Tratamiento de las películas plásticas PDF Print E-mail
Articulos - Los Empaques Flexibles
Written by Ing. Nemesio E. Delgado   

I- ENERGÍA SUPERFICIAL Y TRATAMIENTO

La superficie de las películas fabricadas sobre todo de poliolefinas (familia a la que pertenecen los polietilenos y el polipropileno), es químicamente inerte los enlaces químicos que unen los átomos de carbono que forman sus moléculas son no polares, por tanto´ poco receptoras de tintas o recubrimientos, dicho de otro modo hay poco o nulo anclaje de dichos materiales, para desarollar esa propiedad es necesario tratar la superficie de esas películas.

La propiedad de anclar o no, tintas y recubrimientos se debe a cierta energía de superficie cuya magnitud es una característica de cada material.

Una pequeña porción de agua cayendo en el aire tiene la forma esférica como si fuera un globo lleno de líquido. ¿Qué es lo que hace que se comporte así el líquido?, Los físicos y lo químicos tienen una interesante explicación: Las fuerzas intermoléculares tienden a mantener la masa líquida unida, pero en las moléculas de la superficie de la gota en contacto con el aire, esas fuerzas son mayores,y aquí empieza la teoría:en la capa externa las moléculas no pueden ejercer todas las dichas fuerzas en la misma forma que en las interiores, porque están en contacto con el aire, con cuyas moléculas no tienen afinidad,entonces ese excedente de energía al aire, se agrega para unir las moléculas adyacentes, se forma de esta manera una capa externa integrada por moléculas más fuertemente unidas que tiende a apretar unas contra otras comprimiéndolas por decirlo así y haciendo el volumen lo más pequeño posible, como desde el punto de vista de la geometría el cuerpo de menor volumen es la esfera, las gotas de líquido son o tienden a ser esféricas. 

 

Esa capa o interfase tiene propiedades distintas al cuerpo del líquido interior,la fuerza generada de la capa externa forma una especie de membrana,  como un globo, a esa energía se le ha llamado tensión superficial o denergía superficial y se mide como energía libre por unidad de area.

 

La energía superficial tambien se manifiesta cuando un líquido se encuentra en un recipiente, su superficie es plana, excepto en el contacto con las paredes del recipiente,donde la orilla líquida, queda arriba o abajo del nivel general, dependiendo de la clase de líquido y el material del recipiente;esta configuración de la superficie se llama menisco y el ángulo entre la pared del recipiente y la tangente que parte del punto O, figura 1, se llama ángulo de contacto,a. Aquí se pone de manifiesto el comportamiento de moja,no moja de estos sistemas fisicoquímicos;el primero, se tiene con el agua, alcohol, benceno y otros líquidos, el segundo,se manifiesta con el mercurio; en recipientes de vidrio.Abundando en este tema, otra manifestación es el fenómeno capilar, que consiste en que la altura  de un líquido en un tubo de pequeño diámetro, es mayor o menor que el nivel del líquido en el recipiente, figura 2, dependiendo de la naturaleza de aquel, en aparente contradicción a la ley de los vasos comunicantes; igualmente se deben mencionar las burbujas ya sea de jabón u otros líquidos. Por último,cuando en una superficie de cierto material se deposita una gota de agua, ésta adquiere una forma tendiente a ser esférica o se extiende tratando de cubrir más superficie,se podrá afirmar que la energía de superficie de ese material particular es mayor en el segundo caso comparado con el primero, la energía de superficie es mayor cuanto menor sea el ángulo de contacto.

 

Cuando un líquido aplicado en la superficie de una película, plástica fluye líbremente sin separarse en gotas, se dice que en la interfase entre los dos materiales, hay energia superficial libre que provoca este fenómeno. Esta propiedad es medible sólo en forma experimental y se define como: “... el trabajo necesario para incrementar isotérmicamente (a temperatura constante) el area en 1 cm2..”(Frank H. MacDougall. Physical Chemistry,The Macmillan Company, 1943).

El señor MacDougall propone un experimento: Una película líquida esta tendida en el rectángulo ABCD en la Figura 4 (Haga de cuenta que el líquido es una jabonadura y que las piezas son de alambre), la pieza CD puede moverse a lo largo de la piezas AC' y BD' y se mantiene en equilibrio por una fuerza de f dinas, paralela a la superficie  y normal a AB.Como la superficie tiene dos caras y el experimento es para evaluar la energía de una  cara, consideraremos que esa dimensión es 2l, luego la fuerza aplicada por cm es f/2l. Si CD se mueve hacia la derecha s cm, el trabajo necesario es fs (fuerza multiplicada por la distancia de desplazamiento), y el incremento en la superficie total es 2ls;por tanto el trabajo necesario por unidad de incremento en el área es fs/2ls = f/2l = tensión superficial,que se expresa  en dinas sobre centímetro.


II-CÓMO SE MIDE.

