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 Información
Técnica |
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Introducción
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El polímero de PET puede ser transformado
en botella mediante un proceso llamado biorientación de preformas,
las cuales son moldeadas en equipos de inyección. El moldeo de
las preformas consiste en la inyección del polímero fundido
en la cavidad del molde hasta llenarlo. Una vez lleno, la resina del
polímero fundido es enfriada rápidamente para obtener así una
pieza con excelente transparencia, libre de deformaciones y una magnífica
exactitud dimensional lo cual es esencial para obtener botellas de
excelente calidad.
El objetivo de esta sección es presentar con detalles algunos de los aspectos
técnicos más importantes sobre el moldeo por inyección
de la preforma fabricada con resina.
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Descripción del Proceso |
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El proceso de inyección puede
ser dividido en las siguientes fases: |
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Secado del granulado hasta lograr que el
contenido de humedad sea menor a 40 ppm. |
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Fusión del polímero
en un equipo de inyección, utilizando de preferencia el
husillo que esté diseñado especialmente para PET,
aunque un husillo convencional, de longitud 20:D y una relación
de compresión de 3:1, puede ser de utilidad. |
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Inyección del material
dentro de las cavidades del molde, que normalmente es de colada
caliente, aunque los de colada convencional también pueden
encontrar alguna aplicación. |
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Enfriado
rápido del material
dentro del molde para obtener piezas amorfas (transparentes). |
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Apertura
del molde y expulsión
de las preformas. |
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Control del Proceso |
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Durante el moldeo por inyección de la preforma, se deben controlar
perfectamente los siguientes aspectos ya que las ventajas principales inherentes
del PET pueden quedar destruidas durante la inyección de la preforma
si no se tiene una óptima operación: |
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Retención de viscosidad
intrínseca |
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La Viscosidad Intrínseca (V.I.)
es una medida indirecta del peso molecular, o sea, del tamaño
promedio de moléculas que definen al polímero.
La Viscosidad Intrínseca de uso general es de 0.8 ± 0.02
dl/g que corresponde aproximadamente a 125 unidades repetidas
por molécula y un peso aproximado de 24,000 g/mol. Cualquier
disminución en la viscosidad del polímero en
su paso de granulado a preforma, significará una reducción
del peso molecular. Bajo condiciones controladas de secado
y moldeo, la pérdida de viscosidad no deberá ser
mayor de 0.03 dl/g. Cualquier pérdida superior a este
nivel trae como consecuencia un detrimento en la transparencia
de la preforma debido a un incremento en la velocidad de cristalización,
acarreando la pérdida de las propiedades mecánicas
del envase, particularmente la resistencia al impacto y la
carga vertical aplicada sobre la tapa.
La perdida de la viscosidad se debe básicamente a una degradación
hidrolítica ocurrida durante el estado de fusión que es donde el
agua a niveles superiores de 40 ppm tiene una acción destructiva del polímero.
Una segunda causa de la caída de V.I. es la degradación térmica
durante la fusión del polímero para inyectarlo. De ahí que
se debe emplear un perfil de temperaturas de modelo y velocidades de corte lo
más suave posible que permitan la obtención de preformas claras,
transparentes y libres de distorsión.
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Generación mínima
de Acetaldehído
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El acetaldehído (CH3CHO)
se genera en pequeñas cantidades durante el proceso de
fusión de PET; la cantidad de agua presente no influye
en la generación de acetaldehído. Durante la fabricación
del polímero el nivel de acetaldehído se controla
perfectamente, entregando un producto al mercado con un contenido
de 2ppm como máximo.
El acetaldehído es un líquido volátil incoloro (punto de
ebullición 20.8ºC) y que se distingue por su olor a frutas. Precisamente
por su olor característico, el acetaldehído ha sido empleado
con mucha frecuencia en la industria alimenticia como un saborizante.
Debido a la facilidad que tiene el acetaldehído de emigrar desde la pared
de la botella y difundirse en el contenido de la misma, la generación
de este producto debe ser cuidadosamente controlada durante la inyección
de la preforma. El agua mineral así como las bebidas de cola son particularmente
sensibles al acetaldehído.
El acetaldehído se genera por la degradación térmica de
las moléculas de PET mientras se encuentra en estado de fusión,
por lo que tiene una relación directa con la historia térmica del
polímero.
El efecto de la temperatura y el tiempo de residencia del
polímero dentro
del cañón, en relación a la generación de acetaldehído
se ilustra a continuación: |
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Se puede
observar el efecto, de la velocidad del husillo (RPM) y la
contrapresión en la
generación de acetaldehído. |
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Transparencia
máxima de la preforma
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La transparencia
de la preforma está relacionada directamente con el grado de cristalinidad
del polímero (el PET es transparente cuando tiene una
estructura molecular amorfa y será opaco cuando esté cristalizado).
