En The Packaging Conference celebrada este febrero en Austin, Texas, Polyplastics y Colgate-Palmolive compartieron un caso práctico técnicamente detallado que explora cómo el COC de alta Tg puede ampliar la viabilidad del HDPE en ISBM y liberar un importante potencial de aligeramiento.
Si bien Packaging World no pudo asistir en persona, una grabación de audio proporcionada por el organizador del evento, John Maddox, nos permitió seguir la sesión en detalle. Me alegro de haberlo hecho, ya que se trata de una nueva tecnología notable en el moldeo por soplado de HDPE que podría beneficiar a cualquier marca que trabaje con botellas, especialmente botellas de color.
El HDPE se utiliza ampliamente en empaques rígidos debido a su resistencia química, durabilidad y reciclabilidad. Sin embargo, históricamente ha sido difícil su aplicación en el moldeo por inyección, estiramiento y soplado con recalentamiento (ISBM).
La dificultad radica en el comportamiento térmico. El HDPE se funde aproximadamente a 132-135 °C. En el ISBM, las preformas se recalientan a una banda de temperatura estrecha (normalmente de 118 a 128 °C) y luego se estiran axialmente y se soplan radialmente en la cavidad de un molde.
El PET se desempeña bien en este proceso porque se endurece por deformación durante el estiramiento. A medida que el material se alarga, las cadenas moleculares se orientan y aumentan la resistencia a un mayor adelgazamiento. Este endurecimiento por deformación estabiliza la burbuja durante el soplado y permite una distribución uniforme de la pared a bajo espesor.
El HDPE no se comporta de la misma manera. Pierde integridad mecánica a temperaturas de moldeo por soplado y no presenta un endurecimiento por deformación significativo en el rango de temperatura requerido. Debido a que su punto de fusión es cercano a la temperatura de estiramiento, la ventana de procesamiento se reduce. Las preformas pueden deformarse durante el recalentamiento y la variación del espesor de la pared se vuelve difícil de controlar.
Paul Tatarka, líder de Desarrollo de Mercados de Polyplastics USA (izquierda), presenta junto a Jun Wang, Director de Innovación en Empaques de Colgate-Palmolive Company.The Packaging Conference
Por eso, la empresa del presentador Paul Tatarka, Polyplastics, propuso mezclar HDPE con copolímero de olefina cíclica (COC), un polímero amorfo definido por su temperatura de transición vítrea (Tg). A diferencia del HDPE, el COC no tiene un punto de fusión cristalino. En cambio, cambia de vítreo a gomoso a Tg, y esta Tg puede ajustarse mediante la formulación.
Los datos de análisis mecánico dinámico-presentados durante la sesión mostraron que añadir COC aumenta el módulo de almacenamiento de las mezclas de HDPE a temperaturas elevadas. De hecho, la fase de COC ayuda a mantener la rigidez en el rango de temperatura donde el HDPE por sí solo se ablandaría rápidamente.
Colgate-Palmolive evaluó este enfoque como parte de una iniciativa de sostenibilidad más amplia.
“Hace cuatro o cinco años nos propusimos un objetivo muy ambicioso. Queríamos reducir el peso de nuestra botella de HDPE en un 30%”, afirmó el Dr. Jun Wang, director de Innovación Global de Envases.
Esta reducción del 30% se alineaba con el objetivo de la empresa de reducir el uso de plástico virgen. El PCR formaba parte del plan, pero Colgate también buscó soluciones técnicas de aligeramiento.
El primer paso fue la optimización del diseño convencional: geometría estructural, nervaduras, refinamiento de la base y el cuello, y distribución del material. Estos esfuerzos generaron mejoras incrementales, pero no alcanzaron el 30%.
Refuerzo del material
El siguiente paso fue el refuerzo del material.
“El COC es 100% compatible con el HDPE. Se puede pensar en el COC como un HDPE más resistente”, afirmó Wang.
Colgate mezcló un COC de alto módulo con HDPE y procesó el material mediante moldeo por extrusión-soplado (EBM). Este método logró una reducción de peso de aproximadamente el 15%. Una reducción adicional provocó fallos en las pruebas de caída.
Esta limitación refleja la física del proceso EBM. En el EBM, se extruye e infla un parisón fundido. La orientación es limitada y la distribución del material depende de la programación del parisón. El adelgazamiento de la pared más allá de cierto punto compromete el rendimiento mecánico.
Botella de HDPE/COC moldeada con ISBM (8-12% de COC de alta Tg) que logró una reducción de peso del 30%. La botella presenta una estructura uniforme de paredes delgadas y un aspecto opaco sin pigmento añadido, gracias a la distribución fibrosa del COC de alta Tg dentro de la matriz de HDPE bajo orientación biaxial. Fuente: The Packaging Conference.Polyplastics / Colgate en The Packaging Conference
En la práctica, el EBM limita el aligeramiento porque el rendimiento mecánico disminuye a medida que disminuye el espesor de la pared. El ISBM, por el contrario, aumenta la resistencia mediante la orientación, lo que permite paredes más delgadas sin una pérdida proporcional de rigidez. Históricamente, la limitación no ha sido el proceso ISBM en sí, sino la incapacidad del HDPE para tolerar el recalentamiento y el estiramiento. Al estabilizar el HDPE con COC de alta Tg, esta barrera se reduce.