 

En la práctica, siempre apresurada por la operación, para determinar la energía de superficie de los sustratos en uso, se han desarrollado métodos que nos aseguran que el material, va a servir para el uso que se le tiene destinado, así sea impresión, laminación o recubrimiento.

Prueba de tinta.Se prepara tinta con tanto solvente como sea necesario, para darle una fluidez que permita aplicarla con una brocha de 25 mm sin dejar rayas o irregularidades,se toma una muestra de la película a todo lo ancho del rollo y se hace una corrida con tinta a lo largo de la muestra, figura 5, que se seca bajo lámparas infrarrojas.La corrida de tinta también puede hacerse con un rodillo de hule, especial para este menester o con una barra Mayer, pasándolos sobre gotas depositadas a lo largo de la muestra.Una vez seca la tinta, se le adhiere una cinta adhesiva celulósica tranparente,eliminando todas las burbujas, enseguida se depega la cinta tirando de ésta con rapidez con una mano y de la muestra con la otra; la cinta se examina a contraluz y el resultado se puede evaluar así:

1) Cinta limpia.  excelente
2) Cinta con puntos de
tinta muy aislados.
muy buena
3) Cinta con puntos de 
tinta cercanos,m,as
o menos 25 mm. 
buena
4) Cinta con manchas de
tinta.
mala

Esta prueba también se hace en la otra cara de la muestra en el caso de películas plásticas, para determinar que el tratamiento no pasó al otro lado, por exceso en la intensidad del tratamiento. 

 

Advertencia: 

Este y otros métodos de prueba descritos aquí deben ser examinados por el usuario y es preciso normarlo de acuerdo con los criterios del responsable en la planta, por ejemplo: es conveniente que la tinta de la prueba sea la de menor tensión superficial (menos adherente) siempre del mismo proveedor, siempre con la misma formulación y reponerse diáriamente y usarla en particular para ese trabajo o en general para todos.
 

La cinta tiene que tener siempre la misma adhesividad (se recomienda la Scotch 3M 600, Skip Heintzelman, Narrow Web Niche, Converting Magazine, June 1997.), etc. Mediante este proceso de normalizar los métodos de trabajo se elimina hasta donde es posible el error entre un operador y otro, o entre éste y el laboratorista, la congruencia entre resultados cualquiera que sea el origen de estos en la organización, les da un valor que permite tomar decisiones más acertadas.

 

Prueba de soluciones graduadas (Dyne test).

Este procedimiento hace uso de de mezclas graduadas de dos líquidos de tensión superficial conocida. La tabla 1 nos muestra las proporciones de formamida y etil-cellosolve que son las substancias que se usan (norma ASTM D 2578), y el valor en dinas/ centímetro de cada proporción. Aunque estas mezclas se adquieren en frascos o en forma de plumones, se pueden preparar en el laboratorio. La prueba de tratamiento se hace aplicando con un hisopo de algodón la mezcla, mojando una area de aproximadamente 25 por 25 mm, , con una presión mínima para no modificar su superficiede, la película líquida empezará a separarse en gotas despues de un tiempo que es variable, cuando la separación después de aplicada la mezcla se inicie exactamente a los 2 segundos, el valor de esa mezcla será el valor de la energía de superficie. Figura7 Esto significa que deben ensayarse tantas soluciones graduadas hasta que una cumpla ese requisito.

Los frascos comerciales que contienen estas mezclas son de 1 á 8 onzas, con gotero para mojar los hisopos de algodón, para aplicar la solución al substrato; si estos se hacen a mano deberá tenerse cuidado de no manipular mucho el agodón para evitar contaminarlo con la grasa de los dedos, si se compran deben ser de la misma marca, algunos fabricantes pueden usar adhesivo en su manufactura; no use dos veces el mismo hisopo, porque puede contaminar la solución, ni lo pase más de una vez por la misma zona al hacer la prueba para no modificar la superficie de la muestra.

Cuando se usan plumones, la interpretación del resultado se hace de la misma forma que en las soluciones. Los plumones falsean los datos despues de algunas pruebas,si no se siguen las instrucciones del fabricante para no modificar la superficie del substrato y mantener el fieltro de la punta sin contaminar.

Una manera de eliminar los problemas anteriores es usar una barra Mayer, figura 7, con la que se extienden las gotas de solución aplicadas sobre la muestra con un frasco gotero.

La simplicidad  y rapidez del método de los plumones graduados, lo hace el de uso más frecuente en la actualidad.