Cuando el PET se encuentra a una temperatura entre los 85°C
y los 250°C, las moléculas tienden a alinearse para
formar una estructura cristalina.
La velocidad de cristalización es muy lenta en ambos extremos de este
rango y es más rápida en el centro, o sea entre 140°C y 180°C.
En el punto más alto de la curva de cristalización, alrededor de
175°C, el PET alcanza un grado visible de cristalinidad en menos de un minuto,
de tal manera que el polímero debe ser enfriado dentro de la cavidad del
molde lo más rápido posible.
Debido a que la conductividad térmica del PET es
relativamente baja, el contenido de calor en el centro
de la pared de la preforma es el principal contribuyente
para tener una determinada cristalinidad en la pieza.
La tecnología actual del moldeo por inyección está limitada
a un espesor máximo de 4 mm aproximadamente. |
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La temperatura
de la masa durante el moldeo por inyección tiene un efecto significativo
en la transparencia de la preforma. Mientras más elevada
sea la temperatura se tendrá una mayor cantidad de cristalitos
fundidos. Sin embargo, no se puede elevar la temperatura en forma
indiscriminada ya que se corre el riesgo de generar una cantidad
indeseable de acetaldehído.
Algo similar ocurre con la viscocidad intrínseca, ya que entre mayor sea
el peso molecular del polímero existe una menor tendencia a la cristalización
pero debido a que se requiere una mayor temperatura de fusión se ve incrementada
la generación de acetaldehido. |
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Fabricación de envases |
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Fabricación de
los envases
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Existen en el mercado dos tipos
de instalaciones para fabricar envases de PET: |
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Sistema de dos etapas |
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En este
sistema, la primera etapa consiste en inyectar un preforma
en un equipo de inyección
el cual deberá tener ciertas características especiales
para que pueda procesar la resina y obtener de él un rendimiento óptimo
en cuanto a sus propiedades físicas y de transparencia.
Sin embargo, en los equipos convencionales de inyección
también puede ser procesado el material mediante un
ligero acondicionamiento del equipo obteniendo preformas de
calidad.
Los moldes deber ser de colada caliente cuando se
trata de elevados niveles de producción y deberán tener un sistema de refrigeración muy
eficiente. Estos moldes suelen tener desde 16 hasta 96 cavidades. Una vez que
las preformas están lo suficientemente frías para que no se deformen
o se peguen entre sí, son expulsadas y posteriormente enviadas a donde
se localice el equipo de soplado, el cual puede estar en la misma planta o
cualquier otro lugar.
La segunda etapa del proceso consiste en calentar las preformas hasta una temperatura
tal que puedan ser estiradas y sopladas, en un equipo de soplado de alta productividad
que normalmente se encuentra localizado en las plantas embotelladoras. |
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Sistema integrado o de una
etapa |
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En este
sistema, se realiza el moldeo de la preforma y el soplado de
la misma, para obtener
el envase en una sola máquina (los procesos de inyección
y soplado están integrados en una misma unidad), por lo
que no es necesario sacar las preformas de la máquina
para que puedan ser sopladas y llevarlas a su forma y tamaño
definitivos. |
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Secado
del Polímero |
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Debido a
que la resina PET absorbe humedad, requiere de un proceso de
secado antes de ser moldeado
por inyección. Existen en el mercado equipos de secado
de aire deshumidificado fabricados especialmente para el PET. |
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Aplicación
de las bases |
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Los envases
que van a contener bebidas con CO2, como refrescos, agua mineral
o cerveza, deben
estar diseñados de tal manera que puedan soportar hasta
5 volúmenes de dióxido de carbono. Esto significa
que deberán tener un fondo que soporte dicha presión
sin deformarse. Los diseños más empleados para
tal efecto ha sido el de forma esférica en la base y
actualmente los de fondo petaloide.
Para poder parar las botellas de forma esférica se hace necesaria la utilización
de bases que pueden ser de polietileno o polipropileno. Para productos que
no contengan CO2 suelen emplearse botellas de base plana
o normal donde no se necesita
una base adicional.
Nota: La información contenida en esta sección se proporciona como
una guía; se sugiere a los convertidores ponerse en contacto con las compañías
correspondientes para obtener una información más detallada. |
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Comparación
entro los sistemas de aplicación |
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Ventajas del proceso en dos
etapas |
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| 1. |
Adecuado para grandes producciones (más
de 30 mil millones de envases al año).
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| 2. |
Permite centralizar la producción
de preformas para suministrarlas posteriormente a las plantas
de soplado.
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| 3. |
Las
máquinas para el soplado de envases pueden ser adquiridas
por separado, lo que permite:
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| a) |
Adquisición
de preformas, evitando así las dificultades
técnicas de la fase de producción de
las mismas.
