Comportamiento ante el rayado de películas multicapa para envasado de alimentos laminadas con adhesivo y extrusión.

Prólogo: La película de polímero flexible multicapa se ha utilizado ampliamente en la industria alimentaria, agrícola, médica, en el embalaje electrónico y en otros campos.
En el proceso de producción de películas multicapa, la laminación se utiliza habitualmente para pegar entre sí varias mallas de membrana.
El método más común de laminación es la unión, la extrusión y la laminación.
En muchas aplicaciones de envasado, es fundamental mantener la integridad estructural de la película para evitar la pérdida del producto.
Por lo tanto, la pérdida de beneficios.
Durante la fase de llenado, transporte y procesamiento del ciclo de vida del producto, la película debe ser capaz de mantener su integridad estructural para preservar la esterilidad, la frescura, la apariencia del producto u otros atributos clave.
Uno de los principales problemas es la perforación de la membrana, lo que provoca la pérdida de la eficacia de la barrera, la integridad del envase y/o cambios de presión.
Debido a las limitaciones de los métodos de prueba de laboratorio de la mayoría de las películas de embalaje y a la falta de correlación directa entre los resultados de las pruebas de laboratorio y el rendimiento en condiciones reales, se realizaron pruebas precisas de resistencia a la perforación en líneas de producción en una fábrica o entorno piloto.
Esto requiere mucho tiempo y produce una gran cantidad de productos.
Por lo tanto, es necesario desarrollar un método de pruebas de laboratorio que sea relevante para un mejor rendimiento en el mundo real.
Además, para comprender mejor el mecanismo de perforación, la película de diferentes métodos de laminación se evalúa en una capa mediante:
La aplicación de capas después del daño será de gran ayuda.
La capacidad de comprender con mayor claridad la contribución de cada capa de la película a su capacidad antidaños contribuye al diseño y la optimización de la película laminada para desarrollar una película antipinchazos mejor.
Se han realizado muchas investigaciones previas para desarrollar un método de prueba objetivo y estandarizado para determinar la resistencia al rayado en polímeros a granel (1-7).
Además, se ha trabajado para comprender los efectos de diferentes propiedades de los materiales y parámetros de prueba y cómo afectan el comportamiento de rayado de varios polímeros, incluidos los aditivos (4), (5), (8), (9) Velocidad de prueba (10), temperatura (11) Humedad (12).
Combinado con la investigación anterior, los dos bloques (13-15)
Sistema de recubrimiento (16-21).
Estos resultados han demostrado ser útiles para comprender el comportamiento ante los arañazos en sistemas masivos y de recubrimiento.
Comprender cómo responden las películas de embalaje de polímero independientes a enfoques similares sigue siendo un concepto relativamente nuevo.
Nuestro trabajo anterior pone de manifiesto la falta de aplicabilidad de muchos procedimientos de prueba existentes para reflejar el rendimiento de las películas de embalaje en condiciones reales.
Estos métodos de prueba incluyen estiramiento, punción lenta, desgarro de Elmendorf y prueba de Gelboflex (22).
Se observaron daños por arañazos similares en muchas películas de envasado de alimentos, y se descubrió que las pruebas de laboratorio convencionales de estas películas no estaban necesariamente relacionadas con los resultados de las pruebas de campo de la integridad mecánica de la película durante el llenado, el transporte y el proceso de procesamiento. Hare et al.
Continuar modificando y verificando la aplicabilidad del método estandarizado de prueba de rayado ASTM/ISO (22-24).
Se probaron los parámetros de la prueba de rayado y las propiedades de la película, incluyendo la tasa de rayado, el material de soporte, los accesorios para fijar la película, el lado de la película y la orientación de la película.
Los resultados demuestran que el método desarrollado puede proporcionar resultados consistentes y cuantitativos para películas de embalaje en relación con datos de rendimiento en condiciones reales.
Además, los daños observados en la prueba de rayado están relacionados con los daños observados en el embalaje utilizado en el lugar.
Sobre la base de este método, Hare et al.
Se probaron dos películas de envasado de alimentos en un intento de correlacionar el rendimiento en condiciones reales con el rendimiento frente a arañazos y el rendimiento en capas.
Análisis mediante el microscopio de capas cruzadas desarrollado.
