ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA REUTILIZACIÓN DE POLÍMEROS RECICLADOS EN LA FABRICACIÓN DE ELEMENTOS ESTRUCTURALES PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO DANIEL LEONARDO GUERRÓN VILLACÍS [email protected] HAYDÉ NOEMÍ JUIÑA SUQUILLO [email protected] DIRECTOR: DR.CARLOS FABIÁN ÁVILA VEGA [email protected] Quito, Junio 2013 ii DECLARACIÓN Nosotros, Haydé Noemí Juiña Suquillo y Daniel Leonardo Guerrón Villacís, declaramos bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de nuestra autoría; que no ha sido previamente presentada para ningún grado o calificación profesional; y, que hemos consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedemos nuestros derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normatividad institucional vigente. ______________________ ___________________ Haydé Noemí Juiña S. Daniel Leonardo Guerrón V. iii CERTIFICACIÓN Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por Haydé Noemí Juiña Suquillo y Daniel Leonardo Guerrón Villacís, bajo mi supervisión. _________________________ Dr. Carlos Ávila DIRECTOR DEL PROYECTO _________________________ Dr. Víctor Cárdenas CO-DIRECTOR DEL PROYECTO iv AGRADECIMIENTO A la Escuela Politécnica Nacional y la Facultad de Ingeniería Mecánica por habernos acogido en sus aulas y por los conocimientos que se nos ha impartido, siendo estos la herramienta fundamental para llevar a cabo este proyecto. A la empresa Plastimag con su gerente el Ing. Freddy Gualoto por ser un apoyo fundamental en la realización de nuestro proyecto de titulación. A la empresa Plastimax con su gerente el Ing. Francisco Lara por la colaboración y las facilidades prestadas para el uso de equipos. A EMASEO y CEGAM por la contribución prestada para la realización del proyecto. Al CIAP (Centro de Investigaciones Aplicadas a Polímeros) con su director el Dr. Francisco Quiroz por facilitarnos el uso de las instalaciones para la realización de éste proyecto. Al Dr. Carlos Ávila, Dr. Víctor Cárdenas, Ing. William Vanegas por la colaboración en el desarrollo de éste proyecto. A todas las personas que han colaborado para llevar a cabo este proyecto, reiteramos nuestro más sincero agradecimiento. Haydé Juiña Daniel Guerrón v DEDICATORIA A DIOS Por guiarme y por darme la fortaleza para superar cada obstáculo que se ha presentado en el camino. A MIS PADRES FABIÁN Y MARÍA Por su amor y apoyo incondicional, son quienes mediante el ejemplo han forjado en mí una persona con buenos valores. A MI HERMANA RAISA Por su ayuda en momentos difíciles y por alegrar mis días con sus ocurrencias. Éste triunfo es de ustedes. A DANIEL Gracias por su amistad y por su apoyo para culminar con éxito éste sueño tan anhelado. A MIS AMIGOS Por su amistad sincera y por compartir buenos momentos junto a mí. Haydé Juiña vi A: Dios, por haberme dado la fortaleza y para llevar a cabo este proyecto, por brindarme sus bendiciones, sabiduría y estar conmigo a cada paso que doy. Mi padre Leonardo; por su entereza, perseverancia y valiosos concejos, por ser un padre ejemplar y merecedor de todo mi respeto y admiración. Mi madre Ruth, por su amor y apoyo incondicional, por motivarme en todo momento y ser ese pilar fundamental que me permitió alcanzar este logro tan anhelado. “Todo lo que soy te lo debo a ti mamá”. Mis hermanos Gabriel y Nadia, por su valiosa compañía, apoyo y por permanecer siempre unidos; somos un equipo y juntos alcanzaremos nuestras metas. Mi amiga Haydé, por su compañía y valioso aporte culminación de este proyecto. Todos mis amigos y familiares, gracias por su apoyo. Daniel Guerrón V. vii CONTENIDO CAPÍTULO 1 ............................................................................................................... 1 1.1. INTRODUCCIÓN. ......................................................................................... 1 1.1.1. OBJETIVO GENERAL. ............................................................................ 3 1.1.1.1. Objetivos Específicos. ....................................................................... 3 1.1.2. ALCANCES. ............................................................................................ 4 1.1.3. JUSTIFICACIÓN...................................................................................... 4 1.1.4. METODOLOGÍA. ..................................................................................... 5 CAPÍTULO 2 ............................................................................................................... 7 2.1. MARCO TEÓRICO. ...................................................................................... 7 2.1.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES. ....................................................... 8 2.1.2. PROPIEDADES FÍSICAS GENERALES DE LOS POLÍMEROS. ............ 8 2.2. CLASIFICACIÓN........................................................................................... 9 2.2.1. POR EL TIPO DE MONÓMEROS QUE LOS FORMAN. ....................... 11 2.2.1.1. Homopolímeros. .............................................................................. 11 2.2.1.2. Copolímeros. ................................................................................... 11 2.2.2. POR LA ESTRUCTURA DE SU CADENA. ........................................... 12 2.2.3. POR EL NÚMERO DE MOLÉCULAS DE MONÓMERO QUE LOS CONSTITUYEN. ................................................................................................. 13 2.2.4. POR SUS PROPIEDADES FISICO-MECANICAS. ............................... 13 2.2.4.1. Termoplásticos. ............................................................................... 13 2.2.5. POR SU PROCEDENCIA. ..................................................................... 13 2.2.5.1. Polímeros Sintéticos. ...................................................................... 13 2.2.6. POR SU MECANISMO DE POLIMERIZACIÓN. ................................... 14 2.2.6.1. Polímeros por adición. .................................................................... 14 2.2.7. POR SU COMPOSICIÓN QUÍMICA. ..................................................... 14 viii 2.2.7.1. Polímeros Orgánicos. ...................................................................... 14 2.2.7.1.1. Polímeros orgánicos vinílicos. .................................................. 14 2.2.7.1.2. Polímeros orgánicos no vinílicos............................................... 15 2.2.7.2. Polímeros Inorgánicos. ................................................................... 15 2.3. APLICACIONES DE LOS POLÍMEROS. .................................................... 15 2.4. DEGRADACIÓN DE LOS POLÍMEROS. .................................................... 17 2.4.1. AGENTES AMBIENTALES. .................................................................. 17 2.4.1.1. Agentes Químicos. .......................................................................... 17 2.4.1.2. Agentes Energéticos. ...................................................................... 17 2.4.2. TIPOS DE DEGRADACIÓN. ................................................................. 17 2.4.2.1. Degradación Térmica. ..................................................................... 18 2.4.2.2. Degradación por radiación. ............................................................. 19 2.4.2.3. Biodegradación. .............................................................................. 19 2.4.2.4. Degradación mecánica. .................................................................. 19 2.5. SELECCIÓN DE POLÍMEROS. .................................................................. 20 2.5.1. DE ACUERDO A LA SOCIEDAD DE INDUSTRIAS DEL PLÁSTICO. .. 20 2.5.1.1. Polietileno (PE). .............................................................................. 21 2.5.2. DE ACUERDO A LA MARCA COMERCIAL DEL PRODUCTO............. 24 CAPÍTULO 3 ..............................................................................................................26 3.1. PROCESOS DE RECICLAJE DE POLÍMEROS. ........................................ 26 3.2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO. ............................................................... 27 3.2.1. RECOLECCIÓN. ................................................................................... 27 3.2.2. CLASIFICACIÓN DE DESECHOS. ....................................................... 28 3.2.3. LIMPIEZA. ............................................................................................. 34 3.2.4. MOLIENDA. ........................................................................................... 34 3.2.5. AGLUTINADO. ...................................................................................... 35 3.2.6. SEPARACIÓN. ...................................................................................... 36 ix 3.2.7. LAVADO. ............................................................................................... 36 3.2.8. DESHIDRATADO Y SECADO. .............................................................. 37 3.2.9. PELETIZADO DE POLÍMEROS. ........................................................... 37 3.3. PROCESO DE MEZCLADO. ...................................................................... 38 3.3.1. PORCENTAJES DE MEZCLAS DEL PEAD CON PEBD. ..................... 39 3.3.2. PROCESO DE MEZCLADO DEL PEAD CON PEBD............................ 40 3.3.2.1. Datos obtenidos en el reómetro (Reogramas). ............................... 45 3.3.3. CARACTERIZACIÓN FÍSICA DE LAS MEZCLAS. ............................... 48 3.3.3.1. Determinación del índice de fluidez de las mezclas (MFI). ............. 48 3.3.3.2. Determinación de las densidades de las mezclas sólidas. ............. 53 3.3.4. PELETIZADO DE LAS MEZCLAS SELECCIONADAS. ........................ 58 3.3.5. MOLDEADO DE PROBETAS POR INYECCIÓN. ................................. 59 CAPÍTULO 4 ..............................................................................................................61 4.1. ESTUDIO DE PROPIEDADES MECÁNICAS. ............................................ 61 4.1.1. ESFUERZO MÁXIMO A LA FLEXIÓN. .................................................. 61 4.1.2. DEFORMACIÓN UNITARIA. ................................................................. 62 4.1.3. MÓDULO DE FLEXIÓN. ........................................................................ 62 4.1.4. DATOS ESTADÍSTICOS. ...................................................................... 63 4.1.4.1. Media Aritmética. ............................................................................ 63 4.1.4.2. Desviación Estándar. ...................................................................... 63 4.1.4.3. Coeficiente de Variación. ................................................................ 63 4.2. CÁLCULOS EN LA ZONA ELÁSTICA DE LA CURVA CARGA VS DEFLEXIÓN. .......................................................................................................... 64 4.2.1. CÁLCULO DE LA PENDIENTE DE LA RECTA TANGENTE A LA CURVA CARGA VS DEFLEXIÓN EN LA ZONA ELÁSTICA. ............................. 64 4.2.2. CÁLCULO DEL ESFUERZO MÁXIMO A LA FLEXIÓN. ........................ 72 4.2.3. CÁLCULO DE LA DEFORMACIÓN UNITARIA. .................................... 74 4.2.4. CÁLCULO DEL MÓDULO DE FLEXIÓN. .............................................. 76 x 4.3. CÁLCULOS EN LA ZONA PLÁSTICA DE LA CURVA CARGA VS DEFLEXIÓN. .......................................................................................................... 80 4.3.1. CÁLCULO DE LA PENDIENTE DE LA RECTA TANGENTE A LA CURVA ESFUERZO VS DEFLEXIÓN EN LA ZONA PLÁSTICA ....................... 81 4.3.2. CÁLCULO DEL MÓDULO TANGENCIAL. ............................................ 85 CAPÍTULO 5 ..............................................................................................................87 5.1. PRE-DISEÑO DEL ELEMENTO. ................................................................ 87 5.1.1. CONSIDERACIONES DE SERVICIO. ................................................... 87 5.1.1.1. Tensión en Pilotes. .......................................................................... 89 5.2. DIMENSIONAMIENTO DE LA SECCIÓN DEL ELEMENTO ESTRUCTURAL..................................................................................................... 92 5.2.1. Sección cuadrada sólida. ....................................................................... 92 5.2.2. Sección cuadrada hueca. ...................................................................... 94 5.3. RESULTADOS OBTENIDOS: ..................................................................... 95 5.4. MODELADO DE UN PROTOTIPO DEL ELEMENTO ESTRUCTURAL. .... 97 5.4.1. ESTUDIO Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO. .............. 97 5.4.1.1. Alternativa 1. ................................................................................... 97 5.4.1.2. Alternativa 2. ................................................................................... 98 CAPITULO 6 ..............................................................................................................99 6.1. SIMULACIÓN DEL ELEMENTO ESTRUCTURAL MEDIANTE ANSYS. .... 99 6.1.1. PRE-PROCESAMIENTO. .................................................................... 100 6.1.2. PROCESAMIENTO. ............................................................................ 107 6.1.3. POST-PROCESAMIENTO. ................................................................. 107 6.2. ANÁLISIS DE RESULTADOS. .................................................................. 113 xi CAPÍTULO 7 ............................................................................................................115 7.1. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ............................................ 115 CONCLUSIONES ............................................................................................. 115 RECOMENDACIONES ..................................................................................... 118 BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................120 ANEXOS ..................................................................................................................123 xii CONTENIDO DE TABLAS Tabla 1. 1. Emisiones a la atmósfera de la fabricación de polímeros .......................... 1 Tabla 1. 2. Esquemas de los elementos estructurales propuestos ............................. 4 Tabla 2. 1. Temperatura de Transición vítrea y de fusión de polímeros ...................... 8 Tabla 2. 2. Densidad de algunos polímeros ................................................................ 9 Tabla 2. 3. Propiedades mecánicas de los polímeros ................................................. 9 Tabla 2. 4. Usos de los polímeros ............................................................................. 16 Tabla 2. 5. Agentes externos que provocan distintos tipos de degradación. ............. 18 Tabla 2. 6. Temperaturas características de algunos polímeros ............................... 18 Tabla 2. 7. Longitudes de onda de algunos polímeros .............................................. 19 Tabla 2. 8. Códigos de identificación de los polímeros termoplásticos ..................... 21 Tabla 2. 9. Características del PEAD ........................................................................ 22 Tabla 2. 10. Características del PEBD ...................................................................... 23 Tabla 3. 1. Códigos de identificación de polímeros termoplásticos utilizados ........... 29 Tabla 3. 2. Porcentajes de mezclas del PEAD y PEBD ............................................ 39 Tabla 3. 3. Densidad de poliolefinas usadas ............................................................. 42 Tabla 3. 4. Condiciones de operación del Reómetro ................................................. 44 Tabla 3. 5. Porcentajes de mezclas 70% (PEAD) – 30% (PEBD) ............................. 50 Tabla 3. 6. Porcentajes de mezclas 75% (PEAD) – 25% (PEBD) ............................. 50 Tabla 3. 7. Porcentajes de mezclas 80% (PEAD) – 20% (PEBD) ............................. 51 Tabla 3. 8. Porcentajes de mezclas 85% (PEAD) – 15% (PEBD) ............................. 51 Tabla 3. 9. Porcentajes de mezclas 90% (PEAD) – 10% (PEBD) ............................. 51 Tabla 3. 10. MFI de las mezclas de PEAD-PEBD ..................................................... 51 Tabla 3. 11. Datos Índices de Fluidez PEAD............................................................. 52 Tabla 3. 12. Datos Índices de Fluidez PEAD............................................................. 52 Tabla 3. 13. Datos Índices de Fluidez PEAD............................................................. 53 Tabla 3. 14. Datos Índices de Fluidez PEAD............................................................. 53 Tabla 3. 15. Densidades de las mezclas de PEAD-PEBD sólidas ............................ 58 Tabla 3. 16. Condiciones de Inyección de la mezcla ................................................. 59 xiii Tabla 3. 17. Perfil de Temperatura PEAD virgen en proceso de inyección ............... 60 Tabla 4. 1. Cargas últimas para mezclas 80%PEAD-20%PEBD y 90%PEAD10%PEBD ................................................................................................................. 72 Tabla 4. 2. Dimensiones de probetas-Mezcla 80%PEAD-20%PEBD ....................... 72 Tabla 4. 3. Dimensiones de probetas-Mezcla 90%PEAD-10%PEBD ....................... 73 Tabla 4. 4. Resumen de datos obtenidos-Mezcla 80%PEAD-20%PEBD ................. 79 Tabla 4. 5. Propiedades Mecánicas Mezcla 80%PEAD-20%PEBD .......................... 79 Tabla 4. 6. Resumen de datos obtenidos-Mezcla 90%PEAD-10%PEBD ................. 79 Tabla 4. 7. Propiedades Mecánicas Mezcla 90%PEAD-10%PEBD .......................... 79 Tabla 4. 8. Resumen de datos obtenidos-Mezcla 90%PEAD-10%PEBD ................. 86 Tabla 4. 9. Módulo tangencial Mezcla 90%PEAD-10%PEBD ................................... 86 Tabla 5. 1. Características de cultivo ........................................................................ 87 Tabla 5. 2. Dimensiones calculadas de los pilotes .................................................... 96 Tabla 5. 3. Masa de mezcla 90% PEAD - 10% PEBD requerida para cada pilote .... 96 Tabla 6. 1. Resumen de las propiedades físicas y mecánicas de la mezcla 90% PEAD – 10% PEBD................................................................................................. 101 Tabla 6. 2. Características físicas y mecánicas de los pilotes ................................. 113 xiv CONTENIDO DE FIGURAS Figura 2. 1. Clasificación de los polímeros ................................................................ 10 Figura 2. 