La contracción post soplado en envases de polipropileno (PP) y polietileno (PE) fabricados por extrusión soplado puede alcanzar hasta un 5% y afectar su resistencia, estabilidad y productividad. Conocer sus causas y aplicar estrategias de proceso y aditivos es clave para optimizar la calidad.
Un buen proceso de extrusión soplado es aquel que resulta confiable, predecible y reproducible. Estas condiciones no solo garantizan la calidad del envase, sino que además incrementan la productividad y la rentabilidad. Sin embargo, en los envases de PP y PE, una vez han salido de la máquina, ocurre una contracción que en muchos casos supera lo esperado, llegando incluso hasta un 5%. Esta contracción ocurre porque estos materiales son cristalinos y pierden parte o toda la cristalinidad al fundirse, la cual recuperan parciamente al solidificarse y también después de haber salido de la extrusora.
Mientras más amorfa sea la estructura y menor al alineamiento unidireccional de las moléculas más resistente es el envase tanto mecánicamente o por estrés químico o ambiental. Por esta razón, es importante implementar estrategias que reduzcan la cristalinidad post moldeo, ya que esta es la principal causa de contracción durante las 24 a 48 horas posteriores a la producción. Una mayor cristalinidad, además, reduce la resistencia al stress cracking químico (SCC o SCR).
Por esta razón, se recomienda llenar los envases de PP y PE por volumen y no por nivel, ya que la contracción puede modificar la capacidad final.
Factores que explican la contracción post moldeo
Los materiales semicristalinos, al solidificarse y encontrarse por encima de la temperatura de transición vítrea (Tg), tienden a recuperar parte de la cristalinidad perdida al fundirse. Como la estructura cristalina es más compacta que la amorfa, se genera la contracción.
En el caso del PP y el PE, sus Tg se encuentran por debajo de la temperatura ambiente: -10 °C en el PP y -120 °C en el PE. Esto significa que, a temperatura ambiente, las moléculas de los envases tienden de manera natural a reorganizarse hacia estructuras cristalinas.
- El PP tiene una mayor cristalinidad que el PE, lo que explica en parte por qué, a pesar de tener una Tg más alta, presenta mayor contracción post moldeo.
La formación de cristales es un proceso de tiempo, por lo tanto un enfriamiento mas rápido hace que los envases queden con menor cristalinidad y un enfriamiento lento hace que la cristalinidad sea mayor.
Entre los principales factores que afectan la contracción se encuentran:
Porcentaje y estado del material recuperado incorporado.
Temperatura del material fundido.
Temperatura y homogeneidad del molde.
Espesor de la pieza y uniformidad.
Melt index del material y distribución del peso molecular.
Estrategias de proceso para minimizar la contracción
Las soluciones para reducir la contracción post moldeo tienen dos enfoques principales: lograr que el envase, al salir de la máquina, tenga una cristalinidad muy cercana a la natural y, al mismo tiempo, disminuir la movilidad de las moléculas.
Reducir la movilidad molecular garantiza una estructura más amorfa y, por lo tanto, más resistente. Para ello, la adecuada selección de materias primas y el uso de aditivos resultan fundamentales, ya que permiten conservar estructuras amorfas y disminuir la contracción post moldeo.
En el proceso de soplado, lo primero es utilizar temperaturas lo más bajas posibles, ya que a mayor temperatura aumenta la movilidad molecular y se reduce la cristalinidad. Es clave consultar siempre las recomendaciones específicas del fabricante.
De igual forma, la temperatura del molde debe ser homogénea y no demasiado baja. La falta de uniformidad térmica genera variaciones en el choque térmico y, en consecuencia, diferencias de cristalinidad dentro del envase, lo que puede originar tensiones residuales, deformaciones indeseadas y contracciones desiguales.
Es importante aclarar que, aunque un molde más frío acelera el ciclo, también incrementa la contracción post moldeo. En cambio, un molde más caliente aumenta la cristalinidad y disminuye la contracción, aunque alarga el ciclo.
