Desarrollo de métodos analíticos para determinar la aditivación in situ de películas de polietileno basado en espectroscopía IR y calibración multivariada

Abstract

Esta tesis se enfoca en el desarrollo de métodos analíticos no destructivos para determinar la cantidad y tipo de aditivos deslizantes en láminas de polietileno (PE), así como el coeficiente de fricción (COF) que estos definen; con el objetivo de mejorar el control de calidad en la industria de envases flexibles. El trabajo se llevó a cabo en colaboración con la empresa Envases del Pacífico (EDELPA), donde el uso de aditivos como la erucamida es clave para ajustar el COF del PE, propiedad crítica para procesos como el envasado automático. Se empleó la espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR), asociada a diferentes herramientas quimiométricas, para clasificar los tipos de aditivos añadidos al PE (migratorio, de migración lenta o no migratorio), predecir el valor de COF y el contenido de erucamida superficial en este. En primer lugar se identificaron las bandas espectrales más relevantes para estas predicciones. Posteriormente, mediante análisis de componentes principales (PCA) asociado a análisis discriminante lineal (LDA) se logró clasificar láminas de PE según el tipo de aditivo utilizado, con un 81% de muestras correctamente clasificadas, siendo la mayor tasa de aciertos para los aditivos no migratorios (92%) y la menor para los de migración lenta (64%). Por otro lado, los modelos PLS se construyeron utilizando los espectros IR y los valores de COF y erucamida obtenidas mediante un método estándar (mediante el uso de una mesa de fricción) y HPLC, respectivamente. Estos modelos permitieron estimar tanto el COF como el contenido superficial de erucamida con valores de error relativo de predicción de 21 y 20%, respectivamente; errores aceptables para su aplicación industrial. Finalmente, mediante el modelo PLS para la predicción de la erucamida superficial, se estudió la evolución temporal del aditivo en el PE y su relación con el COF, en función de la composición e historial de procesamiento del producto. El estudio indica que el COF depende, además de la concentración del aditivo, de fenómenos dinámicos como la migración, la difusión superficial y la interacción con la matriz polimérica. El presente trabajo demuestra que es posible implementar herramientas rápidas y confiables basadas en espectroscopía IR para monitorear la aditivación del PE en línea o casi en tiempo real, lo que permitiría reducir significativamente los descartes de producción por errores en la formulación. Así, esta propuesta contribuye a mejorar la eficiencia productiva, reducir el impacto ambiental por residuos plásticos y optimizar los procesos industriales en la fabricación de envases flexibles.

This thesis focuses on the development of non-destructive analytical methods to determine the amount and type of slip additives in polyethylene (PE) films, as well as the coefficient of friction (COF), with the aim of improving quality control in the flexible packaging industry. The work was carried out in collaboration with the company Envases del Pacífico (EDELPA), where the use of additives such as erucamide is key to adjusting the COF of PE—a critical property for processes such as automatic packaging. Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy, combined with different chemometric tools, was used to classify the types of additives added to PE (migratory, slow-migrating, or non-migratory), predict the COF value, and determine the surface content of erucamide. First, the most relevant spectral bands for these predictions were identified. Then, through principal component analysis (PCA) associated with linear discriminant analysis (LDA), PE films were classified according to the type of additive used, with 81% of samples correctly classified—non-migratory additives showing the highest success rate (92%) and slow-migrating additives the lowest (64%). Additionally, Partial Least Squares (PLS) models were built using the IR spectra and the COF and erucamide values obtained via a standard method (using a friction table) and HPLC, respectively. These models allowed the estimation of both COF and surface erucamide content with relative prediction errors of 21% and 20%, respectively; acceptable errors for industrial application. Finally, using the PLS model for surface erucamide prediction, the temporal evolution of the additive in PE and its relationship with COF were studied, based on product composition and processing history. The study indicates that COF depends not only on additive concentration but also on dynamic phenomena such as migration, surface diffusion, and interaction with the polymer matrix. This work demonstrates that it is possible to implement fast and reliable tools based on IR spectroscopy to monitor PE additivation online or in near real time, which would significantly reduce production waste due to formulation errors. Thus, this proposal contributes to improving production efficiency, reducing environmental impact from plastic waste, and optimizing industrial processes in flexible packaging manufacturing.