2. Ramificaciones de Polietileno de baja densidad (PEBD) ....................... 12 Figura 2. 3. Ramificaciones de Polietileno de alta densidad (PEAD) ........................ 12 Figura 3. 1. Proceso de reciclaje de polímeros ......................................................... 26 Figura 3. 2. Actores del proyecto de Quito Patrimonio Sano ..................................... 27 Figura 3. 3. Actores del proyecto de Quito Patrimonio Sano ..................................... 28 Figura 3. 4. Recuperación de RSR Marzo ................................................................. 30 Figura 3. 5. Recuperación de RSR Abril ................................................................... 30 Figura 3. 6. Recuperación de RSR Mayo .................................................................. 31 Figura 3. 7. Recuperación de RSR Junio .................................................................. 31 Figura 3. 8. Recuperación de RSR Julio ................................................................... 32 Figura 3. 9. Recuperación de RSR Agosto ............................................................... 32 Figura 3. 10. Recuperación de RSR Septiembre ...................................................... 33 Figura 3. 11. Recuperación de RSR Marzo-Septiembre ........................................... 33 Figura 3. 12. Molino para polímeros (PEAD) ............................................................. 35 Figura 3. 13. Aglutinadora para PEBD ...................................................................... 36 Figura 3. 14. Proceso de extrusión de polímeros ...................................................... 38 Figura 3. 15. Procesamiento de mezcla de polímeros .............................................. 38 Figura 3. 16. Mezclado de polímeros en el reómetro ................................................ 41 Figura 3. 17. Mezcla 70% PEAD y 30% PEBD ......................................................... 46 Figura 3. 18. Mezcla 75% PEAD y 25% PEBD ........................................................ 46 Figura 3. 19. Mezcla 80% PEAD y 20% PEBD ........................................................ 47 Figura 3. 20. Mezcla 85% PEAD y 15% PEBD ......................................................... 47 Figura 3. 21. Mezcla 90% PEAD y 10% PEBD ......................................................... 48 Figura 3. 22. Porciones de mezcla para medir el MFI ............................................... 49 xv Figura 4. 1. Procedimiento A: Diagrama de Cargas .................................................. 61 Figura 4. 2. Material con una Región de Hooke ........................................................ 65 Figura 4. 3. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°1 .................................................. 66 Figura 4. 4. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°2 ................................................. 67 Figura 4. 5. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°3 ................................................. 67 Figura 4. 6. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°4 ................................................. 68 Figura 4. 7. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°5 ................................................. 68 Figura 4. 8. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°1 ................................................. 69 Figura 4. 9. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°2 ................................................. 69 Figura 4. 10. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°3 ............................................... 70 Figura 4. 11. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°4 ............................................... 70 Figura 4. 12. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°5 ............................................... 71 Figura 4. 13. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°1 ............................................... 82 Figura 4. 14. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°2 ............................................... 83 Figura 4. 15. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°3 ............................................... 83 Figura 4. 16. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°4 ............................................... 84 Figura 4. 17. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°5 ............................................... 84 Figura 5. 1. Esquema de disposición de pilotes y plantas ......................................... 89 Figura 5. 2. Diagrama del sólido libre del cable completo ......................................... 90 Figura 5. 3. Diagrama del sólido libre sección A-K .................................................... 91 Figura 5. 4. Diagrama del sólido libre para pilote macizo .......................................... 92 Figura 5. 5. Diagrama del sólido libre para pilote hueco ........................................... 94 Figura 5. 6. Pilote 1 ................................................................................................... 97 Figura 5. 7. Pilote 2 ................................................................................................... 98 Figura 6. 1. Ingreso de parámetros físicos y mecánicos en ANSYS ....................... 101 Figura 6. 2. Módulo Elástico vs Módulo Tangencial ................................................ 102 Figura 6. 3. Módulos de trabajo para la simulación del elemento estructural ......... 102 Figura 6. 4. Módulos de trabajo para la simulación del ensayo a flexión ............... 103 Figura 6. 5. Mallado del elemento estructural.......................................................... 103 xvi Figura 6. 6. Mallado de la probeta ........................................................................... 104 Figura 6. 7. Fijación del elemento ........................................................................... 105 Figura 6. 8. Fijación de los soportes para la probeta ............................................... 105 Figura 6. 9. Aplicación de la carga para el elemento estructural ............................. 106 Figura 6. 10. Aplicación de la carga en el cabezal para la probeta ......................... 106 Figura 6. 11. Refinamiento de malla ........................................................................ 107 Figura 6. 12. Refinamiento progresivo de malla ...................................................... 108 Figura 6. 13. Deformación Total Pilote 1 ................................................................. 109 Figura 6. 14. Tensión máxima principal Pilote 1 ...................................................... 109 Figura 6. 15. Deformación Total Pilote 2 ................................................................. 110 Figura 6. 16. Tensión máxima principal Pilote 2 ...................................................... 110 Figura 6. 17. Curva Carga vs Deflexión obtenida en ANSYS .................................. 111 Figura 6. 18. Curvas Carga vs Deflexión del ensayo y simulación .......................... 111 xvii RESUMEN El presente proyecto de titulación propone la reutilización de polímeros reciclados para la elaboración de elementos estructurales resistentes a la flexión. La materia prima proviene principalmente de polietilenos de alta y baja densidad PEBD) desechados. Estos polímeros se seleccionan debido a la (PEAD y facilidad que presentan para ser reciclados y porque son miscibles entre sí. Los polímeros utilizados (PEAD y PEBD) son inicialmente clasificados en base a su composición química para ser posteriormente reciclados. En la primera etapa del proceso de reciclaje se define el método de procesamiento más adecuado para este tipo específico de polímeros. En el proceso se consideran las características físicas de dureza y elasticidad y las características químicas de fluidez de cada uno de los materiales de interés. Los procesos aplicados al material polimérico reciclado son el molido y aglutinado. El proceso de molienda se aplica al PEAD por la dureza y rigidez que presenta el material y el aglutinado se aplica para el caso del PEBD por la maleabilidad y elasticidad que muestra dicho polímero. Una vez que se ha llevado a cabo esta primera fase del reciclaje se procede a peletizar; mediante extrusión, por separado a estos dos polímeros. Después de la obtención de los pellets de PEAD y PEBD se determina el número de mezclas que se van analizar y las proporciones de cada polímero en las mismas. Para el proceso de mezclado se hace uso de un Reómetro, este equipo permite obtener muestras representativas de cada una de las mezclas sin usar demasiado material. xviii El propósito de éste análisis es determinar las mezclas que presenten los mejores índices de fluidez, siendo ésta una propiedad fundamental para la elaboración de probetas mediante inyección. En la siguiente etapa se elabora, mediante inyección, probetas para ensayos a flexión de las mezclas que presenten los mejores índices de fluidez. Estas probetas se caracterizan mecánicamente con el fin de determinar la mezcla que presente la mejor resistencia a la flexión, la cual es seleccionada para la última fase del proyecto que es el diseño de los pilotes. Finalmente se realiza un estudio de diseño y simulación de elementos estructurales; pilotes en específico, de un metro de longitud cuyas formas y dimensiones en corte transversal se determina en base a requerimientos de cargas de servicio. Para efectos de simulación se hace uso del paquete informático ANSYS. xix ABSTRACT This titling project proposes the recycled polymers reuses to elaborate flexural resistance structural elements. The starting material comes from high and low density wasted polyethylene’s (HDPE and LDPE). This polymers are chosen because of theirs recycling facilities and miscibility. Recycled polymers (HDPE and LDPE) are initially classified according to their chemical composition in order to recycling its later. In the first stage of the recycling process the most appropriated manufacturing process is established for them. In the process, physical and chemical characteristics, like hardness, elasticity and flow index are considered. The process applied to the recycled material are grinding and agglutinating. Grinding is applied in for HDPE because of its hardness and stiffness; and agglutinating for PEBD because of its malleability and elasticity. When this first stage of the project has finished, this two polymers are pelletized one by one. Once the PEAD and PEBD have been pelletized, the number of mixes that will be analyzed and the ratios of each polymer in theirs are determined. This analyze allows to establish the mix that has the best flow index. This property is essential to elaborate specimens by injection and make a mechanical characterization. To develop the physical characterization, a rheometer will be used. This machine allows getting representative samples of each mix without using too much material. In the next stage, flexural testing specimens that show the best flow index are elaborated by injection. The mechanical characterization of these specimens allows establishing the mix that has the best flexural strength, which one is chosen to design beams. xx Finally, a design and simulation of structural elements study; on specific pilotes, is accomplished. These beams have 1 meter in length and their cross-sectional dimensions and shapes are determined considering service load requirements. In order to simulation purposes the ANSYS software package is used. xxi PRESENTACIÓN En los últimos años las mezclas de polímeros han innovado en el desarrollo de nuevos materiales poliméricos y la introducción de los mismos a nivel industrial, debido a su gran versatilidad en aplicaciones de uso práctico. Al obtener estas mezclas se pretende conseguir materiales que presten las propiedades mecánicas suficientes como para realizar funciones tan comunes como los soportes de rosales en las florícolas. El principal aporte de este proyecto es el uso, como materia prima, de polímeros reciclados. Este aspecto empieza a tomar importancia en virtud del problema ambiental que generan los residuos poliméricos, es por eso que se ha decidido reutilizarlos y así contribuir en la preservación del medio ambiente. Además, mediante simulaciones se muestra como el pilote; mismo que se obtuvo a partir de mezclas de polímeros reciclados, puede tolerar cargas de hasta 90 [N]. Esta característica es más que suficiente para soportar rosales. Con el proyecto, a más de lograr una mezcla polimérica que puede ser utilizada en la fabricación de pilotes, se observa que la misma puede ser aplicada para el desarrollo de otro tipo de elemento estructural que exija mejores características mecánicas. 1 CAPÍTULO 1 1.1. INTRODUCCIÓN. El presente proyecto propone la elaboración de elementos estructurales a partir de polímeros reciclados, otorgándole un valor agregado y una nueva utilidad a los desechos poliméricos En la actualidad existe una gran variedad de polímeros y esto se debe principalmente al amplio espectro de productos que se fabrican con ellos (Elías, 2009). Este hecho desemboca en un resultado obvio, la generación de gran cantidad de desechos; por ello el reciclaje de polímeros ha tomado fuerza a lo largo de los años. A continuación se muestran las emisiones generadas por los polímeros más comunes: Tabla 1. 1. Emisiones a la atmósfera de la fabricación de polímeros EMISIÓN PEAD PP PVC PET 1 kg de tubo 1 kg de pellet 1 kg de masa 1 kg de botellas Partículas 7.100 1.500 1.700 5.000 CO 1.500 720 660 6.000 CO2 3 millones 1,9 millones 1,2 millones 3,1 millones SOx 24.000 13.000 5.700 23.000 NOx 15.000 9.600 6.400 16.000 Hidrocarburos 6.200 2.300 1.400 12.000 Metano 8.300 6.100 4.300 10.000 Hidrógeno 100 77 410 460 HCL 230 33 70 - Organoclorados - - 10 - Fuente: (Elías, 2009) Comprometidos con los esfuerzos a nivel mundial por reducir el impacto ambiental ocasionado por los residuos sólidos resultantes del uso de dichos polímeros, se propone como meta de este trabajo la reutilización de plásticos que se desechan en la ciudad. En este caso particular, se utilizará como materia prima para la fabricación 2 de elementos estructurales, artículos plásticos de desecho recolectados por la empresa EMASEO de la ciudad de Quito con quien se ha establecido un compromiso de colaboración. Como antecedentes que justifican esta propuesta, se deben mencionar los siguientes: · Los polímeros se fabrican a partir de recursos no renovables como el gas natural y el petróleo. · Periodos de degradación prolongados (décadas o siglos). · Intenso uso de polímeros en artículos de consumo masivo como contenedores de alimentos, prendas de vestir, muebles, celulares, etc. Esta exagerada dependencia de los polímeros, genera a su vez elevadas cantidades de desechos a tal punto de convertirlos en uno de los contaminantes ambientales más comunes (Clean Up Australia Ltd., 2009). La problemática descrita en líneas anteriores motiva el desarrollo de procesos y tecnologías que permitan la reutilización de este tipo de desechos. Este trabajo, por medio de la reutilización de POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD (PEAD) y POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD (PEBD); que junto con el PET se constituyen en los polímeros de uso más común en el mercado, contribuye al crecimiento sustentable de la industria del Ecuador, al ofrecer el desarrollo de elementos estructurales con propiedades mecánicas y físicas que podrían tener las siguientes aplicaciones: · Reemplazar el uso de pilotes de madera en la industria florícola. · Elementos estructurales para invernaderos. · Vivienda social a bajo costo con el uso de polímeros reciclados. Para el desarrollo de este proyecto se ha planteado el siguiente procedimiento: 1. Pre-clasificación de los desechos poliméricos (EMASEO). 2. Clasificación y lavado de los polímeros. 3. Molienda (PEAD) y aglutinado (PEBD). 4. Mezcla y extrusión. 5. Producto final. 3 De los pasos mencionados anteriormente, el primero es desarrollado por la empresa EMASEO, con la cual se ha establecido un convenio de colaboración mutua para el desarrollo de este proyecto. El producto final debe poseer alta resistencia a la flexión y homogeneidad para que resista las exigencias mecánicas y ambientales a las que será sometido. Cabe resaltar que la mezcla es el paso más importante dentro de este proceso, ya que es allí donde se define, por diseño, la cantidad apropiada de cada polímero para obtener las propiedades deseadas. Es importante anotar también que a pesar de que los dos polímeros empleados son aparentemente semejantes no se los puede procesar de igual manera. El Polietileno de baja densidad (PEBD) debe seguir un proceso denominado de aglutinamiento para obtener materia prima apta para la extrusión, mientras el Polietileno de alta densidad (PEAD) se lo procesa haciendo uso de un molino para polímeros. 1.1.1. OBJETIVO GENERAL. Reutilizar polímeros reciclados en la fabricación de elementos estructurales y verificar sus propiedades mecánicas. 1.1.1.1. · Objetivos Específicos. Clasificar y seleccionar los desechos plásticos en base a su composición química y características físicas para su posterior reciclaje. · Definir un proceso de manufactura adecuado y eficiente para el procesamiento de polímeros reciclados que elimine inclusiones de aire y mejore el comportamiento estructural de los elementos. · Estudiar las propiedades mecánicas a flexión del producto final. 4 1.1.2. ALCANCES. En el presente proyecto se analizará el diseño y caracterización de vigas de sección sólida cuadrangular y cuadrangular hueca de un metro de longitud cada una, y sus dimensiones en corte transversal se determinará en base a requerimientos de cargas de servicio y relaciones costo-beneficio. Las siguientes figuras muestran los esquemas de los elementos propuestos: Tabla 1. 2. Esquemas de los elementos estructurales propuestos SECCIÓN CUADRADA SECCIÓN CUADRADA SÓLIDA HUECA ESQUEMA DEL ELEMENTO ESTRUCTURAL Fuente: Propia La caracterización mecánica se realizará haciendo uso de probetas para ensayos a flexión, mismas que serán elaboradas a partir de mezclas poliméricas. De dichas mezclas se seleccionará la que presente mejores características mecánicas para posteriormente realizar el diseño de los elementos estructurales. El proceso de simulación de las probetas y de los elementos estructurales se llevará a cabo mediante el paquete informático ANSYS 1.1.3. JUSTIFICACIÓN. Se conoce que el proceso de clasificación y selección del material reciclado es de vital importancia para eliminar inclusiones de gas durante el proceso de manufactura [Castro, 2002] lo cual debilitaría la sección transversal del elemento y por tanto la respuesta estructural del mismo. Para alcanzar estos objetivos es necesario: (1) Clasificar los plásticos de acuerdo a su composición química, (2) Seleccionar un proceso de manufactura que elimine inclusiones de aire que podrían afectar la respuesta estructural, y (3) Caracterizar mecánicamente los elementos obtenidos. 