PELÍCULA DE POLIETILENTEREFTALATO DE ALTA RESISTENCIA A LA TENSIÓN Y PROCESO PARA SU PRODUCCIÓN DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
Película de Polietilentereftalato de alta resistencia a la tensión y proceso ' CAMPO DE LA INVENCIÓN _-* El presente invento se relaciona con una película de '& polietilentereftalato (PET) con orientación monoaxial, con extraordinaria resistencia mecánica en el sentido de la máquina (MD) . Se describe un nuevo proceso para producir película a partir de la cual es posible fabricar cintas para diversas aplicaciones. Esta cinta es más delgada pero más resistente que la cinta convencional. ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Por lo general se requiere elevada resistencia a la tensión en algunas películas de poliéster, en el sentido longitudinal, es decir, en la dirección en la que se enrolla la película que se produce, debido a demandas de aplicación. Sin embargo, también se requiere resistencia contra el impacto y otras resistencias al desgarre. En consecuencia, en muchas aplicaciones, las películas o cintas de poliéster que tienen una elevada resistencia a la tensión en sentido longitudinal con elevada resistencia al desgarre en sentido
transverso, suficiente resistencia al esfuerzo de plegado y al desgarre y los impactos en todos los sentidos, es decir, que no presentan tendencia hacia la fibrilación, tienen demanda en el mercado. Por otro lado, también se requiere 5 buena estabilidad dimensional o bajo encogimiento térmico, además de las características arriba mencionadas. Las películas que cumplen con los requisitos arriba mencionados suelen ser películas con estiramiento biaxial de polietilentereftalato. Sin embargo, para estirar una
película de manera biaxial, se requiere un aparato de estiramiento transversal (TD) llamado "tendedor" ("tenter") . Este aparato tiene el inconveniente, no sólo de su elevado costo, sino que también requiere baja velocidad de producción. Además, es probable que ocurran otros problemas
como ruptura en el momento del estiramiento. En la patente estadounidense No. 2,556,295 y en la patente estadounidense No. 3,627,579, se describen procesos para producir películas que tienen las propiedades anteriormente mencionadas mediante estiramiento monoaxial
del polietilentereftalato. Según estos procesos, las cintas o películas que tienen menor tendencia a la fibrilación se obtienen llevando a cabo estiramiento monoaxial en dos pasos como se requiere en la primera patente, mientas que en la
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segunda patente se requiere el uso de un polímero cor- elevado grado de polimerización. No obstante, estos procesos también tienen inconvenientes. El primero coloca mayor peso sobre las fibras, como puede verse en los ejemplos incluidos, pero la resistencia en el sentido transversal, necesaria para las películas, es insuficiente y el encogimiento por calor también es malo. El segundo proceso no puede cumplir completamente con ambas propiedades de elevada resistencia y antifibrilación, porque se ha demostrado que ambas propiedades se dan en sentido opuesto. Además, la resistencia es insuficiente en el sentido perpendicular a la dirección del estiramiento. En contraste, la patente británica No. 1,136,133 y la publicación de patente japonesa No. 29398/1971, describen intentos de mejorar los inconvenientes de las películas convencionales de polietilentereftalato con estiramiento monoaxial, usando el polietileno-I, 2-difenoxietano-4, ' -dicarboxilato en vez de polietilentereftalato como polímero de materia prima, y estirando en forma monoaxial la capa del polímero. De estas dos patentes, la primera impide la fibrilación, al llevar a cabo un tratamiento con calor para aumentar el grado de cristalización antes del estiramiento MFD y la última impide la fibrilación, al dividir el estiramiento MD en dos pasos e insertando un paso de tratamiento con calor entre estos dos pasos. Sin embargo, los procesos de estas dos patentes tienen inconvenientes, ya que cuando se abate el grado de cristalización preliminar y la temperatura del tratamiento calorífico intermediario, no se puede lograr suficiente reducción del efecto de fibrilación. Si estos parámetros se elevan, el estiramiento uniforme empeora. Esto da lugar a un estiramiento no uniforme y reduce la resistencia en el sentido transversal (TD) , lo cual ocurre debido al tratamiento preliminar de cristalización. En la patente estadounidense No. 4,286,011 de Wong, se describe el uso de una película de poliéster que incluye una mezcla de PET y suficiente tereftalato de politretametileno para incrementar la resistencia al desgarre de la película. La película puede ser no orientada, orientada monoaxialmente y orientada biaxialmente, sólo en el sentido TD. Se emplea un marco de tender. En la patente estadounidense No. 3,734,994 de D.L. Blecha, se describe un proceso de estiramiento en dos etapas para producir película de polietilentereftalato, pero no hay paso de fijación al calor ni restricción de bordes.
