Sellado de flexibles por calor constante: teoría básica para películas

Continuamos con una serie de posts acerca del sellado de flexibles en máquinas empacadoras o envasadoras, ya sean ellas para formado/llenado/sellado horizontal (HFFS, por su sigla en inglés), o para formado/llenado/sellado vertical (VFFS, por su sigla en inglés).

Iniciaremos con el sellado por calor constante, y con sus conceptos más básicos y más profundos en las tres variables involucradas, en uno de los procesos para sellado más ampliamente utilizados en flexibles.

La relación entre las tres variables de la ecuación de sellado: calor, tiempo y presión, será analizada y explicada. Ello con el propósito de suministrar bases para las aplicaciones en el mundo real y para la solución de problemas.

A pesar de que fueron mencionadas en un post anterior, estas menciones se hicieron de forma más general, sin profundizar por ejemplo en el aspecto de la correlación de las tres variables con la geometrí­a de las mordazas o barras de sellado.

Existen tres factores crí­ticos que se muestran en la siguiente ecuación: Calor + tiempo + presión = sellado. Estos factores están tan estrechamente relacionados, que el aumento de uno de ellos tendrá un impacto positivo o negativo en cualquiera de ellos. Por ejemplo, si se incrementa la velocidad de la lí­nea de empaque (menor tiempo de residencia de las barras de sellado), entonces se requerirá un incremento en calor o en presión, con el fin de mantener la integridad del sellado.

¿Qué es un buen sellado?

Antes de proseguir es muy importante que tengamos claro cómo debe ser un “buen sellado”.

Un buen sellado es uno lo suficientemente fuerte como para mantener el producto en el empaque, y lo suficientemente hermético como para mantener fresco el producto durante el tiempo que se le ha asignado de vida de anaquel.

No importa si la prueba practicada al selle es manual (apretando el empaque ya terminado), o de una manera más sofisticada poniéndolo en una campana de vací­o sumergido en agua para observarlo mediante detección de burbujas. Ver Fig 1.

El anterior concepto es el que tendremos en cuenta hacia delante en nuestra discusión.

Los principios básicos para obtener un buen sellado son los mismos siempre. No importa qué tipo de prueba se utilice. No importa qué tan fuerte se comprima el empaque. Y no importa la vida útil de anaquel que se requiera.

Calor

En el caso del OPP, por sí­ solo, no es termosellable, y se deformará aproximadamente a 140 grados centí­grados (295 F). En el mundo de los empaques flexibles el OPP requiere que se ponga un copolí­mero de selle durante su fabricación, para hacerlo termosellable, o laminarlo a una pelí­cula coextruí­da de polietileno, o aplicar sellado en frí­o. Haremos énfasis aquí­ solamente al sellado por pelí­cula. El caso de sellado en frí­o lo trataremos más adelante, en la sección en la que hablamos de presión.

Una temperatura inadecuada puede impactar tanto la fuerza de sellado como la integridad. Calor excesivo puede causar un pobre hot tack, fracturas o brote de resina de selle que hace se acumule en las barras selladoras. Por el contrario, la falta de calor puede ocasionar empaques abiertos, fugas por los selles que no son capaces de mantener el producto.

Una pelí­cula de selle tendrá una temperatura inicial de sellado (TIS) y una ventana de operación. La TIS es la temperatura mí­nima para obtener un sellado aceptable. La ventana de operación es el rango de temperatura entre la TIS, en el punto más bajo, y el punto más alto, donde el material empieza a deformarse. Estas son las temperaturas medidas alcanzadas por la pelí­cula de selle, que no es la misma temperatura ajustada en el controlador.

La regulación del calor, desafortunadamente, no es tan simple como ajustar la temperatura en el controlador al ajuste recomendado. Los controles de temperatura y las resistencias de calentamiento pueden variar en su exactitud, tiempo de recuperación y en la habilidad para mantener una temperatura constante.