Medición del ángulo de contacto de la gota. De aparición reciente es la medida del ángulo de contacto de una gota de agua mediante un goniómetro,(CAM FILM T de Tantec Inc, Schaumburg, Ill. entre otros.). Si regresamos a la figura 3, recordaremos que la forma de una gota es una manifestación de la energía de superficie, ésta, determina el ángulo de contacto con la suprficie problema y la medida de este ángulo se relaciona con la energía superficial en dinas/ cm

Los anteriores son los métodos más usados y confiables y si se analizan cuidadosamente, se verá que cada uno tiene ventajas y desventajas, por ejemplo, la prueba de tinta es la que se puede hacer con mayor rapidez a todo lo ancho del rollo y quizá la única que puede delatar un sobretratamiento, manifestado en el lado contrario a la cara tratada, porque se revela en zonas o puntos reducidos; sin embargo esta es una prueba cualitativa,en tanto que en la prueba de soluciones valoradas,el resultado es el nivel de tratado; pero es dificil de hacer en grandes zonas.La prueba del ángulo de contacto,también da valores muy exactos; pero las áreas de prueba son más reducidas aún, tomando en cuenta que el resultad se va a usar para ajustar el tratamiento en producción, el tiempo de respuesta es largo en las dos últimas.

Aquí, vale la pena trancribir al señor Richard M.Podhajny (Converting Magazine,dec. 1944): “Las soluciones valoradas son exactas en superficies de alta energía. Por ejemplo,una superficie de 34 dinas/ cm será difícil de medir.....

Sin embargo una superficie con un nivel de 55 dinas/ cm no será problema .....los angulos de contacto de agua son exactos en superficies de baja energía por tanto este método, puede complementar el uso de las soluciones graduadas, ....La razón de esto es que los ángulos de contacto, dependen de el equilibrio estático de la gota de agua. siendo  éste (ángulo de contacto), bastante estable en el rango de las 20 a 40 dinas/ cm......” 

III a-Tratamiento de películas

Hay cuatro procedimientos para aumentar la energíá superficial:

  1. Ataque químico.
  2. Flama
  3. Descarga de corona
  4. Uso de primarios (primers)

Ataque Químico

El ataque químico se logra lavando la superficie por tratar con una solución lavadora y aplicando otra solución que ataca la estructura molecular superficial. se vuelve a lavar y se seca.Este método tiene serios problemas entre los cual está el riesgo de manipular sustancias peligrosas además de la contaminación ambiental que significa, por ello casi no se usa y ya no lo mencionaremos.

 

Tratamiento por flama. 


Por los años 50,en México, la película de polietileno se trataba por este medio,los quemadores eran hechos en casa. En la figura 8 vemos un corte de uno de ellos. 

La flama nace en la abertura que dejan dos labios, 1, por donde sale la mezcla gas-aire,el cuerpo del quemador 2, es un tubo de acero maquinado para dar la abertura de alimentación y la parte plana donde van fijos los labios con tornillos cada 12 mm, en el centro de este arreglo, está el tubo sumunistrador de gas, 3,que en la parte contraria a la flama, tiene una doble fila de barrenos de 2.5 mm de diámetro,figura 9, separados por 13 mm y 13 mm entre ambas filas,por donde sale el gas, ver figura 10.Este tubo tiene cuerda en cada extremo y una brida soldada a la pieza 4 ,en el lado contrario, remata con otra brida,8, desmontable ésta y que al armar todas las piezas, el tubo alimentador queda aprisionado contra el cuerpo por medio del tapón 7 y el empaque 6. Previo al armado debe ponerse una malla de acero inoxidable,9, dentro del cuerpo y a todo lo largo hasta tocar las bridas, como lo indica 8 en la figura 9, de manera que al tender a desenrrollarse quede fija, esta malla sirve como atrapador de flama. Para aumentar o disminuir el largo de la flama o sea el ancho del tratamiento, se ponen unos topes corredizos en los labios,figura 9. 

 

La mezcla gas-aire la obteníamos por medio de una válvula mezcladora, de las usadas para regular la flama del soplete de soldadura autógena (oxiacetileno), usando gas propano doméstico y aire a presión regulada, el ajuste de la flama se hacía de la misma manera que lo hace el soldador, al regular mezcla oxígeno /acetileno.

 

La posición del quemador se ve en la figura 10, el claro entre éste y el rodillo 3 se ajustaba de manera que la flama tocara la película,sin llegar a la zona amarilla, 1, el tratamiento se corroboraba con una prueba de tinta.El rodillo se refrigeraba a 7-10oC.

 

Este sistema de tratamiento tenía algunos problemas:


a)Cuando la flama se extendía más allá de los dobleces de la película tubular,a,figura 11, las orillas se debilitaban a tal grado que el material se podía separar en dos capas, sin mayor esfuerza. 


b)La película sometida a el calor de la flama y por la otra cara a lo frio del rodillo formaba túneles a lo largo que se quemaban, dando por resultado debilitamientos en esas zonas.

Por esa época los fabricantes de equipos domesticos de calefacción trabajaban para obviar las dificultades anteriores y lograron quemadores de mas de 1.5 m de largo y sistemas carburadores de alta capacidad, al mismo tiempo los fabricantes de líneas de extrusión, aumentaban la velocidad de sus equipos de película.

