El proceso de barrera transparente de la próxima generación para los materiales de embalaje flexible sostenible
Antecedentes e introducción
Las capas de barrera inorgánica transparentes como el óxido de aluminio (AlOx) y el óxido de silicio (SiOx) existen desde hace varios decenios y cada vez hay más productos que se pueden encontrar en los estantes de los supermercados y que contienen esos revestimientos depositados al vacío como su principal capa funcional. Con aplicaciones que van desde las envolturas de flujo para barras nutracéuticas y de cereales (por ejemplo, Kind bar), material de cubierta (como el utilizado para las macetas de frutas de Dole) hasta bolsas de arroz para microondas como las del Tío Ben, ha habido y sigue habiendo un interés creciente en estas capas de barrera y el mercado de AlOx/SiOx sigue creciendo a una tasa estimada del 7 al 8% anual. No obstante, el mercado de envases flexibles de barrera transparente sigue dominado por las películas de barrera transparentes basadas en polímeros, que son películas recubiertas de cloruro de polivinilideno (PVDC) y películas coextruidas de copolímero de alcohol etilénico y vinilo (EVOH); sin embargo, las capas de barrera inorgánica de cerámica ofrecen ventajas decisivas respecto de estas películas, como su superior rendimiento de barrera, su insensibilidad a la humedad, su naturaleza libre de cloro o su grosor de rango nm. En comparación con las películas de polímeros metalizados opacos, las películas recubiertas de AlOx y SiOx son únicas en lo que respecta a la visibilidad del producto, la capacidad de microondas y la idoneidad para los detectores de metales.
En los últimos años, han surgido nuevos impulsores que vuelven a poner de relieve las capas de barrera inorgánica transparentes. Uno de ellos es una tendencia retardante (que se muestra en la figura 1), por la que el objetivo es sustituir las estructuras triplex por estructuras dúplex con el fin de simplificar las estructuras y reducir el costo. Debido a la naturaleza transparente de las capas de barrera de AlOx y SiOx, éstas pueden ser impresas al revés, lo que permite la reducción de la capa con la barrera y la capa de impresión todavía incrustadas en el laminado. En el caso de las películas metalizadas, una estructura dúplex sólo es posible si la banda de sellado está metalizada o la estructura del laminado está impresa en superficie (ambas opciones plantean retos adicionales).
El otro motor es la sostenibilidad, con un enfoque principal en el desarrollo de soluciones de embalaje flexible de un solo material para la reciclabilidad. De este modo, las capas de barrera transparentes han mostrado una reciclabilidad prometedora cuando se han probado las propiedades físicas del material reciclado (como se indica en el informe del proyecto REFLEX [1]) y, además, no plantean un problema potencial durante la etapa de clasificación de los residuos.
Bobst Manchester comenzó a trabajar en el desarrollo de su proceso original de AlOx (GEN I) en 2007, y la tecnología fue finalmente puesta en plena producción después de dos años, con la primera máquina para la producción industrial de AlOx que salió al mercado en 2010. Este trabajo original se centró predominantemente en el politereftalato de etileno (PET) como sustrato, que debido a su naturaleza polar y a sus superiores propiedades mecánicas y de resistencia al calor era el material elegido en ese momento. No obstante, con el impulso de sostenibilidad mencionado anteriormente, el enfoque se está desplazando cada vez más hacia las películas basadas en poliolefinas como el polipropileno biorientado (BOPP) y para satisfacer la creciente demanda de envases monomateriales sostenibles en términos de transparencia y rendimiento de barrera, Bobst Manchester ha estado desarrollando su nuevo proceso de deposición de AlOx GEN II.