5 El alcanzar los objetivos de este estudio tiene el potencial de reemplazar el uso de vigas de madera o acero que son actualmente utilizadas en la construcción de cercas, o enrejados de soporte en la industria agrícola y en particular en la florícola. Este proyecto busca establecer un referente en el manejo de desechos plásticos, y reducir el impacto ambiental producido por la tala de árboles utilizados para la elaboración de pilotes de madera. La aplicabilidad de este estudio no se limita al diseño de pilotes con capacidad a flexión. Se espera que a futuro se puedan establecer estudios alineados con este proyecto que permitan fabricar y mejorar la respuesta estructural de los elementos y por consiguiente extender su aplicabilidad como elementos estructurales en vivienda alternativa, o como elementos de reforzamiento de estructuras existentes. 1.1.4. METODOLOGÍA. ACTIVIDAD 1: Clasificación de polímeros La clasificación de los polímeros inicia con la recolección y preclasificación de los residuos sólidos reciclables, almacenándolos en un centro de acopio temporal para posteriormente ser clasificados de acuerdo a sus características físicas. En el caso particular de este proyecto, los polímeros se clasificarán de acuerdo a los códigos de identificación, polietileno de alta densidad (PEAD) y polietileno de baja densidad (PEBD), dichos códigos se mencionan más adelante en la tabla 1.8. ACTIVIDAD 2: Proceso de manufactura Para realizar las probetas, y posteriormente simular los elementos estructurales, se empezará con la limpieza del material reciclado para posteriormente procesarlo, en el caso del PEAD se usará un molino de paletas y en el caso del PEBD el material se somete a un proceso de aglutinado. Seguidamente las hojuelas resultantes de los procesos anteriores serán sometidas a una limpieza secundaria, lavado y secado propiamente, con el fin de que no presenten ningún residuo orgánico o inorgánico que perjudique las propiedades que se pretenden obtener luego de ser procesadas. 6 Lavadas y secadas las hojuelas se combinan cantidades de PEAD y PEBD de acuerdo a proporciones expuestas posteriormente. Combinados los materiales se introduce en una máquina extrusora de la cual se obtienen filamentos de una mezcla entre PEAD y PEBD, mismos que son cortados cada 3 mm, teniendo la apariencia de gránulos que son llamados “pellets”. ACTIVIDAD 3: Elaboración de Probetas de la mezcla resultante del PEAD y PEBD En la realización de las probetas se utilizan los pellets ya que estos tienen el tamaño apropiado para ser usados en la inyectora, con el fin de obtener probetas de polímeros reciclados con dimensiones normalizadas de acuerdo a la norma ASTM D 7264. Dichas probetas serán empleadas para realizar ensayos mecánicos basándose en la norma anteriormente señalada, que cita los ensayos que se pueden realizar a las probetas elaboradas con polímeros. Como se ha mencionado anteriormente, el objetivo de este proyecto se centra exclusivamente en la caracterización mecánica a flexión de las probetas. De acuerdo a la norma ASTM D 7264; la cual refiere a ensayos a flexión para materiales poliméricos de matriz compuesta, se deben hacer 5 pruebas como mínimo para obtener resultados confiables y finalmente elaborar un modelo del elemento estructural propuesto. ACTIVIDAD 4: Simulación del elemento estructural Al realizar los ensayos y obtener datos satisfactorios a nivel de probeta se continúa con la simulación del elemento estructural y se evaluarán los resultados obtenidos (Flexión). 7 CAPÍTULO 2 2.1. MARCO TEÓRICO. Etimológicamente la palabra polímero proviene de las raíces griegas: poli = muchos y meros=partes, es decir los polímeros son macromoléculas formadas por la unión covalente de pequeñas unidades moleculares conocidas como monómeros. Si representamos con la letra “A” a ésta unidad monomérica, entonces el polímero se representa por: A A A A A A Monómero.- Molécula pequeña de bajo peso molecular que unida a otra por medio de uniones químicas (polimerización) llegan a formar una macromolécula llamada Polímero. Por ejemplo el etileno CH2 al polimerizarse forma el polietileno: CH2 CH2 CH2 CH2 CH2 Los polímeros poseen, en general, la ventaja de permitir manipulaciones químicas y físicas para adquirir diversas formas y propiedades; entre ellas podemos mencionar los agregados químicos como resinas, colorantes, ácidos y procesos físicos como el termo formado, moldeo por inyección entre otros. Cada uno de estos procesos le confiere dureza o elasticidad mejorando las propiedades iniciales de los polímeros. Los elevados pesos moleculares de su estructura química son responsables de la resistencia de los plásticos a la biodegradación. Este elevado peso molecular está relacionado directamente con el grado de polimerización, el cual se define como el número de unidades que se repiten en una molécula. En muchos casos el grado de polimerización (Universidad Politécnica de Madrid, 2008) es muy grande, obteniéndose polímeros de alto peso molecular también llamados macromoléculas. 8 2.1.1. CARACTERÍSTICAS GENERALES. Los polímeros presentan las siguientes características generales: · Se conforman fácilmente por moldeo. · Baja resistencia a la tracción. · El valor máximo de temperatura que se puede variar es (300ºC, 530ºC). · Gran coeficiente de dilatación térmica. · Las uniones Van-der-Waals (Clark, 2012) originan la buena ductilidad de algunos polímeros. 2.1.2. PROPIEDADES FÍSICAS GENERALES DE LOS POLÍMEROS. A continuación se mencionarán las propiedades más relevantes y de interés de los polímeros: · La temperatura de transición vítrea del polímero Tg (Polymer Science Learning Center, 2005). · El peso medio molecular del polímero. Muchas propiedades de las macromoléculas dependen de su alto peso molecular y de la interacción de sus largas cadenas como por ejemplo: la viscosidad, dureza, temperatura de fusión, resistencia al impacto, elasticidad, resistencia a la tensión. · Densidad del polímero. Tabla 2. 1. Temperatura de Transición vítrea y de fusión de polímeros POLÍMERO Polietileno de Tg (Temperatura de Tm (Temperatura de transición vítrea) [°C] fusión) [°C] alta -35 a -120 135 baja -35 a -120 105 densidad (PEAD) Polietileno de densidad (PEBD) Fuente: (Ratzlaff, 2004) 9 Tabla 2. 2. Densidad de algunos polímeros Densidad [gr/cm3] POLÍMERO Polietileno de alta densidad (PEAD) £0.952 Polietileno de baja densidad (PEBD) 0,915 - 0,935 Fuente: Propia · Las propiedades físicas de estas moléculas difieren bastante de las propiedades de los monómeros que las constituyen. · Las propiedades van a estar influenciadas por la estructura interna, presencia de fuerzas intermoleculares, etc. · Al ser grandes moléculas, la estructura es generalmente amorfa. · Notable plasticidad, elasticidad y resistencia mecánica. Tabla 2. 3. Propiedades mecánicas de los polímeros POLÍMERO Resistencia a la Resistencia a la Módulo de Elasticidad Tracción [MPa] Polietileno de alta Flexión [MPa] (E) [GPa] 59 86 2.430 5 - 25 75-124 0.200 densidad (PEAD) Polietileno de baja densidad (PEBD) Fuente: Propia · Alta resistividad eléctrica. · Poco reactivos ante ácidos y bases. · Unos son tan duros y resistentes que se utilizan en construcción: PVC, baquelita, etc. · Otros pueden ser muy flexibles (polietileno), elásticos (caucho), resistentes a la tensión (nylon), muy inertes (teflón), etc. 2.2. CLASIFICACIÓN. Los polímeros se pueden clasificar en base a una gran variedad de criterios, a continuación se mencionarán los más importantes y comúnmente usados: CLASIFICACIÓN DE LOS POLÍMEROS COPOLÍMEROS INORGÁNICOS ORGÁNICOS POR REACCIÓN EN CADENA POR REACCIÓN POR ETAPAS POR ADICIÓN DE CONDENSACIÓN SINTÉTICOS SEMISINTÉTICOS NATURALES RETICULADOS ENTRECRUZADOS RAMIFICADOS LINEALES TERMOESTABLES TERMOPLÁSTICOS ELASTÓMEROS POLÍMEROS OLIGÓMEROS CÓMEROS COMONÓMEROS Fuente: Propia Figura 2. 1. Clasificación de los polímeros POR SU COMPOSICIÓN QUÍMICA MECANISMO DE POLIMERIZACIÓN PROCEDENCIA ESTRUCTURA DE CADENA PROPIEDADES NUMERO DE MOLÉCULAS DE MONÓMEROS MONÓMEROS QUE LOS FORMAN HOMOPOLÍMEROS AL AZAR BASADOS EN SILICIO BASADOS EN AZUFRE NO VINÍLICOS VINÍLICOS DE INJERTO EN BLOQUE ALTERNANTES POLIURETANOS POLIAMIDAS POLIÉSTERES POLÍMEROS ACRÍLICOS VINÍLICOS HALOGENADOS POLÍMEROS ESTIRÉNICOS POLIOLEFINAS 10 11 Debido a que en el desarrollo del presente proyecto se usarán solo dos tipos de polímeros (PEAD y PEBD), a continuación se detalla los criterios de clasificación que los involucran directamente. 2.2.1. POR EL TIPO DE MONÓMEROS QUE LOS FORMAN. Se distinguen los homopolímeros y los copolímeros. 2.2.1.1. Homopolímeros. Son macromoléculas formadas por un único tipo de monómero. Ej. : Polimetacrilato de metilo 2.2.1.2. Copolímeros. Son macromoléculas formadas por varios tipos de monómeros. Ej. Metacrilato de metilo, estireno. Según la forma en que se organicen las diferentes unidades monoméricas se clasifican en: · Al azar · Alternantes · En bloque · De injerto Tanto los homopolímeros como los copolímeros pueden ser lineales, ramificados o reticulados. En el proyecto, al combinar dos tipos de polímeros, la mezcla se convierte en una macromolécula formada por monómeros de PEAD y PEBD que están organizados al azar en las diferentes unidades monoméricas. 12 2.2.2. POR LA ESTRUCTURA DE SU CADENA. Se clasifican en lineales, ramificados, entrecruzados y reticulados. · POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD (PEBD) Figura 2. 2. Ramificaciones de Polietileno de baja densidad (PEBD) Fuente: Propia Presencia de gran ramificación Densidades entre 0.90 y 0.920 gr/cm3. Mayor desorden, menor cristalinidad, mayor flexibilidad, menor elongación. · POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD (PEAD) Figura 2. 3. Ramificaciones de Polietileno de alta densidad (PEAD) Fuente: Propia Presencia de pocas ramificaciones y cortas de 1 a 2 átomos de carbono Mayor linealidad, más orden, por lo tanto, más cristalino. Densidad mayor a 0.938 gr/cm3. Mayor posibilidad de elongación. Más rígidos 13 2.2.3. POR EL NÚMERO DE MOLÉCULAS DE MONÓMERO QUE LOS CONSTITUYEN. Oligómeros y polímeros propiamente dichos. Los oligómeros, caracterizados por moléculas que contienen un número pequeño de monómeros, se nombran anteponiendo al nombre del compuesto el prefijo numeral griego correspondiente (dímeros, trímeros, tetrámeros y polímeros). 2.2.4. POR SUS PROPIEDADES FISICO-MECANICAS. Se distinguen los elastómeros, termoplásticos y termoestables 2.2.4.1. Termoplásticos. Los termoplásticos estás constituidos por cadenas de polímeros lineales o ramificados que se deforman o fundes a ciertas temperaturas. En su mayoría son polímeros de alto peso molecular. Si la estructura de sus cadenas moleculares es desordenada estos son amorfos, pero si presentan cierta organización geométrica se los llama semicristalinos. De acuerdo con este criterio se tienen; lineales, ramificados, amorfos y semicristalinos. Dentro de esta clasificación están incluidos los polímeros que se están reciclando por parte del CEGAM, como el PEAD, PEBD, PET, Polipropileno y Policarbonato. En el caso particular de este proyecto se usarán exclusivamente Polietileno de alta y baja densidad. 2.2.5. POR SU PROCEDENCIA. Los polímeros se pueden dividir en naturales y sintéticos. 2.2.5.1. Polímeros Sintéticos. Son aquellos conformados en un laboratorio o industria química, a partir de la polimerización de unidades monoméricas específicas. Ej. : Nylon, poliestireno, policloruro de vinilo (PVC), PEAD, PEBD, etc. 14 En el proyecto se va utilizar dos tipos de materiales sintéticos que son Polietileno de alta densidad (PEAD) y Polietileno de baja densidad (PEBD) para conseguir una mezcla apropiada para realizar las probetas. 2.2.6. POR SU MECANISMO DE POLIMERIZACIÓN. El PEAD y PEBD presentan el siguiente mecanismo de polimerización: 2.2.6.1. Polímeros por adición. Se genera cuando un catalizador inicia la reacción. Este catalizador separa la unión doble carbono en los monómeros, luego aquellos monómeros se unen con otros debido a los electrones libres, y así se van uniendo uno tras otro hasta que la reacción termina. Cabe resaltar que, a pesar de que estos dos polímeros se polimerizan por adición, el PEAD emplea catalizadores tipo Zeigler-Natta (Muñoz, 2004)y en el PEBD el proceso se desarrolla por alta presión 2.2.7. POR SU COMPOSICIÓN QUÍMICA. Se dividen en orgánicos e inorgánicos. 2.2.7.1. Polímeros Orgánicos. Posee en la cadena principal átomos de carbono. 2.2.7.1.1. Polímeros orgánicos vinílicos. La cadena principal de sus moléculas está formada exclusivamente por átomos de carbono. Dentro de ellos se pueden distinguir: · Poliolefinas: formados mediante la polimerización de olefinas. Ej. : polietileno y polipropileno. · Polímeros estirénicos: que incluyen al estireno entre sus monómeros. Ej. : poliestireno y caucho estireno-butadieno. 15 · Polímeros vinílicos halogenados: que incluyen átomos de halógenos (cloro, flúor...) en su composición. Ej. : Policloruro de Vinilo (PVC). · Polímeros acrílicos: Ej. : Polimetilmetacrilato (PMMA). 2.2.7.1.2. Polímeros orgánicos no vinílicos. Además de carbono, tienen átomos de oxígeno o nitrógeno en su cadena principal. Algunas sub-categorías de importancia: · Poliésteres · Poliamidas · Poliuretanos 2.2.7.2. Polímeros Inorgánicos. Constituidos por monómeros que poseen elementos distintos del carbono. 2.3. APLICACIONES DE LOS POLÍMEROS. Los polímeros termoplásticos tienen un gran campo de aplicación en la industria actual, sobre todo en las áreas de embalaje, empaquetado y recipientes de almacenamiento de productos alimenticios. A continuación se describen algunos de los usos que tienen los polímeros que frecuentemente se encuentran en el mercado. 16 Tabla 2. 4. Usos de los polímeros POLÍMERO APLICACIONES Termoplásticos Amorfos Poliestireno Envases alimenticios, espumas, aislamiento térmico. Polimetilmetacrilato Ventanas de aviones, lentes, lunas de faros, pinturas. Policarbonato Escudos y cascos protectores, ventanas a prueba de balas, faros. Tuberías, marcos para ventanas, botellas, láminas para empacado. PVC rígido Zapatos, juguetería, utensilios para medicina como catéteres. PVC flexible Semicristalinos Polietileno de alta Botellas para leche y detergentes, tubería, revestimientos de papel. densidad Polietileno de baja Bolsas para embalaje, tapas de recipientes. densidad Polipropileno Maletas, tuberías, embalaje alimenticio y de flores. Politetraflúor etileno Revestimiento para utensilios de cocina, cojinetes, aislantes. Poliamida Tuberías, textiles, vestimentas, cojinetes, engranajes. Termoestables Epoxi Adhesivos, revestimientos para la industria alimenticia, química, construcción. Melamina Superficies resistentes al calor en cocinas y hornos Poliéster insaturado Paneles para automóviles (con fibra de domésticos. Elastómeros Polibutadieno Neumáticos, sellantes. Caucho natural Neumáticos. Caucho de silicona Sellantes, mangueras para medicina, pinturas. Fuente: (Cadena & Quiroz, 2000) vidrio), utensilios 17 2.4. DEGRADACIÓN DE LOS POLÍMEROS. El término degradación de polímeros se refiere a los procesos inducidos por luz solar, calor y otros agentes atmosféricos que conducen a una modificación de la estructura del polímero. Al hablar de degradación de polímeros nos referiremos a procesos irreversibles que se producen sobre los mismos y que conllevan a la modificación de su estructura química como así también de sus propiedades físicas. 2.4.1. AGENTES AMBIENTALES. Para facilitar el análisis, los agentes de degradación se clasifican en químicos y energéticos. En los casos reales, todos estos agentes actúan simultáneamente. 2.4.1.1. Agentes Químicos. Muchos reactivos químicos atacan a los polímeros y las reacciones que ordinariamente ocurren con moléculas pequeñas (monómeros) también ocurren en polímeros. Los polímeros comunes, polietileno y polipropileno, son relativamente inertes frente a los productos químicos, pero son atacados por reactivos químicos muy agresivos como lo es, por ejemplo, el gas cloro. 2.4.1.2. Agentes Energéticos. Como se mencionó anteriormente, los factores energéticos pueden deberse a la acción de la temperatura (degradación térmica), de la radiación o de factores mecánicos (degradación mecánica). 2.4.2. TIPOS DE DEGRADACIÓN. A las degradaciones que pueden sufrir los polímeros, las podemos clasificar en los siguientes tipos: 18 Tabla 2. 5. Agentes externos que provocan distintos tipos de degradación. Agente externo Tipo de degradación Luz solar Fotodegradación Calor Degradación térmica Agentes atmosféricos Degradación oxidativa Humedad Degradación hidrolítica Hongos y microrganismos Biodegradación Luz + oxígeno Fotodegradación oxidativa Calor + oxígeno Degradación termoxidativa Luz + humedad Degradación fotohidrolítica Fuente: (Upcommouns, 2008) 2.4.2.1. Degradación Térmica. La degradación térmica consiste en la rotura de las cadenas del polímero ocasionado por la acción de la temperatura. El proceso de degradación térmica está caracterizado por una serie de índices experimentales Td y Tm. Temperatura inicial de descomposición (Td): es la temperatura a la cual el material pierde el 10% de una propiedad física que interese (resistencia a la tracción, resistencia al impacto, etc.) Temperatura media de descomposición (Tm): es la temperatura a la cual el material pierde el 50% de su peso luego de ser calentado durante 30 minutos. Tabla 2. 6. Temperaturas características de algunos polímeros POLÍMERO Td (°C) Tm (°C) Polietileno 380 404 Polipropileno 320 387 Tereftalato de polietileno (PET) 380 450 Fuente: (Scribd, 2009) 19 2.4.2.2. Degradación por radiación. El proceso hace que el polímero se degrade por acción de la radiación ultravioleta. Ej. : Los polietilenos son más resistentes a las radiaciones que el polipropileno. Tabla 2. 7. Longitudes de onda de algunos polímeros POLÍMEROS LONGITUD DE ONDA (nm) Polietileno 300 Cloruro de Polivinilo (PVC) 310 Polipropileno 370 Fuente: (Upcommouns, 2008) 2.4.2.3. Biodegradación. Se aplica este término cuando las transformaciones y el deterioro del polímero se debe a la acción de organismos vivos: el proceso está catalizado por la acción de hongos, bacterias, etc. y enzimas segregados por éstos. 