Ahora la preocupación de los fabricantes de equipos tratadores por flama es de dar una mayor profundidad del tratamiento,mejor uniformidad y un control positivo de de las variables que intervienen, como son:

a) Forma de la flama, que debe ser uniforme y contínua a todo lo largo del quemador, un diseño adecuado de este equipo logra satisfacer esta condición.El señor Harold Flynn (Flyn Burner Corp.), inventó un sistema que consiste en un paquete de tiras metálicas acanaladas arregladas de tal manera  que  se formen paredes y conductos en filas defasadas,figura12, lo que impide que la flama sea absorvida por el sistema y la distribuye a lo largo del quemador, además de formarse un haz de flamas que resulta en una acción mas prolongada sin ser más intensa, figura 7. 

b) Control de la mezcla aire/gas,este parámetro es el que mide la calidad del plasma, que la flama produce, se logra midiendo la energía del plasma en una celda de muestreo y realimentendo esta información a un mando que corrige las variaciones, figura 13, este método (Flynn Burner Corp.), supera los inconvenientes que tienen los controles volumétricos y los de medición de temperatura que tienen otros sistemas.

c) Posición de la flama con repecto a la banda.En la figura 14, se muestra la posición que debe tener el quemador con respecto a la película.El rodillo 1 debe tener una temperatura controlada alrededor de 45oC lo que permite un contacto contínuo y uniforme sobre la superficie del cilindro y se evita la condensación de rocío en el mismo.La distancia mínima rodillo-flama es de 35 mm, (la porción reactiva de la flama es de los 35 a los 65 mm )
Cuando la velocidad de la banda es alta (100 m/min), esta arrastra aire y puede ser que la flama no llegue a penetrar esa capa, es necesario corregir la posición del quemador, moviendo el ángulo de incidencia

III b Tratamiento por descarga de alto voltaje o corona

A finales de los años 50, aparecieron los tratadores de películas por medio de una descarga de alto voltaje, sobre un rodillo que transporta la película recubierto por un material dieléctrico.El tamaño de los gabinetes de mando, la simpleza del electrodo y en general, el bajo peso de todos los elementos dió un vuelco de la preferencia hacia este método.

Un sistema de este tipo se muestra en la figura 15 y consta de las partes que siguen:un circuito generador de alta frecuencia´, con controles para variar la energía de salida a, un tranformador de alto voltaje b  y un electrodo, en este caso de metal, c, que está colocado sobre un rodillo d, recubierto por un material dieléctrico 

Entre electrodo y rodillo debe haber un claro (de 2 a 6 mm).Durante el trabajo del equipo, salta un arco en todo lo largo del electrodo, que atravieza la capa de aire, la película (que tambien es dieléctrica) y el recubrimiento deléctrico del rodillo e incide en éste que es de metal y está conectado a tierra, se cierra el circuito y el fenómeno continúa hasta que se interrumpe en el control o generador.

Por este medio, la cara de la película expuesta al aire sufre alteraciones, similares a las que ya vimos en el caso de la flama, que la hacen receptiva a tintas y recubrimientos.

El generador de potencia, los mandos del operario y el transformador de alto voltaje pueden, estar en un solo gabinete o separados, cada fabricante aduce sus razones para uno u otro arreglo, mi opinión es que por seguridad, conviene tener el trasformador lo más cerca posible del electrodo y esto en algunos casos sólo se logra con el transformador independiente.

Existen equipos muy sofisticados que.contienen como opciones: detectores de poros (pinholes), que se producen por falla del dieléctrico del rodillo, lo cual permite una reparación a tiempo, alarma que detecta un cambio en la energia de tratamiento;corrección automática de la energía de acuerdo con la velocidad, para mantener el nivel de tratado, etc.

El electrodo es la parte del equipo que más ha preocupado a los técnicos, fabricantes de los sistemas tratadore por descarga de corona.Hay dos tipos de materiales o películas,por tratar: los conductores y los no conductores,los primeros son los plásticos y los papeles, los segundos son las películas metalizadas, el foil de aluminio y algunas películas con una carga cosiderable de pigmento metálico, como aluminio o bronce.

En otro tiempo, el uso de corriente de corona para energizar la superficie de películas, se aplicó casi exclusivamente al polietileno, esta operación se hacía en línea con la extrusión, uno de los primeros electrodos que se usó fué de un alambre,a, figura 16, tenso entre unas deslizaderas b que permitán ajustar al ancho tratado. Figura 16.Todo este montaje se fijaba con materiales aislantes para evitar fugas de corriente a tierra.Este electrodo tenía las desventajas de ser muy delgado y la transferencia de energía pobre de manera que al aumentarla se llegaba a fundir.

Después vendrían los electrodos de barra metálica, como ya vimos en la figura 15.Esta disposición, no tiene el problema de la fusión del electrodo, al aumentar la salida del transformador y la superficie de transferencia es mayor, además de poderse segmentar para dar zonas sin tratar cuyo propósito veremos en otro lado. 