Depósito - proceso de BOBST AlOx GEN I
El proceso de BOBST AlOx GEN I utiliza la evaporación térmica reactiva en un metalizador estándar de tipo barco de rollo a rollo con una geometría de inyección de oxígeno que ha sido optimizada para los sustratos de película PET. Los niveles de barrera, en términos de tasa de transmisión de oxígeno (OTR) y tasa de transmisión de vapor de agua (WVTR), que pueden lograrse típicamente con este proceso se resumen en la Tabla 1. Si bien los niveles de barrera obtenidos para el PET cumplen fácilmente los requisitos para las aplicaciones de envasado de alimentos, las películas de BOPP de grado de envasado estándar (típicamente películas coextruidas de tres capas con capas de piel de copolímero o terpolímero y un núcleo de homopolímero) han demostrado ser un material base más difícil de aplicar sobre el que se aplica el AlOx. Los niveles de barrera comparables a los del PET recubierto de AlOx sólo pueden lograrse con el uso de películas de BOPP "especiales" como la película de BOPP de UHB (barrera ultra alta) a la que se hace referencia en la Tabla 1. Esto se discutirá más adelante en las siguientes secciones.
Estado del arte - Soluciones de barrera de BOPP de AlOx
Cuando se examinan las opciones para las películas de BOPP recubiertas de AlOx de alta barrera con un rendimiento de barrera comparable al de las películas de PET transparentes o metalizadas recubiertas de barrera, actualmente hay dos soluciones disponibles que abordan estos requisitos y logran los OTR y WVTR objetivo de menos de 1 cm³/(m² d) y 1 g/(m² d). Ambas opciones han sido exploradas por Bobst Manchester trabajando en estrecha colaboración con la industria a lo largo de la cadena de valor de los materiales de embalaje flexible.
La primera solución es el uso de una película de BOPP recubierta en línea (ILC). En este tema, Bobst Manchester ha estado colaborando con Brückner Maschinenbau GmbH & Co. KG (Siegsdorf, Alemania), un fabricante de líneas de películas para orientación biaxial y Mitsui Chemical Europe GmbH (Düsseldorf, Alemania; parte de Mitsui Chemicals Inc., Tokio, Japón) un fabricante de revestimientos y resinas poliméricas. El proceso de producción de la película y su estructura se muestra esquemáticamente en la figura 2. La película base de BOPP es una película coextruida de 3 capas con una capa de piel Mitsui ADMERTM (capa promotora de la adhesión) sobre la que se aplica un recubrimiento Mitsui TAKELACTM en línea entre la máquina y la orientación de la dirección transversal (MDO & TDO) en la línea de la película.
Los resultados obtenidos mediante el proceso de barrera transparente BOBST AlOx GEN I en combinación con la película BOPP ILC descrita anteriormente se resumen en el cuadro 2. Si bien el revestimiento TAKELACTM tiene algunas propiedades inherentes de barrera al oxígeno, sólo la combinación con la capa de barrera de AlOx depositada al vacío da una OTR media de 1 cm³/(m² d) y una WVTR inferior a 1 g/(m² d).
La segunda opción es el uso de una película de BOPP coextruido (típicamente de 5 capas) con un polímero especial para la capa de la piel que da como resultado una alta energía superficial y por lo tanto promueve la nucleación y el crecimiento de una capa densa de AlOx con un notable rendimiento de barrera. Desde 2011, Bobst Manchester ha estado trabajando con Brückner Maschinenbau GmbH & Co. KG en la prueba de películas de BOPP con diferentes capas de piel en combinación con AlOx transparente y también capas opacas de barrera de metalización de Al. Esta solución de película de BOPP ya está disponible comercialmente en Indopoly (PT Indopoly Swakarsa Industry Tbk, Jakarta, Indonesia), que colaboró como proveedor de películas con BOBST en los materiales y estructuras de embalaje flexibles de un solo material a base de PP para la exposición K-show 2019. En la próxima sección se tratarán más detalles sobre el rendimiento de la barrera que se puede lograr con esta película.