Procedimientos de corte y obtención de imágenes (25).
Se ha descubierto que, debido a las propiedades de carga progresiva de los métodos de prueba anteriores, la prueba de rayado modificada puede utilizarse para evaluar eficazmente la respuesta de varias cargas y tipos de daño a la prueba de rayado colocando una capa de orden (25).
Los estudios han demostrado que, para el sistema de película probado, las películas con excelentes propiedades de rayado están estrechamente relacionadas con un rendimiento de campo determinado y exhiben una excelente adhesión e integridad de la capa durante toda la prueba de rayado, ya que todas las capas contribuyen a la distribución de la tensión a lo largo de la capa (25).
Es evidente que el método de prueba de rayado desarrollado proporciona parámetros de prueba multifuncionales que pueden utilizarse para simular condiciones similares a las que encontrará el producto en su uso en condiciones reales, y posteriormente ofrece ventajas obvias sobre otros métodos de prueba.
Análisis de pruebas mediante ejecución cruzada
Y retrato
Fragmentos de muestras dañadas.
En concreto, debido a que la prueba de rayado aplica cargas progresivas a lo largo de una longitud determinada, una sola muestra de prueba puede analizarse en muchos puntos de la trayectoria del rayado, por lo que puede analizarse a diferentes niveles de carga.
La evolución del daño dentro de la capa se puede visualizar y analizar para determinar las ventajas y desventajas de las estructuras de película de ingeniería, algo que no se puede hacer con otros métodos de prueba comerciales en la actualidad.
En estos experimentos se utilizó el sistema experimental Film System proporcionado por una importante empresa de envasado de alimentos. (EL)
Película laminada y película adhesiva (AL).
Ambas películas tienen estructuras similares, a través de las cuales se combina un conjunto patentado de capas de sellado de olefina extruida con una capa de tereftalato de polietileno orientado al metal (PET metalizado).
Ambas películas utilizan exactamente la misma capa cerrada, y la única diferencia entre ellas es el método de procesamiento con el que se adhieren a la capa de PET metalizado.
El sistema de película laminada adhesiva utiliza un conjunto de capas de sellado que están conectadas al PET metalizado mediante grupos amino adhesivos, lo que da como resultado una capa intermedia entre el sellado y el PET metalizado para facilitar la adhesión.
El sistema de película laminada por extrusión utiliza el mismo conjunto de capas de sellado que se adhieren a la capa de PET metalizado, y en el proceso de extrusión a través de un conjunto de moldes, se utiliza una combinación de calor y presión.
Espesor anormal de la película laminada adhesiva [98 [micro]
M, y el espesor nominal de la película laminada extruida es de 106 [micro]m.
En la Figura 1.1 se puede ver un diagrama esquemático de la película.
La longitud de la muestra de raspado se corta a 6", 2,5" de ancho (15,24 x 6,35 cm).
La prueba de rayado se realizó en una máquina de remo de cuarta generación fabricada por Surface Machine Systems.
Utilice al menos ocho muestras por prueba.
Método de prueba de rayado La prueba de rayado sigue el método de prueba de rayado estándar ASTM D7027-
05/1 S0 19252: 08 (26), (27).
Aunque la máquina es similar al ajuste de carga de aumento lineal, el método se ha modificado para adaptarse a la prueba de la película de embalaje independiente (22), (25).
Dado que la variable de la prueba de rayado tiene un efecto significativo en el comportamiento de la película, se selecciona dicha variable para obtener resultados consistentes y fiables.
Utilice un dispositivo neumático para fijar la película sobre el material acolchado, creando un vacío de 86 baipa debajo de la muestra, lo que permitirá que la presión del aire ambiente fije la película de manera uniforme sobre toda la superficie.
El material de soporte utilizado es poli (
(PMMA).
La longitud de rayado está configurada en 100 mm y la velocidad de rayado usando 1-1 es de 1 mm/s.
Punta esférica de acero inoxidable con diámetro mm.
La velocidad de rayado se selecciona para que corresponda a la velocidad de procesamiento del producto prevista en el servicio de campo.
La película se probó en la superficie exterior en ambas direcciones de la máquina (MD).
Y horizontal (TD)
Dirección cinematográfica.
El rango de carga lineal para la prueba de rayado está establecido entre 1 y 15 N.