SUMARIO DE LA INVENCIÓN El presente invento constituye un proceso para producir una película de polietilentereftalato con orientación monoaxial, la cual tiene mayor resistencia mecánica en el sentido de la máquina, que comprende los pasos de secar sustancialmente la resina de polietilentereftalato homopolimérica o copolimérica, con una viscosidad intrínseca en el rango de aproximadamente 0.65 hasta cerca de 0.85dg/cc y después mezclar la resina seca con aproximadamente 0.5 hasta cerca de 4.0%, de preferencia desde aproximadamente 1 hasta cerca de 3.0% en peso de aditivo anti-bloque. extruir la mezcla de resina para fusionar nuevamente la resina y hacerla homogénea; vaciar un tejido de película con la mezcla de resina; orientar la película inmediatamente después del vaciado para producir una película de grosor uniforme, estirando la película a una proporción de aproximadamente 3.5 hasta aproximadamente cerca de 4.5 veces, de preferencia de aproximadamente 4.0 veces, restringiendo el tejido a lo largo de los bordes para evitar el encogimiento en el sentido TD;
permitir que el tejido de la película se relaje a una tensión inferior, enfriar el tejido de la película, relajar aun más el tejido de la película y después efectuar enfriamiento rápido hasta temperatura ambiente; someter el tejido de la película a un segundo paso de orientación en condiciones similares al primero paso, excepto que la película se estira a una proporción de estiramiento de aproximadamente 1.025 hasta cerca de 1.150, a una temperatura de estiramiento que es ligeramente más alto que la empleada en el primer estiramiento, es decir, aproximadamente 90 hasta cerca de 120°C, de preferencia aproximadamente a 100°C, y de preferencia a una relación de estiramiento de aproximadamente 1.05 veces, restringiendo simultáneamente el tejido a lo largo de sus bordes para evitar encogimiento en el sentido TD; permitir que película se relaje y recocer la película a una temperatura de aproximadamente 100 hasta cerca de 180°C, de preferencia aproximadamente 150°C y después relajarla aún más y enfriarla a una temperatura cercana a la temperatura ambiente; y cortar y enrollar el tejido de la película en rollos. El proceso del presente invento produce un producto con propiedades superiores. En particular, la película no se fibrila, por lo que es muy útil para producir cinta para diversos objetivos comerciales, por ejemplo cinta de desprendimiento para empaques. Algunos ejemplos de aplicaciones de cintas para empaques pueden encontrarse en las patentes estadounidenses Nos. 5,806,281 de Krul et al.; 5,730,354 de O'Connor; 5,464,151 de Parker et al.; 4,844,962 de May et al., y 5,203,935 de May et al. Las revelaciones de estas patentes se incorporan en la presente memoria como referencia.
