EFECTO DE LOS PARÁMETROS DE PROCESAMIENTO EN LAS PROPIEDADES DE BOTELLAS DE PET MOLDEADAS POR SOPLADO Maja Rujnić-Sokele, Mladen Šercer, Igor Čatić Universidad de Zagreb, Facultad de Ingeniería Mecánica y Arquitectura Naval Oficina de Procesamiento de Polímeros, Zagreb, Croacia Traducido al español y publicado por Tecnología del Plástico, en convenio con la Sociedad de Ingenieros Plásticos (SPE) Resumen Este trabajo analiza los factores que más influyen en la fabricación de botellas de poli(etilen-tereftalato), moldeadas por inyección con soplado extendido y utilizadas para empacar aceite de mesa. De manera individual, se estudió el efecto de los factores de producción sobre los parámetros de calidad más relevantes en botellas de PET para envase de aceite de mesa, es decir, sobre el volumen final y la contracción posterior al moldeo. Los factores más influyentes sobre el volumen y la contracción en las botellas de PET se determinaron mediante el uso de un diseño experimental central compuesto. Introducción La principal función de los envases es proteger su contenido, permitir su transporte e informar a los consumidores acerca de lo que se encuentra en su interior. Por otro lado, el empaque debe tener bajos costos de producción, ser amigable con el ambiente y tener la posibilidad de ser reciclado, así como una disposición final sencilla y segura. El poli(etilen-tereftalato) (PET) es un material plástico que cumple con todos estos requerimientos. Los empaques de PET generalmente se utilizan para envasar bebidas gaseosas, agua mineral, bebidas refrescantes, aceite y vinagre, y más recientemente cerveza [1,2]. Las botellas de PET se fabrican mediante un proceso de moldeo por inyección con soplado extendido. Las preformas fabricadas por moldeo por inyección se extruyen en dirección biaxial en el molde de soplado, de tal forma que los parámetros de soplado afectan las propiedades mecánicas, las propiedades de barrera y la transparencia de las botellas fabricadas. En la fábrica de aceite en la cual se realizó esta investigación era posible llenar las botellas de PET con aceite, justo después de que estas eran sopladas o también se llenaban varios días después de estar almacenadas. La productividad en la línea de llenado era de 11.000 botellas/hora. Por esta razón, no todas las botellas se podían llenar inmediatamente después de ser sopladas, razón por la cual una parte de las botellas se almacenaba en un silo. Debido a que las botellas vacías alcanzan sus dimensiones finales después de 72 horas (se encogen durante este periodo), la línea de llenado se alimentaba con botellas de distintos volúmenes, dependiendo del tiempo de almacenamiento en el silo. La cantidad de aceite con el que se llenaba cada botella se medía de acuerdo con el nivel de aceite en la botella, lo que hacía que durante el proceso de llenado se presentara un problema pues las botellas tenían distintos contenidos de aceite. El objetivo de este trabajo es estudiar el efecto de los parámetros ajustables de fabricación en el volumen y contracción de las botellas de PET. El efecto de cada factor se determinó bajo condiciones de operación durante la producción. Materiales y equipos Para realizar las pruebas se utilizaron botellas de PET fabricadas fuera de la preforma, con un peso de 26g. Las propiedades del PET empleado en su fabricación se presentan en la tabla 1. Se utilizó una máquina de moldeo por soplado tipo SBO 6/10 de la compañía SIDEC, en Octeville sur Mer, Francia. El control de temperatura en las cavidades del molde se realizó con un dispositivo Vulcatherm de la fábrica Vulcanic, en Francia. Como fluido regulador de 1
temperatura se empleó agua, la cual podía calentarse a una temperatura máxima de 90 C. El ciclo del agua consistía en un ciclo de agua fría para el cuello y el fondo de la botella; y un ciclo de agua tibia para calentar el cuerpo del molde. Para este tipo de producto, la temperatura del agua fría era de 10 a 12 C y del agua tibia de aproximadamente 50 C. Experimentación La parte experimental del trabajo estudió la influencia de los factores de operación que se podían variar sobre el volumen de la botella. Con el diseño experimental central compuesto seleccionado se podía realizar un modelamiento polinomial de segundo orden. De esta manera fue posible establecer la forma de la respuesta de la superficie, que se estudió dentro de los límites seleccionados. La aplicación de este tipo de experimentos permite encontrar parámetros óptimos para la fabricación de las botellas de PET. Fue necesario establecer una combinación de los parámetros en la máquina de soplado para obtener botellas con el máximo volumen posible (para poder cumplir con los requerimientos de las botellas que se llenaban con 1000mL) y minimizar la contracción posterior (para reducir la falta de uniformidad en los volúmenes en la línea de llenado). Los dispositivos que definían la apertura de la boquilla en la máquina de llenado se colocaron al máximo, de tal forma que las botellas se llenaban con la mayor cantidad de aceite posible. Resultados y discusión Para el primer experimento se seleccionaron tres factores: - x 1 : La presión de soplado, p b - x 2 : la temperatura de la preforma (la temperatura a la cual la preforma entraba al molde de soplado), ϑ p - x 3 : La temperatura del fluido de control de temperatura del molde, ϑ m La velocidad de la máquina de moldeo extendido (productividad) se mantuvo constante