Sellado de empaques flexibles: descubra el éxito de la eficiencia en una línea empacadora

Con este post iniciamos una serie enfocada en el sellado de los empaques flexibles en máquinas empacadoras o envasadoras, ya sean ellas horizontales HFFS (Horizontal Form Fill and Seal) o verticales VFFS (Vertical Form Fill and Seal).

Una primera meta para cualquier empacador –después de sufrir la dolorosa tarea de diseño gráfico y determinar la estructura adecuada para cumplir la vida de anaquel de un producto que se empacará en un empaque flexible, distribución y requisitos de uso— es mantener las eficiencias o rendimientos de la lí­nea de empaque. Aunque la rigidez del material, el calibre y el coeficiente de fricción juegan un papel importante, son las propiedades de sellado las que determinan qué tan exitoso será el nuevo empaque. Las propiedades claves de sellado que afectan el desempeño de un material en máquina empacadora son:

• La mí­nima temperatura de sellado
• La fuerza de sellado
• El rango de sellado
• El hot tack

Temperatura de sellado

También llamada iniciación de temperatura de sellado, ITS, es la temperatura mí­nima requerida para obtener un sellado adecuado. Tí­picamente la temperatura, TMS, corresponde a la temperatura donde del 60 al 80 %  del polí­mero se ha fundido y se ha vuelto amorfo, o no-cristalino.

El valor de “sellado adecuado” necesita ser definido para cada aplicación de empaque. Por ejemplo 200 g/in es común para muchas aplicaciones de snacks. La importancia de esta especificación es que está estrechamente relacionada con la temperatura y el tiempo de residencia de las mordazas de sellado en el material (dwell time) en la máquina empacadora. En teorí­a, entre más bajo este valor más rápido corre la máquina empacadora, aunque se dan otras variables que juegan aquí­.

Con una baja TMS es menor la energí­a que se requiere para obtener suficiente calor desde afuera del empaque hacia adentro de éste, para fundir el sellante o iniciar el sellado, o en términos de máquina, correr a menor temperatura y menor tiempo de residencia para obtener el mismo sellado. De igual forma, con un sellante de mayor TMS, se requerirán temperaturas de mordazas de sellado más altas y/o tiempos de residencia de mordazas mayores (o menor velocidad de máquina).

Fuerza de sellado

Así­ como TMS es definido por temperatura, la fuerza de sellado es definida por fuerza y se describe generalmente como g/in (gramos/pulgada). ASTM F88, define la fuerza de sellado como la medida de la habilidad del sellado de un empaque para resistir la separación. Tí­picamente, una muestra de una pulgada de ancho es cortada del área de sellado y los lados opuestos son halados a 180 grados en un dinamómetro (máquina medidora de fuerza de tensión). Entonces, se mide la fuerza de separación del sellado de la muestra. (Ver Fig.1)

La fuerza de sellado es un atributo fí­sico importante que ayuda a definir cuán difí­cil o fácil un sellado puede estar comprometido. En algunos casos una fuerza de sellado baja es deseada. Los consumidores prefieren ser capaces de abrir fácilmente un snack o una bolsa de cereal, pero sus sellados deben ser formulados para resistir la distribución y el manejo.

Tí­picamente, las fuerzas de sellado son diseñadas en el rango de 150 g/in a 200 g/in en las aplicaciones de snacks. Para la parte médica, farmacéutica, industrial y aplicaciones de lí­quidos es necesario asegurar hermeticidad e integridad del sellado a través de toda la distribución y tener fuerza de sellado altas 100 g/in – 2500 g/in.

Finalmente, así­ como la TMS corresponde a una fundición entre el 60-80% del polí­mero de sellado (mayor para el PP, menor para el PE) las pruebas para una fuerza de sellado completa corresponden al 100% del polí­mero de selle fundido en la superficie sellante, durante el proceso de sellado.

Forma de falla del sellado

La forma de falla del sellado es otra importante pieza de información. Entender cómo falla un sellado, o el mecanismo de falla, es muy importante en el desarrollo de mejores productos para cada aplicación.

Los sellados pueden fallar “limpiamente” de una manera pelable o, dicho de otra manera, fallar entre capas adyacentes sin ruptura del polí­mero en cada capa. Este tipo de sellado es deseable en aplicaciones médicas, tapas para vasos o bandejas y aún en algunas aplicaciones de productos secos como bolsas para cereales. Una falla del sellado por rasgado o ruptura de la estructura del laminado, se da cuando hay una total fusión molecular y el polí­mero de un lado se entremezcla con el polí­mero del otro lado formando una soldadura (no separable por la interface donde se inició la mezcla y fusión. Es decir, en laminados multicapas las fallas por adhesivo y cohesión pueden ocurrir en las capas de las pelí­culas o del polí­mero de selle y en las capas del adhesivo y las tintas, o puede existir una completa falla del material, donde la fuerza del sellado es más fuerte que los materiales del laminado. Existen 4 mecanismos de falla: Ver Fig.2.

Rango de sellado

El rango de sellado es un parámetro crí­tico que correlaciona qué tan robusto un sellante se desempeñará en la máquina empacadora. Entre más amplio el rango de sellado es más aceptable durante el proceso de producción del empaque, ya que ayuda a soportar algunas de las variaciones encontradas en un ambiente de llenado. Aquí­ es importante ver una curva de sellado, la cual normalmente se hace teniendo como coordenadas la fuerza de sellado y temperatura, dejando constante el tiempo de residencia y la presión de las mordazas de sellado, aquí­ se pueden ver tres claras zonas: Sellados pelables de ZONA A, una zona óptima donde aparece el rango de sellado; ZONA B y una zona a la derecha donde el sellado sufre y se distorsiona ya que las tintas, pelí­culas y adhesivos pierden sus propiedades además del escurrimiento del polí­mero de selle debido al incremento en temperatura ZONA C. (Ver Fig.3)

Presión de sellado

Una variable clave en la máquina empacadora, que normalmente es pasada por alto, es la presión de sellado. La presión entre las mordazas debe ser uniforme y en cantidad suficiente para que las otras condiciones de temperatura y tiempo sean coherentes y así­ poder crear una condición de selle adecuado (estar en el rango óptimo de la curva de sellado mostrado en la Figura 3.

La presión es medida en psi, bar. Sin embargo, basado en mi experiencia, la forma más adecuada, económica y confiable es la utilización del papel quí­mico donde visualmente se puede observar uniformidad y cantidad de presión a través de la intensidad del color observado. En próximos posts revisaremos el protocolo para su utilización y procedimiento.

Una limpieza, alineación y chequeo de la presión periódicamente, son necesarias para asegurar una calidad consistente de sellado.

Finalmente, un buen entendimiento de las propiedades de la capa de selle, es importante en el diseño de nuevas estructuras de empaques flexibles, y para la mejora de las condiciones de producción en las máquinas empacadoras.

Si están ocurriendo fallas en el sellado en una alta proporción en las máquinas empacadoras o los operarios de las máquinas están invirtiendo mucho tiempo ajustando temperaturas y velocidades para obtener selles adecuados. Además de las variables de empaque hay que prestar mucha atención a las propiedades de la capa de sellado.

Este es el inicio de una serie de posts enfocados en el sellado de empaques flexibles, y en los cuales profundizaremos en las variables crí­ticas para que las conozcamos y manejemos con detalle cada una. A medida que avancemos, veremos también las diferentes tecnologí­as de sellado: calor constante, que hoy hemos iniciado, impulso, ultra sonido, etc

Hasta pronto… y sus preguntas siempre serán bienvenidas.