2.4.2.4. Degradación mecánica. La degradación mecánica es debida a todas las reacciones químicas que tienen lugar como consecuencia de la aplicación de una tensión al material polimérico. Esta tensión mecánica generalmente está asociada con la maquinaria empleada en la etapa de procesado de estos materiales como: inyectoras o extrusoras; y en la etapa de transformado (molienda, corte, etc.). En el caso particular de este proyecto, y considerando el uso que se le va a dar a los elementos estructurales elaborados (mezcla de PEAD y PEBD), estos estarán sometidos a los siguientes tipos de degradación polimérica. · Radiación El polietileno se degrada cuando se someten a longitudes de onda de 300 nm en adelante. En Ecuador gran parte de la radiación solar es absorbida por la atmósfera, ocasionando longitudes de onda comprendidas entre los 280 y 400 nm que alcanza la superficie terrestre (UV). Puesto que la energía de esta radiación va de 72 a 100 20 Kcal, es suficiente para producir la rotura de los enlaces covalentes y ocasionar el amarilleo y fragilidad de los polímeros orgánicos. · Biodegradación Al encontrarse el polietileno con residuos orgánicos comienza la colonización y proliferación de bacterias, hongos, levaduras y sus enzimas consumen una sustancia polimérica como una fuente de alimento tal que su forma original desaparece. Es un proceso relativamente rápido bajo las condiciones apropiadas de humedad, pH, temperatura y oxígeno disponible. · Degradación mecánica El polietileno sufre de este tipo de degradación debido a que es sometido a una etapa de transformado que es el molido y aglutinado de todo el material sólido y una etapa de procesado, al momento de someterlo a la inyectora y extrusora. 2.5. SELECCIÓN DE POLÍMEROS. En el proceso de reciclaje se tomarán en cuenta dos tipos de polímeros (PEAD y PEBD) los cuales tendrán una adecuada separación previa que determinará que los productos sean de buena calidad y posteriormente facilite su procesamiento. A continuación se muestran algunos métodos de identificación establecidos por la Sociedad de Industrias del Plásticos. Estos métodos van a ser utilizados para la clasificación de los polímeros de desecho reciclables que nos proporciona EMASEO mediante el CEGAM. 2.5.1. DE ACUERDO A LA SOCIEDAD DE INDUSTRIAS DEL PLÁSTICO. La Sociedad de Industrias del Plástico (SPI) ha desarrollado unos códigos para identificar a los plásticos que se utilizan como recipientes y contenedores, los cuales generalmente están localizados en la base de los recipientes. Estos códigos se muestran en la tabla a continuación: 21 Tabla 2. 8. Códigos de identificación de los polímeros termoplásticos Tereftalato de Polietileno de alta Polietileno densidad Polipropileno Policloruro de vinilo Polietileno de baja densidad Poliestireno Otros Fuente: (Cadena & Quiroz, 2000) Debido a que es de nuestro interés solo dos de estos polímeros (PEAD y PEBD) se los analizará más en detalle a continuación. 2.5.1.1. Polietileno (PE). El polietileno es un termoplástico fabricado a partir del etileno (elaborado a partir del etano, uno de los componentes del gas natural), en forma de gránulos o de polvo blanco. Sus propiedades técnicas dependen de la masa molecular, la ramificación de la cadena y el grado de cristalinidad, por el método de elaboración influye considerablemente, especialmente en la presión. Todos los polímeros derivados del etileno tienen una gran resistencia a los productos químicos, ácidos, bases, aceites, grasas, disolventes… Sin embargo, su resistencia es moderada para los hidrocarburos normales y clorados. El etileno, según la temperatura a la que se someta, puede transformarse en dos compuestos, el polietileno de alta densidad o PEAD por sus siglas en inglés y polietileno de baja densidad o PEBD. Es importante citar que el polietileno en comparación con otro tipo de polímero presenta una buena protección contra la humedad y el agua. (Cadena & Quiroz, 2000). 22 Tabla 2. 9. Características del PEAD PEAD: Polietileno de alta densidad · El polietileno de alta densidad es un termoplástico fabricado a partir del etileno a temperaturas inferiores a 70°C y presión atmosférica. · Polimeriza con estructura lineal (de tipo cristalino), y densidad comprendida entre 0,94 y 0,96 [kg/dm3]. · Es muy versátil y se lo puede transformar de diversas formas: inyección, soplado extrusión o rotomoldeo. USOS Y APLICACIONES: El PEAD, polietileno de alta densidad, se utiliza para fabricar bolsas, cajas de botellas, tuberías, juguetes, cascos de seguridad laboral. Gracias a su estructura lineal sirve para cuerdas y redes de pesca, lonas para hamacas. La resistencia térmica permite usarlo para envases que deban ser esterilizados en autoclave (leche, sueros.). También en construcción se utiliza en tuberías para gas, telefonía, agua potable, minería, drenaje y uso sanitario. CARACTERÍSTICAS · Resistentes a las bajas temperaturas · Irrompible · Impermeable · No tóxico Fuente: Propia 23 Tabla 2. 10. Características del PEBD PEBD: Polietileno de baja densidad · Es un polímero termoplástico conformado por unidades repetitivas de etileno. · A temperaturas de unos 170°C y 1400 atmósferas de presión el etileno se transforma en un polímero con aspecto de polvillo blanco, estructura muy ramificada (amorfa, algunos de los carbonos, en lugar de tener hidrógenos unidos a ellos, tienen asociadas largas cadenas de polietileno). USOS Y APLICACIONES: El PEBD, polietileno de baja densidad, se utiliza para fabricar bolsas flexibles, embalajes industriales, techos de invernaderos agrícolas. También gracias a su resistencia dieléctrica se utilizan para aislante de cables eléctricos. Recubrimiento del hormigón fresco, evitando la evaporación prematura del agua y preservándolo de las heladas. Revestimiento de encofrados, facilitando el desmoldeo y dando un perfecto acabado al cemento. CARACTERÍSTICAS · Gran flexibilidad y extraordinaria resistencia química y dieléctrica · Resistente a las bajas temperaturas · Irrompible e impermeable · No tóxico · Facilidad y bajo costo de fabricación · Se transforma por inyección, soplado, extrusión o rotomoldeo. Fuente: Propia 24 2.5.2. DE ACUERDO A LA MARCA COMERCIAL DEL PRODUCTO. Dentro de esta clasificación se definen los siguientes criterios: · Si se trata de bolsas de supermercado que “crepitan”, el material será polipropileno (PP), si no lo hacen es polietileno (PE). · En bolsas transparentes que crepitan, utilizadas para envolver fideos y diversos productos fritos (chifle cervecero, tortolines, jalapeños, tostitos, etc.), también se usa polipropileno (PP). · Los recipientes para microondas son de polipropileno (PP). · En bolsas para empaquetar pañales desechables y para fabricar algunas tapas para recipientes (la más flexibles), se usa polietileno de baja densidad (PEBD o PEBD). · Para guardar alimento en forma de polvo (chocolisto, nesquik) se suele usar polietileno de alta densidad (PEAD o PEAD). · Las botellas grandes y opacas para agua (de aproximadamente 5 litros) son de polietileno de alta densidad (PEAD o PEAD). · Recipientes para limpieza (Woolite, mimosín, suavitel, ajax) son de polietileno de alta densidad (PEAD), aunque otros prefieren el polipropileno (PP), por ejemplo los productos de limpieza de la serie Klin. · Si son recipientes transparentes para gaseosas (Coca cola, Fioravanti, etc.) o agua mineral de pequeña capacidad (fontana, agua linda, pure water, etc.), generalmente se trata de tereftalato de polietileno (PET o PETE). · Los recipientes para aceites comestibles (La Favorita), se fabrican con tereftalato de polietileno (PET o PETE). · La marca Johnson & Johnson usa policloruro de vinilo (PVC) para envasar sus shampos y aceites, estos recipientes son transparentes. Para el caso de aceites cremosos, se usan recipientes no transparentes. De polietileno de alta densidad (HDPA o PEAD). · Las tuberías de alcantarillado y algunos tipos de recipientes (como limpiavidrios Easy-Off) son de policloruro de vinilo (PVC). 25 · Las bandejas en las cuales se almacena carne o pescado (espumas) son de poliestireno (PS), de igual manera lo son las tapas que se colocan a los vasos de cartón en los cuales se expenden las bebidas gaseosas. · Los vasos plásticos transparentes más rígidos y frágiles, son de poliestireno (PS), mientras que los más flexibles pueden ser de poliestireno de “choque” (polímero reforzado) o de polietileno (PE). · Los recipientes pequeños para yogurt (Toni, Alpina) son de poliestireno (PS), pero en los recipientes más grandes se usa polietileno de alta densidad (PEAD o PEAD). · Los textiles sintéticos se fabrican con poliésteres lineales o con nylon (PA). · En los casos en los cuales la apariencia del material es similar, se lo puede diferenciar por la manera como han sido fabricados, así por ejemplo, las botellas de tereftalato de polietileno (PET) y de policloruro de vinilo (PVC) suelen ser trasparentes (las de PVC algo más azuladas), pero si se observa la forma de la base, se puede notar la diferencia entre un material y otro (producto de su método de fabricación). 26 CAPÍTULO 3 3.1. PROCESOS DE RECICLAJE DE POLÍMEROS. Para asegurar la obtención de un producto final que cumpla con los requerimientos mecánicos a flexión, es necesario establecer un proceso de elaboración de los mismos que garantice dicho objetivo. Para ello se establece el siguiente proceso. CLASIFICACIÓN DE LOS DESECHOS PEAD PEBD MATERIA PRIMA POLIETILENO DE ALTA DENSIDAD POLIETILENO DE BAJA DENSIDAD LIMPIEZA MOLIDO DE PEAD AGLUTINADO DE PEBD 2DA SELECCIÓN LAVADO SECADO EXTRUIDO PELETIZADO MOLDEADO POR INYECCIÓN CARACTERIZACIÓN MECÁNICA Figura 3. 1. Proceso de reciclaje de polímeros Fuente: (Taiwan Turnkey Project Association, 2010) ALMACENAMIENTO 27 3.2. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO. 3.2.1. RECOLECCIÓN. Este proceso es auspiciado por EMASEO EP y al tener un componente de inclusión social se prevé la participación activa de la Secretaría de Desarrollo Económico, CONQUITO, la Administración Zonal Manuela Sáenz y la Secretaria de Ambiente. El trabajo de recolección lo realizan los gestores (personas encargadas de la recolección en campo) que empiezan con el acopio diferenciado de residuos reciclables (papel, cartón y envases plásticos), en las Administraciones Zonales pertenecientes al cantón Quito. Figura 3. 2. Actores del proyecto de Quito Patrimonio Sano Fuente: CEGAM 28 3.2.2. CLASIFICACIÓN DE DESECHOS. El material reciclado que nos proporciona el CEGAM es de la Administración Zonal Manuela Sáenz que cubre el sector que va de norte a sur desde las calles José Joaquín Olmedo hasta la Vicente Rocafuerte y de oriente a occidente desde la avenida Pichincha hasta la avenida Mariscal Sucre respectivamente. Figura 3. 3. Actores del proyecto de Quito Patrimonio Sano Fuente: CEGAM En éste sector los gestores realizan la recolección de campo y una preclasificación de los residuos reciclables (papel, cartón y envases plásticos), que los almacenan en puntos de acopio temporales para posteriormente todo el material almacenado sea trasladado al CEGAM. El material recolectado es trasladado por EMASEO EP al Centro de Educación y Gestión Ambiental (CEGAM), el centro está equipado con una compactadora, balanzas eléctricas, coches, mesas de trabajo, guillotinas para facilitar el procesamiento del material. 29 Además el CEGAM cuenta con el apoyo de los puntos limpios ubicados por EMASEO en toda la ciudad; de instituciones educativas y de los domingos de tereques. En el CEGAM se realiza una clasificación más completa en el caso de los polímeros, basándose en los criterios de la Sociedad de Industrias del Plástico (SPI), que identifica polímero soplado (PEAD) con el código dos y al polímero suave (PEBD) con el código 4. Posterior a la clasificación el material debe ser compactado y finalmente comercializado. Tabla 3. 1. Códigos de identificación de polímeros termoplásticos utilizados Polietileno de alta densidad Polietileno de baja densidad (PEAD) (PEBD) Fuente: (Manual de Reciclaje de Plásticos, 2000) Los residuos sólidos que han sido recopilados en el centro de acopio del CEGAM fueron registrados de acuerdo al tipo de material que se recolecta. El criterio de clasificación se fundamenta principalmente en tres tipos de materiales: cartón, polímeros y otros materiales tales como chatarras metálicas y vidrio. A continuación se muestra los datos de la cantidad de Residuos Sólidos Reciclables que han llegado al centro de acopio CEGAM desde marzo del 2012 y el incremento que se ha registrado en la recuperación de desechos sólidos desde que se inició dicho proyecto de reciclaje. 30 Recuperación de Residuos Sólidos Reciclables (RSR) Marzo-Septiembre 13,67 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 2,80 4,00 0,18 2,00 0,00 Cartón (Kg) Chatarra (kg) Baterías (lb) Figura 3. 4. Recuperación de RSR Marzo Fuente: CEGAM 25,00 20,86 20,00 15,00 10,00 5,00 0,54 1,40 0,84 0,11 0,00 Figura 3. 5. Recuperación de RSR Abril Fuente: CEGAM 1,19 0,81 31 25,00 20,08 20,00 15,00 10,00 5,00 6,02 1,06 2,00 0,99 3,21 0,57 2,08 0,89 0,02 0,00 Figura 3. 6. Recuperación de RSR Mayo Fuente: CEGAM 30,00 25,50 25,00 20,00 15,00 8,76 10,00 5,00 0,98 1,42 2,58 0,50 0,42 1,29 0,00 Figura 3. 7. Recuperación de RSR Junio Fuente: CEGAM 2,85 32 28,18 30,00 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 4,02 0,57 0,62 1,46 1,18 0,60 5,13 1,27 0,00 Figura 3. 8. Recuperación de RSR Julio Fuente: CEGAM 17,73 18,00 16,00 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 2,99 4,00 2,00 0,92 1,16 1,05 0,65 0,13 0,82 0,00 Figura 3. 9. Recuperación de RSR Agosto Fuente: CEGAM 0,29 0,25 33 11,09 12,00 10,00 8,00 6,00 3,35 4,00 2,00 1,54 1,00 1,30 0,76 0,30 3,09 1,01 0,00 Figura 3. 10. Recuperación de RSR Septiembre Fuente: CEGAM 43,02 45,00 36,91 40,00 33,60 35,00 25,99 25,75 30,00 25,00 20,00 16,65 15,00 10,00 5,00 0,00 Figura 3. 11. Recuperación de RSR Marzo-Septiembre Fuente: CEGAM 23,45 34 3.2.3. LIMPIEZA. Los polímeros reciclados están generalmente contaminados con restos alimenticios, papel, rocas, polvo y/o pegamento, dependiendo del uso que se les haya dado durante su vida útil. Por ésta razón, el proceso de reciclaje del polietileno requiere, en una primera etapa, la limpieza y separación de impurezas. El polietileno de desecho que se usó en este proyecto provino principalmente de envases para líquidos y alimentos, por lo que la mayor parte de contaminantes son de tipo alimenticio y adhesivos. Estos dos elementos pueden ser fácilmente eliminados del material base aplicando un lavado exhaustivo con agua. En caso de que el lavado con agua no logre desechar completamente estos restos se recomienda someter al polietileno a un baño en agua con detergente. Otra opción de limpiado es la de granular (moler o aglutinar) los plásticos repetidamente e irlo desechando sobre pantallas movibles. Además para procesos industriales es recomendable usar hidrociclones (UDLAP, 2011) cuando el desecho polimérico está muy contaminado, ya que el polímero contaminado es removido y al ser ligero, flota en la superficie donde es expulsado y los contaminantes caen al fondo y se descargan. 3.2.4. MOLIENDA. El proceso sirve únicamente para el Polietileno de alta densidad (PEAD) por la dureza y rigidez del material a ser molido. El molido del PEAD clasificado tiene por finalidad producir elementos aptos para ser utilizados en la siguiente operación dentro del proceso de reutilización de los polímeros (UDLAP, 2011). El primer paso en la molienda es colocar el PEAD dentro del molino (Figura 3.12) para su procesamiento. El tamaño de los retazos molidos variará de acuerdo al tamaño de la malla utilizada, para nuestro caso en particular el tamaño de la malla es de cinco milímetros, estas dimensiones son recomendables para que el material pueda ser extruido y posteriormente peletizado. 35 Tolva Molino Salida de PEAD molido Figura 3. 12. Molino para polímeros (PEAD) Fuente: Propia 3.2.5. AGLUTINADO. El proceso de aglutinado se utiliza exclusivamente para el Polietileno de baja densidad (PEBD) por la maleabilidad y elasticidad que presenta el material polimérico. En esta etapa se introduce el PEBD; que se presenta en forma de películas o capas, a la centrifuga. Esta máquina tiene como fin convertir al polímero con ayuda de calor y agua en pequeñas aglomeraciones de no más de 3 mm llamados gramos o crispetas, los cuáles salen de la centrífuga secos y con las dimensiones apropiadas para pasar a la extrusora y posteriormente ser peletizados (Ver anexo 1). (Plásticos Protocolo, 2007). El tamaño de las crispetas depende principalmente de la cantidad de agua que se agregue dentro de la centrífuga. La empresa Plastimax facilitó los equipos para este procedimiento, y basados en experiencias anteriores, los técnicos de ésta empresa recomiendan que el tamaño de las crispetas es óptimo si se agregan 500 cm3 de agua pura por cada 20 kg de PEBD que se desee aglutinar. 36 Ingreso PEBD Cámara de aglutinamiento PEBD Salida del polímero aglutinado Figura 3. 13. Aglutinadora para PEBD Fuente: Propia 3.2.6. SEPARACIÓN. Una vez realizado el molido de PEAD y aglutinado de PEBD viene la separación de residuos que se encuentren en el material polimérico. La separación se realiza en una tamizadora con el fin de liberar al plástico de interés (en nuestro caso PEAD, PEBD) de diferentes tipos de materiales especialmente de los otros tipos de polímeros no miscibles que estén acompañando al material, además descartar la presencia de restos metálicos, vidrio o papel que pueden afectar la mezcla y posteriormente afectar la calidad del producto final. (UDLAP, 2011) 3.2.7. LAVADO. Tanto el PEAD molido y el PEBD aglutinado por lo general se encuentran contaminados con comida papel, piedras, polvo aceite, solventes y en algunos casos pegamento. Por ésta razón tienen que ser limpiados en un baño que garantice la eliminación de contaminantes. (ECOPLAS, 2011) Por ser un proyecto sustentado en el plano ambiental el lavado se realizará únicamente con agua. 37 Pero para la realización de mezclas y posteriores análisis en el proyecto el lavado se hizo con agua destilada con el fin de no influenciar en el entorno de la planta, ni en el medio ambiente. 3.2.8. DESHIDRATADO Y SECADO. Posterior al ciclo de lavado, continúa el proceso de secado el cual debe eliminar el remanente de humedad del material, para que pueda ser comercializado y posteriormente procesado. Los materiales utilizados (PEAD y PEBD) al no ser higroscópicos (capacidad de absorber humedad del medioambiente) facilitan el secado debido a que la humedad se encuentra únicamente en la superficie del material. (Taiwan Turnkey Project Association, 2010) 3.2.9. PELETIZADO DE POLÍMEROS. Los pellets se fabrican mediante un proceso de extrusión en caliente que puede definirse como un proceso continuo. El equipo de extrusión utilizado mantiene un trabajo normal en todo instante obteniendo un producto invariable y constante en cualquier punto de su longitud. El proceso consiste en extruir el material granulado de PEAD y PEBD basándose en las temperaturas de fusión descritas en la tabla 2.1. En éste procedimiento el polímero que ingresa a la extrusora se reblandece por acción de la temperatura. La elevación de la temperatura proviene generalmente de resistencias eléctricas y por la fricción de un elemento giratorio denominado husillo. En este estado de fusión, el polímero es forzado e impulsado a salir bajo presión en forma de espagueti, a través de una matriz metálica que le confiere la forma definida y sección transversal constante. (Beltrán & Marcilla, 2008) Una matriz denominada “dado” es la que le da la forma útil al producto para que finalmente éste sea enfriado, favoreciendo su solidificación y confiriéndole estabilidad, evitando así deformaciones posteriores. Una vez frío es cortado en pedazos pequeños llamados pellets, los mismos que serán utilizados en la inyectora. (Ver anexo 1) 38 Extrusora Polímero extruido Figura 3. 