La carga final se eligió para crear una perforación de entre el 50% y el 75% de la longitud total del arañazo.
Análisis de daños por rayado, como el comportamiento ante el rayado de polímeros a granel.
Al probar la película sobre un material acolchado duro, se observa el comportamiento de deslizamiento, en relación con la rigidez de la película (28-30), (25). Jiang et al.
Se demuestra que, aunque la punta de raspado está diseñada para moverse a una velocidad constante, debido a la fricción entre la punta y el material y la constante elástica limitada de la celda de carga utilizada para medir la fricción, la velocidad real de la punta oscila (31).
La punta de raspado provoca la deformación del material, lo que permite que este se acumule delante de la punta bajo una carga normal.
Cuando la energía de deformación almacenada supera la resistencia adicional generada por la acumulación del material, la punta se mueve para frenar el avance del material.
Este proceso se repetirá, dando como resultado varillas periódicas. comportamiento de deslizamiento. Hare et al.
Mostró el palo.
Mediante un microscopio óptico, es fácil observar el comportamiento de deslizamiento en la superficie de la película similar a la estructura utilizada en este trabajo (25).
Se identificaron visualmente ejemplos de perforaciones y se confirmaron mediante el microscopio óptico Olympus BX60.
Utilice una regla graduada en milímetros para medir la longitud de los arañazos que se produzcan durante la perforación.
Luego, registre la carga de este punto de medición directamente desde la salida del scratch.
La carga de perforación utilizada en este trabajo es el promedio de al menos ocho muestras utilizadas por cada sistema de película.
La segmentación de imágenes de la muestra se realiza de manera similar al informe anterior (25).
, separando así el daño por rayado de la muestra de prueba, resultando en aproximadamente 10 mm de ancho por 110 mm de largo.
A continuación, se coloca la pieza aislada sobre la superficie de corte del vidrio, la capa de PET metalizado queda en contacto con el vidrio y, posteriormente, se coloca la capa adhesiva.
La cuchilla de afeitar nueva se enfría en nitrógeno líquido y luego pasa directamente a través de la muestra perpendicularmente a la dirección del rascado, lo que da como resultado un corte transversal limpio.
Parte del área de interés.
Estas piezas individuales permanecen estables en el modelo de arcilla durante el uso del sistema de imagen Keyence VK.
Microscopio de barrido láser violeta de enfoque simétrico (VLSCM) 9700.
El trabajo anterior de Harriet Al
Se ha demostrado que este método de corte no introduce los hechos de daño que pueden afectar el análisis de daños por rayado (25).
Resultados y análisis de los resultados de la prueba de rayado.
El rendimiento de rayado de las dos películas se muestra en la figura 2.
Como se puede apreciar en la imagen, existen diferencias evidentes entre las películas.
La película laminada extruida muestra la carga máxima necesaria para producir la perforación de ambos sistemas.
Esto demuestra que ELfilm presenta una excelente integridad mecánica entre las capas de PET metalizado y sellador, y por lo tanto es capaz de distribuir mejor estas etiquetas.
Estrés causado por su estructura.
Observación de daños por arañazos en la superficie de la película exterior.
Dado que los sistemas de película probados aquí tienen la misma estructura, se deforman de manera similar y, vistos desde la parte superior de la trayectoria del arañazo, presentan características de daño similares.
Se realizó un examen microscópico para mostrar las principales características del daño y su transformación durante los arañazos.
Las características representativas que se muestran provienen del sistema EL, pero también son aplicables al sistema AL.
Al inicio de la prueba se observará un ligero arañazo, como se muestra en la figura 3.
Sin embargo, debido a la baja carga involucrada en esta etapa de la prueba, junto con la distribución de la tensión de la capa de sellado multiaceite blanda, no es fácil observar daños dentro de la capa.
Cualquier visibilidad de los arañazos superiores--
En la etapa más temprana de la prueba, la observación hacia abajo puede deberse a un aumento en la rugosidad de la superficie de la capa de PET metalizado, lo que se sabe que produce un aumento en la dispersión de la luz, lo que resulta en un aumento en la visibilidad de los arañazos (8).
Como se muestra en la figura, la deformación por planchado suave se hace evidente con el aumento de la carga normal3a.