DESCRIPCIÓN DETALLADA DEL INVENTO Primero, la película se vacía a temperatura ambiente, tan baja como sea factible, dependiendo de las condiciones ambientales en las cuales se realiza el proceso. Se ha encontrado que el proceso requiere orientar la película inmediatamente después de vaciarla a una "Relación de Estiramiento" tan alta como resulte práctico, generalmente en el rango de aproximadamente 3.5 hasta aproximadamente 4.5 veces y de preferencia 4.0 veces, y a una temperatura tan baja como sea posible, pero usualmente en el rango desde aproximadamente 70 hasta cerca de 85°C, de preferencia a cerca de 70°C, sin aplicar fuerza indebida para estirar el tejido de la película. El tejido de la película se mantiene a un ancho casi constante mediante dispositivos de restricción conocidos en el medio, algunos ejemplos de los cuales se describen en la Patente estadounidense No. 4,477,407 publicada el 16 de octubre de 1984 por Hetherington et al., las revelaciones de la cual se incorporan en la presente memoria como referencia. Esta patente describe un aparato y un proceso que emplea un estiramiento con brecha angosta para orientar una película de polímero. Otro ejemplo de medio de restricción conocido en el medio se describe en la patente estadounidense de Levy No. 4,428,724, las revelaciones de la cual se incorporan en la presente memoria como referencia, y dicha patente describe un rollo de procesamiento con micromuescas, que reduce la capa de aire entre la película polimérica que se procesa y el rollo. Este arreglo ayuda a la transferencia de calor, suministra restricción al encogimiento transversal y aumenta la velocidad del proceso. Después de este paso de orientación MD, la película se corta y se enrolla para su proceso posterior. En este punto del proceso, la película tiene una resistencia intermedia proporcional a la proporción de estiramiento empleado. A continuación, la película se somete a un segundo proceso de orientación con proporción de estiramiento MD más pequeña, reteniendo de nuevo al tejido de película con un ancho constante. Esta segunda orientación se lleva a cabo a una temperatura dentro de un rango que permita mantener una fuerza de estiramiento razonablemente baja. Después, la película se relaja, se fija con calor, se relaja posteriormente y se enfria. A continuación, la película se corta y se enrolla de manera convencional. La resina de polietilentereftalato sustancialmente homopolimérica o copolimérica puede elegirse entre las resinas disponibles en el mercado. El homopolímero sustancial o esencialmente puro no debe contener más de un 3% en peso de impurezas convencionales conocidas, aditivos o agentes copolimerizantes . La presencia de este tipo de material se hace evidente en una gota en el punto de fusión cristalino de la resina, el cual, cuando dichas impurezas están presentes, puede ser desde aproximadamente 240°C hasta cerca de 245°C, y quizá hasta 249°C. El punto de fusión cristalino para el homopolimero puro puede ser desde aproximadamente 249°C hasta cerca de 255°C. Cuando se emplea una resina copolimérica, su elección se basa en que pueda procesarse para producir una película que tenga las propiedades deseadas. Algunos ejemplos comerciales de este tipo de materiales son KODAK® 9921 y KODAK® 9922 W.
Sorprendentemente, la resistencia de la película resultante se hace más alta de manera repentina y dramática, tras la segunda orientación en comparación con la primera orientación. La resistencia de la película es aproximadamente 1,406.14 Kg/cm2 (20 000 psi) mayor en sentido MD, que antes del segundo paso de orientación (del orden de 40% o 1.4 veces más alta). Las propiedades de película que se obtienen son inesperadas, porque la proporción de estiramiento MD del segundo paso es muy pequeña y generalmente no se espera que produzca un incremento tan grande de resistencia a la tensión. El otro resultado poco común es que la resistencia al desgarre en sentido MD permanece suficientemente alta para que la película tenga aplicaciones generales como película y no se encoja o fibrile en aplicaciones o usos posteriores al proceso. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS En los dibujos que se incluyen y que se emplean para ilustrar el proceso del presente invento. La figura 1 es una presentación esquemática de un aparato para el vaciado y la primera etapa de estiramiento del presente invento;
