Aprenda aqui como aproveitar as novas oportunidades de redução de peso e utilização de reciclagem em embalagens de consumo, graças à colaboração de líderes em espumação microcelular e design de cabeçotes multicamadas.
# sustentabilidade
Este artigo foi publicado originalmente em Tecnologia de Plásticos, PTOnline.com.
Escrito por Sam Dix, Diretor de P&D.
O uso de materiais plásticos reciclados é um fator crítico na mudança em direção a uma economia de ciclo totalmente fechado na indústria do plástico. Simplificando, os produtores devem reduzir seu consumo de energia e matéria-prima para atender à nova legislação rigorosa anunciada para introdução em 2025, conforme estabelecido na regulamentação de embalagens proposta publicada em novembro de 2022 pela Comissão Europeia. Produtos cosméticos sensíveis ao contato, por exemplo, conterão 40% de remoagem pós-consumo (PCR) e todas as outras embalagens de garrafas conterão 35% e 65% até 2030 e 2065, respectivamente. Esta é uma tarefa difícil.
O desafio não é apenas o fornecimento, a disponibilidade e a qualidade das resinas recicladas, mas também o desenvolvimento de novos processos para permitir seu uso e explorar seu potencial. Com a exigência repentina de PCR e a necessidade de qualidade respeitável, o custo provavelmente será um problema. Os proprietários de marcas, em particular, estão procurando maneiras de permanecer competitivos em termos de custo com as configurações de produtos virgens das especificações comuns de embalagem de hoje. A redução de peso por meio de espuma também ganhou crescente atenção e adoção de processo nos últimos anos como uma alternativa ao downgauging, o que pode comprometer o desempenho do topload.
Parceria de especialistas facilita adoção
Trexel, líder de mercado em tecnologias de espuma para redução de peso e W. Müller, líder de mercado em design de cabeçote multicamadas para moldagem por sopro, fizeram parceria para criar uma solução de redução de peso para inclusão de PCR e redução do custo de produção de garrafas sem sacrificar significativamente as propriedades mecânicas. A Trexel tem fornecido soluções de redução de peso de espuma física e química para moldagem por injeção e sopro. Sua tecnologia de espumação física MuCell agora é padrão ou opcional em muitas plataformas de moldagem por injeção OEM. Com um foco recente em soluções de embalagem em moldagem por injeção, além do histórico da empresa de dutos automotivos moldados por sopro com espuma com o processo de cabeça acumuladora, a Trexel implementou um Solução de espuma MuCell para moldagem por extrusão e sopro (EBM) em máquinas de transporte e rodas. A Trexel agora está trabalhando com proprietários de marcas em projetos de garrafas em escala.
A solução multicamadas envolve a dosagem de nitrogênio no cilindro da máquina EBM e a formação de espuma na camada central de um sanduíche de três camadas, de modo que a proporção da camada (por espessura) permaneça semelhante ao design de três camadas do predecessor sólido, mas com peso reduzido no núcleo do PCR. Também há uma velocidade reduzida da extrusora de núcleo associada a uma determinada saída de garrafa volumétrica. Ao acoplar especificamente o processo MuCell com um aditivo patenteado proprietário, a resistência ao impacto, a carga superior e o ESCR passarão nos testes necessários da indústria. Normalmente, houve uma melhoria de até 3 vezes no desempenho do impacto em relação às tecnologias de formação de espuma anteriores, o que está impulsionando a capacidade de fazer garrafas maiores com núcleo de espuma. O sistema e o método são livres de licença e podem ser adaptados ao parafuso e cilindro existentes, conforme ilustrado na Fig. 1. Além da economia de peso, o TiO2 e outros masterbatches brancos podem frequentemente ser reduzidos ou eliminados, porque a espuma adiciona um aparência opaca, conforme mostrado na Fig. 2.
A redução de peso por meio da espuma é uma alternativa à redução de calibre, o que pode comprometer o desempenho da carga superior.