Transición de deformación por planchado suave a gran escala
Comportamiento de deslizamiento como se muestra en la figura.
3b, cuando la punta se mueve, la obstrucción causada por la acumulación de película delante de la punta.
La acumulación de este material genera una tensión de tracción en la parte inferior y posterior, similar al modelo de Jiang et al. (32).
Luego se llega a un punto donde la tensión de tracción causada por la punta del rascador separa la capa de PET metalizado relativamente dura y luego perfora el recubrimiento de pegamento como se muestra en la figura 3c.
Consulte la vista de sección de la muestra.
Imágenes de segmentación de arañazos
El sistema de película dañada nos permite realizar una investigación en profundidad sobre una capa.
La diferencia entre estos sistemas de película durante los arañazos depende de las condiciones de manipulación.
Desarrollo y uso de métodos de corte para la obtención de imágenes de arañazos.
La muestra dañada se visualiza utilizando una muestra recién cortada, sin necesidad de incrustarla en resina epoxi ni pulirla como en la preparación de muestras para microscopio óptico.
Al eliminar la necesidad de incrustación, la capa de poliolefina más blanda no está sujeta al calor generado por el proceso de curado de los compuestos epoxi incrustados, lo que evita una posible relajación de la tensión.
El método descrito anteriormente utiliza una cuchilla de afeitar enfriada en nitrógeno líquido.
La cuchilla congelada se utiliza para proporcionar un corte preciso, y al reducir la temperatura de la capa de olefina en la interfaz con la cuchilla, se aumenta su módulo y resistencia, minimizando así la posible deformación plástica.
En la figura 14 se puede ver una imagen de la muestra intacta.
Como se puede apreciar en la imagen, cada sistema tiene una línea divisoria de capa clara, manteniendo una buena integridad de la capa, sin aplastamiento ni deformación evidente debido al proceso de corte.
Diagrama de sección transversal de arañazos superficiales. Arañazo-
Se realizan cortes y se obtienen imágenes de numerosos puntos a lo largo de la trayectoria del arañazo en las muestras dañadas para comprender mejor la evolución del daño durante el proceso de rayado.
La muestra se toma de la zona de deformación lisa, la parte inicial de la varilla.
Parte final del área de deslizamiento y barra-
Área de deslizamiento antes de la perforación.
Estas secciones describen con detalle cómo responde la película a medida que aumentan las cargas normales y cómo contribuye cada capa a la resistencia a los arañazos.
Capa observable a-
El daño en la capa entre las direcciones TD y MD de los dos sistemas de película es similar.
La imagen se puede ver en la figura.
Sistema EL y figura 5.
Sistema AL. Como se ve en la Fig.
5. El sistema EL demostró una excelente adhesión e integridad de las capas durante todo el proceso de prueba.
Se puede apreciar en la figura.
5b, incluso en la posición donde la altura del arañazo está deformada, como en el borde, la capa de PET metalizado permanece unida a la capa de sellado de olefina.
Nuevamente, durante la noche, diagrama de fases de deslizamiento
SC, el sistema EL mantiene su integridad, distribuyendo así los daños por rayado en un área mayor.
De hecho, el daño a través de estas capas parece ser más uniforme que la distribución de otros sistemas modelo, porque todas las capas reaccionan a la tensión que se les aplica durante la prueba. Como se ve en la Fig.
6. El sistema AL no mantiene la misma integridad que el sistema EL durante las pruebas.
En la etapa de deformación suave
6a, la película laminada adhesiva se ve similar a la película EL, pero la diferencia se hace más evidente a medida que avanza el daño.
En las primeras etapas del deslizamiento persistente, Fig.
6b, existe una estratificación local entre la capa de PET metalizado y la capa de sellado, especialmente en posiciones de alta tensión como el borde de la trayectoria del arañazo.
El fallo de las capas adhesivas en estos puntos impide que la tensión inducida se transfiera directamente a otras capas de manera uniforme durante las pruebas de rayado, lo que nuevamente concentra el daño en un área pequeña.
Esto también se evidencia en el diagrama de fases del proceso de varilla lateral: deslizamiento
6c, donde estas fallas en la capa adhesiva crecen y continúan provocando áreas de daño concentradas directamente debajo de la punta del seguro.