En la figura 17 se puede ver la disposición de los distintos elementos:el electrodo, que es una tira de aluminio de 3 á 6 mm de espesor, se fija con tornillos a una pieza aislante como acrílico, de 2 centímetros de grueso por unos 7 cm de ancho, por el largo que establece el equipo; en el lado contrario o parte superor, al portaelectrodo se fija un elemento que permita girar en el sentido del movimiento de la película, todo el sistema cuando pasa una basura o una arruga;un tope y un resorte muy ligero obligarán a que regrese este a su lugar. 

Cuando el electrodo es muy largo, digamos un metro los barrenos de fijación deben ser ovalados, excepto el del centro,con el fin de neutralizar la dilatación por calentamiento.Cuando el electrodo es segmentado, cada elemento se interconecta con el mismo tipo de cable con que se conecta todo el sistema

Un paso adelante es la aparición de electrodos segmentados,que consisten en piezas de aluminio, figura 18,que ensartadas una tras otra en una flecha a todo lo larga del rodillo tratador,este arreglo tiene la ventaja, de que la superficie de descarga es un poco mayor que en el caso anterior y al levantar algunos de los segmentos se obtienen bandas sin tratar, sin embargo,como la corriente de corona tiene la propiedad de ser mayor en las aristas, entre segmentos el tratamiento es mayor, es decir, no uniforme a lo ancho de la banda de material;debido a la emisión de ozono hay oxidación de los segmentos, que agudizan el problema, se ha intentado eliminar con la limpieza frecuente;recubriendo los segmentos con teflon o anodizándolos con algunos resultados.

La firma norteamericana Corona Designs Inc. (828 Walnut Street,Garland, Tx.),ha diseñado un electrodo de zapata segmentado o no, al que llama Diamond Mesa, que tiene en su superficie de emisión, un grabado en forma de diamante, figura 19, el fabricante dice que lo han provisto de un recubrimiento duro de teflon (DiamondTuf),que evita que se oxiden los segmentos.Tienen una curvatura ajustada a rodillos de 6,8,12,y 16 pulgadas de diámetro.Figura 20. Cuando se desea dejar sin tratamiento una franja se deslizan hacia arriba los segmentos correspondientes. El tamaño del rodillo con dieléctrico, depende de la potencia demandada, (dada por el ancho del electrodo), es decir, cuántos metros cuadrados de material por minuto se van a tratar y de qué espesor, en otras palabras, cuántos watts por metro cuadrado debe proporcionar el equipo. El electrodo debe ser capaz de de trasferir esa energía uniformemente a lo ancho de la película.

La Softal of America, Inc., ha desarrollado un electrodo que denomina MM (multimetal) y que dice, elimina el problema que tienen los de una sola hoja metálica que producen poros (pinholes), a alta demanda de energía y  dicen que el tratamiento dura más en  el almacenaje. Figura 21

La frecuencia de trabajo de los generadores de corona puede estar comprendida entre los 5 y 25 kilohertz (Khz),a frecuencias arriba de 10 Khz hay interferencia del espectro de la radiocomunicación, a frecuencias muy bajas, la descarga produce un ruido agudo molesto. 

 

En todo caso es conveniente consultar al proveedor del equipo.

Cuando se empezó a tratar por el efecto de corona, se usó el poliéster como dieléctrico (10 ó más vueltas de 0.05 mm de espesor),aún hoy se usa, con el problema (no tan grave), de que la punta exterior que se fija con cinta celulósica adhesiva, queda marcada con una diferencia en el tratamiento, este pequeño, defecto se elimina usando mangas de polietilentereftalato o 

 

Teflon (marca registrada de Dupont). Estas mangas disponibles para rodillos de varios diámetros se colocan sobre el rodillo y mediante aire caliente se encogen, quedando como un recubrimiento, muy apretado sobre el metal.Estos dos materiales: poliéster y Teflon son sumamente asequibles por el precio y por la facilidad conque se substituya en un rodillo tratador dañado, pero no soportan el abuso, golpes, rayones o cortes con navaja. 

 

Un avance es el uso de hule como dieléctrico, específicamente el Hypalon de Dupont, este material tampoco resiste el abuso y durante el trabajo se le pueden formar poros (pinholes), que causan cortocicuitos en el recubrimiento de hule, que a su vez ocasionan pequeños agujeros en el sustrato; sin embargo dura más que los materiales ya mencionados, aunque acumula calor del proceso, para disiparlo es necesarrio un buen cálculo de su diámetro; es un material bastante económico, se usa mucho en rodillos muy largos o de gran diámetro.

 

Otros recubrimientos son: el epóxico, el vidrio y la cerámica, el recubrimiento epóxico es un substituto no tan económico del hule Hypalon, resiste mejor el manejo y se le puede reperar con relativa facilidad, aunque tiene tendencia a almacenar el calor como el Hypalon, se enfría fácilmente con aire.

 

El vidrio es un excelente dieléctrico, pero el rodillo base debe ser de un acero especial que lo hace pesado, por tanto debe ser impulsado por la máquina o por un motor, éste, es un material caro.Más cara aún que el vidrio es la cerámica; pero resiste abusos en el manejo (navajazos y algunos golpes) y su alta constante dieléctrica, permite que el recubrimiento sea más delgado que en los demás, ver tabla 2.

