Lavorazione sicura di film mono PP riciclabili su sistemi di termoformatura.
Cresce la pressione sui produttori di confezioni affinché trattino i film laminati in modo responsabile. I film mono PP offrono un’alternativa riciclabile ai compositi in PET. Ma mentre i vantaggi dei film mono PP sono evidenti per quanto riguarda l’economia circolare, i confezionatori devono affrontare delle sfide. Andreas Dietrich / Weber Food Technology GmbH ha presentato al meeting Inno di Osnabrück come sia possibile effettuare una lavorazione sicura sui sistemi di termoformatura.
– Dieter Finna
Attualmente...
… per la produzione di confezioni destinate ai consumatori finali e contenenti salumi o formaggi affettati si ricorre spesso a materiali compositi in APET/PE o boPET/PE. Si tratta di film che hanno una buona macchinabilità e proprietà di barriera elevate. Ma nel ciclo dei materiali non soddisfano i requisiti di buona selezionabilità e di buon riciclo dei materiali. E questo concentra l’attenzione sull’utilizzo di film mono PP. Questi film sono composti dal 90% al 98% di polipropilene e si possono lavorare su sistemi di termoformatura. Spesso però presentano evidenti differenze.
Attrattiva e resa sulle linee di confezionamento sono perfettibili.
I motivi PP prodotti sui sistemi di termoformatura presentano soprattutto svantaggi per quanto ne riguarda l’aspetto. Andreas Dietrich, ingegnere applicativo Confezionamento di Weber Food Technology GmbH, descrive i risultati ottenuti con le confezioni in PP come spesso “meno attraenti, in quando appaiono ondulati, sono meno trasparenti e anche più morbidi al tatto”. Queste differenze visibili sono in parte dovute alle proprietà naturali del polipropilene.
Alcuni tipi di film mono PP formano una forma ben stabile, un vassoio stabile. Ma spesso il film superiore non è ben teso come nei film a base di boPET. In base alle esperienze di Andreas Dietrich, questo fenomeno si verifica soprattutto nei film superiori richiudibili.
Un altro svantaggio è che la resa sulle linee di confezionamento con film mono PP è inferiore a causa del riscaldamento e del raffreddamento più lenti del materiale. Essendo la formatura delle confezioni in film PP un po’ più complessa, diminuisce la frequenza di clock dell’impianto, per cui la macchina va ad una velocità leggermente inferiore. Nelle grandi linee industriali per il confezionamento del formaggio con un contenuto di 400 g la riduzione da 12 T/min a 11 T/min ha come effetto il confezionamento di ben 6,5 t di formaggio in meno in un tempo di produzione di 20 h/giorno, una riduzione di oltre l’8%.
Materiale diverso, approccio diverso.
Poiché il processo di formatura con il film mono PP si differenzia per il materiale dai film di tipo tradizionale, per Andreas Dietrich è chiaro che anche nella progettazione della confezionatrice e dei parametri della macchina si debba tener conto della modifica del materiale. Se si parte da una macchina che ha un cosiddetto sistema di riscaldamento a sandwich, ossia due piastre riscaldanti, una dall’alto e l’altra dal basso, nei compositi APET/PE sono già sufficienti tempi di riscaldamento e formatura relativamente brevi da 1 a 2 secondi nel caso di un film di 250 µm di spessore. Le temperature vanno da 98°C a 113°C. Con questa finestra di formatura di 15°C, le fluttuazioni di riscaldamento nei compositi PET/PE sono poco significative. Le macchine presenti sul mercato sono impostate su questi parametri.
Al contrario, gli spessori del film di polipropilene sono solitamente un po' più alti, poiché si cerca di compensare la struttura leggermente più morbida con un film leggermente più spesso di 300µm PP/PP. Questo ha a sua volta un effetto sul tempo di riscaldamento e di formatura, che aumenta a circa 2,5 secondi con il film leggermente più spesso.
Se le prove vengono avviate con film mono PP, spesso sulle linee viene adattata solo la temperatura al nuovo materiale, ma non i tempi di riscaldamento e di formatura. Ciò comporta la formazione di pieghe, onde e scarsa stabilità del vassoio.
Come si formano le pieghe nei vassoi?
Per trovare soluzioni, occorre comprendere le cause della formazione di pieghe e onde. Possono essere legate a diversi fattori di influenza. In base all’esperienza di Andreas Dietrich, questo può essere dovuto a impostazioni sfavorevoli o al fatto che le confezionatrici sono già da diversi anni in funzione, eventualmente senza una manutenzione ottimale, e in precedenza hanno sempre lavorato film PET. Essendo un materiale abrasivo, il PET consuma il rivestimento in teflon delle piastre riscaldanti, in particolare di quella inferiore. Di conseguenza è liscio e non ha più alcuna proprietà antiaderente. Mentre il PET può ancora essere lavorato sulle termoformatrici, nei film di polipropilene l'aria rimane intrappolata tra il film e la piastra riscaldante usurata, causando la formazione di bolle, note anche come “vene varicose”, nel profilo di riscaldamento. E si vedono chiaramente nella confezione.