14. Proceso de extrusión de polímeros Fuente: Propia 3.3. PROCESO DE MEZCLADO. Las mezclas de polímeros han revolucionado el desarrollo de nuevos materiales poliméricos, nuevos productos y la introducción a nivel industrial de las mismas para diversos usos prácticos. El interés en trabajar con mezclas de polímeros se debe a que, hoy en día, el uso de polímeros reciclados puede llegar a ser más rentable y adicionalmente se pueden obtener características físico-mecánicas semejantes a las de otros materiales puros. En la figura 3.15, se detalla el procedimiento para la obtención de mezclas de polímeros. COMPATIBILIDAD DE INGREDIENTES CONDICIONES DE OPERACIÓN COMO SE REALIZÓ LA MEZCLA PROPIEDADES DEL COMPUESTO CALIDAD DEL PRODUCTO Figura 3. 15. Procesamiento de mezcla de polímeros Fuente: Propia 39 Dos polímeros, al alcanzar la temperatura de transición vítrea, pueden ser mezclados de dos maneras. · Mezcla Distributiva · Mezcla Dispersiva El proceso de mezcla se logra por distribución o dispersión de un componente minoritario (fase dispersa) en un componente mayoritario (fase común o matriz). Mezcla Distributiva.- es aquella mezcla cuyo resultado es la homogenización de un compuesto en medio del otro, sin modificar las características del componente minoritario (fase dispersa) (Zambrano, 2008). Mezcla Dispersiva.- este tipo de mezcla es la que por acción mecánica el polímero en menor cantidad (fase dispersa) es reducido de tamaño para ser distribuido en el componente mayoritario (fase común o matriz). Esto significa romper las gotas de un polímero fundido para obtener una fase dispersa con un tamaño pequeño de partícula distribuido en el otro polímero (Zambrano, 2008). 3.3.1. PORCENTAJES DE MEZCLAS DEL PEAD CON PEBD. Se decidió estudiar 5 mezclas de polímeros de acuerdo a los datos de la tabla 3.2. Porcentajes de mezclas del PEAD y PEBD: Tabla 3. 2. Porcentajes de mezclas del PEAD y PEBD MEZCLAS PEAD (%) PEBD (%) 1 90 10 2 85 15 3 80 20 4 75 25 5 70 30 Fuente: Propia Las proporciones de PEAD y PEBD en las 5 mezclas se seleccionaron en base a las propiedades físicas y mecánicas que presentan en su estado virgen, las mismas que se mencionan en la sección 2.2.2 en la cual se hace referencia a la densidad de cada 40 polímero y sus características mecánicas. Allí se menciona que la característica principal del PEAD es su rigidez, mientras que en el caso del PEBD prima su flexibilidad. Tomando en cuenta estas características se presume que la rigidez de la mezcla obtenida aumentará conforme se incremente el porcentaje de PEAD; por otro lado se espera un aumento de la flexibilidad al tener un mayor porcentaje de PEBD en la mezcla resultante. El objetivo principal de este estudio es obtener una mezcla polimérica con la cual se elaborará probetas que presente una buena resistencia a la flexión, por lo que el polímero que debe predominar en la mezcla es el PEAD; de este modo se define una relación inicial de porcentajes de 70% PEAD y 30% PEBD. La variación entre porcentajes para cada una de las mezclas se definió con el fin de obtener distintas mezclas que presenten propiedades físico-mecánicas fácilmente diferenciables entre sí. Además de lo expuesto en el párrafo anterior se debió considerar el tiempo que se tuvo a disposición las máquinas necesarias para el reciclaje de los polímeros y los estudios posteriores de sus características físicas. 3.3.2. PROCESO DE MEZCLADO DEL PEAD CON PEBD. Para ejecutar este procedimiento se utilizó un reómetro, éste es un aparato que permite mezclar materiales y obtener como resultado una mezcla homogénea y dispersa. En este caso el reómetro facilita mezclar los polietilenos (PEAD y PEBD), y así conservar su identidad y propiedades evitando que se combinen químicamente. Este equipo también permite obtener muestras representativas de cada una de las mezclas usando pequeñas cantidades de polímeros reciclados. Esta característica es muy favorable ya que se puede prescindir de otros procesos que requieren grandes cantidades de material para obtener muestras de cada mezcla, como es el caso de la extrusión. 41 Para el cálculo de la cantidad de mezcla que debe ingresar a la cámara del reómetro se fundamentó en trabajos realizados anteriormente con polímeros independientes (Zambrano, 2008). Mezcla PEAD-PEBD Reómetro Figura 3. 16. Mezclado de polímeros en el reómetro Fuente: Propia El peso de la muestra se calcula con la siguiente fórmula. Ec. 1 ൌ ࣋ ή ࢂ ή ࢌ Donde: ݉: Peso de la muestra ߩ: Densidad ܸ : Volumen neto de la cámara ݂: Factor de llenado, para la cámara es 75% Para establecer el volumen neto de la cámara: ܸ ൌ ͳʹͷܿ݉ଷ ܸ ൌ ͷܿ݉ଷ ܸ ൌ ܸ െ ܸ ܸ ൌ ͳʹͷ െ ͷ ܸ ൌ ͻܿ݉ଷ 42 Donde: ܸ : Volumen de la cámara ܸ : Volumen de los rotores Para establecer la densidad de la muestra fue necesario obtener la densidad de cada una de las poliolefinas utilizadas, de acuerdo a la norma ASTM D-792. En la tabla 3.3 se muestran los valores promedios de las densidades. Tabla 3. 3. Densidad de poliolefinas usadas POLIOLEFINA DENSIDAD [g/cm3] PEAD 0.949 PEBD 0.920 Fuente: (Zambrano, 2008) La ecuación 2 permite calcular la densidad del material obtenido según el porcentaje utilizado en la mezcla. Ec. 2 ࣋ࢀ ൌ ࣋ ή ࢞ ࣋ ή ࢞ Donde: ߩ் : Densidad de la mezcla ߩଵ : Densidad material 1 ߩଶ : Densidad material 2 ݔଵ : Fracción material 1 ݔଶ : Fracción material 2 Peso de muestra (70% PEAD - 30% PEBD) De acuerdo a la ecuación 2 y tabla 3.3: ߩ் ൌ ߩଵ ή ݔଵ ߩଶ ή ݔଶ ߩ் ൌ ͲǤͻͶͻ ή ͲǤ ͲǤͻʹͲ ή ͲǤ͵ ݃ ߩ் ൌ ͲǤͻͶͲ͵ ܿ݉ଷ 43 De acuerdo a la ecuación 1: ݉ ൌ ߩ ή ܸ ή ݂ ݃ ή ͻܿ݉ଷ ή ͲǤͷ ݉ ൌ ͲǤͻͶͲ͵ ܿ݉ଷ ݉ ൌ ͶͺǤ݃ ݉ா ൌ ͵ͶǤͲ݃ ݉ா ൌ ͳͶǤͲ݃ Peso de muestra (75% PEAD - 25% PEBD) De acuerdo a la ecuación 2 y tabla 3.3: ߩ் ൌ ͲǤͻͶͻ ή ͲǤͷ ͲǤͻʹͲ ή ͲǤʹͷ ݃ ߩ் ൌ ͲǤͻͶͳͷ ܿ݉ଷ De acuerdo a la ecuación 1: ݉ ൌ ͲǤͻͶͳͷ ݃ ή ͻܿ݉ଷ ή ͲǤͷ ܿ݉ଷ ݉ ൌ ͶͺǤͶ݃ ݉ா ൌ ͵Ǥͷͷ݃ ݉ா ൌ ͳʹǤͳͻ݃ Peso de muestra (80% PEAD - 20% PEBD) De acuerdo a la ecuación 2 y tabla 3.3: ߩ் ൌ ͲǤͻͶͻ ή ͲǤͺͲ ͲǤͻʹͲ ή ͲǤʹͲ ݃ ߩ் ൌ ͲǤͻͶ͵ʹ ܿ݉ଷ De acuerdo a la ecuación 1: ݉ ൌ ͲǤͻͶ͵ʹ ݃ ή ͻܿ݉ଷ ή ͲǤͷ ܿ݉ଷ ݉ ൌ ͶͺǤͺͳ݃ ݉ா ൌ ͵ͻǤͲͷ݃ ݉ா ൌ ͻǤ݃ 44 Peso de muestra (85% PEAD - 15% PEBD) De acuerdo a la ecuación 2 y tabla 3.3: ߩ் ൌ ͲǤͻͶͻ ή ͲǤͺͷ ͲǤͻʹͲ ή ͲǤͳͷ ݃ ߩ் ൌ ͲǤͻͶͶͷ ܿ݉ଷ De acuerdo a la ecuación 1: ݉ ൌ ͲǤͻͶͶͷ ݃ ή ͻܿ݉ଷ ή ͲǤͷ ܿ݉ଷ ݉ ൌ ͶͺǤͺͻ݃ ݉ா ൌ ͶͳǤͷͷ݃ ݉ா ൌ Ǥ͵Ͷ݃ Peso de muestra (90% PEAD-10%PEBD) De acuerdo a la ecuación 2 y tabla 3.3: ߩ் ൌ ͲǤͻͶͻ ή ͲǤͻͲ ͲǤͻʹͲ ή ͲǤͳͲ ݃ ߩ் ൌ ͲǤͻͶͳ ܿ݉ଷ De acuerdo a la ecuación 1: ݉ ൌ ͲǤͻͶͳ ݃ ή ͻܿ݉ଷ ή ͲǤͷ ܿ݉ଷ ݉ ൌ ͶͺǤͻ݃ ݉ா ൌ ͶͶǤͲ݃ ݉ா ൌ ͶǤͻͲ݃ El proceso de mezclado del PEAD y PEBD se realiza en el reómetro bajo las condiciones que se describen en la tabla 3.4. Porcentajes de mezclas del PEAD y PEBD. (Ver ilustraciones en anexo 1) Tabla 3. 4. Condiciones de operación del Reómetro Tiempo de RPM Temperatura Temperatura calentamiento [min] rotores mínima [°C] máxima [°C] 5 50 180 210 Fuente: (Zambrano, 2008) 45 3.3.2.1. Datos obtenidos en el reómetro (Reogramas). En las figuras que se muestran a continuación se observa cómo influye el movimiento de los rotores y la temperatura de la cámara de mezclado del reómetro en el comportamiento de las mezclas de PEAD y PEBD. Las curvas Torque vs. Tiempo muestran un repentino incremento del torque cuando el PEAD y PEBD recién ingresan a la cámara de mezclado; este incremento se debe a que el material aún se encuentra en estado sólido cuando ingresa. Posteriormente la curva comienza a decrecer hasta que se estabiliza; dicho comportamiento se debe a que durante ese transcurso de tiempo el material comienza a fundirse y mezclarse hasta por completo. Por otra parte la curva Temperatura vs. Tiempo presenta una disminución de la temperatura cuando el material ingresa a la cámara para posteriormente volver a la temperatura inicial y estabilizarse, esto se debe principalmente a que el material se encuentra inicialmente a temperatura ambiente y, por transferencia de calor, comienza a calentarse hasta que se funde completamente y se mezcla. En las figuras 3.17, 3.18, 3.19 y 3.20 se observa un incremento en el torque en el transcurso del primer minuto de procesamiento de la mezcla; mientras que en la figura 3.21 disminuye ligeramente. Esta variación en el torque se le puede atribuir a la velocidad con la que se ingresó cada mezcla en la cámara de mezclado; este procedimiento se realizó en forma manual usando un tornillo de compresión. Por otro lado se puede apreciar en la figura 3.21 que representa a la mezcla 90% PEAB 10% PEBD, la curva Temperatura vs tiempo se estabiliza rápidamente si se la compara con las otras mezclas. Finalmente se puede observar que el Torque está directamente relacionado con la temperatura de la mezcla; es decir, a medida que transcurre el tiempo de procesamiento, la temperatura se empieza a estabilizar conforme el torque va disminuyendo la temperatura tiende a permanecer estable. 46 200,000 60 180,000 50 160,000 140,000 Torque [Nm] 40 120,000 100,000 30 80,000 20 M vs t T vs. t 60,000 40,000 10 20,000 0 0,000 0 1 2 3 4 5 Tiempo [min] Figura 3. 17. Mezcla 70% PEAD y 30% PEBD Fuente: Propia 60 200 180 50 160 Torque [Nm] 120 30 100 80 20 60 40 10 20 0 0 0 1 2 3 4 Tiempo [min] Figura 3. 18. Mezcla 75% PEAD y 25% PEBD Fuente: Propia 5 Temperatura [°C] 140 40 M vs t T vs t 47 200 60 180 50 160 Torque [Nm] 120 100 30 80 20 Temperatura [°C] 140 40 M vs t T vs t 60 40 10 20 0 0 0 1 2 3 4 5 Tiempo [min] Figura 3. 19. Mezcla 80% PEAD y 20% PEBD Fuente: Propia 60 200 180 50 160 Torque [Nm] 120 30 100 80 20 60 40 10 20 0 0 0 1 2 3 4 Tiempo [min] Figura 3. 20. Mezcla 85% PEAD y 15% PEBD Fuente: Propia 5 Temperatura [°C] 140 40 M vs t T vs t 50 200 45 180 40 160 35 140 30 120 25 100 20 80 15 60 10 40 5 20 0 Temperatura [°C] Torque [Nm] 48 M vs t T vs t 0 0 1 2 3 4 5 Tiempo [min] Figura 3. 21. Mezcla 90% PEAD y 10% PEBD Fuente: Propia 3.3.3. CARACTERIZACIÓN FÍSICA DE LAS MEZCLAS. 3.3.3.1. Determinación del índice de fluidez de las mezclas (MFI). El índice de fluidez es una prueba reológica básica que se realiza a un polímero para conocer su fluidez. Se define como la cantidad de material (medido en gramos) que fluye en 10 minutos a través del orificio de un dado capilar, manteniendo constantes presión y temperatura estándares. La fluidez del polímero es función de: · Presión utilizada (peso del émbolo) · Diámetro del orificio · Viscosidad del material Este índice es de vital importancia para realizar moldeo por inyección, extrusión, rotomoldeo u otro proceso que implique la elaboración de una pieza termoplástica. 49 La norma (ASTM D-1238, 2010)es comúnmente utilizada para realizar esta operación (Polymer Solutions, 2013). DESCRIPCIÓN DEL PROCESO Consiste en colocar 4 gramos de la mezcla de PEAD – PEBD dentro del medidor del índice de fluidez y en un tiempo determinado el medidor cortará cinco porciones de la mezcla como se muestra en la Figura 3.22, que posteriormente deben ser pesadas. Éstos datos se registran en una tabla de Excel con un formato que fue realizado por el CIAP (Centro de Investigaciones Aplicadas a Polímeros) que calcula el MFI de cada porción y un MFI promedio de la mezcla. Muestra de la mezcla Figura 3. 22. Porciones de mezcla para medir el MFI Fuente: Propia CONDICIONES DE ENSAYO · Carga: 2,16 kg · MVR medio: 10.85 [cm3/10min] · Temperatura: 190°C Estas condiciones de ensayo son recomendadas por la norma ASTM D-1238. Los datos que se obtienen del ensayo son ingresados a la tabla de Excel y se calcula directamente el MFI de cada mezcla. 50 En las tablas que se muestran a continuación están resumidos los resultados obtenidos para la medición del MFI para cada mezcla. Las variables usadas en las siguientes tablas se describen a continuación: ݐ: Tiempo desde que el material ingresa al medidor de MFI hasta que se corta la muestra. ݐ݊݁݅݉ܽݖ݈ܽݏ݁ܦ: Longitud de cada muestra. ܴܸ݁ܯ: Volumen de material de cada muestra [cm3/10min.]. ݀ǣ: Densidad de la mezcla fundida ܫܨܯ: Índice de Fluidez (Melt Flow Index) [g/10min]. Tabla 3. 5. Porcentajes de mezclas 70% (PEAD) – 30% (PEBD) Porción Nº 1 2 3 4 5 t [s] 6.01 6.31 6.03 6.26 6.00 Desplaz. [mm] 1.248 1.305 1.244 1.301 1.239 Peso [g] 0.0600 0.0800 0.0700 0.0700 0.0700 MVRe [cm3/10min] 8.855 8.820 8.804 8.866 8.812 d [g/cm3] 0.676 0.862 0.791 0.757 0.794 MFI med: MFI [g/10min] 5.990 7.607 6.965 6.709 7.000 6.854 Fuente: CIAP Tabla 3. 6. Porcentajes de mezclas 75% (PEAD) – 25% (PEBD) Porción Nº 1 2 3 4 5 t [s] 7.66 7.89 7.56 7.77 7.39 Desplaz. [mm] 1.248 1.305 1.244 1.301 1.239 Peso [g] 0.0700 0.0800 0.0800 0.0900 0.0800 MVRe [cm3/10min] 6.954 7.059 7.021 7.146 7.158 Fuente: CIAP d MFI 3 [g/cm ] [g/10min] 0.788 5.483 0.862 6.084 0.904 6.349 0.973 6.950 0.907 6.495 MFI med: 6.272 51 Tabla 3. 7. Porcentajes de mezclas 80% (PEAD) – 20% (PEBD) Porción Nº 1 2 3 4 5 t [s] 7.01 7.31 7.03 7.26 7.00 Desplaz. [mm] 1.248 1.305 1.244 1.301 1.239 Peso [g] 0.0600 0.0800 0.0700 0.0700 0.0700 MVRe [cm3/10min] 8.855 8.820 8.804 8.866 8.812 d MFI 3 [g/cm ] [g/10min] 0.580 5.136 0.744 6.566 0.679 5.974 0.653 5.785 0.681 6.000 MFI med: 5.892 Fuente: CIAP Tabla 3. 8. Porcentajes de mezclas 85% (PEAD) – 15% (PEBD) Porción Nº 1 2 3 4 5 t [s] 7.31 7.78 7.53 7.79 7.47 Desplaz. [mm] 1.248 1.305 1.244 1.301 1.239 Peso [g] 0.0700 0.0800 0.0800 0.0700 0.0700 MVRe [cm3/10min] 7.442 7.210 7.133 7.172 7.178 d MFI 3 [g/cm ] [g/10min] 0.772 5.746 0.856 6.170 0.894 6.375 0.752 5.392 0.783 5.622 MFI med: 5.861 Fuente: CIAP Tabla 3. 9. Porcentajes de mezclas 90% (PEAD) – 10% (PEBD) Porción Nº 1 2 3 4 5 t [s] 7.08 7.24 7.31 7.34 7.56 Desplaz. [mm] 1.248 1.305 1.244 1.301 1.239 Peso [g] 0.0600 0.0800 0.0700 0.0700 0.0800 MVRe [cm3/10min] 7.480 7.401 7.021 7.033 7.093 d MFI [g/cm3] [g/10min] 0.680 5.085 0.896 6.630 0.818 5.746 0.814 5.722 0.895 6.349 MFI med: 5.906 Fuente: CIAP Tabla 3. 10. MFI de las mezclas de PEAD-PEBD MUESTRAS 70%-30% 75%-25% 80%-20% 85%-15% 90%-10% 6.854 6.272 5.892 5.861 5.708 (PEAD-PEBD) MFI [g/10min] Fuente: Propia 52 Dentro del análisis del índice de fluidez (MFI) se escogió las mezclas que poseen un MFI aceptable, comparados con los MFI de PEAD y PEBD referenciados en las tablas 3.11 a 3.14, y se seleccionaron las mezclas 90%-10% y 80%-20%. Además de considerarse la cercanía en valor de las densidades en estado sólido que son 0.94449 [g/cm3] para la mezcla 90%-10% y 0.94834 [g/cm3] para la mezcla 80%20% (Tabla 3.11). Con el fin de comparar los valores que se obtengan del estudio de las propiedades mecánicas. Para el caso de PEAD y PEBD recuperado se muestran los siguientes datos de índices de fluidez (MFI). Los colores van variando de acuerdo al material que se recicla. · PEAD (Polietileno de Alta Densidad) Tabla 3. 11. Datos Índices de Fluidez PEAD Polietileno de Alta Densidad (PEAD) de Inyección rojo Producto Índice (190°C/2.16Kg): Densidad PEAD ROJO Fluidez 6 - 8 (gr/10min) Igual o Superior a 0.94 (gr/cm3) Jabas, Bandejas Procedencia Fuente: (Polysmart, 2003) Tabla 3. 12. Datos Índices de Fluidez PEAD Polietileno de Alta Densidad (PEAD) de Inyección verde Producto Índice (190°C/2.16Kg): Densidad PEAD VERDE Fluidez 6 - 8 (gr/10min) Procedencia Fuente: (Polysmart, 2003) Igual o Superior a 0.94 (gr/cm3) Jabas, Bandejas 53 Tabla 3. 13. Datos Índices de Fluidez PEAD Polietileno de Alta Densidad (PEAD) de Inyección negro Producto Índice (190°C/2.16Kg): Densidad PEAD NEGRO Fluidez 5 - 7 (gr/10min) Igual o Superior a 0.94 (gr/cm3) Bandejas Procedencia Fuente: (Polysmart, 2003) · PEBD (Polietileno de Baja Densidad) Producto de elevada fluidez, utilizado para la elaboración de juguetes, tapas, etc. Es utilizado en moldeo por inyección con un Índice de Fluidez entre los 17 y 20 gr/10min (método ASTM D-1238 190°C/2.16Kg). Tabla 3. 14. Datos Índices de Fluidez PEAD Polietileno de Baja Densidad (PEBD) de Inyección oscuro Producto Índice (190°C/2.16Kg): Densidad PEAD OSCURO Fluidez 17 - 20 (gr/10min) Procedencia Inferior a 0.94 (gr/cm3) Tapas Fuente: (Polysmart, 2003) 3.3.3.2. Determinación de las densidades de las mezclas sólidas. Para determinar la densidad de cada una de las mezclas se hizo uso de un densímetro y el procedimiento se llevó acabo en base a la norma (ASTM D-792, 2010), a cual recomienda tres ensayos por muestra. Al ser las poliolefinas (PEAD y PEBD) menos densas que el agua, la norma recomienda el uso de alcohol etílico absoluto como líquido de referencia para el desarrollo de dicho ensayo. La densidad referencial del alcohol etílico va depender de la temperatura a la que se encuentre, y se puede obtener acudiendo al manual de operación de la máquina. 54 La densidad final de la mezcla se obtiene a partir de la siguiente fórmula: Ec. 3 ࢾൌ Donde: A: Peso al aire libre del sólido [g] ൈ ࢾ െ B: Peso del sólido sumergido [g] ߜ : Densidad del líquido de referencia como función de la temperatura [g/cm 3] Una vez realizados los ensayos de densidad de cada mezcla se obtiene una densidad promedio: Ec. 4 ࢾΨࡼࡱࡰିΨࡼࡱࡰ ൌ Donde: ࢾ ࢾ ࢾ ҧ : Densidad promedio de las muestras. ߜΨாିΨா ߜଵ : Densidad de la muestra 1. ߜଶ : Densidad de la muestra 2. ߜଷ : Densidad de la muestra 3. CALCULOS: De acuerdo a la ecuación (3) se obtiene los siguientes datos: Mezcla 70% PEAD – 30% PEBD · MUESTRA 1 A=0.2036 g. B=0.0329 g. ߜ̷ଶǤଽι =0.78857 g/cm3 ߜଵ ൌ ͲǤʹͲ͵ሾ݃ሿ ݃ ൈ ͲǤͺͺͷ ቂ ଷ ቃ ሺͲǤʹͲ͵ െ ͲǤͲ͵ʹͻሻሾ݃ሿ ܿ݉ ݃ ߜଵ ൌ ͲǤͻͶͲͷͷ ቂ ଷ ቃ ܿ݉ 55 · MUESTRA 2 A=0.2183 g. B=0.0348 g. ߜ̷ଶଵι =0.78849 g/cm3 · MUESTRA 3 ߜଶ ൌ ͲǤͻ͵ͺͲʹ ቂ ݃ ቃ ܿ݉ଷ ߜଷ ൌ ͲǤͻ͵ͷͳͻ ቂ ݃ ቃ ܿ݉ଷ A=0.2110 g. B=0.0331 g. ߜ̷ଶଵι =0.78849 g/cm3 De acuerdo a la ecuación 4 se obtiene una densidad promedio: ͲǤͻͶͲͷͷ ͲǤͻ͵ͺͲʹ ͲǤͻ͵ͷͳͻ ͵ ݃ ҧ ൌ ͲǤͻ͵ͻʹ ቂ ଷ ቃ ߜିଷ ܿ݉ ҧ ߜିଷ ൌ Mezcla 75% PEAD – 25% PEBD · MUESTRA 1 A=0.2099 g. B=0.0343 g. ߜ̷ଶଵι =0.78849 g/cm3 · MUESTRA 2 A=0.2045 g. ߜଵ ൌ ͲǤͻͶʹͷͲ ቂ ݃ ቃ ܿ݉ଷ B=0.0333 g. ߜ̷ଶଵι =0.78849 g/cm3 ߜଶ ൌ ͲǤͻͶͳͺ ቂ ݃ ቃ ܿ݉ଷ 56 · MUESTRA 3 A=0.2034 g. B=0.0332 g. ߜ̷ଶଵι =0.78849 g/cm3 ҧ ߜହିଶହ Mezcla 80% PEAD – 20% PEBD · ݃ ቃ ܿ݉ଷ ݃ ൌ ͲǤͻͶʹʹʹ ቂ ଷ ቃ ܿ݉ ߜଷ ൌ ͲǤͻͶʹ͵Ͳ ቂ MUESTRA 1 A=0.2152 g. B=0.0338 g. ߜ̷ଶଵι =0.78849 g/cm3 · MUESTRA 2 ߜଵ ൌ ͲǤͻ͵ͷͶͳ ቂ A=0.2176 g. ݃ ቃ ܿ݉ଷ B=0.0345 g. ߜ̷ଶଵǤସι =0.78806 g/cm3 · MUESTRA 3 ߜଶ ൌ ͲǤͻ͵ͷͷ ቂ A=0.2270 g. ݃ ቃ ܿ݉ଷ B=0.0374 g. ߜ̷ଶଵǤସι =0.78806 g/cm3 ݃ ቃ ܿ݉ଷ ݃ ൌ ͲǤͻͶͶͶͻ ቂ ଷ ቃ ܿ݉ ߜଷ ൌ ͲǤͻͶ͵ͷͳ ቂ ҧ ߜ଼ିଶ 57 Mezcla 85% PEAD – 15% PEBD · MUESTRA 1 A=0.2144 g. B=0.0354 g. ߜ̷ଶଵǤହι =0.78806 g/cm3 · MUESTRA 2 ߜଵ ൌ ͲǤͻͶ͵ͻͳ ቂ A=0.2095 g. ݃ ቃ ܿ݉ଷ B=0.0345 g. ߜ̷ଶଵǤହι =0.78806 g/cm3 · MUESTRA 3 ߜଶ ൌ ͲǤͻͶ͵Ͷʹ ቂ A=0.2008 g. ݃ ቃ ܿ݉ଷ B=0.0331 g. ߜ̷ଶଵǤହι =0.77806 g/cm3 ҧ ߜ଼ହିଵହ Mezcla 90% PEAD – 10% PEBD · ݃ ቃ ܿ݉ଷ ݃ ൌ ͲǤͻ͵ͻͷ ቂ ଷ ቃ ܿ݉ ߜଷ ൌ ͲǤͻ͵ͳ͵ ቂ MUESTRA 1 A=0.2187 g. B=0.0358 g. ߜ̷ଶଵι =0.78849 g/cm3 ߜଵ ൌ ͲǤͻͶʹͺʹ ቂ ݃ ቃ ܿ݉ଷ 58 · MUESTRA 2 A=0.2074 g. B=0.0343 g. ߜ̷ଶଵι =0.78849 g/cm3 · MUESTRA 3 ߜଶ ൌ ͲǤͻͶͶ͵ ቂ A=0.2126 g. ݃ ቃ ܿ݉ଷ B=0.0353 g. ߜ̷ଶଵι =0.78849 g/cm3 ݃ ቃ ܿ݉ଷ ݃ ൌ ͲǤͻͶͺ͵Ͷ ቂ ଷ ቃ ܿ݉ ߜଷ ൌ ͲǤͻͶͷͶ ቂ ҧ ߜଽିଵ Tabla 3. 