Una guía para las pruebas mecánicas de materiales de embalaje de papel y plástico

En el año transcurrido desde que la pandemia de COVID-19 comenzó a cambiar nuestras vidas, un cambio entre muchos fue el enorme aumento en el consumo global de productos de papel y plástico. El comercio electrónico experimentó una rápida expansión en 2020 cuando los restaurantes cambiaron a un modelo de comida para llevar y los consumidores optaron por comprar en línea desde la seguridad de sus hogares en lugar de visitar una tienda llena de gente. Para aquellos que se aventuraron a salir, muchas tiendas redujeron el uso de bolsas reutilizables para evitar la contaminación cruzada. El resultado de estas tendencias es una mayor demanda de envases de papel y plástico de un solo uso. Si bien el apetito por estos productos no es nuevo, se ha acelerado bajo las tensiones de una pandemia. Para mantenerse al día, los fabricantes de materiales de empaque de plástico y papel invierten constantemente en máquinas de prueba universales para realizar evaluaciones mecánicas de sus materiales y garantizar que resistan las demandas del uso en el mundo real.

Cuando pensamos en todas las formas en que se usa y se abusa del papel y el plástico (caminar a casa con una bolsa de papel pesada llena de comestibles, un tenedor de plástico pinchando una bolsa de comida para llevar, un paquete de plástico que contiene ropa que se arroja a un camión de correo para su entrega) Está claro por qué estos materiales necesitan someterse a una evaluación física completa. También existe siempre el riesgo de que las hojas de papel y plástico fallen durante el proceso de envasado antes incluso de llegar al consumidor. El conocimiento de las propiedades y el rendimiento funcional de un material es esencial para garantizar que el producto que protege pase con éxito del fabricante al consumidor sin sufrir daños.

Los procedimientos de prueba en la industria del embalaje suelen ser establecidos por varias organizaciones internacionales. La Asociación Técnica de la Industria de la Celulosa y el Papel (TAPPI) es el principal grupo que crea y actualiza los estándares para la industria del papel. La Sociedad Estadounidense de Prueba y Medición (ASTM) y la Organización Internacional de Estándares (ISO) son las organizaciones confiables para establecer las mejores prácticas de la industria para probar películas y láminas plásticas comúnmente utilizadas en empaques.

Las siguientes secciones analizan algunas de las pruebas de papel y plástico más comunes realizadas según las normas TAPPI, ISO y ASTM. Estos estándares abarcan una descripción general de alto nivel, pero existen muchos métodos más estandarizados y desarrollados por el fabricante para evaluar aplicaciones específicas.

En la imagen se muestra un ejemplo de una prueba de perforación de una bolsa de plástico realizada en un sistema de prueba de doble columna de Instron. Fuente: Instron

Los envases suelen estar sujetos a laceraciones o pinchazos durante el transporte, o una vez en manos del consumidor. ASTM F1306 es un estándar ampliamente utilizado para probar la resistencia a la penetración de materiales de barrera delgados y flexibles. La prueba se realiza con una sonda superior montada en la celda de carga de la máquina que luego se mueve lentamente hacia abajo sobre la muestra sujeta hasta que se produce la falla. Este estándar se puede modificar para simular aplicaciones de uso final específicas, o se pueden seguir de cerca las condiciones recomendadas para comparar el rendimiento del material.

A medida que la cruceta de la máquina se mueve hacia arriba, el trineo se desplaza sobre el sustrato. La fuerza de rozamiento, dividida por el peso del trineo, se utiliza para calcular los coeficientes de rozamiento estático y cinético del material. Fuente: Instron

ASTM D1894 e ISO 8295 son los estándares predominantes utilizados para determinar el coeficiente de fricción para películas delgadas o materiales de empaque de plástico. Las pruebas se realizan para establecer los valores de fricción estática y cinética del material cuando se desliza sobre sí mismo o sobre otros materiales. A medida que la cruceta de la máquina actúa en tensión, se arrastra un trineo pesado sobre el material que se está probando para determinar el coeficiente de fricción. Estas pruebas se realizan normalmente con el fin de controlar la calidad en la producción de películas.

Las pruebas de pelado en T, como la norma ASTM D1876, se usan comúnmente para evaluar las uniones adhesivas que mantienen unidos los bordes o sellos de un paquete de plástico o papel. En una prueba de pelado en T, los dos extremos libres de la muestra se sujetan y se tensan. Esta prueba ayuda a los fabricantes a garantizar que estos sellos no revientan durante el tránsito, lo que probablemente arruine el producto que contienen.

Al realizar una prueba de pelado en T, los cálculos principales de interés son la fuerza máxima y la resistencia al pelado promedio, calculadas por ancho del sello. Fuente: Instron

Una prueba de tracción, o prueba de tensión, es el tipo más básico y fundamental de prueba mecánica. A medida que la cruceta de la máquina de prueba se mueve hacia arriba, se aplica una carga de tracción al material y el sistema mide la respuesta del material. A partir de estos datos, se puede determinar la resistencia y el alargamiento del material.

