Aditivos: ¿Cómo elegir los apropiados?

Desde la aparición de las resinas plastoméricas y de LLDPE para películas catalizadas con materiales metalocénicos, la industria ha tenido como objetivo optimizar el procesamiento de estas resinas, manteniendo siempre sus propiedades físicas y ópticas. Para lograrlo, ha recurrido a los aditivos, que desempeñan hoy un papel interesante, aunque todavía con algunas limitaciones. Esto, porque aun no se ha desarrollado la química de los aditivos que permita obtener los requerimientos tan particulares necesarios en el procesamiento de las resinas metalocénicas para películas. Lo mismo puede decirse de otros grados de resinas de polietileno para películas que tienen atributos similares y que han surgido de otros sistemas diferentes a los de los catalizadores metalocénicos. Entre estos otros sistemas se encuentran los catalizadores mejorados de Ziegler-Natta y los de empresas como Equistar Chemicals, Nova Chemicals y Eastman Chemical.

No obstante, los fabricantes de resinas han venido trabajando de cerca con los proveedores de aditivos y concentrados para encontrar las formulaciones útiles de los aditivos tradicionales como los agentes deslizantes, de antibloqueo, antineblina, y diferentes ayudas de proceso.

Los vehículos y los niveles de adición
Shing Li, director de negocios de Ciba Specialty Chemicals, explica: "Estos aditivos funcionan porque migran a la superficie de las películas para modificar la energía superficial. Las películas de resinas metalocénicas pueden tener una morfología diferente porque tienen una arquitectura molecular más uniforme. Este hecho lleva a retardar la migración de los aditivos a la superficie. La clave está, por lo tanto, en lograr que los aditivos lleguen a la superficie de una manera más fácil."

Los proveedores de concentrados han enfocado su trabajo en el desarrollo de aditivos concentrados con vehículos compatibles. Tal es el caso del mLLDPE, en lugar de los convencionales LDPE o LLDPE. El objetivo es minimizar o eliminar la pérdida de propiedades en las películas, incluyendo las resistencias al dardo y la Izod, así como al rasgado; al tiempo que se retienen las excelentes propiedades ópticas inherentes en tales resinas para películas. Los concentrados más optimizados contienen un mayor nivel de adición de los elementos activos, que los que se encuentran en las formulaciones convencionales, para poder vencer las dificultades de migración.

Paul Albee, director técnico de Polyvel Inc. (productor de aditivos concentrados), afirma que "una de las características propias consecuentes con el bajo punto de ablandamiento y de sellado térmico de las resinas mLLDPE y de otros polietilenos de baja densidad y alto desempeño, es que tienden a poseer una superficie más pegajosa. Su coeficiente de fricción –COF– es alto y como resultado tienden a pegarse no sólo con otras películas, sino con ellas mismas y a las superficies metálicas de los equipos de producción. La solución es entonces utilizar productos que reduzcan el COF de las películas para minimizar esta tendencia pegajosa."

No es de sorprender que ayudas de proceso como los fluoroelastómeros desempeñen actualmente un papel importante en el procesamiento de las películas de mLLDPE. Debido a que estas tienen una distribución de pesos moleculares más estrecha y una mayor viscosidad en estado fundido, presentan una mayor tendencia a la fractura en tal estado. Algunos aditivos de fluoroelastómeros nuevos prometen ser más eficientes y se ofrecen a menor costo.

La importancia del vehículo
Cuando el mLLDPE se usa como un componente menor en la mezcla, por ejemplo, de 30 a 40% para mejorar las propiedades físicas de LDPE en estructuras de una capa, el consenso es que un concentrado para LDPE convencional trabaja bien. Sin embargo, la tendencia en Estados Unidos es hacia el uso de capas con 100% de mLLDPE en las estructuras de las películas. Ampacet Corp., un pionero en el desarrollo de concentrados con base en vehículos con resinas metalocénicas, recomienda emplearlos en películas multicapas donde el mLLDPE o un plastómero conforman la capa de sellado térmico. El Dr. Victor Mimeault menciona como ejemplos las películas para empacar vegetales frescos y carnes, que requieren brillo y transparencia muy altos y baja formación de neblina.