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| b) |
Menor monto de inversión
inicial antes de adquirir la instalación para
la producción de preformas.
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| c) |
Ideal para la producción
múltiple en las plantas empleando un centro
productor de preformas.
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Ventajas del proceso en una
etapa |
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| 1. |
Menor inversión inicial.
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| 2. |
Dado que la capacidad es inferior, permite
un aumento escalonado de la producción e inversión.
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| 3. |
Adecuado
para varios tipos de productos o para capacidades de producción
bajas, con diseños de envases más complejos,
bocas anchas y multicapas.
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Secado PET |
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Teoría sobre el secado
de PET
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Un requisito esencial para el
proceso de la resina de polietilentereftalato (PET), es el control
cuidadoso del secado del material.
El PET, en forma sólida, absorbe humedad del medio ambiente (semejante a un desecante).
Así, durante el almacenaje, la resina absorberá humedad hasta alcanzar el equilibrio.
Este valor puede ser tan alto como 0.6% en peso, dependiendo de las condiciones
del lugar donde sea almacenado. En la práctica, la resina no absorbe niveles
de humedad mayores a 0.2% en peso si se mantiene en un lugar cubierto y durante
periodos cortos de tiempo. Sin embargo, para fabricar un buen producto de PET,
se requiere reducir la humedad a menos de 0.004% (40 partes por millón) antes
de inyectar el material.
La razón para esto, es que a temperaturas superiores al punto de fusión, el agua
presente hidroliza rápidamente al polímero, reduciendo sus peso molecular así como
sus propiedades características.
La hidrólisis puede ocurrir en el sólido desde temperaturas tan bajas como 150°C,
aunque a poca velocidad. A medida que la temperatura se incrementa, la velocidad
de hidrólisis también aumenta como se muestra en la Fig. 1. Existe, sin embargo,
un límite de temperatura máxima de secado sin causar una caída excesiva de viscosidad
intrínseca (V.I.). En la práctica, desde el punto de vista económico y de eficiencia,
las mejores condiciones de secado se alcanzan entre 165°C y 170°C. |
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Absorción
de humedad |
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Como ya se
indicó, existe
absorción de humedad del medio ambiente tan pronto como
el granulado de PET sale del proceso final de su elaboración.
La velocidad de absorción depende de cuatro factores para
un tamaño específico de recorte. Estos son: tiempo,
temperatura, humedad atmosférica (punto de rocío)
y la cristalinidad del chip. EL PET amorfo absorbe humedad más
rápidamente que el PET cristalino. En este sentido, la
alta cristalinidad natural (> 50%) confiere un reducción
en la velocidad de absorción de humedad, bajo ciertas
condiciones, como se indica en la Fig. 2. |
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La Fig. 3
ilustra la influencia de la temperatura y humedad del medio
ambiente sobre la humedad
absorbida así como la necesidad de tener cuidado con el almacenaje,
el cual de preferencia debe ser bajo cubierta. |
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Eliminación
de humedad- Proceso de Difusión |
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El proceso
inverso a la absorción
de humedad, es sin duda el secado. En el caso de PET, la humedad
contenida no sólo se encuentra en la superficie sino también
es absorbida por el granulado al introducirse en el interior
de éste por difusión. Es aquí donde el secado
del PET difiere de otros procesos, donde sólo la humedad
superficial tiene que ser eliminada.
Debido a esta penetración de humedad, se requiere un tiempo relativamente
largo de secado a temperaturas elevadas de operación.
Por otro lado, la estructura y tamaño del granulado, influye en la velocidad
del secado, siendo la forma cilíndrica del 86N óptima para ayudar
a la eliminación de humedad. Esto se debe a que el paso que controla el
proceso de deshumidificación, es el de difusión de agua a través
del chip hasta su superficie. El tiempo de difusión se puede minimizar
disminuyendo el tamaño de granulado y con un diseño que aumente
el área superficial de contacto del chip con el aire de secado.
Los otros tipos de transferencia de masa que ocurre en el secado de PET son: |
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1. La transferencia
de agua a través
del sistema binario sólido / gas. |
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2. La difusión
de vapor de agua dentro de la atmósfera o medio que
lo rodea. |
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Una precaución adicional
debe ser considerada con respecto al manejo previo del chip secado
antes de la inyección. Como ya se mencionó, el
PET es un desecante el cual aumenta su capacidad para captar
humedad cuando se incrementa la temperatura. El poliéster
seco caliente puede ganar humedad a una velocidad de 5 a 10 ppm
por segundo en contacto con aire ambiental, por lo que es esencial
que el manejo de chip seco se efectúe con aire cuyo punto
de rocío no sea mayor al que tiene el aire de secado.