Os sistemas de extrusora e cabeçote multicamadas da W. Müller podem ser adaptados à maioria dos sistemas monocamadas, bem como a um novo sistema. A W. Müller, que construiu seu primeiro cabeçote de três camadas em 1990, traz experiência significativa em processos com produtos carregados de PCR por meio de sua série de cabeçotes RECO. MuCell é um processo de espumação física, dependendo parcialmente dos eventos de pressão no cabeçote ou em múltiplos cabeçotes em estrutura de três ou mais camadas. Conforme observado por Jens Schlueter, presidente da W. Müller USA, "Embora existam muitos projetos de cabeçotes de extrusão de três camadas padrão no mercado, é essencial ter experiência em como criar projetos que acomodem o processo de espumação. Entender o fluxo de fusão, a pressão de fusão e como dimensionar perfeitamente os canais de fluxo dentro do cabeçote é essencial para uma aplicação de espumação bem-sucedida. Nossa experiência em fornecer cabeçotes personalizados para diferentes materiais e projetos garante que nossos clientes obtenham a solução certa para suas necessidades e especificações particulares."
De particular importância para o processo é a capacidade do sistema de entrega de SCF (fluido supercrítico) da Trexel de responder à flutuação de pressão que pode surgir da adição de algum PCR de grau inferior à extrusora. O sistema proprietário da Trexel "aprenderá" padrões de processo e reagirá a eventos em tempo real para manter os níveis de espumação consistentes para garantir a estabilidade do processo e a geometria consistente da garrafa. Para permitir isso, são usados sinais simples de temporização do processo da máquina de moldagem por sopro.
A W. Müller instalou dois sistemas de espuma de laboratório, um em sua sede em Troisdorf, Alemanha, e o segundo em seu escritório nos EUA em Agawam, Massachusetts. Ambos são equipados com o mais recente sistema de entrega B120 SCF da Trexel e molde de garrafa manuseado para uso em demonstrações. Os clientes também podem escolher entre outros moldes padrão ou fornecer seus próprios moldes para testar a tecnologia.
De particular importância é a capacidade do sistema de injeção de gás de responder à flutuação de pressão que pode surgir da adição de algum PCR de grau inferior à extrusora.
Para adaptar o sistema de bombeamento, um furo é perfurado no cilindro existente em uma posição para que haja tempo de residência suficiente para dissolver o gás nitrogênio no fundido. A Trexel conduziu uma pesquisa de base para definir matematicamente os parâmetros exatos necessários para garantir a difusão homogênea do gás em tais processos por meio do trabalho com seus projetos de parafuso de moldagem por injeção recentemente patenteados. Como quase 10 vezes menos gás é usado no processo de moldagem por sopro de espuma do que na moldagem por injeção, geralmente há tempo de residência suficiente para misturar o gás com o projeto de parafuso de moldagem por sopro existente e, portanto, o processo normalmente não exigirá um novo parafuso e cilindro.
Espera-se que no futuro os controles do sistema de distribuição de SCF da Trexel sejam integrados ao sistema de controle da W. Müller para fornecer um complemento de formação de espuma completo que converterá um sistema de monocamada existente em um sistema de espuma multicamadas completo.
Estudo de caso: Topload & Drop Impact
O estudo de caso a seguir foi usado para corroborar e resumir o trabalho recente usando o molde de demonstração. Um sistema de moldagem por sopro foi configurado como na Fig. 2 e combinado com o molde de garrafa manuseado da Trexel, como mostrado na Fig. 3. A ferramenta de matriz foi reduzida de modo que a dimensão layflat do parison fosse a mesma para extrudado sólido e espumado – produzindo a mesma quantidade de rebarba/topo/cauda. Em alguns casos, a ovalização da matriz pode mudar ligeiramente daquela para um produto sólido.
O peso foi então reduzido no extrusor de núcleo, como mostrado na barra central na Fig. 4; aqui a cauda era muito curta para realmente moldar um produto. O gás foi então injetado e a estrutura foi espumada de volta a uma espessura semelhante a uma parte sólida, como mostrado na barra direita da Figura 4. Dado que a rigidez é um fator-chave que varia como uma função cúbica da espessura nominal, a espessura geral pode ser manipulada para compensar a redução na densidade, que varia apenas linearmente com a rigidez. Em essência, a espuma tem uma melhor relação rigidez-peso do que estruturas sólidas.