La figura 2 es una representación esquemática de un aparato para el segundo paso de orientación del proceso del presente invento; y La figura 3 es una representación gráfica de una gráfica de la resistencia a la tensión de las películas producidas por el presente proceso en comparación con las películas producidas en un solo paso de orientación. DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LOS DIBUJOS Haciendo referencia ahora a la Figura 1, en ella se muestra el montaje de un aparato para producir la película en la orientación de la primera etapa. El aparato se muestra de manera general en 10 e incluye un secador de tolva y una alimentación 11 para una mezcla de resina /aditivo, preparada de acuerdo con el proceso del presente invento. La mezcla de resina y aditivo se agrega a la bomba extrusora y de fusión 12, la cual vuelve a fundir la resina y la mezcla junto con los aditivos. El filtro 13, ubicado entre el extrusor 12 y una matriz plana 14, retira los contaminantes y desechos de la mezcla de resina y aditivos. La matriz plana para película 14 esparce el polímero de manera uniforme y delgada y asegura que se produzca una capa de grosor uniforme de película de polímero fundido para el rodillo de vaciado 15, que congela la película 100. El primer y el segundo rodillo de enfriamiento rápido 16, 17 siguen al rodillo de vaciado 15, y estos enfrian la película 100 a medida que sale del rodillo de vaciado 15. Un Calibrador Beta 18 mide el espesor y uniformidad de la película 100. Los rodillos de corte 19 y el dispositivo de corte por tracción 20, que es un dispositivo de succión neumática, corta el borde de la película 100 después de que se ha medido su grosor y uniformidad. A continuación, la película 100 se alimenta al primer y segundo rodillos de precalentamiento 21, 22 y después a los rodillos de estiramiento 23, 25, que comprenden los rodillos de estiramiento de baja velocidad y de alta velocidad, respectivamente. Los rodillos de corte 24 y 26, corresponden al rodillo de corte de baja velocidad 24 y al rodillo de corte de alta velocidad 26 y están ubicados adyacentes cada uno a los rodillos de estiramiento de baja velocidad y alta velocidad, respectivamente. El espacio entre el rodillo de estiramiento de baja velocidad 23 y el rodillo de estiramiento de alta velocidad 25 es la brecha de estiramiento angosto 24a. Esta brecha está determinada para asegurar que el estiramiento u orientación se lleve a cabo de acuerdo con los requerimientos del proceso del invento. Después de esta primera orientación o estiramiento, la película 100 se alimenta por encima del primer y el segundo rodillos de enfriamiento rápido 27, 28, los cuales enfrían la película 100 antes de someterla opcionalmente a un proceso de tratamiento de impresión 29, usualmente descarga en corona. La película 100 después de ser sometida al tratamiento de impresión 29 se alimenta a una ranuradora 30, que ranura la película 100. Un par de rodillos de tracción 31 retiran la película 100 de la ranuradora y el dispositivo de corte por tracción 32 empareja' los bordes según se requiera. Después la película 100 se enrolla en la bobinadora 33, formando un rollo 34. Ahora, haciendo referencia a la Figura 2, en ésta se muestra una representación esquemática de un aparato para realizar el segundo paso de orientación del proceso del presente invento. El aparato se designa generalmente por el número 50. El aparato incluye un pabellón de desenrollado 51, sobre el cual se coloca el rollo de película que previamente ha sido sometida al proceso de orientación simple, y después se desenrolla. La película 100 es conducida del pabellón de desenrollado 51 al primero y segundo rodillos de precalentamiento 52, 53. Después la película 100 se alimenta al rodillo de estiramiento de baja velocidad 54, que tiene asociado el rodillo de corte 55. La película 100 corre del rodillo de estiramiento de baja velocidad 54 hacia el rodillo de estiramiento de alta velocidad 56 y su rodillo de corte asociado 57. Hay una brecha angosta 55a entre los dos rodillos y las superficies de cada uno de estos rodillos tienen micro muescas para dar apoyo al borde de la película 100. Las velocidades de los rodillos se determinan según la proporción de estiramiento deseada como