Por lo anterior se recomienda contar con un equipo de prueba
para determinar el contenido de humedad retenida en el material. |
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Equipo
de secado |
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El análisis hasta aquí efectuado
sobre el secado de PET nos lleva a requerir de un equipo capaz
de generar un gas (aire o nitrógeno) con un bajo punto
de rocío, con control de temperatura utilizando un proceso
mecánico que garantice una variación mínima
de temperatura entre el granulado individual y el contacto efectivo
gas/sólido. La selección puede ser entre una operación
batch o en continuo.
Los secadores tipo batch ya sea con cama fluidizada o por
métodos rotatorios,
tienen la desventaja de variar de batch a batch provocando cambios potenciales
en las características del producto. Además el costo del equipo
es incrementado debido a la necesidad de adquirir en forma adicional la tolva
de sostenimiento.
Los secadores de proceso continuo tipo columna con movimiento
vertical, son usados por algunas compañías, obteniendo buenos resultados en la operación
así como en el costo. Los puntos esenciales en la selección de
este tipo de secador son asegurar un buen flujo del polímero, distribución
uniforme del gas a través del polímero y obtener un gradiente mínimo
de temperatura entre la longitud y radio de la columna. Debido a que la resina
está ya cristalizada, no se requiere de un precristalizador antes del
secado tal como se requiere con el polímero amorfo. |
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Secado del PET |
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Los detalles
teóricos sobre
el secado de PET son explicados al principio de esta sección.
A continuación se presentan los aspectos más importantes
para un buen proceso de secado así como los problemas
prácticos y los aspectos que deben ser considerados
para asegurar un proceso confiable y eficiente. |
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Requerimientos
claves e implicaciones prácticas |
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| 1. |
Temperatura correcta de secado.
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La
temperatura del chip deberá estar entre 150°C
y 160°C.
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| 2. |
Temperatura correcta del aire de secado.
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Este
no debe exceder de 180°C, medido a la entrada del
aire del secador.
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| 3. |
Punto
de rocío correcto del aire de secado.
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Este
no deberá ser mayor de –30°C., siendo
recomendable en la práctica valores menores o
iguales a –40°C., medido a la entrada del secador.
|
| 4. |
Adecuado
flujo de aire de secado a través del chip.
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Muchos
secadores operan con flujos de aire de 1pie3/ min. Para
1 lb/hr. De chip inyectado como requerimiento mínimo.
Obviamente el flujo de aire debe tener la temperatura
y punto de rocío adecuados.
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| 5. |
Tiempo
de residencia del chip (tiempo de secado).
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Se
recomienda que el tiempo de residencia para la Resina
PET no sea menor a 4 horas,
siendo común trabajar entre 6 y 8 horas. El tiempo
de secado teórico, puede ser calculado dividiendo
la capacidad del secador (Kg) entre la productividad de
la máquina (Kg/hr). |
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Principales problemas que deben
ser considerados |
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En una operación eficiente,
con un buen cumplimiento de los requerimientos básicos
del secado, los problemas deben ser mínimos. Sin embargo,
los siguientes puntos deben ser considerados: |
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| 1. |
Filtro del aire |
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Los filtros protegen al desecante del
polvo y su limpieza en forma rutinaria es esencial. Se
debe tener mucho cuidado para no dañarlos ya que
disminuirá su eficiencia en el secado. |
| 2. |
Mal funcionamiento |
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Si ocurre
algún bloqueo o falla mecánica del enfriador
del aire, se provoca una pérdida de la eficiencia
en la capacidad de regeneración del desecante, incrementándose
el punto de rocío y disminuyendo su capacidad de
captación de humedad. |
| 3. |
Fallas
del calentador. |
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Las fallas en el calentador
de aire pueden presentarse debido a: |
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| a) |
Incapacidad para
alcanzar la temperatura correcta de secado.
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| b) |
Incapacidad para alcanzar la temperatura
adecuada para la regeneración del desecante.