Última innovación - BOBST AlOx GEN II
Como se indica al comienzo de este artículo, el nuevo proceso de BOBST AlOx GEN II es un proceso reciente que comenzó en 2018. El AlOx GEN II es el último avance en la deposición de barrera transparente de AlOx, utilizando una nueva geometría de inyección de oxígeno que ha sido específicamente desarrollada y optimizada para dar un mejor rendimiento de barrera de las películas recubiertas de AlOx a una densidad óptica reducida, que a su vez permite capas de barrera de AlOx de mayor transparencia. Esto es particularmente beneficioso para los sustratos basados en poliolefinas como la película de BOPP. El proceso de AlOx GEN I, que durante su desarrollo se centró principalmente en la película PET, implica un proceso de envejecimiento fuera de línea que mejora la transparencia así como las propiedades de barrera a la humedad. Con el AlOx GEN II, se puede lograr una mayor transparencia y una mejor barrera de películas recubiertas de AlOx (BOPP) fuera de la máquina, aunque todavía hay un cierto grado de envejecimiento fuera de línea.
Para el trabajo que aquí se discute, se realizaron tres pruebas en un BOBST EXPERT K5 (utilizando una película de BOPP co-extruido de 5 capas producida por Indopoly) en las que se varió el ajuste de la transparencia de AlOx en la máquina. Los resultados de barrera y transparencia/densidad óptica se resumen en la figura 3. Como puede verse, el ajuste de la transparencia en la máquina tiene un impacto en el rendimiento de la barrera. Mientras que la OTR sólo se ve afectada ligeramente, el impacto en la WVTR es mucho más pronunciado. Sin embargo, en todos los casos el promedio de OTR y WVTR está por debajo del objetivo de rendimiento de la barrera para la sustitución de la película de PET metalizada (OTR < 1 cm³/(m² d) y WVTR <1 g/(m² d)). Los niveles de OTR alcanzados son sobresalientes, con valores de alrededor de 0,2 cm³/(m² d) o menos para todos los entornos. El WVTR medio es de 0,33 g/(m² d) para el ajuste 1, 0,54 g/(m² d) para el ajuste 2 y 0,98 g/(m² d) para el ajuste 3. Cuando se observa la transparencia óptica y el rendimiento de envejecimiento del ajuste 2 (que se muestra en el gráfico de la derecha de la Figura 3), se puede ver que la OD de la película base de 0,02 se logra en un solo día, lo que indica una caída de OD de 0,01 durante ese período de tiempo.
Basándose en el aprendizaje del proyecto de conversión de AlOx [2], que se llevó a cabo entre 2013 y 2016, se sabe que para convertir aún más las películas de BOPP UHB AlOx producidas es necesario aplicar una capa superior para proteger la delgada capa de barrera de AlOx durante los procesos de conversión posteriores, como la impresión. La capa superior de barrera MFB 5770 específica de BOBST se aplicó sobre un BOBST CO 750 optimizado con AlOx y los resultados antes y después de la capa superior se muestran en la Tabla 3, junto con el rendimiento de barrera de la película base de BOPP UHB. Como puede verse, esta capa superior (a pesar de ser sólo una formulación de barrera de oxígeno), mejora aún más el OTR así como el WVTR cerca de los niveles de barrera de tipo lámina de 0,1 cm³/(m² d) y 0,1 g/(m² d)).
Resumen y conclusiones
Con el actual motor del mercado de la sostenibilidad, las soluciones de embalaje flexible de barrera transparente basadas en un solo material han sido una opción abordada por el mercado para satisfacer la necesidad de materiales de embalaje flexible totalmente reciclables (o mejor "listos para reciclar"). Sin embargo, para que estas soluciones sean un posible candidato para sustituir los materiales de envasado flexible existentes, predominantemente basados en PET, se necesitan niveles de barrera equivalentes. El proceso recientemente desarrollado BOBST AlOx GEN II ofrece una solución a estos requisitos y, en combinación con el sustrato de película de BOPP adecuado, muestra un gran potencial para una solución de embalaje monomaterial de PP de barrera transparente totalmente reciclable.
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