15. Densidades de las mezclas de PEAD-PEBD sólidas MEZCLA 70%–30% 75%-25% 80%-20% 85%-15% 90%-10% 0.93792 0.94222 0.94449 0.93965 0.94834 (PEAD-PEBD) DENSIDAD [g/cm3] Fuente: Propia 3.3.4. PELETIZADO DE LAS MEZCLAS SELECCIONADAS. El peletizado de las mezclas seleccionadas de (PEAD-PEBD) se realiza para obtener pellets de las mezclas. De la misma forma que se procedió en el peletizado de los polietilenos por separado. Se inicia con mezclas de los dos tipos de polietilenos en los porcentajes que se establecieron en la tabla 3.2 Porcentajes de mezclas de PEAD y PEBD, estos ingresan al proceso de extrusión a una temperatura de 180°C. Ésta temperatura es adecuada para fundir las mezclas de PEAD y PEBD sin que se degrade, obteniendo mezclas homogéneas. Las mezclas obtenidas se peletizan y se utilizarán para realizar los elementos a ensayarse. 59 3.3.5. MOLDEADO DE PROBETAS POR INYECCIÓN. El moldeo por inyección es una de las técnicas más utilizadas para el procesamiento de polímeros. Este es un proceso semicontinuo en el cual, por medio de temperatura y presión, el polímero es inyectado dentro de una cavidad conocida como molde de inyección donde se enfría para posteriormente extraer el producto final (M & A, 2009). Para que un polímero pueda ser inyectado se debe elevar la temperatura hasta superar el punto de fusión, que se detalla en el capítulo 2, en la tabla 2.1., esto garantiza que todo el material estará completamente fundido y apto para la inyección. Es recomendable que el polímero a ser usado este en forma de pellets, y que se encuentre completamente libre de impurezas. Es importante tomar en cuenta que no se pueden inyectar todos los polímeros. Para realizar éste procedimiento es necesario considerar el índice de fluidez del mismo. En el caso de las poliolefinas, y en particular del PEAD y PEBD, los índices de fluidez son relativamente altos (ver tabla 3.10) lo que garantiza el llenado de los moldes y la obtención de un producto final de buena calidad. Si bien es cierto que al elevar la temperatura de un polímero, por encima de su punto de fusión, se incrementa su índice de fluidez; se debe tener precaución de no llegar a la temperatura de degradación. El proceso de inyección se llevó a cabo bajo las condiciones que se explica en la tabla 3.16. Condiciones de inyección de la mezcla: Tabla 3. 16. Condiciones de Inyección de la mezcla MEZCLA P. i TEMP. DE LA CÁMARA [°C] T. t t. a V. h [bares] ZONA 1 ZONA 2 ZONA 3 BOQ. [°C] [s] [mm/s] 90-10 40 140 150 150 155 45 0.5 10 80-20 40 140 140 140 145 45 0.5 10 Fuente: Propia 60 Donde: P.I: Presión de Inyección [MPa]. T. t: Temperatura de la Tolva [°C]. t. a: Tiempo de Alimentación [s]. V. h: Velocidad del Husillo [mm/s]. Tabla 3. 17. Perfil de Temperatura PEAD virgen en proceso de inyección Zona PEAD [°C] Alimentación (Zona 1) 170-180 Compresión (Zona 2) 170-200 Dosificación (Zona 3) 180-240 Boquilla 180-240 Fuente: (Roca Girón , 2005) Las temperaturas de inyección se los estableció tomando como referencia las condiciones de inyección del PEAD virgen al ser este el polímero que se halla en mayor proporción dentro de la mezcla y también por presentar parámetros de inyección superiores a los del PEBD. Pero se debe tomar en cuenta que las temperaturas son menores debido a que el material utilizado en el proceso de inyección proviene del reciclaje, por ende sus propiedades han disminuido. El proceso finaliza con la extracción de las probetas, mismas que posteriormente serán de utilidad para la caracterización mecánica de cada una de las mezclas seleccionadas. 61 CAPÍTULO 4 4.1. ESTUDIO DE PROPIEDADES MECÁNICAS. De acuerdo a la aplicación que se le dará al elemento estructural se realizará únicamente el ensayo de flexión basándose en la norma ASTM D-7264. En referencia a la norma mencionada anteriormente, se decidió utilizar el Procedimiento A, debido a que el esfuerzo máximo se encuentra en el centro de la probeta, justo bajo el elemento de aplicación de la fuerza (ASTM D-7264, 2010). El procedimiento consiste en apoyar la probeta en dos soportes y aplicar una carga puntual en la mitad. (ASTM D-7264, 2010) En la figura 4.1 se ilustra el ensayo de flexión y la distancia de separación entre los puntos de apoyo, que para el estudio son 64 [mm]. Figura 4. 1. Procedimiento A: Diagrama de Cargas Fuente: Norma ASTM D7264 4.1.1. ESFUERZO MÁXIMO A LA FLEXIÓN. Cuando una viga simplemente apoyada de material elástico homogéneo es sometida a una prueba de flexión bajo una carga puntual ubicada en la mitad de la misma, el esfuerzo máximo en la superficie externa ocurre en la mitad del tramo. El esfuerzo puede ser calculado para cualquier punto de la curva de carga vs deflexión por la siguiente ecuación 5: Ec. 5 ࣌ൌ ࡼࡸ ࢈ࢎ 62 Donde: ߪ: Esfuerzo máximo en la superficie externa [MPa]. P= Fuerza aplicada [N]. L= Distancia entre puntos de apoyo: 64 [mm]. (ASTM D-7264, 2010) b= Ancho de la viga [mm]. h= Espesor de la viga [mm]. 4.1.2. DEFORMACIÓN UNITARIA. La deformación unitaria en la superficie externa también ocurre en la mitad de la probeta y puede ser calculada con la siguiente ecuación: Ec. 6 Donde: ࣕൌ ߳: Deformación unitaria máxima [mm/mm]. ࢾࢎ ࡸ ߜ: Deflexión [mm]. L: Distancia entre puntos de apoyo: 64 [mm]. (ASTM D-7264, 2010) h: Ancho de la probeta [mm] 4.1.3. MÓDULO DE FLEXIÓN. El módulo de elasticidad a la flexión se calcula de acuerdo a la siguiente ecuación: Ec. 7 Donde: ࡸ ࡱࢌ ൌ ࢈ࢎ E: Módulo de elasticidad a la flexión [MPa]. L: Distancia entre puntos de apoyo: 64 [mm]. (ASTM D-7264, 2010) b: Ancho de la probeta [mm]. h: Espesor de la probeta [mm]. m: Pendiente de la curva Esfuerzo vs Deformación. 63 4.1.4. DATOS ESTADÍSTICOS. Para analizar los datos obtenidos de los ensayos, la norma recomienda realizar el calcular la media aritmética, la desviación estándar y el coeficiente de variación para cada mezcla determinada: 4.1.4.1. Media Aritmética. Es el promedio aritmético de los datos muestrales. Ec. 8 ഥ ൌ ൭ ࢞ ൱ ࢞ ୀ Donde: ݔҧ : Media aritmética. ݔ : Valores de las propiedades medidas. n: número de probetas. 4.1.4.2. Desviación Estándar. Permite determinar con un buen grado de precisión donde están localizados los valores, con relación a la media. Ec. 9 σ ሺ࢞ െ ࢞ ഥሻ ࡿ ൌ ඨ ୀ Donde: ܵିଵ: Desviación estándar estimada. ݔҧ : Media aritmética. ݔ : Valores de las propiedades medidas. n: número de probetas. 4.1.4.3. Coeficiente de Variación. Es una de las medidas relativas de dispersión, que relaciona la desviación estándar y la media. 64 Ec. 10 Donde: ࢂ ൌ ൈ CV: Coeficiente de variación en porcentaje. ࡿି ഥ ࢞ ܵିଵ: Desviación estándar estimada. ݔҧ : Media aritmética. 4.2. CÁLCULOS EN LA ZONA ELÁSTICA DE LA CURVA CARGA VS DEFLEXIÓN. Basándose en la norma (ASTM D-7264, 2010) se realiza los cálculos con el fin de obtener el esfuerzo máximo a la flexión, la deformación unitaria y el módulo de flexión. 4.2.1. CÁLCULO DE LA PENDIENTE DE LA RECTA TANGENTE A LA CURVA CARGA VS DEFLEXIÓN EN LA ZONA ELÁSTICA. La pendiente de la curva carga vs deflexión se calcula de acuerdo a lo estipulado en la norma (ASTM D-7264, 2010). Se calcula la pendiente porque la misma es utilizada para los cálculos posteriores del esfuerzo máximo a la flexión. En el caso de materiales que muestran un comportamiento lineal inicial, la determinación del módulo de rigidez elástica puede concretarse de la siguiente manera: 1. Se traza una continuación de la región lineal (CD) que se construye a través del eje cero. 2. Esta intersección (B) es el punto cero de deformación corregido del cual todas las deformaciones se deben medir. 3. La pendiente puede ser determinada dividiendo el cambio en el esfuerzo entre dos puntos a lo largo de la línea CD. CARGA 65 DEFLEXIÓN Figura 4. 2. Material con una Región de Hooke Fuente: Norma ASTM D7264 Ec. 11 ࡱ ൌ ࡲ െ ࡲ ࢾ െ ࢾ Donde: ݉ா : Pendiente de la recta tangente a la curva carga vs deflexión en la zona elástica. ܨଵ : Carga inicial. ܨଶ : Carga final. ߜଵ : Deflexión inicial. ߜଶ : Deflexión final. En la figura 4.3 que se muestra a continuación, están señalados los puntos que representan las cargas y deflexiones que se tomarán en cuenta para el cálculo de la pendiente de la recta tangente a la curva carga vs deflexión en la zona elástica. 66 CARGA [N] Mezcla 80% PEAD - 20% PEBD F2 F1 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 δ1 δ2 DEFLEXIÓN [mm] Figura 4. 3. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°1 Fuente: Propia EJEMPLO DE CÁLCULO ߜଶ ൌ ͶǤʹሾ݉݉ሿߜଵ ൌ ͲǤͷሾ݉݉ሿ ܨଶ ൌ ͳǤሾܰሿܨଵ ൌ Ͳሾܰሿ Entonces: ݉ா ൌ ݉ா ൌ ܨଶ െ ܨଵ ߜଶ െ ߜଵ ͳǤ െ Ͳ ͶǤʹ െ ͲǤͷ ݉ா ൌ ͶǤͷͳ El mismo proceso se realizará para las curvas restantes que se obtuvieron del ensayo de flexión, para las mezclas 80% PEAD - 20% PEBD y 90% PEAD - 10% PEBD. 67 CARGA [N] 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 DEFLEXIÓN [mm] Figura 4. 4. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°2 Fuente: Propia CARGA [N] ݉ா ൌ ͵Ǥ 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 DEFLEXIÓN [mm] Figura 4. 5. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°3 Fuente: Propia ݉ா ൌ ͶǤͷͳ CARGA [N] 68 40 38 36 34 32 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 DEFLEXIÓN [mm] Figura 4. 6. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°4 Fuente: Propia CARGA [N] ݉ா ൌ ǤͲ 48 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 DEFLEXIÓN [mm] Figura 4. 7. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°5 Fuente: Propia ݉ா ൌ Ǥ͵ͷ 69 CARGA [N] Mezcla 90% PEAD - 10% PEBD 56 52 48 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 DEFLEXIÓN [mm] Figura 4. 8. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°1 Fuente: Propia CARGA [N] ݉ா ൌ Ǥͺ 56 52 48 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 DEFLEXIÓN [mm] Figura 4. 9. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°2 Fuente: Propia ݉ா ൌ ͷǤ͵ CARGA [N] 70 52 48 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 DEFLEXIÓN [mm] Figura 4. 10. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°3 Fuente: Propia ݉ா ൌ ͻǤ͵ʹ 44 40 36 CARGA [N] 32 28 24 20 16 12 8 4 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 DEFLEXIÓN [mm] Figura 4. 11. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°4 Fuente: Propia ݉ா ൌ ǤͶͺ CARGA [N] 71 48 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 DEFLEXIÓN [mm] Figura 4. 12. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°5 Fuente: Propia ݉ா ൌ ͳͳǤ En las figuras 4.3 a 4.12 se tienen las curvas carga vs deflexión, que muestran un límite superior a partir del cual la carga aplicada comienzan a descender. En la tabla que se muestra a continuación se resumen las cargas últimas alcanzadas por cada una de las probetas (Ver Anexo 2). También se puede observar que todas las curvas carga vs deflexión obtenidas presentan una región de Hooke, como se describe en la Norma ASTM D7264 haciendo referencia a la figura 4.2. Esta condición es fundamental para los cálculos realizados anteriormente ya que de este modo se puede determinar la pendiente de la curva trazando una recta secante a la misma. Los resultados obtenidos con el cálculo de la pendiente de la recta tangente a la curva carga vs deflexión permiten determinar posteriormente el módulo de elasticidad de cada mezcla; esta es una de la propiedades requeridas para la simulación del ensayo a flexión y por consiguiente del elemento estructural. Adicionalmente los esfuerzos últimos a flexión que alcanzaron las probetas de cada mezcla permitirán realizar una comparación entre los resultados obtenidos en la simulación y los resultados arrojados por los ensayos. 72 Tabla 4. 1. Cargas últimas para mezclas 80%PEAD-20%PEBD y 90%PEAD-10%PEBD CARGAS MÁXIMAS EN LAS CURVAS CARGA VS. DEFLEXIÓN [N] ELEMENTO MEZCLA 80%PEAD-20% PEBD MEZCLA 90% PEAD-10%PEBD PROBETA 1 28.2 43.8 PROBETA 2 25.9 43.1 PROBETA 3 28.7 40.9 PROBETA 4 43.5 30.1 PROBETA 5 30.1 28.7 MEDIA 31.28 37.32 Fuente: Propia Con los datos obtenidos y resumidos en la tabla 4.1. Esfuerzos últimos para mezclas 80% PEAD-20%PEBD y 90%PEAD-10%PEBD, se puede concluir que la mezcla 90%-10% soporta cargas más altas comparadas con la mezcla 80%-20%, esto se debe a que en su composición, la mezcla contiene mayor porcentaje de PEAD, proporcionándole a la misma, características de rigidez; mientras el porcentaje de PEBD proporcionará más flexibilidad a la mezcla. Por lo tanto la mezcla 90%PEAD-10%PEBD se considera como una mezcla óptima para realizar las probetas y posteriormente utilizarla como material en las simulaciones que se realizarán. 4.2.2. CÁLCULO DEL ESFUERZO MÁXIMO A LA FLEXIÓN. Para el cálculo del esfuerzo máximo a la flexión es necesario conocer el ancho y los espesores de las probetas que serán sometidas a ensayos. Tabla 4. 2. Dimensiones de probetas-Mezcla 80%PEAD-20%PEBD PROBETA PROBETA PROBETA PROBETA PROBETA 1 2 3 4 5 ESPESOR [mm] 4.05 4.05 4.08 4.63 4.72 ANCHO [mm] 12.96 12.92 12.92 12.99 13.10 Fuente: Propia 73 Tabla 4. 3. Dimensiones de probetas-Mezcla 90%PEAD-10%PEBD PROBETA PROBETA PROBETA PROBETA PROBETA 1 2 3 4 5 ESPESOR [mm] 4.5 4.5 4.36 4.12 4.2 ANCHO [mm] 13.1 13.02 13.06 13.01 13.06 Fuente: Propia El cálculo se realizará conforme a la ecuación 5 de la norma ASTM D7264: ߪൌ MEZCLA 80% PEAD - 20% PEBD · · · · · PROBETA 1: PROBETA 2: PROBETA 3: PROBETA 4: PROBETA 5: ͵ܲܮ ʹܾ݄ଶ ߪൌ ͵ ൈ ͵ʹǤ ൈ Ͷ ʹ ൈ ͳʹǤͻ ൈ ͶǤͲͷଶ ߪൌ ͵ ൈ ͵Ͳ ൈ Ͷ ʹ ൈ ͳʹǤͻʹ ൈ ͶǤͲͷଶ ߪൌ ͵ ൈ ͵͵Ǥ͵ ൈ Ͷ ʹ ൈ ͳʹǤͻʹ ൈ ͶǤͲͺଶ ߪൌ ͵ ൈ ͵Ǥ ൈ Ͷ ʹ ൈ ͳʹǤͻͻ ൈ ͶǤ͵ଶ ߪൌ ͵ ൈ Ͷͷ ൈ Ͷ ʹ ൈ ͳ͵ǤͳͲ ൈ ͶǤʹଶ ߪ ൌ ͳͶǤሾܽܲܯሿ ߪ ൌ ͳ͵Ǥͷͻሾܽܲܯሿ ߪ ൌ ͳͶǤͺሾܽܲܯሿ ߪ ൌ ͳʹǤͷሾܽܲܯሿ ߪ ൌ ͳͶǤͺͲሾܽܲܯሿ 74 MEZCLA 90% PEAD - 10% PEBD · · · · · PROBETA 1: PROBETA 2: PROBETA 3: PROBETA 4: PROBETA 5: ߪൌ ͵ ൈ ͷͲǤͺ ൈ Ͷ ʹ ൈ ͳ͵Ǥͳ ൈ ͶǤͷଶ ߪൌ ͵ ൈ ͷͲ ൈ Ͷ ʹ ൈ ͳ͵ǤͲʹ ൈ ͶǤͷଶ ߪ ൌ ͳͺǤ͵ͺሾܽܲܯሿ ߪ ൌ ͳͺǤʹͳሾܽܲܯሿ ߪൌ ͵ ൈ ͶǤͷ ൈ Ͷ ʹ ൈ ͳ͵ǤͲ ൈ ͶǤ͵ଶ ߪൌ ͵ ൈ ͵ͻǤʹ ൈ Ͷ ʹ ൈ ͳ͵ǤͲͳ ൈ ͶǤͳʹଶ ߪ ൌ ͳͺǤ͵ሾܽܲܯሿ ߪ ൌ ͳǤͲͶሾܽܲܯሿ ߪൌ ͵ ൈ ͶͶǤʹ ൈ Ͷ ʹ ൈ ͳ͵ǤͲ ൈ ͶǤʹଶ ߪ ൌ ͳͺǤͶʹሾܽܲܯሿ 4.2.3. CÁLCULO DE LA DEFORMACIÓN UNITARIA. Para de deformación unitaria se necesitará la deformación media que se obtiene en el eje x de la curva Esfuerzo-Deformación. De acuerdo a la ecuación 6 la deformación unitaria de las mezclas se describe a continuación: ߳ൌ ߜ݄ ܮଶ 75 MEZCLA 80% PEAD - 20% PEBD · PROBETA 1: ൈ ͵Ǥ ൈ ͶǤͲͷ ሺͶሻଶ ݉݉ ߳ ൌ ͲǤͲʹʹ ቂ ቃ ݉݉ ߳ൌ · PROBETA 2: ൈ ͶǤ͵ ൈ ͶǤͲͷ ሺͶሻଶ ݉݉ ቃ ߳ ൌ ͲǤͲʹ ቂ ݉݉ ߳ൌ · PROBETA 3: ൈ ͵Ǥͳͷ ൈ ͶǤͲͺ ሺͶሻଶ ݉݉ ߳ ൌ ͲǤͲͳͻ ቂ ቃ ݉݉ ߳ൌ · PROBETA 4: ൈ ͳǤͷ ൈ ͶǤ͵ ሺͶሻଶ ݉݉ ߳ ൌ ͲǤͲͲͳͳ ቂ ቃ ݉݉ ߳ൌ · PROBETA 5: ൈ ʹǤʹͷ ൈ ͶǤʹ ሺͶሻଶ ݉݉ ߳ ൌ ͲǤͲͳ ቂ ቃ ݉݉ ߳ൌ MEZCLA 90% PEAD - 10% PEBD · PROBETA 1: ൈ ʹǤʹ ൈ ͶǤͷ ሺͶሻଶ ݉݉ ߳ ൌ ͲǤͲͳ ቂ ቃ ݉݉ ߳ൌ 76 · PROBETA 2: ൈ ͳǤͶͺ ൈ ͶǤͷ ሺͶሻଶ ݉݉ ቃ ߳ ൌ ͲǤͲͳ ቂ ݉݉ ߳ൌ · PROBETA 3: ൈ ʹǤͷ ൈ ͶǤ͵ ሺͶሻଶ ݉݉ ቃ ߳ ൌ ͲǤͲͳ ቂ ݉݉ ߳ൌ · PROBETA 4: ൈ ʹǤ͵ ൈ ͶǤͳʹ ሺͶሻଶ ݉݉ ߳ ൌ ͲǤͲͳͶ ቂ ቃ ݉݉ ߳ൌ · PROBETA 5: ൈ ʹǤͳͶ ൈ ͶǤʹ ሺͶሻଶ ݉݉ ߳ ൌ ͲǤͲͳ͵ ቂ ቃ ݉݉ ߳ൌ 4.2.4. CÁLCULO DEL MÓDULO DE FLEXIÓN. Para el cálculo del módulo de flexión se utilizará la pendiente calculada en la curva Esfuerzo vs Deformación, el ancho, el espesor de cada probeta y nos basaremos en la ecuación 7. ܧ ൌ MEZCLA 80% PEAD - 20% PEBD · ܮଷ ݉ Ͷܾ݄ଷ PROBETA 1: ሺͶሻଷ ൈ ͶǤͷͳ ܧ ൌ Ͷ ൈ ͳʹǤͻ ൈ ሺͶǤͲͷሻଷ ܧ ൌ ͵Ͷ͵Ǥ͵ͳሾܽܲܯሿ 77 · · · · PROBETA 2: PROBETA 3: PROBETA 4: PROBETA 5: ܧ ൌ ሺͶሻଷ ൈ ͵Ǥ Ͷ ൈ ͳʹǤͻʹ ൈ ሺͶǤͲͷሻଷ ܧ ൌ ሺͶሻଷ ൈ ͶǤͷͳ Ͷ ൈ ͳʹǤͻʹ ൈ ሺͶǤͲͺሻଷ ܧ ൌ ሺͶሻଷ ൈ ǤͲ Ͷ ൈ ͳʹǤͻͻ ൈ ሺͶǤ͵ሻଷ ܧ ൌ ሺͶሻଷ ൈ Ǥ͵ͷ Ͷ ൈ ͳ͵ǤͳͲ ൈ ሺͶǤʹሻଷ ܧ ൌ ʹͺͲǤʹ͵ሾܽܲܯሿ ܧ ൌ ͵͵Ǥͺ͵ሾܽܲܯሿ ܧ ൌ ͵ͲͺǤͲͶሾܽܲܯሿ ܧ ൌ ͵ͲʹǤͳͲሾܽܲܯሿ MEZCLA 90% PEAD - 10% PEBD · · · PROBETA 1: PROBETA 2: PROBETA 3: ܧ ൌ ሺͶሻଷ ൈ Ǥͺ Ͷ ൈ ͳ͵Ǥͳ ൈ ሺͶǤͷሻଷ ܧ ൌ ሺͶሻଷ ൈ ͷǤ͵ Ͷ ൈ ͳ͵ǤͲʹ ൈ ሺͶǤͷሻଷ ܧ ൌ ሺͶሻଷ ൈ ͻǤ͵ʹ Ͷ ൈ ͳ͵ǤͲ ൈ ሺͶǤ͵ሻଷ ܧ ൌ ͶʹǤͳʹሾܽܲܯሿ ܧ ൌ ͵ͶͳǤͻͳሾܽܲܯሿ ܧ ൌ ͷͳͶǤͺͳሾܽܲܯሿ 78 · · PROBETA 4: ܧ ൌ ሺͶሻଷ ൈ ǤͶͺ Ͷ ൈ ͳ͵ǤͲͳ ൈ ሺͶǤͳʹሻଷ ܧ ൌ ሺͶሻଷ ൈ ͳͳǤ Ͷ ൈ ͳ͵ǤͲ ൈ ሺͶǤʹሻଷ ܧ ൌ ͶǤͷሾܽܲܯሿ PROBETA 5: ܧ ൌ ͺͻǤͷሾܽܲܯሿ Con los datos obtenidos del esfuerzo máximo a la flexión, deformación unitaria y módulo de flexión de las 5 probetas ensayadas de acuerdo como dicta la norma (ASTM D-7264, 2010), se realizará un promedio de los datos calculados y se realizará el cálculo de los datos estadísticos, los cuales están resumidos en las siguientes tablas: De acuerdo a la ecuación 8 el ejemplo de cálculo de la media aritmética se muestra a continuación: MEZCLA 80% PEAD – 20% PEBD ݔҧఢሺ଼ିଶሻ ହ ͳ ൌ ൭ሺͲǤͲʹʹ ͲǤͲʹ ͲǤͲͳͻ ͲǤͲͳͳ ͲǤͲͳሻ൱ ͷ ୀଵ ݔҧఢሺ଼ିଶሻ ൌ ͲǤͲͳͺͺ ቂ MEZCLA 90% PEAD – 10% PEBD ݔҧఢሺଽିଵሻ ݉݉ ቃ ݉݉ ହ ͳ ൌ ൭ሺͲǤͲͳ ͲǤͲͳ ͲǤͲͳ ͲǤͲͳͶ ͲǤͲͳ͵ሻ൱ ͷ ୀଵ ݔҧఢሺଽିଵሻ ൌ ͲǤͲͳͶ ቂ ݉݉ ቃ ݉݉ 79 Tabla 4. 4. Resumen de datos obtenidos-Mezcla 80%PEAD-20%PEBD MEZCLA 80%PEAD20%PEBD σ [Mpa] ϵ E [Mpa] PROBETA 1 PROBETA 2 PROBETA 3 PROBETA 4 PROBETA 5 14.77 13.59 14.86 12.65 14.8 0.022 0.026 0.019 0.011 0.016 343.31 280.23 336.83 308.04 302.1 Fuente: Propia Tabla 4. 5. Propiedades Mecánicas Mezcla 80%PEAD-20%PEBD MEZCLA 80%PEAD20%PEBD ഥ) PROMEDIO (࢞ DESV. ESTANDAR COEF. VARIACION (%) σ [Mpa] ϵ E [Mpa] 14.134 0.8801 6.227 0.0188 0.0051 27.21 314.102 23.2283 7.40 Fuente: Propia Tabla 4. 6. Resumen de datos obtenidos-Mezcla 90%PEAD-10%PEBD MEZCLA 90%PEAD10%PEBD σ [Mpa] ϵ E [Mpa] PROBETA 1 PROBETA 2 PROBETA 3 PROBETA 4 PROBETA 5 18.38 18.21 18.37 17.04 18.42 0.017 0.01 0.016 0.014 0.013 427.12 341.91 514.81 466.75 789.75 Fuente: Propia Tabla 4. 7. Propiedades Mecánicas Mezcla 90%PEAD-10%PEBD MEZCLA 90%PEAD10%PEBD ഥ) PROMEDIO (࢞ DESV. ESTANDAR COEF. VARIACION (%) σ [Mpa] ϵ E [Mpa] 18.084 0.5269 2.91 0.014 0.0024 17.50 508.068 151.8278 29.88 Fuente: Propia 80 Como se puede apreciar en los datos resumidos en las tablas 4.5 y 4.7 la mezcla 90% PEAD – 10% PEBD posee un módulo de elasticidad mayor que el de la mezcla 80% PEAD - 10% PEBD y el esfuerzo máximo a la flexión soportado por la primera mezcla es mayor que en el caso de la segunda. Por estas razones se decidió tomar a la misma como la mezcla adecuada para el pre-diseño de los elementos estructurales que se proponen en este estudio. Es importante mencionar que el paquete informático ANSYS requiere ciertos parámetros para ejecutar las simulaciones, los mismos que dependerán del módulo de trabajo (Component Systems) que se seleccione, entendiéndose al mismo como la interfaz de pre-procesamiento del programa. Estos módulos tienen relación directa con el fenómeno a ser estudiado, y su correcta interpretación; tanto física como mecánica, permite establecer criterios de limitación en las propiedades que se analicen y por consiguiente, los resultados que se obtengan en el post-procesamiento. En el caso particular de este proyecto, se seleccionó el módulo de trabajo: Estructural Estático que se usará para ejecutar la simulación del elemento estructural y del ensayo a flexión. En el capítulo 5 se justificará el uso de cada uno de los módulos de simulación y el uso que se dará a cada uno de los datos obtenidos en este capítulo. 