se explicó en la anterior descripción proceso del presente invento. Se incluye una zona de relajación 58 entre los rodillos de estiramiento 56 y el rodillo de recocido 59. Se incluye otra zona de relajación 60 antes del rodillo de enfriamiento rápido 61. Tras el enfriamiento rápido, la película 100 se alimenta al tratador de impresión 62, para tratamiento de corona. De nuevo, este tratamiento es opcional y no es necesario cuando se va suministrar posteriormente o cuando no se desea efectuarlo. Después de que la película 100 pasa a través del tratador de impresión 62, es conducida a una ranuradora 63 y después a través de un par de rodillos de tracción 64 a un dispositivo de corte por tracción 65 que es, por supuesto, un dispositivo de succión neumática para retirar las rebabas de los lados de la película 100. Después de esto, la película 100 se alimenta a la bobinadora 66 para producir un rollo de película 67. Funcionamiento del proceso Resina PET La resina que se emplea en este proceso era ordinariamente el homopolimero de polietilentereftalato (PET) grado comercial, con una viscosidad intrínseca en el rango de 0.65 a 0.85 dg/cc. La resina se secó primeramente en un desecador de secante calentado de tipo convencional, según los procedimientos conocidos hasta un nivel de humedad sugerido por el fabricante de la resina. La resina se mezcló con un bajo porcentaje de aditivo antibloqueo; algunos ejemplos del mismo son fosfato tricálcico, carbonato de calcio o sílice. En este paso también se pueden agregar agentes colorantes o pigmentos que se sabe son compatibles con el poliéster; por ejemplo, rojo Sicoversal® (disponible BASF) o también blanco o negro. Etapa de extrusión El polímero fue extruido en un extrusor comercial de tornillo gemelo (Wener & Pfleiderer) para fundir la resina y lograr que la fusión fuese homogénea. Se tuvo cuidado de asegurar que la temperatura de fusión permaneciera por debajo de las temperaturas normales recomendadas por el fabricante para el PET. La fusión del polímero se bombeó a través de un medio de filtración con malla tan fina (p. ej . , malla de filtración de 70 µ) como fue práctico para permitir su procesamiento posterior. Después, el polímero fue extruido a través de una matriz de vaciado de película estilo "colgado de abrigos". El polimero se vació sobre un rodillo de enfriamiento rápido frío convencional (p. ej . , con canales en espiral enfriados por agua) a temperaturas desde 15 hasta cerca de 25°C. La película se perfiló con calibrador o se midió desde un borde hasta el otro con micrométro de escaneo, empleando un calibrador Beta (producto comercial) y la matriz se ajustó para obtener un perfil uniforme de tejido transversal. Esto asegura que la película producida tenga grosor uniforme a través de toda la hoja. Etapa de primera orientación Empleando un orientador estándar alineado con la máquina de vaciado, la película se procesa a través del orientador a los pocos minutos de su vaciado. Los pasos de orientación pueden incluir: a) Precalentar con suavidad el tejido a una temperatura en el rango de 75 a cerca de 90°C, de preferencia 85°C, temperatura que se elige para que sea suficientemente baja para evitar la cristalinidad e impedir que la película se pegue a la superficie del rodillo y sin embargo sea suficientemente alta para mantener la fuerza de estiramiento a un valor razonablemente bajo, de modo que la orientación de la película produzca una película de grosor uniforme, de preferencia en el rango de 12-25µ, pero este grosor no depende de la aplicación de la película. b) La película se estira a una proporción hasta de 4.5 veces su longitud original, y al mismo tiempo se tiene mucho cuidado de restringir el tejido para impedir que se encoja en el sentido TD. La proporción máxima de estiramiento para el proceso presente se ha determinado que es menor que la que se reporta en la literatura general, porque en la práctica no es común impedir que la película se encoja en el sentido TD al reportar la proporción máxima de estiramiento. Se ha determinado experimentalmente que la proporción máxima de estiramiento para la película con restricción de los bordes para impedir su encogimiento siempre es inferior que el máximo reportado. La proporción de estiramiento máximo reportado (DR) a menudo se determina de entallado de fibras.