A pressão de sopro foi então aplicada, tipicamente menor do que para moldagem sólida, às vezes em vários estágios. A pressão menor nessas espessuras não introduz a necessidade de maior tempo de resfriamento ou uma mudança na ventilação do molde. No processo, ocorre uma calibração menor ou esmagamento da estrutura para deixar o produto final, conforme mostrado na Fig. 5. Por exemplo, o parison de espuma final da Fig. 4 é de 2.16 mm, que é calibrado (comprimido) em quase 50% durante o processo de sopro para deixar uma espessura final de 1.12 mm, mostrada na Fig. 5.
O resultado foi uma garrafa de espuma 6 g mais leve, com uma densidade geral de 0.830 g/cc e uma densidade central de 0.760 g/cc. A espessura nominal da camada externa era a mesma da estrutura sólida, e a espessura extra para manter a rigidez veio da camada de espuma. O tempo de ciclo neste caso foi reduzido em 2.5 segundos. As métricas finais da garrafa são mostradas na tabela da Fig. 5, que observa economias em peso da garrafa, custo e tempo de ciclo. Deve-se observar que há várias maneiras de quantificar a economia. O tempo de ciclo pode permanecer constante (mesma produção volumétrica), mas com consumo de material reduzido; ou, alternativamente, pode haver rendimento de material (peso) semelhante ao de uma parede sólida, mas com maior volume de produção — mais garrafas por hora. Neste estudo de caso, foi uma mistura de ambos.
Um fator importante na tecnologia, como observado, é a mistura homogênea do gás, mas também a sinergia da dessorção do gás no instante em que a pressão é liberada na saída da matriz. Isso cria bolhas muito pequenas com uma proporção de aspecto tipicamente não maior que 2:1 e tamanho de célula menor que 100 mícrons após o sopro (Fig. 6). O parison de espuma continua se expandindo de forma que haja ampla espessura na base da garrafa. Ao contrário dos agentes nucleantes tradicionais, o aditivo nucleante proprietário neste processo não afeta negativamente a resistência ao impacto (se, por exemplo, você o colocasse em um produto não espumado). A combinação desses fatores permite que a tecnologia de espuma seja aplicada a garrafas muito maiores do que apenas 200 ml e passe nos testes de impacto.
Três testes de base foram realizados na garrafa de teste. O teste de impacto de queda foi de 11.5 pés para a garrafa de espuma com aprovação no teste ESCR. Os resultados do teste de carga superior mostraram que, para o mesmo peso (comparando os Ensaios 8 e 11 na Fig. 7), a força por mm de espessura foi a mesma para garrafas de espuma e sem espuma. Além disso, a garrafa de espuma mostrou um aumento de 20% na energia total absorvida antes que o pico de carga superior fosse atingido.
Mais trabalho está sendo conduzido agora em diferentes materiais e formatos para proprietários de marcas. Isso se estende aos biopolímeros, que não estarão sujeitos às regulamentações na Europa quando começarem a ser lançados, mas se beneficiariam da redução de custos. O trabalho também está sendo conduzido em máquinas de rodas, onde a tecnologia foi executada com sucesso em escala total em garrafas maiores para aplicações como detergentes domésticos.
A Trexel mostrou uma maneira nova e melhorada de espumar garrafas com a capacidade de reduzir o custo de garrafas carregadas de PCR e/ou simplesmente para garrafas leves como uma alternativa ao downgauging que é limitado pela resistência da carga superior. A espuma tem uma relação rigidez-peso melhorada e fornece opacidade sem adicionar masterbatch.
A capacidade de passar em testes de carga superior e impacto de queda permite que a formação de espuma seja usada em garrafas muito maiores.
A Trexel abordou uma deficiência fundamental de versões anteriores da tecnologia de espumação — em particular, a resistência a impactos de queda foi abordada, enquanto a resistência à carga superior pode ser mantida aumentando a espessura na densidade mais baixa da espuma. A espumação não será adequada para todos os produtos, como monocamada, muito fina, fortemente gofrada ou com requisitos de impacto de queda ultra-altos. Mas a lista de aplicações bem-sucedidas está sempre crescendo e ganhando atenção.
A espuma pode ser adaptada a máquinas antigas ou instalada como novas. No primeiro caso, a W. Müller e a Trexel fizeram uma parceria para fornecer a capacidade de mudar uma máquina monocamada para fazer estruturas de espuma multicamadas com investimento mínimo de capital e sem royalties.