4.3. CÁLCULOS EN LA ZONA PLÁSTICA DE LA CURVA CARGA VS DEFLEXIÓN. Los cálculos que se realizan a continuación permiten determinar el módulo tangencial de la mezcla 90% PEAD - 10% PEBD en la zona plástica de la curva carga vs deflexión. Esta zona se identifica como aquella sección de la curva en la cual se produce un evidente descenso en la pendiente de la misma, hasta llegar a un valor de cero, a partir del cual se vuelve negativa. 81 4.3.1. CÁLCULO DE LA PENDIENTE DE LA RECTA TANGENTE A LA CURVA ESFUERZO VS DEFLEXIÓN EN LA ZONA PLÁSTICA Ec. 12 ݉ ൌ ܨଶ െ ܨଵ ߜଶ െ ߜଵ Donde: ݉ : Pendiente de la recta tangente a la curva carga vs deflexión en la zona plástica. ܨଵ : Carga inicial. ܨଶ : Carga final. ߜଵ : Deflexión inicial. ߜଶ : Deflexión final. En la figura 4.13 que se muestra a continuación están definidos los puntos que representan las cargas y deflexiones pertenecientes a la recta tangente a la curva Carga vs Deflexión en la zona plástica. En esta gráfica la recta de color rojo es aquella cuya pendiente determina el valor del módulo tangencial para la probeta 1; mientras que la recta de color naranja determina el valor de la pendiente con la cual de calcula el módulo tangencial de dicha probeta. La recta tangente a la curva tiene un punto de intersección con la recta secante a la misma; este punto representa el límite de fluencia del material. Con estas dos rectas se pretende aproximar el comportamiento elasto-plástico del material con un modelo bilineal de endurecimiento isotrópico; y usar el mismo para la simulación con ANSYS. 82 MEZCLA 90% PEAD - 10% PEBD 56 F2 52 CARGA [N] F1 48 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0 mP mE 0 1 2 3 4 5 6 7 δ1 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 DEFLEXIÓN [mm] Figura 4. 13. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°1 Fuente: Propia EJEMPLO DE CÁLCULO ߜଶ ൌ ͳሾ݉݉ሿߜଵ ൌ ͻǤͶሾ݉݉ሿ ܨଶ ൌ ͶͺǤͷሾܰሿܨଵ ൌ Ͷͷሾܰሿ Reemplazando en la ecuación 12: ݉ ൌ ݉ ൌ ܨଶ െ ܨଵ ߜଶ െ ߜଵ ͶͺǤͷ െ Ͷͷ ͳ െ ͻǤͶ ݉ ൌ ͲǤͶ δ2 CARGA [N] 83 56 52 48 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 DEFLEXIÓN [mm] Figura 4. 14. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°2 Fuente: Propia CARGA [N] ݉ ൌ ͲǤ͵ͺ 52 48 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 DEFLEXIÓN [mm] Figura 4. 15. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°3 Fuente: Propia ݉ ൌ ͲǤʹͶ 84 44 40 36 CARGA [N] 32 28 24 20 16 12 8 4 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 DEFLEXIÓN [mm] Figura 4. 16. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°4 Fuente: Propia CARGA [N] ݉ ൌ ͲǤʹͺ 48 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 DEFLEXIÓN [mm] Figura 4. 17. Curva Carga vs Deflexión Probeta N°5 Fuente: Propia ݉ ൌ ͲǤʹͺ 85 En las figuras 4.13 a la 4.17 se puede observar que las rectas que representan el módulo tangencial de cada probeta intersecan las curvas de modo que una gran sección de cada curva sea secante a la recta. Con esto de espera aproximar de la mejor manera un modelo bilineal con endurecimiento isotrópico que emule el comportamiento del material. 4.3.2. CÁLCULO DEL MÓDULO TANGENCIAL. Para el cálculo del módulo tangencial se utilizará las pendientes calculadas en las curvas Esfuerzo vs Deformación en la zona plástica; mismas que se determinaron en las figuras 4.13 a la 4.17, el ancho, el espesor de cada probeta y nos basaremos en la ecuación 7. MEZCLA 90% PEAD - 10% PEBD · · · ܮଷ ݉ ܩൌ Ͷܾ݄ଷ PROBETA 1: PROBETA 2: PROBETA 3: ܩଵ ൌ ሺͶሻଷ ൈ ͲǤͶ Ͷ ൈ ͳ͵Ǥͳ ൈ ሺͶǤͷሻଷ ܩଶ ൌ ሺͶሻଷ ൈ ͲǤ͵ͺ Ͷ ൈ ͳ͵ǤͲʹ ൈ ሺͶǤͷሻଷ ܩଵ ൌ ʹͷǤʹͷሾܽܲܯሿ ܩଶ ൌ ʹͳሾܽܲܯሿ ሺͶሻଷ ൈ ͲǤʹͶ ܩଷ ൌ Ͷ ൈ ͳ͵ǤͲ ൈ ሺͶǤ͵ሻଷ · PROBETA 4: ܩଷ ൌ ͳͶǤͷ͵ሾܽܲܯሿ ܩସ ൌ ሺͶሻଷ ൈ ͲǤʹͺ Ͷ ൈ ͳ͵ǤͲͳ ൈ ሺͶǤͳʹሻଷ ܩସ ൌ ʹͲǤͳሾܽܲܯሿ 86 · PROBETA 5: ܩହ ൌ ሺͶሻଷ ൈ ͲǤʹͺ Ͷ ൈ ͳ͵ǤͲ ൈ ሺͶǤʹሻଷ ܩହ ൌ ͳͻሾܽܲܯሿ En la tabla 4.8 se muestra el resumen de los resultados obtenido de los módulos tangenciales para la mezcla 90%PEAD – 10%PEBD para cada una de las probetas, mientras que en la tabla 4.9 se muestra el valor promedio del módulo tangencial para la mezcla. Tabla 4. 8. Resumen de datos obtenidos-Mezcla 90%PEAD-10%PEBD MEZCLA 90%PEAD10%PEBD G [Mpa] PROBETA 1 PROBETA 2 PROBETA 3 PROBETA 4 PROBETA 5 25.25 21 14.53 20.17 19 Fuente: Propia Tabla 4. 9. Módulo tangencial Mezcla 90%PEAD-10%PEBD MEZCLA 90%PEAD10%PEBD ഥ) PROMEDIO (࢞ Fuente: Propia G [Mpa] 20 87 CAPÍTULO 5 5.1. PRE-DISEÑO DEL ELEMENTO. Para el pre-diseño del elemento estructural se debe considerar el servicio que va a prestar. Este tipo de elementos están dirigidos principalmente a la industria agrícola y florícola, cuya funcionalidad es la de actuar como elementos de soporte para guías de plantaciones. 5.1.1. CONSIDERACIONES DE SERVICIO. En base a los criterios mencionados anteriormente se ha tomado como referencia a las plantaciones de rosas de la especie de las GYPSOPHILAS (Dirección de Investigación comercial e Inversiones, 2011), las que se cultivan con más frecuencia en el Ecuador. Las características tomadas en cuenta; en base a requerimientos estructurales, son las siguientes: - Peso de la planta - Exigencia estructural - Densidad de plantación - Frecuencia de cultivo En la siguiente tabla se presentan las características principales, en lo que tiene que ver a estructura de soporte, para el cultivo de este tipo de plantas: Tabla 5. 1. Características de cultivo TIPO DE PLANTA Rosas especie GYPSOPHILAS PESO DE PLANTA MADURA [kg.] 0.026 DENSIDAD DE CULTIVO [plantas/m2] 12 ESPACIO ENTRE PLANTAS [m] 0.18 - 0.25 Fuente: (Catrileo, 2008) ESPACIO ENTRE PILOTES [m] 3 ANCHO DE CAMA [m] 0.9 88 De la tabla anterior se tiene que entre pilotes caben entre 32 plantas (Catrileo, 2008) de rosas por lo que el peso que tiene que soportar cada cable de soporte es de 832[g]. Este cálculo se lo realizó del siguiente modo: Ec. 12 ࡺ ൌ ࡱൈࢋൈࡰ Donde: N = Número de plantas entre pilotes E = Espacio entre pilotes e = Ancho de cama D = Densidad de cultivo Por lo tanto se tiene que, ܰ ൌ ʹǡͻሾ݉ሿ ൈ ͲǤͻሾ݉ሿ ൈ ͳʹሾݏܽݐ݈݊ܽȀ݉ଶ ሿ ܰ ൌ ͵ʹሾݏܽݐ݈݊ܽሿ El número total de plantas se dividen en dos filas como se indica en las recomendaciones de cultivo (Catrileo, 2008), por lo que a cada lado caben 14 plantas sujetas de un solo alambre central. El peso que deben soportar los alambres se calcula del siguiente modo: Ec. 13 ࡹ ൌࡺൈ Donde: M = Peso total N = Número de plantas p = peso individual de cada planta Por lo tanto se tiene que: ܯൌ ͵ʹሾݏܽݐ݈݊ܽሿ ൈ ͲǤͲʹሾ݇݃Ȁܽݐ݈݊ܽሿ ܯൌ ͲǤͺ͵ʹሾ݇݃ሿ 89 5.1.1.1. Tensión en Pilotes. Cada una de las plantas deben ir sujetas a un alambre guía el cual; a su vez, va sujeto en sus extremos a los pilotes. Se puede asumir que se tiene una carga puntual ubicada en la parte media del cable que represente las cargas distribuidas de cada una de las plantas de rosas. Esta carga P es igual al peso de cada planta multiplicado por dos, debido a que se tienen dos filas de dieciséis plantas dispuestas una frente a la otra . En la figura que se muestra a continuación esta esquematizada la disposición de los pilotes y el alambre guía sujeto de los mismos: 3000 187 P P P P P P P P P P P P P P 1000 P Figura 5. 1. Esquema de disposición de pilotes y plantas Fuente: Propia En general se usan alambres de acero galvanizado de 0.7 [mm.] de diámetro nominal con un peso de 3.2 [g/m] (Laberintos vivero jardín). El valor de la carga P es de 0.052 [kg]. Como se puede apreciar se trata de un cable sometido a cargas concentradas por lo que este es el criterio que se usará para efectos de cálculos. El cálculo de la tensión en los extremos del cable se realiza del siguiente modo (Beer & Russell Johnston, 1993): 90 · Diagrama del sólido libre: cable completo 3000 Ay Bx D C B yD Ax C y A By P P P P P P P x1 x2 x3 x4 P P P P P x5 x6 x7 x8 x9 x10 P P P x11 x12 x13 x14 x15 0 Figura 5. 2. Diagrama del sólido libre del cable completo Fuente: Propia ք ࡹ ൌ െܣ௬ ሺܮሻ ܲሺݔଵହ ሻ ܲሺݔଵସ ሻ ڮ ܲሺݔଵ ሻ ൌ Ͳ െܣ௬ ሺܮሻ ܲሺݔଵହ ݔଵସ ڮ ݔଵ ሻ ൌ Ͳ Reemplazando valores tenemos: െܣ௬ ሺ͵ሻሾ݉ሿ ሺͲǤͲͷʹሻሾ݂݇݃ሿሺʹǤͺͳʹͷ ʹǤʹͷ ʹǤͶ͵ͷ ʹǤʹͷ ʹǤͲʹͷ ͳǤͺͷ ͳǤͺͷ ͳǤͷ ͳǤ͵ͳʹͷ ͳǤͳʹͷ ͲǤͻ͵ͷ ͲǤͷ ͲǤͷʹͷ ͲǤ͵ͷ ͲǤͳͺͷሻሾ݉ሿ ൌ Ͳ ܣ௬ ൌ ሺͲǤͲͷʹሾ݂݇݃ሿሻሺʹʹǤͷሾ݉ሿሻ ͵ሾ݉ሿ ܣ௬ ൌ ͲǤ͵ͻሾ݂݇݃ሿ 91 · Diagrama del sólido libre: Sección A-K Ay Ax h C P E P F P G H P P I J P P K xj P xi xh xg xf xe xc Figura 5. 3. Diagrama del sólido libre sección A-K Fuente: Propia ք ࡹࡵ ൌ െܣ௬ ሺܮΤʹሻ െ ܣ௫ ሺݕ ሻ ܲሺݔ ሻ ܲሺݔா ሻ ڮ ܲሺݔ ሻ ൌ Ͳ െܣ௬ ሺܮΤʹሻ െ ܣ௫ ሺݕ ሻ ܲሺݔ ݔா ݔ ڮ ሻ ൌ Ͳ Reemplazando valores tenemos െሺͲǤ͵ሻሾ݂݇݃ሿሺͳǤͷሻሾ݉ሿ െ ܣ௫ ሺͲǤͲʹሻሾ݉ሿ ሺͲǤͲͷʹሻሾ݂݇݃ሿሺͳǤ͵ͳʹͷ ͳǤͳʹͷ ͲǤͻ͵ͷ ͲǤͷ ܣ௫ ൌ ͲǤͷʹͷ ͲǤ͵ͷ ͲǤͳͺͷሻሾ݉ሿ ൌ Ͳ ሺͲǤͲͷʹሻሾ݂݇݃ሿሺͷǤʹͷሻሾ݉ሿ െ ሺͲǤ͵ሻሾ݂݇݃ሿሺͳǤͷሻሾ݉ሿ ͲǤͲʹሾ݉ሿ ܣ௫ ൌ െͺǤͺͷሾ݂݇݃ሿ ܣ௫ ൌ ͺǤͺͷሾ݂݇݃ሿ ՚ Al ser un cable con cargas concentradas del mismo valor y distribuidas a distancias iguales a los dos lados del punto medio del cable, el valor de las tensiones en el punto B tiene la misma magnitud que en el punto A. ܤ௫ ൌ ͺǤͺͷሾ݂݇݃ሿ ՜ ܤ௬ ൌ ͲǤ͵ͻሾ݂݇݃ሿ ՛ 92 5.2. DIMENSIONAMIENTO DE LA SECCIÓN DEL ELEMENTO ESTRUCTURAL. Una vez que se han determinado los valores de las reacciones en los puntos de sujeción del cable con los pilotes, se procede a determinar las dimensiones de cada una de las secciones especificadas en los alcances de este proyecto de titulación. De las reacciones calculadas anteriormente, la única componente que genera esfuerzos a flexión es la componente en la dirección del eje x; por lo tanto el valor de esta será el que se tome en cuenta para dimensionar las secciones de los elementos. 5.2.1. Sección cuadrada sólida. · Diagrama del sólido libre: Figura 5. 4. Diagrama del sólido libre para pilote macizo Fuente: Propia · Datos del elemento: ݈ ൌ ͳሾ݉ሿ ܲ ൌ ͺǤͺͷሾ݂݇݃ሿ ൈ ͻǤͺሾܰሿ ൌ ͺǤ͵ሾܰሿ ͳሾ݂݇݃ሿ ߪ௬ ൌ ͳ͵Ǥͻሾܽܲܯሿ ߪ௨ ൌ ʹʹǤͶሾܽܲܯሿ ܧൌ ͷͲͺǤͲͺሾܽܲܯሿ ܵܨൌ ͵ ݔ ܿൌ ʹ 93 · Cálculo del momento flector: ܯൌ݈ܲڄ ܯൌ ͺǤ͵ሾܰሿ ൈ ͳሾ݉ሿ ܯൌ ͺǤ͵ሾܰ݉ሿ · Cálculo del esfuerzo admisible: ߪ௨ ܵܨ ʹʹǤͶሾܽܲܯሿ ൌ ͵ ߪௗ ൌ ߪௗ ߪௗ ൌ ǤͶሾܽܲܯሿ Puesto que ߪௗ ൏ ߪ௬ , el pilote permanece en el rango elástico, se puede aplicar la siguiente ecuación: · Cálculo de la variable ‘x’: Entonces: ܫൌ ߪௗ ൌ ܯήܿ ܫ ͳ ସ ܯήܿ ܫ רൌ ݔ ͳʹ ߪௗ ܯήܿ ͳ ସ ൌ ݔ ߪௗ ͳʹ ͳ ସ ሺܲ ൈ ݈ሻܿ ൌ ݔ ͳʹ ߪௗ ݔ ͺǤ͵ሾܰ ή ݉ሿ ൈ ቀ ቁ ʹ ൌ ͳ ݔସ ͳʹ ǤͶሾܽܲܯሿ ͳʹሺͺǤ͵ሻሾܰ ή ݉ሿ ൌ ݔଷ ʹሺǤͶ ൈ ͳͲ ሻሾܰΤ݉ଶ ሿ ݔൌ ͲǤͲͶሾ݉ሿ 94 5.2.2. Sección cuadrada hueca. · Diagrama del sólido libre: Figura 5. 5. Diagrama del sólido libre para pilote hueco Fuente: Propia · Datos del elemento: ݈ ൌ ͳሾ݉ሿ ܲ ൌ ͺǤͺͷሾ݂݇݃ሿ ൈ ͻǤͺሾܰሿ ൌ ͺǤ͵ሾܰሿ ͳሾ݂݇݃ሿ ߪ௬ ൌ ͳ͵Ǥͻሾܽܲܯሿ ߪ௨ ൌ ʹʹǤͶሾܽܲܯሿ ܧൌ ͷͲͺǤͲͺሾܽܲܯሿ · Cálculo del momento flector: ܵܨൌ ͵ ݔ ܿൌ ʹ ܯൌ݈ܲڄ ܯൌ ͺǤ͵ሾܰሿ ൈ ͳሾ݉ሿ · ܯൌ ͺǤ͵ሾܰ݉ሿ Cálculo del esfuerzo admisible: ߪ௨ ܵܨ ʹʹǤͶሾܽܲܯሿ ൌ ͵ ߪௗ ൌ ߪௗ ߪௗ ൌ ǤͶሾܽܲܯሿ 95 Puesto que ߪௗ ൏ ߪ௬ , el pilote permanece en el rango elástico, se puede aplicar la siguiente ecuación: · Cálculo de la variable ‘x’: Entonces: ܫൌ ߪௗ ൌ ܯήܿ ܫ ͳ ସ ͳ ܯήܿ ܫ רൌ ݔെ ሺ ݔെ ʹݐሻସ ͳʹ ͳʹ ߪௗ ܯήܿ ͳ ସ ͳ ൌ ݔെ ሺ ݔെ ʹݐሻସ ߪௗ ͳʹ ͳʹ ݔସ െ ሺ ݔെ ʹݐሻସ ൌ ͳʹሺͺǤ͵ሻሾܰ݉ሿ ൈ ሺݔΤʹሻ ǤͶ ൈ ͳͲ ሾܰΤ݉ଶ ሿ ͳʹሺͺǤ͵ሻሾܰ݉ሿ ݔସ െ ሺ ݔെ ʹݐሻସ ൌ ʹሺǤͶ ൈ ͳͲ ሻሾܰΤ݉ଶ ሿ ݔ Al tener dos variables y una sola ecuación, se debe asumir un valor para t o x; en este caso damos un valor t=0.01 [m]. ݔସ െ ሺ ݔെ ͲǤͲʹሻସ ͳʹሺͺǤ͵ሻሾܰ݉ሿ ൌ ݔ ʹሺǤͶ ൈ ͳͲ ሻሾܰΤ݉ଶ ሿ ݔସ െ ሺ ݔସ െ ͲǤͲͺ ݔଷ ͲǤͲͲʹͶ ݔଶ െ ͵ʹ ൈ ͳͲି ͳǤ ൈ ͳͲି ሻ ൌ ݔሺǤͻ ൈ ͳͲିହ ሻ ͲǤͲͺ ݔଷ െ ͲǤͲͲʹͶ ݔଶ െ ͵Ǥʹ ൈ ͳͲିହ െ ͳǤ ൈ ͳͲି ൌ Ͳ ݔൌ ͲǤͲͶʹሾ݉ሿ 5.3. RESULTADOS OBTENIDOS: Las dimensiones se calcularon tomando como referencia un Factor de seguridad de 3; debido a que existen tensiones superiores a las calculadas, las cuales se generan principalmente por la manipulación de las plantas tanto en los cuidados que les da durante su cultivo y crecimiento, como en la fase de recolección de flores. Por esta razón se establece un límite de tensión tres veces superior al calculado, de este modo se garantiza que el elemento resista las cargas a las que va ser sometido sin 96 sobredimensionarlo y que el mismo trabaje exclusivamente dentro de la zona elástica. Los resultados obtenidos para las dimensiones en sección transversal de los pilotes se muestran en la siguiente tabla: Tabla 5. 2. Dimensiones calculadas de los pilotes DIMENSIONES EN SECCIÓN TRANSVERSAL ELEMENTO LONGITUD [m] FORMA ANCHO [mm] ALTO [mm] ESPESOR DE PARED [mm] Pilote 1 1 41 41 - Pilote 2 1 42 42 10 Fuente: Propia El dimensionamiento incide directamente en el costo del elemento; esto quiere decir que se puede seleccionar un factor de seguridad más elevado pero se debe considerar que también incurre un costo para la elaboración del pilote. El equilibrio entre estos dos factores es muy importante en el diseño del elemento estructural. Una vez que se ha determinado las dimensiones de los pilotes se puede calcular la cantidad de material necesario para la fabricación de los mismos. Estos valores se muestran en la siguiente tabla: Tabla 5. 3. Masa de mezcla 90% PEAD - 10% PEBD requerida para cada pilote ELEMENTO DENSIDAD [g/cm3] VOLÚMEN [cm3] MASA [kg] Pilote 1 0.94834 1681 1.6 Pilote 2 0.94834 1280 1.2 Fuente: Propia 97 5.4. MODELADO DE UN PROTOTIPO DEL ELEMENTO ESTRUCTURAL. La característica que prima dentro del diseño del elemento estructural es su resistencia a cargas de flexión por lo que el diseño del mismo se centrará en un modelo que presente la menor deflexión posible frente a una carga constante. Como ya se había señalado anteriormente, este proyecto estudiará dos tipos fundamentales de modelos, uno de sección maciza y uno de sección hueca; esto con el propósito de comparar resultados entre estos dos diseños y establecer el modelo que mejor responda a las solicitaciones mecánicas a flexión. Para el modelado de los elementos se hizo uso del programa Inventor. 5.4.1. ESTUDIO Y SELECCIÓN DE ALTERNATIVAS DE DISEÑO. A continuación se presentan los siguientes prototipos del elemento: 5.4.1.1. Alternativa 1. Figura 5. 6. Pilote 1 Fuente: Propia Ventajas: · Elemento macizo Desventajas: · Gran cantidad de material empleado · Alto costo de producción · Mayor peso 98 5.4.1.2. Alternativa 2. Figura 5. 7. Pilote 2 Fuente: Propia Ventajas: · Menor cantidad de material empleado · Menor peso Desventajas: · Mediano costo de producción 99 CAPITULO 6 6.1. SIMULACIÓN DEL ELEMENTO ESTRUCTURAL MEDIANTE ANSYS. El proceso de simulación se llevó a cabo con el uso de programa ANSYS, un paquete que se vale del FEM (método de los elementos finitos) para simulaciones de fenómenos físicos. El método de los elementos finitos es un método numérico para resolver ecuaciones diferenciales por medio de "aproximaciones discretas"; en el cual supone que la zona de solución está compuesta de muchas subzonas que están interconectadas, las que se denominan "elementos finitos" (Espinoza & Niño, 2001). A cada subzona o región se le asigna un punto de referencia en su centro, el cual suele denominarse punto nodal o simplemente nodo, y el agregado de puntos se conoce como red nodal, malla o rejilla. (Incropera, 1999) Las ecuaciones que rigen el comportamiento del continuo regirán también el de cada uno de los elementos o subzonas. De esta forma se consigue pasar de un sistema continuo (infinitos grados de libertad), que es regido por una ecuación diferencial o un sistema de ecuaciones diferenciales, a un sistema con un número de grados de libertad finito cuyo comportamiento se modela por un sistema de ecuaciones, lineales o no. (Carnicero, 2011) FEM ejecuta los análisis en tres pasos fundamentales: Pre-Procesamiento, Procesamiento y Post-Procesamiento. El pre-procesamiento define los datos necesarios para el tipo de fenómeno que se desea analizar. El procesamiento es la resolución del fenómeno propiamente dicho, calculando las soluciones en cada uno de los nodos de la malla. El post-procesamiento arroja los resultados obtenidos en la simulación, y el posterior análisis de los mismos. 100 La simulación se aplicó para las dos alternativas de pilotes presentados anteriormente con la finalidad de observar el comportamiento a flexión de estos, frente a una carga constante aplicada en un punto extremo del elemento. Además se realizó la simulación del ensayo a flexión sometiendo a la probeta a cargas incrementales en el tiempo. Para el análisis del pilote al igual que el ensayo a flexión se seleccionó el módulo Estructural Estático, debido a que el elemento estará sometido exclusivamente a cargas estáticas. De igual modo el ensayo a flexión es en esencia un ensayo cuasiestático, en el cual la velocidad de aplicación de la carga se da de tal modo que simule una carga incremental sobre la probeta. De la barra de herramientas personalizada se escoge el modelo Bilineal con endurecimiento isotrópico, al ser el modelo más simple con el cual hemos podido aproximar la respuesta constitutiva del polímero. Es importante mencionar que la mezcla seleccionada para la simulación se asumirá que es homogénea y por lo tanto isotrópica; es decir que, sus propiedades son las mismas para todo el conjunto del elemento. Esta característica es trascendental ya que simplifica en gran medida la cantidad de parámetros que se requieren para ejecutar la simulación dentro del paquete informático de ANSYS. 6.1.1. PRE-PROCESAMIENTO. Esta es la primera fase de la simulación, aquí se selecciona el modelo de simulación tanto para el elemento estructural como para la probeta. Además se ingresan las propiedades físicas y mecánicas del material. Paso 1: Selección del módulo de trabajo. El modelo de trabajo seleccionado, tanto para la simulación del elemento estructural como para la simulación del ensayo a flexión, es el Estático Estructural. Este tipo de modelo es adecuado para sistemas estructurales que van a ser sometidos a cargas que se van incrementando en el tiempo. 101 Paso 2: Propiedades del material. Las propiedades exigidas para la simulación en ANSYS en el caso de módulo Estructural Estático son: densidad, Módulo de elasticidad, Módulo tangencial, Límite de fluencia y Coeficiente de Poisson; resumidas en la tabla 6.1. Tabla 6. 1. Resumen de las propiedades físicas y mecánicas de la mezcla 90% PEAD – 10% PEBD PROPIEDAD VALOR UNIDADES Densidad 0.94834 [g/cm3] Módulo de Young 508.068 [Mpa] Coeficiente de Poisson 0.4 - Límite elástico 10.47 [Mpa] Módulo Tangencial 20 [Mpa] Fuente: (GRANTA, 2006); (Phillips, 2002) En la figura 6.1 se muestran las propiedades requeridas por ANSYS en el preprocesamiento, mientras que en la figura 6.2 se muestran el módulo elástico y el modulo plástico, con esto se busca representar el comportamiento del material en la zona elástica y plástica sin considerar la zona de reblandecimiento. Figura 6. 1. Ingreso de parámetros físicos y mecánicos en ANSYS Fuente: Propia CARGA [N] 102 56 52 48 44 40 36 32 28 24 20 16 12 8 4 0 mP mE 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 DEFLEXIÓN [mm] Figura 6. 2. Módulo Elástico vs Módulo Tangencial Fuente: Propia Paso 3: Selección, ingreso y enlace de módulos de trabajo. En la figura 6.3 se muestran los módulos ingresados para el elemento estructural, mientras que la figura 6.4 se muestra el módulo de trabajo para el ensayo a flexión. Figura 6. 