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| 4. |
Ingreso del aire ambiental. |
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Este
se aplica particularmente a sistemas que emplean succión para transportar el
chip. El aire del medio ambiente siempre estará húmedo
comparado con el gas de secado. Si alguna cantidad de este
aire es introducido en el sistema, se producirá una
variación en el punto de rocío y por lo tanto
en la eficiencia del secado. Bajo estas circunstancias,
en el caso de remover un componente del secador, se debe
tener
cuidado al reensamblar la parte, colocando empaques adecuados
y probando el sistema contra fugas. |
| 5. |
Transporte del chip seco. |
| |
Si el
secador no está colocado
encima del inyector, es esencial que los granulados de PET
sean transportados con aire seco con una temperatura y punto
de rocío equivalente al gas de secado. De no hacerlo
así se puede provocar la humidificación del
granulado con los subsecuentes efectos negativos sobre su
procesamiento, claridad del producto y degradación
hidrolítica. |
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Implicaciones
prácticas |
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Ante todo
es importante seguir las instrucciones operativas sugeridas
por el proveedor del equipo. Se deben llevar a cabo los programas
de mantenimiento, los cuales están basados en una amplia
experiencia. Las fallas en el equipo pueden provocar un secado
ineficiente, produciendo preformas y envases fuera de especificación
así como incremento en los costos de operación. |
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En este sentido,
un flujo de gas con bajo punto de rocío es normalmente utilizado,
el cual además
de mantener un diferencial en la presión parcial del agua entre
la fase sólida y gaseosa, también provee de la transferencia
de calor requerido en la dehumidificación. De los tres tipos
de transferencia de masa involucrados, el de difusión resulta
ser el que controla el proceso debido a que es el que se efectúa
a mucha menor velocidad.
Otros parámetros que influyen en la velocidad de secado son la humedad y temperatura
del gas utilizado, como se indica en la Fig. 5, donde se observa un incremento
en la velocidad a temperaturas elevadas. Este resultado, sin embargo, no es suficiente
para asumir que se tienen las mejores condiciones de operación en el secado
del material.
La influencia de la humedad y temperatura del gas de secado es
mucho más complejo
teniendo efectos significativos sobre la estructura química y propiedades finales
de la resina debido a una degradación potencial del material por los procesos
térmicos y de hidrólisis. |
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Requerimientos
del aire de secado |
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Como ya se
mencionó, la velocidad
en el proceso de hidrólisis con la consecuente reducción de la
Viscosidad Intrínseca se incrementa a temperaturas arriba de
150°C y si el proceso de transferencia de calor es más rápido
que el proceso de difusión, el secado puede ser una desventaja
en la operación.
Adicionalmente, si la humedad ha sido removida a temperaturas
de secado mayores a 180°C se puede conducir a una degradación termo-oxidativa donde se rompen las
cadenas del polímero, produciendo subproductos indeseables con la consecuente
disminución de las propiedades físicas.
Entre los subproductos se encuentra la generación de acetaldehído y cambios físicos
que pueden producir una apariencia turbia-blanquesina en las preformas (haze)
debido a la disminución de V.I., así como una tonalidad amarillenta producida
por la degradación. No obstante se recomienda efectuar el secado entre 165°C
y 170°C, con un tiempo entre 4 y 8 horas hasta lograr que el contenido de humedad
del chip sea de un máximo de 40 ppm. Estas condiciones minimizarán las interacciones
entre los procesos involucrados.
La influencia de la humedad del gas de secado a una temperatura
dada es un factor que debe ser también considerado como se indica en la Fig. 6. De aquí se puede
observar que el punto de rocío, el cual es una medida indirecta del contenido
de humedad del gas de secado, debe ser menor a –30°C, condición que evita una
elevada caída en la viscosidad sin disminuir la eficiencia del secado. En la
práctica, el punto de rocío comúnmente usado para el aire es de –40°C. |
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Humedad
retenida en el chip secado |
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La importancia
de la eliminación
de humedad, es mostrada mediante un cálculo teórico
donde se obtiene una pérdida de V.I. de 0.01 casi de forma
instantánea, por cada 16 ppm de humedad retenida en
PET fundido. |
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Muchos productos
tales como alimentos, cosméticos y farmacéuticos entre otros, requieren
materiales de empaque especiales donde el color es un importante
aspecto que debe ser considerado. El PET en este sentido es ya
utilizado con éxito en colores verde y ámbar principalmente
en los envases para bebidas carbonatadas y farmacéuticos,
así como otras aplicaciones. Claridad y brillo son algunas
de las propiedades esenciales que otorga a sus productos.