Un altro ostacolo è il problema della forte estensione del film in PP quando è caldo. In una termoformatrice il film viene prima riscaldato e poi trasportato a caldo per un ulteriore ciclo, per essere sottoposto alla formatura. La chiusura degli stampi di riscaldamento e formatura pone un certo problema. Il film morbido e caldo, che per natura si allunga leggermente, insieme al movimento dell’aria che si forma quando viene chiuso lo stampo di formatura fa sì che il film si allunghi in una sorta di bolla, che viene poi schiacciata quando viene chiuso lo stampo. Anche questo causa spesso pieghe. Nel PP si tratta di evitare questa corrente d’aria, e quindi la formazione di bolle, adottando adeguati provvedimenti tecnici.
Le immagini termiche rivelano cause nei parametri di processo.
Le immagini che Weber ha ripreso direttamente dopo aver lasciato la stazione di formatura con una termocamera a doppia ottica dimostrano quali sono gli effetti dei diversi tempi di riscaldamento e formatura sull’aspetto delle confezioni.
La prima immagine termica mostra un risultato borderline basato su parametri per la deformazione di film compositi APET con l’adattamento della sola temperatura. La seguente, invece, mostra un risultato ottimizzato in cui sono tutte le fasi del processo sono state ottimizzate per il film in PP. Il confronto dei parametri di processo nella produzione di queste confezioni rende chiaro quali parametri contribuiscono all'ottimizzazione della confezione e che le confezioni realizzate con film mono PP possono essere ottimizzate.
Un parametro chiave nella formatura della confezione è l’aumento della pressione, particolarmente importante nella lavorazione di film mono PP. Se è troppo basso e troppo lento, la formatura del film non viene eseguita correttamente. Si formano grandi differenze di temperatura nella confezione, in questo caso fino a 21°C, tra il centro e le scanalature della confezione. Il risultato: tensione nel materiale e infine onde.
La seconda immagine termica mostra che impostando in modo ottimale il processo di formatura – i tempi di riscaldamento e di formatura sono di 2,5 secondi, la temperatura di riscaldamento è di 135°C, l’aumento della pressione nella formatura è con 1 bar 0,2 secondi, il raffreddamento è impostato in modo efficiente – le differenze di temperatura tra il centro e le scanalature della confezione possono essere ridotte a circa 7°C.
Influsso del design delle confezioni.
Oltre ai parametri di lavorazione ovviamente anche il design delle confezioni ha un ruolo determinante. Utilizzando il film in PP, il design della confezione non deve presentare dettagli troppo piccoli. Nel design a sinistra le scanalature hanno un raggio R8 mm e una profondità di 2 mm. Quanto più piccoli sono i raggi, tanto più difficile è la loro formatura e tanto più ondulata può diventare la confezione. Un design di questo tipo si può realizzare molto bene nelle scanalature.
Anche i raggi d’angolo hanno un ruolo determinante. Nell’esempio a destra hanno un raggio di R9 mm, che è un buon valore. Se diventano troppo piccoli, la confezione perde stabilità, si deforma più facilmente e diventa ondulata.
Eppure funziona.
“Un fattore per ottenere un buon risultato con film mono PP è un riscaldamento fatto per bene e preciso con un riscaldamento a sandwich che mantiene quanto più stabile possibile la temperatura. A tale scopo occorre un tempo di riscaldamento più lungo possibile di circa 2,5 secondi”.
Il secondo fattore è una formatura molto rapida. Si ottiene aumentando rapidamente la pressione dello stampo, ma deve essere possibile anche con il film stesso. Deve essere possibile effettuare la formatura del film nel giro di appena 0,2 secondi. Sotto il film è presente una pressione negativa di -0,7 bar dovuta al vuoto dello stampo dal basso. Inoltre, vi è una sovrapressione di +1,0 bar dovuta al rapido aumento della pressione dall'alto.
Complessivamente si ottiene una differenza di temperatura di 1,7 bar. Il tempo di formatura, e quindi di raffreddamento, deve essere il più lungo possibile. In generale, l'obiettivo di riscaldamento, formatura e raffreddamento è quello di ottenere la temperatura più bassa e uniforme possibile nella confezione. In questo modo è possibile ridurre ad esempio a 7°C le differenze di temperatura tra il centro e le scanalature della confezione.
Il terzo fattore è quello di un film mono PP adatto. “Non tutti i film danno il risultato auspicato”, sa Andreas Dietrich per esperienza pratica personale. Se si considerano i parametri citati, si possono produrre confezioni dalla formatura precisa con film mono PP a 12 cicli al minuto, in linea con le esigenze del mercato.
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