Asimismo, es recomendable emplear polímeros con cadenas ramificadas largas (LCB), que favorecen el entrelazamiento molecular y mantienen estructuras más amorfas, menos susceptibles a contracciones. También se recomienda el uso de polímeros con distribución de peso molecular media (MWD), ya que facilitan la estabilidad del proceso. Una distribución muy cerrada puede generar inestabilidad y una muy amplia puede producir variaciones indeseadas.
Otro aspecto clave es garantizar la homogeneidad en la adición del material recuperado del mismo proceso. Este suele tener un índice de fluidez (MI) más alto, lo que significa cadenas más cortas y móviles que mejoran el entrelazamiento. Sin embargo, una mezcla heterogénea puede provocar problemas como variaciones de espesor o contracciones desiguales.
La cantidad de material recuperado que puede añadirse depende de varios factores: nivel de homogeneidad, tipo de materia prima, espesor del envase, propiedades mecánicas requeridas y otros factores. Lo ideal es adicionar el material una vez molido, ya que el peletizado acorta más las cadenas. Cuando se adiciona, el recuperado sin peletizar, es fundamental mantener en buen estado las cuchillas y el tamiz del molino; cuchillas desgastadas o melladas generan heterogeneidad y defectos como puntos negros.
Otro punto muy importante, es utilizar siempre controladores de parison para poder garantizar la homogeneidad del espesor.
Aditivos para reducir la contracción post moldeo
La contracción post moldeo también puede disminuirse con aditivos, que ayudan a estabilizar la estructura:
Aditivos nucleantes: inducen microcristalización que limita la movilidad molecular y reduce la contracción. Algunos pigmentos orgánicos también cumplen esta función.
Espumantes: generan microburbujas que actúan como barreras moleculares, disminuyendo la contracción durante y después del moldeo. Además, pueden mejorar la fluidez del material, permitir el uso de temperaturas más bajas, reducir tiempos de ciclo y consumo energético, e incrementar algunas propiedades mecánicas.
Carbonato de calcio (CaCO₃) y cargas similares: actúan como obstáculos moleculares que disminuyen la cristalinidad y la contracción. Su bajo costo, frente al PP o el PE, puede generar ahorros importantes en materia prima y tiempos de ciclo. Sin embargo, un exceso puede volver frágil al envase. Su combinación con ciertos espumantes suele dar excelentes resultados.
Pigmentos minerales: al igual que el carbonato, reducen la movilidad molecular y la contracción post soplado. Algunos pigmentos orgánicos también ayudan a reducirla.
Otros aditivos: dependiendo de la formulación, algunos proveedores ofrecen soluciones específicas para disminuir la contracción post moldeo.
Industria 4.0: control inteligente del proceso
Como se mencionó anteriormente, un proceso bajo control es esencial. En este sentido, la Industria 4.0 aporta herramientas que permiten monitorear y corregir desviaciones en tiempo real, garantizando mayor estabilidad y calidad en los envases soplados.
- Control de peso en línea y en tiempo real
Permite detectar oportunamente variaciones por cavidad en sopladoras multichorro, asegurando uniformidad en la producción. - Sensores de presión con registro en línea y alarmas
Ayudan a mantener la presión constante y el espesor del envase estable. Ideal que cuenten con ajuste automático de las RPM del tornillo - Monitoreo de la presión del aire de soplado
Detecta caídas inesperadas, estas son responsables de variaciones dimensionales y contracción no deseada. - Sensores de temperatura de agua y del molde
Ayudan a mantener un enfriamiento uniforme y evitan problemas de contracción asociados a variaciones térmicas. - Monitoreo del ciclo de producción en tiempo real
Detecta alargamientos o acortamientos no intencionales del ciclo, que pueden afectar calidad y productividad. - Sensores de temperatura de la masa fundida
Más precisos que las termocuplas del barril; permiten identificar sobrecalentamientos del PE y corregirlos a tiempo. - Sensores de consumo energético en la extrusora
Variaciones en el consumo pueden indicar problemas como el uso de resinas inadecuadas o adiciones incorrectas de material recuperado.
Finalmente, los datos recolectados pueden integrarse con herramientas de inteligencia artificial, capaces de predecir comportamientos, optimizar parámetros y mejorar el control del proceso. Esto se traduce en mayor productividad, mejor calidad, ahorro de energía y reducción de costos.
Fuente: https://www.plastico.com/