Métodos para determinar la tensión superficial de una película plástica
Métodos para determinar la tensión superficial de una película plástica
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Es común el caso en el cual una bolsa o película de plástico impresa se despinta durante su manipulación, o casos donde podemos ver claramente que la tinta se desprende y se queda en nuestras manos. Esta situación se presenta por una sencilla razón, la película plástica no ha sido capaz de retener la tinta, y esto a su vez se debe a que la película plástica no tiene la suficiente tensión superficial. Existen otras situaciones que también son afectadas por la falta de una tensión superficial adecuada, tal es el caso de la colocación de recubrimientos sobre una película plástica, o el de aplicación de adhesivos para laminación de estructuras flexibles. En ambos casos, si no se tiene la tensión superficial correcta, se presentará desprendimiento de tintas, o deslaminación de estructuras.
Y las preguntas clave acá serían: ¿cómo se obtiene la tensión superficial correcta? y ¿cómo se determina esta tensión superficial?
La mayoría de los plásticos tiene una superficie inerte y no porosa, con un nivel de energía superficial bajo, lo cual tiene como consecuencia poca adherencia de las tintas de impresión, substratos, recubrimientos y adhesivos, los polímeros de menor tensión superficial son los polietilenos y el polipropileno por ello son los que, con mayor frecuencia, reciben tratamiento superficial para mejorar su adhesividad.
Primeramente habrá que precisar que la tensión superficial de una película o estructura flexible se mide en Dinas/cm o N/m, (1 Dina = 0.00001 Newtons).
El cómo se obtiene la tensión superficial correcta tiene que ver primeramente con la naturaleza del material polimérico, ya que este al ser elaborado presenta una tensión propia del material, por lo que podemos para empezar clasificar los materiales en polares y no polares, los cuales presentan una tensión superficial muy diferente.
Los polímeros polares —el Poliéster (PET), Nylon, EVOH, EVA, entre otros— y los cuales poseen características de polaridad con un tensión superficial alta (lo que los hace excelentes materiales para imprimir sin ningún tratamiento extra, por ejemplo el PET, el EVA y el EVOH), generalmente tienen un tensión superficial de 48 Dinas/cm, mientras que en el Nylon es de 50 Dinas/cm.
Por otra parte, tenemos los no polares, que corresponden principalmente a las poliolefinas, y entre los que se encuentran los polietilenos (alta, baja y media densidad), y el polipropileno, materiales sumamente utilizados en la fabricación de envolturas, bolsas y películas termo-encogibles. En general, los materiales no polares presentan muy baja tensión superficial en su elaboración, una poliolefina recién elaborada presenta una tensión menor a 34 Dinas/cms, por lo que presenta una dificultad para su impresión y/o recubrimiento.
CONSULTE LOS CATÁLOGOS DE PROVEEDORES DESTACADOS DE:
- EQUIPOS AUXILIARES PARA PROCESOS DE CONVERSIÓN E IMPRESIÓN
- MATERIAS PRIMAS Y SUMINISTROS PARA LA FABRICACIÓN DE ENVASES
El tratamiento corona
Cuando una película plástica no polar es extruida y formada, generalmente es tratada superficialmente con el llamado tratamiento corona. Este tratamiento consiste en un bombardeo eléctrico el cual rompe enlaces químicos en la superficie de la película, oxidándola y volviéndola hábil para retener químicamente las tintas. Una película no polar que ha sido tratada generalmente sale de la máquina con una tensión superficial de 40 a 41 Dinas/cm, que cae regularmente a 39 Dinas/cm a los pocos minutos. Entonces, para lograr una impresión adecuada y no desprendible, la película debe presentar al menos 37 Dinas/cm de tensión superficial, ya que a partir de 36 Dinas/cm esta presentará problemas de impresión, por lo que se recomienda que la película presente al menos 37 Dinas/cm para imprimir correctamente.
Si no se controla esta variable se pueden presentar problemas de anclaje pobre de tintas, recubrimientos y laminaciones, generando que los materiales se despinten, pierdan sus recubrimientos o que se deslaminen las estructuras flexibles elaboradas por adhesivos.
Un aspecto importante es que muchos de estos materiales son utilizados para la elaboración de bolsas o sobres que serán sellados térmicamente con mordazas de sello. Es importante saber que el tratamiento corona físicamente está degradando la naturaleza del polímero, dificultando la realización del sello. Por esta razón, normalmente se le agrega al polímero un porcentaje de otro material de tipo polar, como es el caso del EVA o los metalocenos, con el fin de permitir, aún en presencia del tratamiento, un sello adecuado.
Por lo anterior resulta fundamental el control de la tensión superficial en una película plástica que se vaya a imprimir o a sellar, o ambas situaciones, para lo cual existen dos metodologías para determinar la tensión superficial de la película. Como veremos a continuación.
Método 1: Determinación de tensión superficial en estructuras flexibles por medio de marcadores IMPEE PL083.
El nivel de tratamiento corona efectuado a una película plástica puede determinarse a partir de marcadores con solución calibrada en una tensión superficial que fluctúa, generalmente, entre 30 a 70 Dinas/cm (mN/m), y la forma de determinar la tensión superficial de una película plástica se basa en la tensión de la película sin tratamiento corona de acuerdo a la siguiente tabla:
**B2BIMGEMB**1**
Se puede determinar el nivel de Dinas/cm de un sustrato determinado a partir de marcadores calibrados con soluciones con tensión superficial controlada, normalmente elaborados con una mezcla controlada de Formamida y CellosolveJ. Esta metodología resulta aceptable para materiales no absorbentes, como es el caso de las películas plásticas.