Los estándares populares utilizados para las pruebas de tracción son ASTM D882 e ISO 527-3 para láminas y películas de plástico, o TAPPI T494 para papel y cartón. Además, TAPPI T456 también se usa comúnmente para estandarizar el acondicionamiento de muestras para pruebas de resistencia a la tracción en húmedo de papel y cartón. Luego, los resultados se comparan con los de las pruebas en seco para determinar el porcentaje de reducción de la resistencia. Tanto para el papel como para el plástico, se puede usar una prueba de tracción simple como medida de control de calidad para garantizar que los materiales cumplan con los criterios internos o con fines de comparación.

La geometría de muestra más común utilizada para probar películas delgadas o láminas de plástico o papel es una tira rectangular de ancho constante en lugar de una forma de mancuerna o de hueso de perro. Probar tiras rectangulares de material presenta varios desafíos, principalmente que la ausencia de una sección reducida aumenta la concentración de tensión en el punto donde las mordazas sujetan la muestra. Las soluciones de agarre recomendadas para este tipo de pruebas tienen como objetivo reducir estas concentraciones de tensión y permitir que la muestra se rompa en el centro de la longitud de referencia. Para muchas aplicaciones, una rotura de mordaza puede indicar una falla temprana de la muestra y dar lugar a resultados que no representan completamente las propiedades del material. Sin embargo, la norma ASTM D882 establece que si los resultados de las roturas de mordaza son comparables a los de la falla de la muestra en la mitad de la longitud de referencia, los resultados son aceptables. Esta es una buena regla general en todas estas pruebas.

Para la prueba de tiras de papel y plástico, se utilizan ampliamente mordazas neumáticas de acción lateral con caras de mordaza de contacto de línea. Estas caras contienen una sola cara plana y una sola cara con una superficie semicircular. La única línea de contacto produce un área de contacto más pequeña y ayuda a evitar que el material se adelgace y se salga de las empuñaduras durante la prueba. Sin embargo, la línea de contacto única puede crear una alta concentración de tensión, y todos estos estándares reconocen que dependiendo del material, puede que no sea la solución óptima, en cuyo caso se deben usar caras lisas. Las mordazas neumáticas de acción lateral son las mejores aquí, ya que brindan una presión de sujeción constante durante toda la prueba, ya que las películas delgadas o los plásticos tienden a adelgazarse a medida que se alargan.

Las caras de mordaza de contacto de línea, que se muestran aquí sujetando una muestra textil, se utilizan ampliamente para probar tiras de papel o plástico de material de embalaje. Fuente: Instron

Este instrumento utiliza luz polarizada roja, por lo que la lente de la cámara percibe la muestra y la marca como blanca, negra o gris. Cuanto mayor sea el contraste entre las marcas y la muestra, más fácil será para el extensómetro rastrear la deformación. Fuente: Instron

Finalmente, la norma ASTM D882 no requiere un extensómetro; permite utilizar el desplazamiento de la cruceta para medir la deformación. Por otro lado, ISO 527-3 requiere un extensómetro de clase 1 para cumplir completamente con el estándar. Sin embargo, ambos estándares mencionan la necesidad de una solución de extensometría que no estrese la muestra ni haga que la muestra soporte el peso del extensómetro. TAPPI T494 no requiere un extensómetro, pero los fabricantes pueden optar por utilizar uno para obtener los datos de deformación más precisos. Una vez más, se debe evitar el peso de un extensómetro sobre una muestra de papel, por lo que un extensómetro óptico es la mejor solución en todos los ámbitos aquí. Los extensómetros ópticos utilizan una cámara interna para identificar y rastrear las marcas aplicadas a la muestra para calcular la deformación. Por lo general, se integran con el software del sistema para que los resultados sean accesibles y se puedan ver fácilmente. La videoextensometría elimina cualquier peso externo aplicado a la muestra y garantiza que la deformación medida solo represente el cambio de longitud de la muestra.

A medida que la tendencia de los productos de embalaje de papel y plástico de un solo uso continúa expandiéndose, una máquina de prueba universal es una inversión que vale la pena para que los fabricantes evalúen las propiedades de la materia prima y el rendimiento funcional de sus productos. Especialmente a medida que se desarrollan materiales reciclados más sostenibles que pueden reemplazar algunos plásticos y papeles de un solo uso, comprender completamente sus propiedades y cómo se comparan con otros materiales es esencial para garantizar la calidad en el campo. Las pruebas mecánicas de los materiales de empaque son fundamentales para garantizar que cumplan con las demandas del uso real y que los productos que protegen lleguen al usuario final sin daños.

Meredith Bernstein es ingeniera de aplicaciones en Instron. Para obtener más información, envíe un correo electrónico a [email protected] o llame al (781) 575-5000.

Meredith Bernstein es ingeniera asociada de aplicaciones en Instron. Para obtener más información, llame al (781) 575-5000, envíe un correo electrónico a [email protected] o visite www.instron.com.