 

Es necesario mencionar aquí que aquellos materiales delicados por ser extensibles (por su propia naturaleza o por delgados), o que no resisten gran tensión como el foil delgado de aluminio, obligan a impulsar el rodillo de tratamiento que en diámetros mayores de 10 cm, suelen ser pesados y causan problemas de arrugas o roturas de la banda.El movimiento al rodillo puede tomarse de la misma máquina o darlo con un motor de velocidad variable, de manera su velocidad tangencial se ajusta a la misma del proceso

 

El sistema conductivo. 


Para tratar los materiales conductores, es necesario que el dieléctrico cubra o encapsule al electrodo y que el rodillo soporte de la banda sea desnudo. Como electrodos se han usado rodillos de poco diámetro recubiertos con un dieléctrico e impulsados,con buen resultado de manera que en un tiempo, casi fué la única manera de tratar esos materiales; pero impartirles movimiento para evitar que se queme el dieléctrico hace que esta configuración presente dificultades, también se han ansayado barras metálicas dentro de un tubo de vidrio, pero su fragilidad hizo que fuera abandonado; mejor resultó usar un tubo de cuarzo encapsulando al electrodo,estático, figura 22; con este arreglo sepueden tratar también los substratos no conductores. La energía que  es capaz de transmitir al substrato la configuración conductiva, tiene una eficiencia de 40-50%, comparada con la del sistema no conductivo.

 

Hoy día se se sigue investigando por encontrar un electrodo fijo con recubrimiento que dé mejor eficiencia, o un sistema que pueda cambiarse de conductivo a no conductivo con rapidez y que no se eleve demasiado su costo, se han ensayado los varios tipos de materiales dieléctricos además de los ya mencionados, entre los que destacan el cuarzo y la cerámica; cuando el electrodo es estático, el desarollo de grandes cantidades de calor,que se concentran en él, ocasiona que fallen dieleléctricos como silicón hypalón etc.,La acumulación de calor se elimina con aire, que en el caso de tratamiento de materiales no conductores sobre un rodillo recubierto, el calor se disipa en el mismo rodillo durante el tiempo que la chispa no lo toca y hay además un calor remanente que favorece al tratamiento. 

 

En general en el sistema conductivo, siempre será necesario el aire para enfriar el electrodo estático encapsulado.La tabla 3 nos muestra la constante dieléctrica, la temperatura de servicio y el espesor de algunos recubrimientos.Escogí tres fuentes de datos para hacer notar que hay algunas diferencias, éstas , se deben a formulaciones propias de cada fabricante, por ello insistimos que, cuando se vaya a adquirir algún equipo de este tipo, se trabaje de cerca con el proveedor.

 

La constante dieléctrica es muy importante, mientras mayor sea ésta, el material es mejor en lo que se refiere a la transferencia de energía; la temperatura de trabajo del dieléctrico, nos marca el máximo calor que puede resistir sin dañarse.

III e -Capacidad del tratador. 


El diseño de los electrodos, es propio de cada fabricante, y se sigue investigando cómo lograr el sistema universal conductivo/ no conductivo con eficiencia razonable, que se pueda tratar en franjas, o uno en que los cambios de una configuración a la otra, se hagan en un tiempo corto.para aprovechar siempre toda la energía del equipo.

 

Las necesidades en lo que a energía se refiere, se pueden ver en la tabla 4. La intensidad de la energía de superficie necesaria para una cierta operación, tiene que ver con la naturaleza del proceso. 

Se puede tratar un subtrato donde se produce, específicamente en la extrusión, o en la conversión.En el primer caso las condiciones de la operación favorecen el tratamiento, como son: que los aditivos todavía no emigran a la suprficie y que la temperatura del material es nomalmente caliente con respecto al ambiente aunado a que que la velocidad de la operación es en general menor a la de conversión. Un punto importante es que aquí se puede usar, para todos los productos, el sistema no conductivo que es el más eficiente,el tamaño del equipo es  50% más pequeño que el sistema conductivo, ver tabla 3.

En el segundo caso, la conversión se efectúa con material que ha sido almacenado por un tiempo variable y por tanto su energía de superficie ha bajado según el período de almacenaje,por tanto es necesario volver a tratar hasta el nivel original como mínimo.Aquí se presenta un problema: en impresoras, recubridoras y laminadoras, tambien se usan materiales conductores como el foil de aluminio y sustratos metalizados, por tanto es obligatorio el sistema conductivo a menos que se planee no procesar esos materiales. En el caso de la laminación, probablemente sean necesarias dos unidades tratadoras puesto que se manejan dos bandas, en general de distinta naturaleza que son las que se van a acoplar.