Además, las termocuplas leen la temperatura en algún punto dentro de la barra de sellado, y no nos indican respecto del perfil de temperatura a lo ancho de la barra de sellado.

El calor generado debe ser efectivamente transferido a la capa de selle de la pelí­cula. El material de las barras selladoras y su diseño pueden promover o entorpecer la conductividad térmica, además la composición de la pelí­cula en sí­ misma como también la forma del empaque, pueden dificultar el flujo de calor a través del sellante.

Un ajuste más alto de calor podrí­a ser necesario para pelí­culas más gruesas, metalizadas o para empaques con fuelles.

Tiempo

A mayor cantidad de tiempo que las barras de selle estén en contacto con la pelí­cula, mayor penetración de calor habrá a la capa sellante, y más probabilidad de que exista un buen sellado.

Si la velocidad de la lí­nea se incrementa significativamente (tiempo de residencia reducido), se deben aumentar las temperaturas para alcanzar la TIS. Por esta razón más bajos TIS hacen más fácil que una pelí­cula corra a mayores velocidades de lí­nea.

De forma contraria, una significativa reducción en la velocidad de la lí­nea, puede crear problemas si las temperaturas no son reducidas ya que se calientan en exceso las barras selladoras.

Cuando hablamos de velocidad de lí­nea, normalmente hablamos de velocidad lineal (pulgadas, pies, metros) de pelí­cula por minuto, más que empaques por minuto, debido a que es una medida más funcional y más precisa del tiempo de residencia. La velocidad lineal es un criterio que elimina la varianza de la longitud del empaque (dado generalmente por la distancia entre señales de fotocelda).

Presión

La relación entre calor y tiempo se da, relativamente, en lí­nea directa. La presión es el factor que causa más confusión pero además es frecuentemente el que más se pasa por alto.Normalmente no hay cómo leer la presión en las máquinas empacadoras. El ajuste de las mordazas de sellado se lleva a cabo por experiencia y revisión de resultados. Si se ve poca impresión en el empaque, entonces se dice que hay muy baja presión. Mucha presión en un lado, podrí­a significar que la presión no es pareja. Si el material está siendo fracturado entonces la presión podrí­a ser muy alta.

Sin embargo, un diagnóstico equivocado normalmente ocurre, ya que estos problemas también pueden ser causados por otros factores tales como temperatura incorrecta, desalineación de los dientes en las mordazas de sellado que hacen muy difí­cil determinar con certeza si la presión está correcta o no. En las mordazas que tienen sierras éstas producen un esfuerzo cortante o flujo que es clave en el proceso de hacer el selle.

Para el sellado en frí­o (cold seal) la presión es el factor clave en la ecuación de sellado. En este proceso de sellado en frí­o las sierras en la mordaza ayudan y mejoran el contacto entre los lados de selle del empaque, para así­ obtener una integridad de selle adecuada. Aquí­ el tiempo y el calor juegan un papel no despreciable, por lo tanto el tiempo de residencia y la penetración del calor son eliminados. Las limitaciones de velocidad con cold seal tienen más que ver con ajuste o diseño de la máquina.

Finalmente, es importante conocer que los resultados de diferentes tipos de sierra en las mordazas producen diferentes resultados. La geometrí­a de las sierras (ángulo, paso, profundidad y radio) y su dirección (horizontal, vertical o diagonal) puede ser alterada para ajustarse a diferentes tipos de pelí­culas, objetivos y maquinarias de empaque. La meta es proporcionar el mayor esfuerzo cortante posible sin fracturar la pelí­cula y direccionar la presión hacia aquellas áreas especí­ficas del sellado donde más se requiera. Ver Fig. 2

En nuestro próximo post revisaremos en detalle el cálculo para encontrar la fuerza de una mordaza de sellado manejada neumáticamente e iniciaremos con el sistema de sellado por ultrasonido para los envases flexibles.

¡Hasta pronto y sus preguntas siempre serán bienvenidas!