliente como función de la temperatura. Y para muchas aplicaciones es la superposición de los perfiles de la fuerza de sellado y pegajosidad en caliente, la cual define el verdadero rango de sellado de la película como se muestra en la Figura 2.

FIGURA 2. Rangos de temperatura combinados fuerza de termosellado y pegado en caliente de una película de PPBO de tres capas de amplio rango de sellado. El traslape entre la fuerza de sellado y pegado en caliente aceptable define el rango verdadero de sellado para la película. 

El pegado en caliente es una característica de sellado mucho más importante para el embalaje en máquina FLLSV que para FLLSH. Esto es porque en el maquinado FLLSH, la película es agarrada y jalada por un sello de aleta más baja y el producto se coloca en el empaque formado, conforme este es llevado por el sello de aleta. De manera que hay poco o ningún esfuerzo sobre los sellos de los extremos cuando se forman, por lo general por un corte rotativo.

Pero en FLLSV, el sello inferior se forma cuando el sello de tope de las bolsas anteriores esta formado y la bolsa se corta y libera de la bobina restante de arriba. Una vez que la bolsa cortada esta libre, la mordaza de sellado se abre y se mueve hacia arriba para agarrar la bolsa en formación, después se llena y la película avanza, conforme forma el sello superior y la bolsa llena cortada queda libre.

Durante esta secuencia el producto se descarga directamente dentro de la bolsa sobre el aun caliente sello inferior. Esto coloca una fuerza de separación sobre el sello caliente y es la pegajosidad en caliente del sellante la que mantiene la bolsa junta y evita que el producto abra el sello inferior. Así que para las operaciones de FLLSV, la pegajosidad en caliente es quizás la propiedad más crítica del termosellado. La pegajosidad en caliente parece estar relacionada con la velocidad de recristalización de la resina sellante.

En mi próximo articulo, nos centraremos en cómo la tecnología de polimerización se puede utilizar para producir polímeros con la combinación más deseable de TIS del sellado y pegajosidad en caliente en la superficie termosellable.

Dr. Eldridge M. Mount
Converting Quarterly
6 Setiembre 2016

Sustratos termosellables

El termosellado es uno de los medios más utilizados para la formación de empaques de películas porque es sencillo. Al principio hubieron sustratos disponibles para embalaje que no fueron capaces de termosellarse tales como papel, luego folio de aluminio y celofán. Ninguno de estos sustratos se fundían por lo que no se podían soldar juntos. Esto es mucho antes que se inventaran el polietileno u otros polímeros sintéticos. Pero por lo menos el papel podría ser recubierto con cera la cual añadía barrera de humedad en el papel, tal vez resistencia a la grasa y la capacidad para formar una soldadura de superficie entre dos superficies opuestas. Y así el papel encerado era un ampliamente usado sustrato de embalaje y esto resalta el principio básico de las películas termosellables. El cual es que la superficie de la película deberia tener un punto de fusión mas bajo que el de la película de base.

Sin embargo, si tuviéramos que formar un sello de alambre caliente, todo lo que se necesita es que la película se funda y forme una soldadura. Pero estos sellos de alambre caliente no eran generalmente herméticos y son buenos para la agrupación, y embalaje de publicaciones o vegetales no perecederos o, en esencia donde la barrera absoluta de la película no es tan importante para la vida de anaquel del producto como el simple acto de envolverlo. Muy parecido al embalaje termoencogible de vegetales que se utiliza para contener problemas de una sola fruta, tal como el moho, y protegerla de las otras frutas. Esta envoltura de una sola unidad se utiliza para prevenir que la manzana podrida no eche a perder el barril de manzanas. Por supuesto, estas son generalidades y siempre hay algunas excepciones en las que la aptitud para el uso de la película es más estrecha que para una aplicación más universal.

Así que las primeras películas de papel, metal y celofán no eran generalmente soldables entre si en absoluto y las latas y tarros prevalecieron para el almacenamiento a largo plazo. Pero a medida que se encontraban nuevos materiales, generalmente materiales poliméricos, ellos comenzaron a reemplazar las combinaciones naturales de cera y papel. Esto comenzó cunado la Segunda Guerra Mundial llegaba a su fin.

El PEBD, que era un material estratégico de guerra, estaba ahora disponible para ser utilizado con fines civiles. Si nos damos cuenta de que el polietileno es simplemente una cera de alto peso molecular, entonces es fácil de entender el primer uso a gran escala del PEBD después de la guerra, es decir, el carton recubierto por extrusion con PPBD que se utilizó para la producción de cajas termoselladas para la leche. Es en este punto que la producción de polímeros sintéticos para el embalaje comienza en serio conforme se descubren nuevos catalizadores de polimerización.

Hasta este punto, los primeros polímeros sintéticos se hicieron por reacciones de condensación que nos dan nylons, poliésteres y uretanos para nombrar algunos, pero no pueden producir poliolefinas, tales como el polietileno.

​El PVC era producido por polimerización de radicales libres y el PEBD por polimerización de radicales libres en alta temperatura y presión, pero este método de polimerización no producirá polipropileno ni polietileno de alta densidad.

Después del descubrimiento de la polimerización Ziegler Natta hubo una explosión general de polímeros de poliolefina que aumentó en gran medida la paleta con la cual producir películas de poliolefina termosellable. Por este tiempo se produjo una explosión en la tecnología de coextrusión que también facilitó la producción a gran escala de películas de poliolefinas coextruidas.

Esta evolución tecnológica en la tecnología de la polimerización no ha sido el caso de los polímeros de condensación, por lo que hay menos opciones de polímeros para hacer películas coextruidas termosellables con PET o nylon, los cuales se limitan generalmente a tecnologías de recubrimiento o laminación para producir estructuras termosellables.

En mi próximo artículo, nos centraremos en lo que se necesita para tener una buena superficie termosellable en una película coextruida [o recubierta] y como la tecnología de polimerización se puede utilizar para producir polímeros con la combinación más deseable de temperatura mínima de iniciación de sellado y pegado en caliente en la superficie termosellable.

Dr. Eldridge M. Mount
Converting Quarterly
20 Junio 2016