Este estudio pone de relieve la diferencia en el comportamiento ante el rayado de dos sistemas de películas de embalaje muy similares, formados bajo diferentes condiciones de laminación.
Las pruebas de rayado permitieron dividir estos sistemas en regiones cuantitativas y recurrentes, y proporcionaron información valiosa sobre los efectos de los diferentes métodos de estratificación en la integridad estructural de la capa de película bajo daños por rayado.
Resulta evidente que, según esta prueba, una estructura débil y una integridad deficiente de las capas darán como resultado un rendimiento deficiente en cuanto a la resistencia al rayado.
Se puede observar que la distribución de la tensión entre las capas puede resistir mejor la perforación y la rotura de la película, y que la estratificación entre las capas concentrará estas tensiones, lo que dará lugar a una rotura prematura.
Las pruebas de rayado ofrecen la ventaja obvia de poder realizar un análisis en profundidad de cada una de sus capas después de que la película sufra daños.
Además, gracias al progreso del método desarrollado, se pueden observar los daños producidos por un gran número de cargas, lo que permite observar la evolución del daño dentro de cada capa.
Esto permite a los ingenieros de embalaje identificar de forma selectiva, rápida y eficaz las ventajas y desventajas de la estructura de su película adhesiva y ajustar el proceso de laminación en consecuencia.
Este estudio pone de relieve la excelente resistencia que muestra la película laminada extruida en comparación con la película laminada adherida, que es más débil.
La punta utilizada en estos experimentos es 1-
Punta esférica de acero inoxidable de mm.
Sin embargo, las diferentes geometrías de la punta y los tipos de material pueden dar lugar a diferentes propiedades de la película.
Del mismo modo, los diferentes materiales de soporte también pueden dar lugar a diferentes comportamientos, como por ejemplo el neopreno.
En comparación con el soporte rígido, el neopreno se puede utilizar para simular el soporte de aire en el producto de embalaje.
Esto puede alterar el comportamiento de la película bajo carga al reducir la resistencia a la deformación de la punta de rayado, lo que resulta en un comportamiento y un rendimiento de rayado completamente diferentes.
Las variables de prueba seleccionadas para este trabajo se eligieron no solo porque se aplican a productos utilizados en el campo, sino también porque ofrecen resultados y calidad de imagen comparables a los de otros consejos, fondos y velocidades de raspado.
Por ello, los resultados que se presentan aquí son consistentes entre las diferentes muestras y pueden utilizarse para un análisis más detallado y fiable.
Si bien presenta algunas limitaciones, el método de prueba de rayado proporciona condiciones de prueba de flexibilidad significativas para cumplir con los requisitos de la evaluación de la integridad mecánica de la película de embalaje y la optimización del diseño de la estructura laminada.
Conclusión: Se ha utilizado el método de prueba de rayado para evaluar un conjunto de dos películas envasadas que laminan PET personalizado utilizando la misma capa cerrada a base de PE mediante métodos de laminación adhesiva y laminación por extrusión.
Los resultados de las pruebas obtenidos directamente desde cero se combinan con Cross
Segmentación de imágenes de películas rayadas o dañadas.
Los resultados demuestran que la mayor integridad de la capa obtenida mediante el método de transformación por laminación por extrusión proporciona una excelente redistribución de la tensión y, por consiguiente, un excelente rendimiento frente a los arañazos.
Las pruebas de rayado ofrecen ventajas únicas sobre otros métodos de prueba de películas. Permiten post-
Análisis de prueba de muestras de prueba capa por capa-
Debido a la naturaleza de carga progresiva del ensayo de rayado por fricción, este se aplica en capas bajo una amplia gama de condiciones de carga.
Este enfoque puede ser una herramienta eficaz para ayudar a empaquetar películas e incluso proporcionar información que guíe el diseño de películas multicapa.
Un agradecimiento especial a Allan Moyse por la elaboración de los materiales y componentes para este estudio.
Correspondencia: RedJue Sue; e-
Correo electrónico: tamsue @ tamu
Contrato Edward Patrocinador de la subvención: consorcio para el comportamiento de rayado de polímeros en Kraft Food, logística de defensa y TAMU. ¡HACER! 10. 1002/pen.
23544 lanzamiento en línea en la Biblioteca en línea de Wiley (
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