El convertidor de películas para el empacado de alimentos, Barrier Films Inc., es un especialista en el uso de los plastómeros y de las resinas mLLDPE. Ha empleado algunos de los nuevos aditivos concentrados con vehículos de mLLDPE y con altos niveles de carga de los elementos activos. El ingeniero de aplicaciones, Roland Planeta, afirma que las propiedades mecánicas de las resinas mLLDPE disminuyen si se agregan cantidades pequeñas de LDPE como vehículo al concentrado. "No hemos observado problemas con los nuevos aditivos concentrados y la transparencia ha resultado mejor".

Rich Hall, director de servicios técnicos para empaques de alimentos en ExxonMobil Chemical Co., afirma: "Es ventajoso contar con vehículos de mLLDPE en concentrados de aditivos cuando se procesan las resinas mLLDPE Excede. Generalmente, si se adiciona únicamente de 1 a 2% de concentrado, el tipo de vehículo no debe causar una gran diferencia en las propiedades de la película. Pero si los niveles de adición de concentrados llegan a ser de 5% o más, las diferencias serán evidentes."

Oscar Mascarenhas, director de producto en A. Schulman, afirma que los niveles de adición de agentes como los de antibloqueo deben elevarse bastante para balancear el efecto de la baja densidad de los materiales y la pegajosidad de las películas. Mascarenhas recomienda el uso de un agente de antibloqueo de alta transparencia, con mLLDPE como vehículo, para hacer capas de sellado térmico con 100% de mLLDPE. Cuando no es necesario proveer una alta trasparencia y el mLLDPE se usa en una mezcla, los agentes de antibloqueo estándar son suficientes.

Tony Tikuisis, especialista en aditivos senior de Nova Chemicals, afirma que su compañía ha encontrado en varios experimentos que aun cuando el aditivo se agregue en cantidades tan bajas como del 1 al 2%, los concentrados con vehículos incompatibles pueden afectar adversamente las propiedades físicas de las películas de mLLDPE. "Hemos observado reducciones del 20 al 30% en las propiedades claves, tales como la resistencia al impacto con dardo". Nova está trabajando con productores de concentrados como Ingenia (antes WedTech Inc.), para desarrollar concentrados de aditivos con vehículos compatibles para utilizarlos con la referencia de LLDPE octeno Advanced Sclairtech.

Mark Mack, director técnico de Equistar Chemicals, complementa la información afirmando que "la resina que sirve de vehículo debe tener propiedades geológicas similares a aquellas de la resina que se está procesando. Como regla general, cuando existe una diferencia notable entre las viscosidades de las resinas en estado fundido, es imposible lograr un buen mezclado de los dos componentes". Generalmente se busca que las diferencias de viscosidades entre la resina y el aditivo no sean mayores a un factor de dos o tres, afirma Mack, para lograr que los dos componentes puedan mezclarse bien bajo las condiciones de esfuerzos cortantes de un proceso dado.

Dan Gray, director de mercadeo de la resina mLLDPE Impact de Phillips Chemical Co., resalta una de las consecuencias derivadas del hecho de que las resinas metalocénicas tengan una distribución angosta de pesos moleculares: "Debido a que estas resinas son mas duras para procesarlas y pueden formar fracturas en fundido, muchos fabricantes están agregando agentes de ayuda de fluoroelastómeros para facilitar la extrusión."

Rich Chapman, director técnico para los fluoropolímeros Viton FreeFlow de DuPont Dow Elastomers, agrega: "Vemos que los mLLDPE se usan más y más sin ser mezclados y por lo tanto existe la necesidad de recurrir a las ayudas de proceso para facilitar los procesos de extrusión. Los procesadores, sin embargo, no quieren que los vehículos de los aditivos sean materiales LDPE o el LLDPE de baja viscosidad y más bien buscan las referencias que contienen mLLDPE, a pesar de su mayor viscosidad, para no poner en peligro la resistencia de la película, ni su trasparencia".

Aditivos disponibles
Actualmente hay compañías que ofrecen concentrados de aditivos formulados a la medida del mLLDPE. Entre estos se incluyen los concentrados deslizantes con base en erucamida o amidas ácidas oléicas; los concentrados de antibloqueo hechos con base en sílicas sintéticas o naturales (como los talcos o las tierras diatomaceas); concentrados antineblina fabricados con ésteres de ácidos grasos; y antiestáticos que contienen cadenas largas de aminas y cortas de amidas.