En el caso de alimentos particularmente, los requerimientos
para cualquier envase de plástico son muy rigurosos; sin embargo, el PET en color ha demostrado
ser un material apropiado para el manejo de los alimentos, siendo aprobado por
la F.D.A. en Estados Unidos y la Secretaría de Salubridad y Asistencia
a través del Sector Salud de México. |
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Concentrados
de color |
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Una de las
técnicas para
producir envases de PET con color, es utilizando "Master
Batch", el cual consiste en pellets de PET con alta concentración
de pigmento previamente incorporado, existe también pigmento
líquido y en microesferas, básicamente las microesferas
son burbujas de un polímero que funde alrededor de 80°C
y que contiene en su interior una cierta cantidad de pigmento
en polvo, que por contacto directo con la resina que baja del
secador rompe la burbuja, permitiendo que el pigmento se libere
y se mezcle en la garganta del extrusor con el PET. |
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Los concentrados
de color se encuentran en el mercado en una amplia gama de
colores y son adicionados
al PET natural en una relación establecida por el fabricante,
que determina la intensidad del concentrado e indica la cantidad
de Dg de resina natural que deben ser mezclados con el concentrado
para alcanzar el color deseado. La unión del material
se puede efectuar en 2 formas: |
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| a) |
Preparando la mezcla
mecánicamente por agitación en algún
recipiente giratorio o algún otro sistema y virtiendo
posteriormente la mezcla a la tolva de secado, integrada
al equipo para PET que utilice el cliente. Esta unión
se utiliza únicamente en el caso del Master Batch:
|
| b) |
Otra forma de colorear la resina es
introduciendo una cantidad constante de concentrado de
color (Master Batch), microesferas o pigmento líquido
a la garganta del cilindro de la unidad de inyección,
uniéndose al flujo principal de resina natural,
efectuándose la mezcla antes de la inyección
dentro del cilindro. La mezcla opera en forma continua,
aunque para poder controlar el flujo de pigmento adicionado
se emplean dosificadores para el Master Bastch y microesferas
y una bomba dosificadora para el pigmento líquido.
Estos equipos se encuentran sincronizados con el husillo
de inyección.
Los equipos pueden ser regulados para dar una cantidad constante de pigmento
en la relación de la mezcla deseada.
|
| c) |
Cambios en el color se pueden obtener
rápidamente, removiendo los dosificadores de la
tolva de secado.
La principal ventaja de estos sistemas es el fácil manejo del material.
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Datos
técnicos del concentrado |
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| 1. |
Color: |
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Además del verde y ámbar,
se pueden producir una gran variedad de colores como: azul,
amarillo, naranja, negro, en presentación transparente,
translúcida y opaca. |
| 2. |
Tamaño del chip: |
| |
El tamaño del chip
del Master Batch y microesferas siempre son uniformes, asegurando
un color estándar y sin variación en los
productos elaborados. |
| 3. |
Secado: |
| |
El secado
del Master Batch asegura que no ocurra degradación del material por
humedad durante el proceso de inyección. Las condiciones
de secado son iguales a las de la resina natural, obteniéndose
así envases que cumplan con las especificaciones requeridas
solo en el caso "A". |
| 4. |
Viscosidad
Intrínseca: |
| |
La Viscosidad
Intrínseca
(V.I.) del Master Batch es constante y lo más cercana
posible a la resina natural, con el objeto de eliminar cualquier
problema de caída de viscosidad durante el proceso. |
| 5. |
Acetaldehído: |
| |
El nivel
de acetaldehído
de cualquier Master Batch es lo suficientemente bajo para
asegurar que el producto final cumpla con los requerimientos
establecidos y en el caso de las microesferas y pigmento
líquido no hay presencia del mismo. |
| 6. |
Relación
de mezcla: |
| |
La relación de mezcla
del concentrado dependerá de la intensidad que se
desee y del tipo de concentrado que se use. La resina óptima
será aquella que alcance el color deseado al menor
costo posible. |
| 7. |
Características
de transmisión de luz: |
| |
Uno de
los factores más
importantes que debe ser considerado en los envases que son
utilizados para el manejo de alimentos, cosméticos
o productos farmacéuticos es la transmisión
de la luz a través de la paredes del recipiente, debido
a que se pueden ver afectadas por la radiación de
los rayos ultravioleta, cuyo intervalo de longitudes de onda
se encuentran entre 300 nm y 450 nm, los valores críticos
que deben ser evitados.
En este sentido, a continuación se presenta una comparación de
curvas de transmisión de luz del PET con respecto al vidrio, donde se
da evidencia de cómo la resina ofrece mejor protección, no obstante
debe tener espesores menores a los de vidrio, lo que hace al PET un material
aplicable a una gran variedad de productos. |
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Extrusión y Termoformado de lámina PET |
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Introducción
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Una de
las aplicaciones importantes de la resina PET grado botella,
es la elaboración de envases
para los usos más variados por medio del termoformado de
lámina.
El proceso de transformación se divide en dos partes importantes: la extrusión
de la lamina y termoformado de la misma. Durante la fase de extrusión se funde
el granulado en el husillo continuo. La masa se hace pasar a través de un dado
plano ayudado por una bomba a la cabeza del cilindro para controlar el flujo.
Saliendo el material del dado, pasa sobre tres rodillos enfriadores con los que
se obtiene una lámina amorfa y transparente.
En la estación de termoformado, primero se recalienta la lámina hasta la temperatura
apropiada para su procesamiento. Posteriormente se hace pasar a través de unos
moldes de dos piezas donde por medio de presión mecánica y neumática se formará el
envase requerido.
La termoformadora puede estar integrada a la extrusora o puede
estar separada. Una línea prototipo de termoformado integrada
se muestra en la Fig. 8.