c) La película se relaja a una tensión más baja y se enfría, se relaja posteriormente y después se somete a enfriamiento rápido a temperatura ambiente. El borde de la película se empareja y la película se enrolla de manera convencional. Propiedades de la Película después de la Primera Etapa de Orientación Las propiedades de tensión de la película son aproximadamente 2,741.97 Kg/cm2 (39 000 psi) en sentido MD y 843.68 Kg/cm2 (12 000 psi) en sentido TD. La resistencia MD es aproximadamente linealmente proporcional a la proporción de estiramiento. Por ejemplo, una película con proporción de estiramiento de 2.25 tendría una resistencia a la tensión de aproximadamente 1,687.37 Kg/cm2 (24 000 psi) . Segunda Etapa de Orientación Las condiciones de proceso para la segunda orientación son similares a las de la primera etapa. a) La película se precalienta a una temperatura suficientemente baja para prevenir que se pegue al rodillo, pero suficientemente alta para permitir su estiramiento a fuerzas de estiramiento razonablemente bajos, usualmente en el rango de cerca de 90 hasta 120°C, y de preferencia a 100°C. La elección también se realiza con el objeto de evitar la cristalización del polímero. b) La película se estira de nuevo a una proporción de estiramiento pequeña de por ejemplo aproximadamente 1.05, restringiendo simultáneamente los bordes. c) Después se permite que se relaje la tensión de la película reduciendo la fuerza de estiramiento para que la proporción de estiramiento de este paso sea ligeramente inferior a 1.00. d) La película se fija al calor a alta temperatura, aproximadamente a 150°C o más alta para control el encogimiento y cristalizar la estructura de polímero. e) Se permite que la película se relaje aun más a una proporción de estiramiento ligeramente inferior a 1.0 en este paso y después se somete a enfriamiento rápido hasta temperatura ambiente. f) La película se empareja y se enrolla en rodillos de manera convencional. Propiedades Finales de la Película Las propiedades de tensión de la película final fueron aproximadamente : 4,851.18 Kg/cm2 (69 000 psi) en sentido MD; % de estiramiento hasta la ruptura, 25%;
703.07 Kg/cm2 (10 000 psi) en sentido TD; % de estiramiento hasta la ruptura, 25%. Estas propiedades son aproximadamente un 40% más altas que las mismas propiedades antes de efectuar el segundo proceso de orientación. Se anticipó un incremento modesto del 5% o del 10%, por lo cual los incrementos observados resultaron sumamente sorprendentes. Después de estos pasos de proceso se produjeron diversas películas. En la siguiente Tabla I, se incluyen las propiedades de dichas películas. Los resultados se representan gráficamente en la Figura 3. Se realizaron diferentes corridas para producir películas que sólo estaban orientadas una sola vez a una proporción de estiramiento prescrita para el paso de orientación del proceso. Se determinaron las resistencias de la tensión para todas estas películas en primer lugar. Diversas películas producidas durante el proceso de orientación de dos pasos del presente invento y sus resistencias a la tensión fueron medidas empleando un probador de tensión Instron y siguiendo el método D-882* de la ASTM con espacio de mandíbula de 50mm y velocidad de traviesa móvil de 25mm/min con una muestra ASTM D6308. La gráfica demuestra con claridad que la resistencia TD permanece igual para ambos tipos de películas (procesos de etapa única y doble), pero la MD muestra un incremento notable de resistencia a la tensión para la proporción total de estiramiento.
Tabla 1
Datos de estabilidad dimensional y elongación Película de poliéster Homopolímero
Aplicaciones para la Película La película obtenida por el proceso del invento posee propiedades únicas de resistencia física que son valiosas para sus aplicaciones finales cuando se desea resistencia física en el sentido MD. Algunos ejemplos de dichas aplicaciones incluyen: las aplicaciones de cinta de desprendimiento para el cierre de películas de menor resistencia que se emplean como cubiertas; por ejemplo, empaques para discos compactos; la cinta para cartón que se emplea para mantener cerrados los cartones de embarque que contienen cargas pesadas; la cinta industrial para mantener juntas cargas pesadas (p. ej . , barras de acero) para facilidad de transporte; las aplicaciones de empaque industrial en donde la resistencia y la resistencia a la temperatura son valiosas; y las abrazaderas para envases, por ejemplo, guías de seguridad y cajas de cartón abre fácil. La descripción anterior contiene información sobre cómo producir los productos anteriormente mencionados. Se hace referencia a algunas patentes de este tipo de cinta en la sección de Antecedentes del Invento de la presente descripción. Aunque el invento se ha descrito haciendo referencia en particular a ciertas realizaciones del mismo, se comprenderá la posibilidad de que las personas con destreza en el campo realicen cambios y modificaciones dentro del alcance y el espíritu de las siguientes reivindicaciones.
En las reivindicaciones, la palabra "que incluye" significa "que incluye los siguientes elementos (en el cuerpo), pero no excluye a otros"; la frase "que consta de" significa "excluyendo cantidades mayores de trazas de otros ingredientes distintos a los mencionados", y la frase "que consiste esencialmente de", significa "excluyendo a los ingredientes no especificados que afectan materialmente las características básicas de la composición". Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.