 

El nivel de tratamiento necesario en un substrato, depende del tipo de proceso al que va a ser sometido:

 

1-Impresión o recubrimiento usando solventes: 38-40 dinas/ cm.
2-Impresión o recubrimiento con materiales base    agua o secado ultravioleta (UV): 43-45 dinas/ cm
3)Laminación 48-50 dinas

                     

Estos conceptos son aproximados debe investigarse cada caso específico, pero los datos anteriores son bastante aceptados, (fuente: Corona Designs, Inc.). Para cada caso se debe consultar al proveedor.

 

Para estimar la capacidad necesaria de un tratador, se necesitan los siguientes datos: ancho de la banda, velocidad de la misma y la densidad de energía necesaria para que el material adquiera el nivel deseado detratamiento, este dato se encuentra en la tabla 4, (Corona Designs inc.) y está dado en watts/ ft2 /min, si llamamos v a la velocidad en metros por minuto, y a al ancho en metros, y d al dato tomado de la tabla el cálculo de la potencia P, en kilowatts será: 0.011586 v a d = P

 

El factor 0.11586, permite usar el sistema métrico decimal.

 Tabla 5 Comparacion entre sistemas conductivo y no conductivo.
No conductivo Conductivo

Sólo  trata sustratos no conductores Trata todos los sustratos.

El rodillo debe recubrirse con un dieléctrico, si es pesado para el sustrato, debe motorizarse 

Rodillo desnudo, si es pesado debe motorizarse.  No hay fallas eléctricas.
Consumo de energía considerada: 100% Consumo de nergía 200%
Precio del equipo = 1 Precio del equipo = 3
En general no se necesita aire para enfriar el dieléctrico Se necesita aire para enfriar el dieléctrico para largar su vida. (Es crítico ).
En las aplicaciones que requieren una alta densidad de watts trabaja bien.(Polipropileno, polietilenos con alto contenido de aditivos) Dificultades en alta densidad de watts en polipropileno y polietilenos con alto contenido de aditivos.
Trabaja mejor a altas velocidades Limitación en altas velocidades
Los electrodos duran más El dieléctrico del electrodo puede fallar y prácticamente no se puede reparar en la planta.

El área de tratamiento se puede ajustar No es fácil ajustar el área del electrodo, se requiere cambiarlo o tener electrodos mùltiples. ( figura 25 )
Mantenimiento fácil del sitema electrodo/rodillo con dieléctrico. Mantenimiento complicado.

El cálculo de la capacidad del equipo tratador no ha tomado en cuenta el diseño del electrodo y es importante conocer los parámetros que gobiernan ese cálculo.

En la figura 23 podemos apreciar los elementos de un equipo tratador, el generador G produce una corriente alterna de unos 600-700 volts y la aplica al primario de un transformador T que eleva el voltaje unas 15 veces y este voltaje de 10 Kv es el que hay entre el electrodo E y el rodillo R, es aquí donde suceden cosas interesantes.

La figura 24 es el diagrama eléctrico de la figura 23. El secundario del transformador, L, provee el voltaje al circuito y al mismo tiempo es una resistencia al paso de la corriente, resistencia del tipo reactivo por ser una bobina, cuyo valor aumenta con la frecuencia. El análisis eléctrico del sistema electrodo/rodillo, nos permite dividirlo en dos elementos eléctricos: una resistencia típica R, representada por el aire entre electrodo y rodillo, así como condensador o capacitor,C, formado por el área de emisión del electrodo, la película, el material dieléctrico del rodillo, y el rodillo. Aunque el aire del claro está dentro del condensador, eléctricamente se puede considerar separado como en el diagrama, este condensador, C,es una resistencia capacitiva, por tanto disminuye con el aumento de frecuencia.

Cuando se aumenta la frecuencia, dije que la capacitancia disminuye y la reactacia aumenta,figura 24 B, lo que significa que hay un punto donde ambas tienen el mismo valor, por tanto su diferencia es cero. La ley de Ohm toma la forma, para estos circuitos:

Z= R- (XL-XC)2

donde Z es la impedancia total del circuito (o resistencia total en Ohms) Como el contenido del parentesis es cero,la impedancia total equivale sólamente a la resistencia del aire en el claro electrodo/película.Con cualquier otro par de valores de inductancia y capacitancia,la impedancia total aumenta y por tanto la energía de tratamiento disminuye.

A la primera condición mencionada arriba, se le llama resonancia y cuando un equipo trabaja en ese punto dá su máxima eficiencia y esta disminuye muy rápidamente cuando se aleja de ese punto de manera que hay una franja o zona de trabajo donde los valores son aceptables. Para profundizar más en este fenómeno ver, Fudamentos de Física de Frederick J. Bueche,(McGraw-Hill, tercera edición en español, tomo II). 

De aquí podemos sacar algunas conclusiones:
A)Para disminuir la resistecia del aire en el claro es necesario disminuir esa distancia al máximo y creo que no más allá de 2 mm para evitar roce entre película y electrodo debido a arrugas o material extraño.