La línea de aditivos concentrados con aprobación FDA de Ampacet, soportados en vehículos metalocénicos tiene dos referencias de deslizantes. El grado 100329 contiene 5% erucamida, de baja migración, y el 100436 que contiene 5% de una oleamida de alta velocidad de migración. Ampacet también ofrece cinco tipos de concentrados antibloqueantes con alta carga de agente activo. Tres de ellos contienen tierras diatomaceas (TD): el 100342 y el 100371 con 20% de TD de diferente tamaño de partícula, y el 100940 con 25% de TD. El producto 100524 tiene 50% de talco y el 100902 contiene 70% de carbonato de calcio. También tiene disponibles dos productos deslizantes/antibloqueantes: el 100407 que contiene 5% erucamida y 35% de TD, y el 100897 que contiene 3.5% de erucamida y 35% de TD.

Esta compañía también incluye ayudas de proceso entre sus productos, como el concentrado 100676 con 3% de fluoropolimero; el antioxidante y ayuda de proceso 101035 con 13% de fenol, 6% de fosfito y fluoropolímero; la referencia 101042 contiene un concentrado protector a la luz ultravioleta con 12% de HALS. Tres líneas de color blanco concentrado a 50, 70 y 80% de TiO2 y otro producto con 50% de negro de humo completan los aditivos concentrados de Ampacet con vehículos mLLDPE.

En los dos últimos años, Polyvel Inc. ha lanzado al mercado concentrados con cargas altas de agentes activos deslizantes, antiestáticos y antineblina, en vehículos de mLLDPE, que contienen agentes activos en el rango de 20 a 25%, comparado con los niveles del 3 al 5% de los concentrados convencionales. Entre sus aditivos concentrados para resinas metalocénicas también se incluye el deslizante RE25M, con un 25% de erucamida. Este cuenta con aprobación de la FDA y ofrece una excelente capacidad de dispersión y propiedades deslizantes superiores. Empleado a bajos niveles de adición, entre 0.25 y 0.5% de ingrediente activo, muestra una reducción significativa del COF en películas sopladas.

Polyvel también desarrolló la serie VF de mezclas antineblina, formuladas para la fabricación de películas multicapas de empaques de alimentos y para envolver alimentos congelados y carnes frías. El contenido de agente activo se encuentra entre 20 y 40% y los niveles de adición se mantiene entre el 2 y el 5% (del 0,4 al 0,6% de ingrediente activo). De acuerdo con Paul Albee, los mono y diglicéridos han resultado ser muy efectivos cuando se usan en películas mLLDPE, pues "migran mejor a la superficie y ofrecen una mayor estabilidad térmica, comparados con los esteres de sorbitano, que tienden a ser más estáticos en las películas."

Los concentrados antiestáticos de Polyvel están basados en vehículos de mLLDPE, como las referencias VSE-10 (para empaques de alimentos) y la VS-E09M (para el empaque de productos electrónicos con películas planas). Estos dos concentrados están altamente cargados (20%) y formulados para usarlos únicamente en un nivel de adición de 2,5 a 3,0%, en productos convencionales.

A. Schulman es otro pionero en este campo que ha desarrollado varios aditivos Polybatch para resinas metalocénicas de películas. Entre estos productos estándares están los agentes antibloqueo EXT-203T (20% de talco), EXT-2017S (20% de sílica natural) y EXT-20212 (10% de esferas de vidrio). La adición de estos productos a las películas está en el orden del 1 al 5%. Mascarenhas explica que la compañía ha encontrado agentes de antibloqueo sintéticos que son más eficientes, porque permiten el uso de los tamaños de partículas más apropiados en cada tipo de aplicación. No obstante, Tikuisis, de Nova, advierte que mientras que las sílicas sintéticas proporcionan una óptica excelente, su eficiencia de antibloqueo generalmente no es tan alta como la que proporciona el TD o el talco. "Las pruebas internas han demostrado que las propiedades ópticas y de antibloqueo de las sílicas sintéticas tienden a ser diametralmente opuestas, pues es posible tener un buen efecto de antibloqueo a expensas de un acabado óptico desmejorado, o un buen acabado en este sentido con una capacidad de antibloqueo no tan eficiente", explica.

Schulman también ofrece combinaciones de productos con efectos de desliz/antibloqueo, como la referencia EXT-4226TSE, que combina la sílica natural y el talco con un agente de deslizado; y la referencia EXT-4220TS, que contiene los mismos agentes de antibloqueo con erucamida como agente de deslizamiento. Los dos productos tienen un buen efecto de antibloqueo, con una abrasión baja y un costo razonable. También produce concentrados de aditivos de ayuda al procesamiento por extrusión, tales como EXT-206F (3% de fluoropolimero), y concentrados de protección contra la luz ultravioleta. Estos últimos típicamente contienen hasta 20% de HALS o de absorbentes de luz ultravioleta. Estos aditivos se usan en películas multicapas para ventanas.