durante todo el experimento, a 6250 botellas/h. Los niveles de los factores (tabla 2) se determinaron de acuerdo a la matriz de experimentos para el diseño central compuesto, con tres factores. Para cada punto del experimento se seleccionaban 8 botellas, de las cuales cinco (5) se almacenaban (la temperatura de almacenamiento variaba entre 25 y 40 C dependiendo de la temperatura ambiente y de la cantidad de botellas almacenadas en el silo), mientras que las otras 3 botellas se dejaban a temperatura ambiente en el laboratorio (aproximadamente 22 C). La figura 1 muestra la relación del volumen de las botellas, los cambios de temperatura en la preforma y la temperatura del fluido de control de temperatura del molde, a una presión de 36 bar (presión media). La diferencia promedio de volumen, que fue de 0.47%, se calculó entre el volumen de la botellas almacenadas y el de las botellas que se dejaron en el laboratorio. Es decir, que las botellas almacenadas a una menor temperatura tienen un volumen mayor, lo que indica menos contracción. Con base en los análisis de los resultados experimentales, podemos concluir que la temperatura de la preforma es el factor de mayor influencia, y que si esta aumenta, el volumen de la botella también lo hace. También se puede concluir que la temperatura de almacenamiento en el silo afecta el volumen final de la botella, por lo tanto, se decidió estudiar este fenómeno en otro experimento. Para este nuevo experimento, se seleccionó un diseño experimental centrado compuesto con dos factores: - x1: La temperatura de la preforma, ϑ p - x2: La temperatura de almacenamiento (temperatura a la cual las botellas se almacenaron en el silo), ϑ s La tabla 3 muestra otros parámetros de la operación del equipo de soplado. Las botellas se almacenaron por más de 72 horas (aproximadamente por 90 horas) en cámaras con temperatura graduable. La tabla 4 muestra los niveles de los factores. La relación del volumen de las botellas, la temperatura de la preforma y la temperatura de almacenamiento se 2
presentan en la figura 2. La relación entre la contracción de las botellas con respecto a estos mismos factores se muestra en la figura 3. El análisis de la relación entre el volumen de la botella y la temperatura de la preforma y de la temperatura de almacenamiento muestra que los factores tienen efectos contrarios. En otras palabras, que el volumen de las botellas aumenta al aumentar la temperatura de la preforma, y que disminuye al aumentar la temperatura de almacenamiento. La temperatura de almacenamiento es el factor que más afecta la contracción, ya que este aumenta cuando se incrementa la temperatura de almacenamiento. Conclusión Al analizar los resultados experimentales, se determinaron los factores que más afectaban el volumen y la contracción de las botellas de PET: la temperatura de la preforma y la temperatura de almacenamiento. El aumento de la preforma afecta de manera positiva el volumen final de las botellas y la subsiguiente contracción de las botellas de PET, mientras que un aumento de la temperatura de almacenamiento tiene el efecto contrario, es decir, un efecto negativo. Para minimizar las diferencias en los volúmenes de las botellas, la temperatura de la preforma debe ser por lo menos de 100 C, ya que esta temperatura permitirá maximizar el volumen de las botellas fabricadas y disminuir la contracción. Además, la temperatura de almacenamiento tiene una gran influencia en el volumen final de las botellas y especialmente en la contracción, de tal manera que esta temperatura debe ser la menor posible. Sin embargo, la mejor solución posible para resolver el problema sería la adquisición de una nueva maquina de soplado. En este caso, las botellas se podrían llenar justo después de ser sopladas, y el problema de contracción posterior y llenado en cantidades desiguales desaparecería. Agradecimientos Este trabajo hace parte de una investigación iniciada por el Ministerio de Ciencia y Tecnología de la República de Croacia, junto con el proyecto de Procedimientos Avanzados en la Producción de Productos Poliméricos. Quisiéramos agradecer al Ministerio por su apoyo financiero. Referencias 1. Šercer, M., Rujnić-Sokele, M.: Trends in plastics packaging development, Ambalaža 3:7 26-31 (1998) 2. Hernandez, R.J., Selke, E.M., Cutter, J.D.: Plastics Packaging: properties, processing, applications and regulations, Hanser Publishers, Munich, 2000. 3. Analysenzertifikat, Polytrade GmbH, Frankfurt, 2000. Tabla 1. Propiedades del PET Propiedad Valor Viscosidad Intrínseca 0,81 ± 0,02 dl/g Contenido de Acetaldehído < 1 ppm Contenido de humedad 0,2 % Temperatura de fusión 245±2 ºC Densidad 1,41 g/cm3 3
Tabla 2. Niveles de los factores Niveles x 1 Presión de soplado, p b /bar x 2 Temperatura de la preforma ϑ p / C x 3 Temperatura del fluido de control de temperatura del molde, ϑ m / C -1,68 33 86 40-1 34 90 44 0 36 96 50 +1 38 102 56 1,68 39 106 60 Tabla 3. Parámetros del moldeo por soplado extendido Parámetro de moldeo por soplado Valor extendido Productividad, q 6250 bottles/h Presión de soplado, p b 36 bar Temperatura del fluido de control de 50 ºC temperatura del molde, ϑ m Tabla 4. Niveles de los factores Nivel x 1 Temperatura de la preforma ϑ p / C x 2 Temperatura de almacenamiento, ϑ s / C -1,414 90 16-1 92 20 0 98 30 +1 104 40 1,414 106 44 4
Palabras clave poli(estilen tereftalato), moldeo por inyección con soplado extendido, diseño experimental 5