B)Para trabajar con eficiencia máxima el área del electrodo debe estar en resonancia eléctrica con la frecuencia del equipo, el proveedor debe proponer esta area, tomando en cuente todas las variaciones de ancho de tratamiento y velocidad de producción.
Consideraciones finales. Hemos hablado de tratamiento de plásticos, foil de aluminio y papel y quizá alguien pregunte, porqué éstos dos últimos. Debemos empezar por admitir que no se conoce el mecanismo que hace que éste proceso aumente la energía de superficie. La hipótesis que mejor explica este fenómeno dice que el alto voltaje y la alta frecuencia hacen que el aire se ionice y que los electrones (Corriente eléctrica) pasen del electrodo al rodillo, los componentes del aire 21% de oxígeno y 79% de nitrógeno, se transforman en moléculas altamente oxidantes (ozono y óxidos de nitrógeno),que ataca a las moléculas poliolefínicas en sus enlaces no polares (C-C, C-O, C-H.) y producen cadenas cortas y radicales libres que se oxidan fácilmente  y al hacerlo el producto resultante es polar: de gran energía de superficie.

Los productos de cadena corta van girando y se neutralizan con el tiempo dentro de la masa plástica, estas moléculas son las responsables de el abatimiento de esa energía, durante el almacenaje.

En el caso del tratamiento por flama ,el mecanismo es similar: la alta temperatura produce un plasma de iones y moléculas altamente oxidante que se combinan con las moléculas superficiales del substrato como ya se dijo antes.

Qué pasa entonces con el foil de aluminio.En el proceso de laminar (convertir en lámina), el aluminio se lubrica con aceites, este se lava y el sustrato se recubre con algún barniz o laca para protegerlo de la oxidación, cuando este proceso se efectúa en una cara, la contraria puede ser activada por tratamiento que de corona o de flama,ataca los resíduos de aceita e impurezas, de la misma manera que se hace con las superficies de los plásticos.Cabe aquí mencinar que el recubrimiento que se hace del aluminio después de lavado permite que este sea  impreso o sometido a otro proceso de conversión, puede considerarse como el uso de un primario (primer), para promover la adhesión.

Cuando el tratamiento es demasiado intenso, puede pasar a la otra cara del sustrato lo que resulta en:

  • I Si el material está enrollado se pega una vuelta cotra otra en puntos o más grave, totalmente pegado (bloqueado). Si el material es impreso, la tinta estará al desenrollarlo despegada en puntos o areas grandes.Un material con tratamiento pasado no puede usarse para cintas adhesivas.
  • II- Puede haber microporos que destruyen la propiedad más preciada de una película:su propiedad de barrera.
  • III- El coeficiente de fricción del material aumenta demasiado y produce problemas en las máquinas formadoras del empaque. operación que con frecuencia efectúa el empacador an sus máquinas formado/ llenado/ sellado,(form/ fill/ seal).
  • IV- El sellado es incierto porque el tratamiento destruye la termosellabilidad de los plásticos, así que en los puntos donde el tratamiento está pasado el plástico no termosellará.

En casos críticos donde esta situación no debe ser permitida, quizá sea conveniente considerar el tratamiento por flama que no presenta este problema.

Hemos mencionado que el tratamiento inhibe la termosellabilidad, del plástico, por tanto es necesario analizar el diseño del empaque para que las zonas tratadas no interfieran con los sellos.

Cuando el empaque se hace a partir de una película tubular, este problema no existe; pero si se parte de una película plana,la situación es otra, al formar la bolsa, es necesario hacer un sello longitudinal, para formar el tubo, lo que se logra de dos maneras:

  • a- Sellando la cara sin tratar que es aquella que no ha sido impresa o laminada, figura 25 a, la costilla que se forma se dobla para que quede al plano del resto del empaque
  • b- Se sella la película traslapada para lo cual es indispensable que tenga una banda sin tratar, esa zona no debe ni puede ser impresa.Figura 25 b. 
  •  Aquí debemos advertir que la franja de sello en contacto con la mordaza caliente no se debe imprimir, si no es con tintas que resistan esa temperatura, porque o se funde la película con fallas en la zona de una cierta tinta, o en zonas donde la mordaza va acumulando material quemado.

Diciembre 31 de 2000 


TABLA 2 

RECUBRIMIENTOS DIELECTRICOS
1,2,3 y 4: Corona Designs, Inc.
5 y 6: Varios.
 Material                Resistencia Dieléctrica  de recubimiento volts/mil   Espesor
    de recubrimento pulgadas 
1 Epoxy PowerCoat.Epoxycon carga de aluminio   400  0·125 
2 Spartex Ceramic Epoxy;  400 0·125
3 Cerámica. 500 0·060 
4 Mangas de silicón 300 0·080
5 Poliéster, (película). 5000 0·050
6 Cuarzo 600-1000 ---


Fuentes:
1 Pillar Technologies, Converting Magazine, Dec. 1999.
2 Sherman Treaters Paper Film and Foil Converter, A look at corona treatment, s/f
3 Corona Designs, Inc.,Dossier.
4  Otros.

 
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