Al igual que en la fabricación de envases por inyección (estirado) soplado, esta
tecnología incorpora muchos aspectos sobre biorientación, razón por la que su
conocimiento es importante en el diseño de envases. |
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Descripción
del Polímero |
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Secado del Polímero |
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Para
obtener un buen producto se requiere tener secado efectivo
del material, para lo cual
es necesario contar con un sistema de secado continuo montado
sobre la máquina, que puede calentar el material a 175°C
durante 6 horas y que el aire de secado tenga un punto de
rocío de –40°C. Todo esto con el objeto de disminuir en lo
posible el efecto de la hidrólisis causada por el agua en
el polímero, es decir, para evitar la caída de viscosidad.
La caída de viscosidad en un proceso bien controlado no debe ser mayor de 0.02
dl/gr, situación en la que se puede usar un nivel de recuperable hasta de un
50%, el cual también deberá ser secado con el material virgen previamente mezclado.
Se recomienda utilizar siempre una cantidad constante de recuperable, tratando
en lo posible detener la operación de la planta en balance, es decir, procesar
la misma cantidad de recuperable que el proceso genera.
Cuando se incrementa la cantidad de recuperable, la densidad
aparente de la mezcla baja y esto ocasiona que se formen
puentes o cavernas en la tolva que no permite
un flujo continuo de material hacia la entrada del extrusor, provocando variaciones
en el espesor de la lámina.
Se debe vigilar que no haya entrada de aire húmedo dentro de la tolva de secado.
Con el objeto de que se consuma menor energía, se recomienda aislar muy bien
la tolva con material aislante térmico para guardar el calor el mayor tiempo
posible.
Se debe de asegurar que el paso del material en la tolva
sea continuo y que el tiempo de residencia sea el mismo
para todo el material, ya que en ocasiones
la formación de cavernas hace que haya flujos indeseables del material.
Cuando el nivel del recuperable es superior al señalado, existe la posibilidad
de que haya aire atrapado durante la extrusión y esto produzca burbujas o variaciones
importantes en el torque del husillo que originen variaciones de espesor.
Se debe minimizar el uso de recuperable cuando el envase
a producir va a contener alimentos sensibles al acetaldehído, es decir, que pudieran alterar sus propiedades
organolépticas. |
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Extrusión |
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El polímero es plastificado
utilizando un extrusor equipado con husillo continuo cuyas
características óptimas son: |
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Relación
L/D: de 24:1 a 32:1
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Relación de compresión:
de 3:1 a 3.5:1
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Las temperaturas
de trabajo pueden ir de 270°C a 285°C, tratando de seleccionar la temperatura
mínima que permita el proceso con el objeto de evitar la
generación excesiva de acetaldehído así como la pérdida de
peso molecular o caída de viscosidad.
En algunos husillos de alta productividad se recomienda contar con enfriamiento
en el cilindro para tener un mejor control de temperatura. |
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Filtrado de material fundido |
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Cuando
se procesan grandes cantidades de recuperado, es conveniente
trabajar con un
paquete de mallas apropiadas para detener la mayoría de
las impurezas.
Se deben instalar 2 manómetros antes y después del cambiador de mallas, para
saber en qué momento es necesario cambiarlas.
El cambiador de mallas se instala justamente en la cabeza
del husillo donde además
de filtrar generará una ligera contrapresión que servirá para homogeneizar
el material. |
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Bombeo al Cabezal |
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Cuando
el husillo tiene el diseño apropiado para el proceso, no es necesario trabajar
con una bomba en el cabezal. Sin embargo, si se trabajan
grandes cantidades de recuperable o si se tienen diferencias
importantes en la forma o tamaño del granulado, el uso de
la bomba servirá para controlar mejor el flujo y por lo tanto,
el espesor de la lámina. |
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Mezcladores estáticos |
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Algunas
veces se utilizan este tipo de mezcladores con el objeto
de reducir las variaciones
de viscosidad que son resultado de una pobre mezcla de
material virgen con el reciclado; sin embargo, este mezclador
aumenta
el tiempo de residencia en el cilindro, lo que incrementa
el nivel de acetaldehído. |
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Dados |
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Se pueden
utilizar dados planos de labio flexible o de labio fijo
con buenos resultado en
ambos casos. Los de tipo flexible sin embargo, ofrecen
un mayor rango de espesores de lámina, mientras que los de labio
fijo están limitados en este sentido pero ofrecen un mejor
control de espesores de temperatura.