Para superar el 15%, Colgate evaluó el ISBM.
“Las botellas de PET son mucho más delgadas. La razón es el proceso ISBM”, afirmó Wang.
El ISBM introduce un estiramiento axial controlado seguido de una expansión radial, lo que crea una orientación biaxial. La orientación aumenta la rigidez y la resistencia por unidad de espesor. Si el HDPE pudiera estabilizarse durante el recalentamiento y el estiramiento, se podrían lograr paredes más delgadas sin sacrificar el rendimiento.
Además de permitir la reducción de peso, el ISBM ofrece ventajas de fabricación. El proceso permite acabados de cuello controlados, elimina el recorte de rebabas y permite almacenar y soplar preformas según demanda. Para las marcas que ya operan plataformas ISBM para PET, ampliar la capacidad al HDPE podría consolidar los equipos y aumentar la flexibilidad de producción.
Selección de Tg
La variable clave fue la selección de Tg.
Punto de fusión del HDPE: 133 °C. Tg del COC: 132 °C, prácticamente la misma temperatura. Ese es el secreto, explicó Wang.
Cuando la Tg de la fase de COC se acerca al punto de fusión del HDPE, este se mantiene mecánicamente estable a medida que el HDPE se acerca a su punto de ablandamiento. Esto ayuda a que la mezcla conserve su módulo durante el estiramiento axial.
Colgate seleccionó un COC con Tg alta por este motivo. Los grados con Tg más baja se ablandaron antes en el ciclo de recalentamiento. En las pruebas, las mezclas con Tg baja produjeron botellas translúcidas y no superaron las pruebas de caída con niveles de aligeramiento más altos.
Colgate redujo deliberadamente la concentración de COC de los niveles del 15-20 % inicialmente explorados a mezclas del 12 % y el 8 % para controlar los costos. Wang enfatizó que la concentración es tan importante comercialmente como técnicamente. Lograr un aligeramiento del 30 % con un 8 % de COC mejora significativamente la rentabilidad de la mezcla y hace más realista su implementación a gran escala.
Se utilizó HDPE monomodal estándar de grado EBM en lugar de grados bimodales especiales. Esta decisión fue intencionada: evitó la introducción de una nueva plataforma de resina en la cadena de suministro de Colgate y demostró que el enfoque ISBM podía implementarse sin cambiar fundamentalmente las prácticas de adquisición o calificación de resina. Los materiales se combinaron con un compuesto de doble tornillo para garantizar una dispersión uniforme.
Las pruebas de recalentamiento identificaron una ventana de procesamiento de entre 131 °C y 137 °C aproximadamente, lo que produjo una formación estable de la botella.
Los resultados
• Reducción de peso del 30 % lograda con ISBM
• Mezclas de COC de alta Tg del 8 % y el 12 % superaron la prueba de caída
• El mismo sistema de resina en EBM logró una reducción del 15 % y no superó la prueba de caída a niveles más altos
Otro resultado adicional fue la opacidad.
“La botella fabricada con este proceso es opaca. No añadimos ningún pigmento”, afirmó Wang.
El análisis morfológico mostró que, durante el estiramiento con ISBM, la fase de COC de alta Tg se alargó formando estructuras fibrosas dentro de la matriz de HDPE. Esta morfología no era una propiedad inherente de la mezcla; se creó mediante el estiramiento biaxial del ISBM. Bajo flujo elongacional, los dominios COC de alta Tg se alargaron y alinearon dentro de la matriz. En muestras de EBM, donde el estiramiento es limitado y menos controlado, esta estructura fibrosa no se formó.
La microestructura orientada contribuye al refuerzo mecánico y a la dispersión de la luz, produciendo opacidad sin pigmento añadido.
Esto es importante porque la opacidad sin pigmento conlleva implicaciones de reciclaje para las marcas. La Asociación de Recicladores de Plásticos (APR) desaconseja ciertos pigmentos, especialmente en PET, donde las botellas coloreadas interrumpen los flujos de reciclaje transparentes de alto valor. Los flujos de HDPE son más tolerantes al color, y lograr la opacidad estructuralmente, en lugar de mediante aditivos, mejora aún más la alineación de la reciclabilidad. En ese contexto, la opacidad basada en la morfología se vuelve más que estética: se vuelve estratégica.
El trabajo demuestra que con una selección adecuada de Tg y un control de concentración adecuado, el COC puede permitir que el HDPE tenga un rendimiento en el ISBM a niveles comercialmente relevantes, logrando un 30% de aligeramiento mientras mantiene el rendimiento de caída y la compatibilidad de reciclabilidad.