En la siguiente relación se muestra la tensión superficial recomendada para que adhieran en forma adecuada los siguientes elementos:
Tinta base agua: 50 a 56 Dinas
Tinta UV: 48 a 56 Dinas
Recubrimientos: 46 a 52 Dinas
Adhesivo UV: 44 a 50 Dinas
Adhesivo base agua: 48 a 56 Dinas
El principio de este análisis es sencillo ya que imaginemos que se tiene una película plástica que presenta una tensión superficial de 38 Dinas/cm, por lo que todos los marcadores que contengan una tensión superficial menor o igual a 38 Dinas/cm dejarán una marca continua, estable y regular.
Por el contrario, si se tiene una película plástica con 38 Dinas/cm, todos los marcadores mayores a 38 Dinas/cm presentarán una impresión de marcador grumosa, no estable y no continua, en muchos casos la impresión se desvanece en unos cuantos segundos.
Por lo que para este método es necesario marcar la película con cada uno de los marcadores numerados, encontrando que la película tiene una tensión superficial del marcador a partir del cual la impresión ya no se realiza en forma regular y continua, como se muestra en la siguiente fotografía, donde se analiza una película plástica.
Como se puede observar la marca dejada por los marcadores 32, 34, 36 y 38 es una marca regular y continua, mientras que a partir del marcador 40 hasta el 56 la marca cada vez se aprecia más tenue y cada vez más irregular, de esta prueba se desprende que la película analizada tiene una tensión superficial de 38 Dinas/cm.
Una desventaja en el uso de estos marcadores son los elementos utilizados en su fabricación; Formamida y Cellosolve J
Ya que el primero de ellos, la Formamida, es un compuesto que se encuentra dentro de la lista de compuestos peligrosos ya que puede afectar al ser humano al inhalarla y puede absorberse a través de la piel, causando daños que van desde irritar la piel, ojos, nariz y garganta, hasta causar daños reproductivos, razón por la cual no es recomendable su manipulación por mujeres embarazadas. Por otra parte este compuesto puede reducir la fertilidad tanto femenina como masculina.
Referencia de Normas Internacionales: ASTM D2578 –04 Standard Test Method for Wetting Tension of Polyethylene and Polypropylene Films
Método 2. Determinación de Tensión Superficial en flexibles por método de ángulo en gota de agua, Goniómetro. IMPEE PL085
En la actualidad se ha venido cuestionando el uso de los marcadores del método anterior debido a su toxicidad, por lo que hemos trabajado en el desarrollo de la tecnología para la determinación de la tensión superficial a partir de equipos precisos, económicos y sin riesgo a la salud de los usuarios.
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Este segundo procedimiento evalúa una gota de agua colocada sobre una superficie de un material polimérico, a partir de sus ángulos de contacto y de su secante de contacto con la superficie, elementos que se relacionan directamente con la tensión superficial del material analizado, por lo que a partir de este análisis se determina la tensión superficial de este material analizado.
La técnica de este método consiste en colocar una gota de agua destilada sobre la superficie del material analizado, la gota tenderá a un comportamiento perfectamente medible, pudiendo medir el ángulo de contacto de la gota de agua sobre la superficie del material analizado así como midiendo la posición de la línea secante de la gota, ambos elementos denotan la tensión superficial del material analizado a partir de estas mediciones. El equipo utilizado para tal fin se conoce como goniómetro.
El tratamiento superficial que se traduce en una tensión superficial del material tradicionalmente se mide en Dinas/cm o mN/m.
Como se aprecia el equipo cuenta con un microscopio el cual toma una fotografía de la gota de agua sobre el material analizado, esta imagen a su vez es analizada en una computadora donde podemos revisar con gran detalle el ángulo de la gota sobre la superficie de la película.
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De acuerdo a la experiencia los ángulos del gráfico de arriba pueden ser una guía para evaluar el nivel de tratamiento superficial del material: Y más específicamente cada ángulo corresponde a la siguiente tensión superficial en Dinas/cm2 , ver la siguiente tabla:
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Recordemos que para una película de polietileno o de polipropileno lo recomendable es tener un tratamiento corona con una tensión superficial final de 38 a 40 Dinas/cm, lo que en la tabla está considerado como tratamiento adecuado.
El análisis se recomienda se realice sobre la superficie externa e interna del material a analizar, porque si bien la impresión puede ser aplicada por ambas caras, y además porque un tratamiento corona excesivo tendrá implicaciones negativas en el sellado térmico del material.
Ejemplo:
Se ha analizado un material por la cara externa encontrando los siguientes valores de ángulo de contacto: 84, 82, 82, 83, 84, 84, 83, 84, teniendo un promedio de 83.25°. A este ángulo corresponde una tensión superficial de 35 Dinas/cm que a su vez equivale a un tratamiento corona medio, y que por experiencias sabemos que resulta en un tratamiento pobre para efectuar una buena impresión.
Material: Envoltura de producto XYZ
Superficie analizada: Cara externa
Ángulo promedio de contacto: 83.25°
Tensión Superficial: 35 Dinas/cm
Nivel de Tratamiento Corona: Medio
Conclusión
Como se puede apreciar este método de goniómetro resulta muy preciso, confiable y seguro en su manejo ya que el único elemento que utiliza para el análisis es agua destilada, evitando así el uso de elementos tóxicos. Este análisis llevó al IMPEE al desarrollo de un Goniómetro de diseño de bajo costo y alta precisión, el cual se muestra en las imágenes de este artículo.
En caso de requerir mayor información sobre lo tratado en el presente artículo, o estar interesado en el Goniómetro IMPEE, no dude en contactarnos, al siguiente correo electrónico: informes@impee.com.mx o al teléfono: + 52 55 2612 3833.
Este artículo viene de la revista impresa con el código 0518TENSIONSUPERFICIAL
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