Los labios de los dados deben estar alineados con
los rodillos superiores, de tal manera que quede
la lámina horizontal. El labio debe tener una separación
máxima de 7 cm entre él y el punto de contacto con los rodillos. |
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Extrusión de lámina |
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La resina
se debe procesar en un sistema de tres rodillos enfriadores
para obtener láminas
con excelentes propiedades mecánicas y ópticas. Los rodillos
superiores actúan como calandria para planchar rápidamente
la masa que viene saliendo del dado y obtener una lámina
amorfa brillante.
Se recomienda que el diámetro de los rodillos sea
superior a las 14 pulgadas, enfriados por agua y
con un cromado que garantice una superficie libre
de imperfecciones.
La temperatura de los rodillos puede variar de 10°C a 65°C, dependiendo de la
productividad del equipo y del espesor de lámina. A temperaturas arriba de 65°C,
la lámina se empieza a pegar en los rodillos provocando marcas en la lámina
producida, por lo que se debe tener un buen equipo de control para evitar estos
problemas.
El espesor de la lámina está influenciado por tres factores: |
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Velocidad del husillo
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Apertura de los labios del dado
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| 3. |
Velocidad
de los rodillos enfriadores (se debe poder variar fácilmente
para obtener el espesor requerido)
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Una vez
que la lámina
sale del tercer rodillo, pasa sobre una cama de pequeños
rodillos donde el aire del medio ambiente ayuda en el proceso
de enfriamiento del producto para pasar después entre
dos rodillos de hule que van a jalar la lámina.
Finalmente, se enrolla el producto en lo que se conoce
como unidad de enrollado. Aquí es donde se obtienen
los rollos maestros.
Existen algunos sistemas en los
que se tiene integrado el extrusor
a la unidad de termoformado y
troquelado. En este caso no se
hace rollo maestro, sino que
después de los rollos de hule se pasa la lámina por un horno de resistencias
eléctricas donde se lleva a una temperatura entre 95°C y 110°C, para pasarla
posteriormente a la termoformadora. |
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Descripción del proceso de
Termoformado |
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La resina
PET puede ser termoformada fácilmente en equipo convencional. Las condiciones de operación
son variables dependiendo del perfil del producto a fabricar.
Cuando se quiere fabricar un envase para contener
un producto con baja presión
interna, la relación de estiramiento (área/profundidad) puede ser media, ya que
la orientación requerida es baja; sin embargo, si el envase es para bebidas carbonatadas,
entonces la relación de estiramiento es mayor, ya que así se mejora la biorientación
y con ello las propiedades mecánicas y de barrera.
Cuando la relación de estiramiento es media, (5:1) en el sentido longitudinal
del envase, se pude considerar un vacío de 10 mbar y una presión de 10 bar suficientes
para formar el envase. Para envases más profundos, es necesario incorporar al
sistema un mandril de estirado que ayudará a la formación del envase. El tipo
de mandril va a depender del espesor de la lámina y del tipo del envase.
Cuando se tiene una relación de 3:1 y la lámina es hasta de 1.5 mm de espesor,
se puede utilizar un mandril de nylon o de acero recubierto con PTFE. Para envases
más profundos se deberá considerar un mandril de acero calentado con aceite a
una temperatura entre 80°C y 110°C, dependiendo de la V.I. y de las propiedades
requeridas. Entre más alta sea la V.I., serán mayores los requerimientos de temperatura.
También se pueden utilizar moldes de termoformado del tipo hembra – macho.
Para obtener resultados óptimos, se pueden tener calentadores en la parte superior
e inferior de la lámina; sin embargo, en la mayoría de los casos es suficiente
con los calentadores superiores.
Los calentadores deben ser ajustables para proporcionar
cualquier temperatura que la lámina requiera, pero deben
ser constantes en su comportamiento. |
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Recomendaciones
para el Termoformado y Corte |
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Termoformado |
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Mantener constante
la temperatura de la lámina |
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Utilizar calentadores
en la parte superior e inferior de la lámina. |
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Controlar el ondulamiento
de la lámina
recalentada con el ajuste del tiempo de cerrado de
los moldes. |
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Las hembras del
molde deben estar en la parte móvil de este y colocadas por debajo
de la lámina. |
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Sacar lentamente
los envases del molde para evitar la distorsión
de los mismos. |
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Es recomendable
que la hembra del molde se pueda separar fácilmente
del envase producido. |
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Los moldes con
acabado mate son más
fáciles de separar del producto. |
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Se debe evitar tener filos marcados
en las aristas del molde. |
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Corte |
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La temperatura
de la lámina
debe ser lo más baja posible para evitar que se distorsione
y no se doble durante el suajado o troquelado.
Las navajas deben ser de acero de alta resistencia perfectamente
afiladas y ajustadas con el mínimo claro posible. Se deben revisar periódicamente para prevenir el
desgaste rápido.
Es preferible utilizar troqueles pesados para el proceso de corte
de lámina
PET y así facilitar la operación. |
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