De otra parte, Clariant Masterbatches Div. ofrece formulaciones para resinas mLLDPE y para otras nuevas resinas. El director de negocios Manfred Dicks dice que gran parte del esfuerzo se ha dirigido hacia las formulaciones antiestáticas. Esta línea de aditivos concentrados se comercializa bajo el nombre de Cesa.

Aditivos para extrusión
Ciertos fluoroelastómeros diseñados como aditivos de ayuda para el proceso de extrusión han demostrado buen desempeño con las resinas de mLLDPE. En el soplado de películas, donde se concentra la mayor parte del interés, su propósito es el de reducir la fractura en fundido y la formación de geles. En la extrusión de películas cast, el propósito es eliminar la acumulación de barbas en el dado y reducir el número de geles.

Corporaciones como Dyneon y DuPont Dow Elastomers informan un incremento en las ventas de estos productos como resultado del creciente empleo de las resinas de plastómeros, mLLDPE y otros LLDPE de alto desempeño. Randy Stone, ejecutivo de DuPont Dow Elastomers, comenta que hoy en día la compañía está más interesada en desarrollar estas novedosas resinas. "Típicamente todas estas resinas tienen una distribución angosta de pesos moleculares y sus moléculas contienen un menor número de ramificaciones y propiedades físicas y ópticas superiores". Rich Chapman, director técnico, agrega: "La diferencia más sobresaliente entre estas y el LLDPE convencional es que las primeras son más difíciles de procesar. Las ayudas de proceso permiten a los convertidores ajustar sus equipos para que puedan correr materiales con mayores valores de cizallamiento, manteniendo bajas la temperatura y la presión".

Los productos Viton FreeFlow SC y RC, de esta compañía, están dirigidos a las resinas mLLDPE y a similares de baja densidad. Chapman explica que estas fórmulas patentadas están diseñadas para trabajar más eficientemente a un costo mínimo. Lo anterior, porque le permiten al convertidor emplear una mayor cantidad de aditivo de ayuda de proceso, con un porcentaje menor de fluoroelastómero, que es el componente más costoso. En la formulación del producto SC se emplea un copolímero ácido que limpia la superficie del dado, mientras que en la formulación del producto RC se tiene un contenido de copolímero ácido y de glicol.

De acuerdo con la supervisora de mercadeo Susan Woods, de Dynamar, las dos ayudas de proceso más exitosas entre los productores de resinas y de películas son las referencias Dynamar FX9613 y FX5920 de Dyneon. La referencia FX5920A es un producto patentado que combina polietileno de glicol y un fluoroelastómero, y que ofrece un menor grado de interacción con otros aditivos, tales como los antibloqueantes.

Recientemente se ha podido demostrar que estos productos trabajan bien suprimiendo la formación de geles a un nivel entre 200 y 500 ppm (0,02 a 0,05%). En otros ensayos se ha observado que el producto PPA FX5920A reduce significativamente el número de las geles en películas sopladas hechas con plastómeros de densidad muy baja. Debido a que este es un material mucho más difícil de procesar, los resultados indican que se puede esperar un desempeño aún mejor con mLLDPE y los nuevos LLDPE.

En el ultimo año, Algroup Lonza puso en el mercado la referencia Glycolube ML-1, un lubricante de esteres grasos para películas de mLLDPE. Las pruebas han demostrado que este producto puede reducir la razón de amps/rpm requerida para procesar un mLLDPE de índice de fluidez 1, a la vez que se pudo incrementar la razón del peso producido por hora a los amperios consumidos. La alta sellabilidad de esta resina de mLLDPE no se vio afectada por el empleo del ayudante de proceso.

Una variante en el desarrollo de estos aditivos se ha logrado a raíz del efecto sinérgico de los fluoroelastómeros, ya que se tiene el potencial de reducir los niveles de adición de estos últimos en cerca de un 50%, por debajo de 400 ppm, comparado con 600 a 800 ppm requeridos previamente, afirma el director técnico de Lonza, Joe Williams. Además, las reducciones de costos serán sustanciales debido a que el nuevo producto se venderá a alrededor de un dólar por libra, mientras que el costo de los fluoroelastómeros es de alrededor de US$ 20/lb.
Reproducido de Plastics Technology con autorización del editor