3. Módulos de trabajo para la simulación del elemento estructural Fuente: Propia 103 Figura 6. 4. Módulos de trabajo para la simulación del ensayo a flexión Fuente: Propia Paso 4: En la figura 6.5 se muestra la generación de la malla para el elemento estructural. En la figura 6.6 se muestra el mallado del modelo para el ensayo a flexión. Figura 6. 5. Mallado del elemento estructural Fuente: Propia 104 Figura 6. 6. Mallado de la probeta Fuente: Propia Características del Mallado: La malla se generó con elementos hexaédricos de ocho nodos; los cuales son denominados dentro de ANSYS como SOLID185. Este tipo de elemento es empleado para el modelamiento de estructuras sólidas en tres dimensiones. El mismo está definido por ocho nodos con tres grados de libertad en cada uno de ellos: traslación en las direcciones nodales X, Y y Z. El elemento tiene capacidades elásticas, hiper-elásticas, esfuerzos de endurecimiento, deslizamiento, deflexión y grandes capacidades de deformación. También tiene la capacidad de una formulación combinada para la simulación de las deformaciones de los materiales elasto-plásticos casi incompresibles y materiales hiper-elásticos totalmente incompresibles. El tamaño de la malla es de 0.8 mm con un acabado medio. En el post- procesamiento se analizan los resultados obtenidos en la simulación con el propósito de determinar si la calidad del mallado es adecuada o requiere un refinamiento. 105 Paso 5: Restricciones de movimiento. El elemento estructural se fijó en la base del mismo como se observa en la figura 6.7. Del mismo modo las fijaciones en los extremos del modelo para el ensayo a flexión se muestran en la figura 6.8. Figura 6. 7. Fijación del elemento Fuente: Propia Figura 6. 8. Fijación de los soportes para la probeta Fuente: Propia 106 Paso 6: Aplicación de las cargas. En la figura 6.9 se muestra la carga aplicada en un extremo del elemento cuyo valor es 86.73 [N]. En la figura 6.10 se puede observar el punto de aplicación de la carga para la simulación del ensayo a flexión. Los valores de las cargas serán similares a los obtenidos experimentalmente. Figura 6. 9. Aplicación de la carga para el elemento estructural Fuente: Propia Figura 6. 10. Aplicación de la carga en el cabezal para la probeta Fuente: Propia 107 6.1.2. PROCESAMIENTO. Paso 7: En éste paso se ejecuta el cálculo numérico de la solución del sistema de ecuaciones, resultado del cual se simulará el comportamiento del elemento estructural y de la probeta sometida a ensayo a flexión en base a las condiciones de frontera que se han establecido en el pre-procesamiento. 6.1.3. POST-PROCESAMIENTO. Paso 8: En la figura 6.11 se muestra como se realiza un refinamiento de la malla según criterios de calidad de la malla. Figura 6. 11. Refinamiento de malla Fuente: Propia Para el refinamiento de malla se usó el criterio de calidad de la malla; es decir que, al generar la curva de deformación total en función de los pasos de simulación, se espera obtener valores de deformación que estabilicen la curva. Ésta curva de calidad de la malla muestra una recta inicial de pendiente negativa y luego una pendiente positiva, por lo que se debe refinar nuevamente hasta que se pueda observar que la pendiente de la curva no varíe en gran medida. Esta variación en la pendiente está representada como la diferencia entre dos valores de la simulación para cada sección de la curva, cuando comienza estabilizarse la 108 diferencia entre estos valores se reduce hasta alcanzar un mínimo. Un valor aceptable para la simulación es aquel cuya diferencia con el que se calculó anteriormente es de menor del 1%; sin embargo si se desea obtener diferencias menores implica un mayor gasto de tiempo computacional y por ende un tiempo de simulación mucho mayor. En la figura 6.12 se muestra cómo, tras varios refinamientos de malla, se alcanza la estabilidad en la curva de calidad. Figura 6. 12. Refinamiento progresivo de malla Fuente: Propia Los resultados obtenidos de la simulación para cada uno de los pilotes se muestran a continuación. En la figura 6.13 se puede observar la deformación total del Pilote 1 cuando una de sus bases está fija, como se muestra en la figura 6.7 Fijación del elemento; mientras que en la figura 6.14 se muestra la tensión máxima que soporta el pilote ante la carga aplicada de 86.73 [N]. 109 · Pilote 1: Figura 6. 13. Deformación Total Pilote 1 Fuente: Propia Figura 6. 14. Tensión máxima principal Pilote 1 Fuente: Propia 110 En la figura 6.15 se puede observar la deformación total del Pilote 2 cuando una de sus bases está fija, como se muestra en la figura 6.7 Fijación del elemento; mientras que en la figura 6.16 se muestra la tensión máxima que soporta el pilote ante la carga aplicada de 86.73 [N]. · Pilote 2: Figura 6. 15. Deformación Total Pilote 2 Fuente: Propia Figura 6. 16. Tensión máxima principal Pilote 2 Fuente: Propia 111 En la siguiente figura se muestra la curva resultante Carga vs Deflexión de la simulación del ensayo a flexión obtenida en ANSYS: 60 50 CARGA [N] 40 30 20 10 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 DEFLEXIÓN [mm] Figura 6. 17. Curva Carga vs Deflexión obtenida en ANSYS Fuente: Propia 60 50 CARGA [N] 40 Probeta 1 30 Probeta 2 Probeta 3 20 Simulación 10 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 DEFLEXIÓN [mm] Figura 6. 18. Curvas Carga vs Deflexión del ensayo y simulación Fuente: Propia 112 Como se aprecia en la figura 6.17 existen dos secciones de la curva claramente identificables, en la primera se puede observar que la curva se incrementa con una pendiente que se puede considerar constante hasta que alcanza un valor de carga de 28[N], para el cual la deflexión es de 4.4 [mm]. A partir del valor mencionado anteriormente se puede observar que el material comienza a comportarse plásticamente, esto se hace evidente al registrar un decremento en el valor de la pendiente de la curva, que se produce cuando la carga es de 30 [N]. En la figura 6.18 se exponen 4 curvas de Carga vs Deflexión; 3 de las cuales se obtuvieron del ensayo a flexión realizado a las probetas de la mezcla 90%PEAD – 10% PEBD y la cuarta curva se obtuvo de la simulación del mismo ensayo realizado en ANSYS. La curva que representa el comportamiento a flexión de la probeta 1 es aquella que alcanzó la carga máxima más elevada; la curva que representa el comportamiento a flexión de la probeta 3 es aquella que alcanzó la menor carga máxima; mientras la curva que representa el comportamiento a flexión de la probeta 2 es aquella que presentó un valor promedio entre la carga máxima de la probeta 1 y la probeta 3. Como se puede observar éstas curvas presentan tendencias similares, con lo cual se confirma que el modelo seleccionado para simular el comportamiento real del material se aproxima a los resultados obtenidos en los ensayos a flexión. Además, en vista que la respuesta a flexión pudo ser aproximada podemos concluir que el modelo constitutivo asumido para el polímero nos permitirá reproducir con un buen grado de aproximación la respuesta estructural de los pilotes sometidos a flexión. En la tabla 6.2 se presenta las características físicas de cada uno de los pilotes propuestos en el capítulo 5 y los resultados que se obtuvieron de las simulaciones de los mismos mediante el paquete informático ANSYS. 113 Tabla 6. 2. Características físicas y mecánicas de los pilotes LONGITUD [mm] ÁREA DE LA SECCIÓN VOLÚMEN [cm3] 2 [mm ] PILOTE MASA DE LA MEZCLA CARGA APLICADA DEFORM. TOTAL [N] [mm] [g] 1,000 6,400 6,400 6,069.38 86.73 0.61335 1,000 4,800 4,800 4,552.03 86.73 0.60331 1 PILOTE 2 Fuente: Propia 6.2. ANÁLISIS DE RESULTADOS. De acuerdo a los resultados obtenidos en la tabla 6.2 Características físicas y mecánicas de los pilotes, se puede apreciar que la deformación total del pilote 2 es menor a la del pilote 1, esto quiere decir que la resistencia a la flexión del pilote 2 es mayor. Esos resultados se obtuvieron usando un factor de seguridad de 3 para los dos pilotes en la etapa de diseño; con lo cual se descarta la posibilidad de un aumento de sección para cualquiera de los dos elementos. Este factor de seguridad garantiza además que el elemento responda adecuadamente ante una carga tres veces superior a la que se calculó en la sección 5.1.1.1. Tensión de Pilotes, la cual tiene un valor de 86.73 [N]. En la simulación; al someter a los dos elementos a una carga constante de 86.73 [N] aplicada en uno de sus extremos, la deformación total del pilotee 2 de 0.603 [mm] mientras que la deformación total en el pilote 1 es de 0.613 [mm]. La carga máxima soportada por la base del pilote 2 es de 19.376 [N]; lo cual nos indica que, ante la carga aplicada, el esfuerzo máximo que se genera en el elemento no supera los valores obtenidos al realizar los ensayos a flexión, en los cuales el promedio es de 37.32 [N]; este valor puede ser verificado en la Tabla 4.1. Además otra ventaja que presenta el pilote 2 es la cantidad de material que se utilizaría para su construcción, que es de 1.2 [kg] frente a los 1.6 [kg] del pilote 1; estos dos valores están referenciados en la Tabla 5.3. 114 Tomando en cuenta todos los resultados obtenidos; tanto de simulación como de diseño y cantidad de material, se considera que el pilote 2 es la mejor opción ya que; al ser un elemento estructural que tiene como objetivo fundamental la resistencia a la flexión, resulta ser el más apropiado en cuanto a características mecánicas. Se concluye que éste diseño es el apropiado para la producción de los pilotes. 115 CAPÍTULO 7 7.1. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES CONCLUSIONES · Se pudo alcanzar el objetivo principal de este proyecto que es el diseño y simulación de pilotes con resistencia a la flexión, elaborados a partir de una mezcla de PEAD y PEBD reciclados. · De acuerdo con las características moleculares que presentan el PEAD y PEBD, se pudo confirmar que dichos polímeros son miscibles entre sí; esto se debe a que su estructura molecular es lineal, lo cual permite que las moléculas de estos dos polímeros se agrupen físicamente y facilita la obtención de una mezcla homogénea para las diferentes proporciones de mezclas. · En el desarrollo del proyecto se pudo notar que los polietilenos (PEAD y PEBD) presentan bajas propiedades higroscópicas, como se menciona en la sección 2.5.1.1. Esto implica que se los dos polímeros pueden ser procesados al ambiente sin necesidad de tratamientos intermedios para reducir su humedad. · Los resultados obtenidos con la mezcla procesada en el reómetro demuestran que la mezcla es completamente homogénea y dispersa esto quiere decir que, las propiedades son las mismas para cualquier punto de la misma (homogeneidad) y que los dos polietilenos se hallan distribuidos en iguales proporciones en toda la mezcla (dispersividad). 116 · Con los datos obtenidos de la medición del índice de fluidez (MFI) de las mezclas, se observó que el porcentaje de polietileno de baja densidad (PEBD) tiene una mayor incidencia en la variación de dicho índice, debido a que el PEBD tiene un mayor MFI que el PEAD. Por ejemplo en el caso de la mezcla 70% PEAD – 30% PEBD el índice de fluidez medio obtenido fue de 6.854 [g/10min], mientras que para la mezcla 90% PEAD – 10% PEBD fue de 5.906 [g/10min]; con esto se puede confirmar que el MFI disminuye conforme aumenta el porcentaje de PEAD en la mezcla. · Como se pudo observar en los resultados obtenidos de los ensayos a flexión realizados, la mezcla de 90% PEAD y 10% PEBD presenta una muy buena resistencia a la flexión, un resultado de por si favorable considerando que estos polímeros pierden gran parte de sus propiedades mecánicas cuando son reciclados. · En las curvas Esfuerzo vs. Deformación que se obtuvieron en el ensayo a flexión, se observa como el material presenta una amplia zona de deformación que; de acuerdo a la norma ASTM D 7264; se le conoce como "Región de Hooke". La existencia de esta región permite calcular el módulo de flexión de cada una de las probetas, obteniendo la pendiente de una recta secante trazada sobre la curva. · Las simulaciones realizadas en ANSYS mostraron que los pilotes elaborados con la mezcla 90% PEAD y 10% PEBD tienen muy buena resistencia ante cargas a flexión, presentan deformaciones menores a un milímetro ante una carga constante de 86.73 [N], tal como se puede observar en la tabla 5.3. para el diseño que menor cantidad de material requiere. Estos valores de deformación indican que el elemento cumple con su propósito de actuar como un elemento de sujeción para las plantaciones florícolas. 117 · Los resultados obtenidos a partir de las simulaciones en ANSYS confirman que los pilotes elaborados a partir de la mezcla 90% PEAD – 10% PEBD son aptos para aplicaciones agrícolas de mediana exigencia mecánica, y contribuye con el medio ambiente ya que reduce la cantidad de desechos poliméricos.. · Como se pudo observar en el proceso de inyección de las probetas, la temperatura tiene una relación directa con el índice de fluidez de la mezcla, es decir que a mayor temperatura la mezcla se vuelve más fluida; por el contrario si la temperatura desciende también el índice de fluidez. · La variación del índice de fluidez con la temperatura, la cantidad de material inyectado, la presión y velocidad de inyección son parámetros que inciden directamente en la calidad de las probetas obtenida en el proceso de inyección, provocando un llenado insuficiente del molde de inyección o rebosamiento de material fuera del molde. · El modelo de simulación seleccionado en ANSYS: Isotrópico elástico para la parte elástica y Bilineal con endurecimiento isotrópico para la parte plástica de la curva Carga vs Deflexión; pretende reproducir de la forma más simple el comportamiento plástico del material, en la primera sección de la curva mencionada. · La curva Carga vs Deflexión obtenida en ANSYS para la simulación del ensayo a flexión presenta dos secciones. En la primera sección de la curva la pendiente mantiene un valor constante hasta alcanzar una deflexión de 4.4 [mm] ante una carga de 30 [N]; esta sección representa el comportamiento elástico del material. Posteriormente se registra un decremento en el valor de la pendiente de la curva hasta que esta se estabiliza y alcanza una deflexión máxima de 17.8 [mm] ante una carga de 50 [N]; la cual representa el 118 comportamiento plástico del material. Estos resultados confirman que el modelo seleccionado en ANSYS para reproducir el comportamiento del material; tanto en la zona elástica como en la zona plástica dentro de la primera parte de la curva Carga vs Deflexión obtenida en el ensayo real, es el adecuado. RECOMENDACIONES · Se debe tener precaución en el proceso de extrusión de la mezcla, ya que si la temperatura a la que se halla la cámara que alberga al tornillo de extrusión está muy por encima de la temperatura de fusión del PEAD; que es la más alta, este comenzará a degradarse junto con el PEBD lo cual deja completamente reduce en gran medida las propiedades físicas y mecánicas del polímero. Por otro lado si no se alcanza la temperatura de fusión del PEBD; que es la más baja, se corre el riesgo de sobre-exigir a la extrusora provocando incluso la ruptura del tornillo de extrusión. · Es importante también tomar en cuenta las temperaturas de fusión del PEAD y PEBD en el proceso de inyección, ya que si se excede la temperatura de fusión la mezcla se vuelve demasiado fluida y rebosa el molde de inyección llegando incluso a derramarse fuera del molde. Por otro lado si la temperatura es demasiado baja se produce un llenado parcial del molde ocasionando en los dos casos que las muestras no tengan la calidad apropiada. · Se debe realizar una limpieza exhaustiva del material antes de procesarlo, sobre todo en la separación de restos metálicos ya que estos pueden causar serios daños a la maquinaria (extrusora, inyectora y reómetro). 119 · En el proceso de aglutinado se debe tener precaución de no agregar más agua de la que se recomienda al PEBD ya que esto puede formar granzas de tamaño inapropiado para poder ser extruidas. · Al procesar polímeros se recomienda conocer las propiedades físicas de cada uno de ellos para evitar su degradación o mal procesamiento. · En la actualidad las mezclas de polímeros se están estudiando a profundidad es por ello que la Institución en general, y los laboratorios en particular deben otorgar las facilidades necesarias para los estudios de estos materiales, especialmente en lo que refiere al uso de los equipos que se hallan a su disposición. El contribuir con el avance de las investigaciones en este campo debe primar sobre cualquier criterio. · Este proyecto establece un referente de estudio en cuanto a la obtención de nuevos compuestos de matriz polimérica, a partir de polímeros reciclados. El desarrollo de estudios y nuevas investigaciones alineadas con este tema permitirán ampliar las posibles aplicaciones que se le pueden dar a las mezclas de polímeros reciclados; entre las cuáles se puede mencionar elementos estructurales para vivienda a bajo costo, elaboración de madera plástica y elementos decorativos para obras civiles. · Es recomendable que se profundice en el estudio de otros agregados para el mejoramiento de las propiedades mecánicas de las mezclas analizadas en éste proyecto; sobre todo en cuanto a rigidez se refiere. 120 BIBLIOGRAFIA LIBROS: ANSYS. (2009). Introduction to Explicit Dymanics. In ANSYS Training Manual (pp. 16-19). Canonsburg: ANSYS. ASTM INTERNATIONAL. (2010). ASTM D-1238. EEUU. ASTM INTERNATIONAL. (2010). ASTM D-7264. EEUU. ASTM INTERNATIONAL. (2010). ASTM D-792. EEUU. Beer, F., & Russell Johnston, E. (1993). Mecánica de Materiales 4 Edición. In F. Beer, & E. Russell Johnston, Mecánica de Materiales (pp. 209-218). EEUU: Mc Graw Hill. Cadena, F., & Quiroz, F. (2000). Manual de Reciclaje de Plásticos. Quito: Oikos. Elías, X. (2009). Los Plásticos residuales y sus posibilidades de valoración. In X. Elías, Reciclaje de Residuos Industriales (pp. 999-1001). Barcelona: Díaz de Santos. GRANTA. (2006). Introduction to CES 2005. Cambridge, UK: GRANTA. Incropera, F. P. (1999). Ecuaciones Diferenciales Finitas. In F. P. Incropera, Fundamentos de Transferencia de Calor (p. 912). México: Prentice Hall. Zambrano, M. (2008). Mezclas. In M. Zambrano, Estudio del comportamiento de Poliolefinas por Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) (pp. 155-158). Quito. URL: Beltrán, M., & Marcilla, A. (2008). UA. Retrieved from http://iq.ua.es/TPO/Tema4.pdf Carnicero, A. (2011). Introducción al método de los elementos finitos. Retrieved from http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/industrial/sistemasinteligentes/FFlexible/In troduccion_al_MEF.pdf Catrileo, L. (2008). TICS. Retrieved 4 3, 2013, from http://146.83.42.4/tics22010/161237027/rosas_Produccion%20de%20Rosas.p df 121 Chapa Córdova, O. (2010). Retrieved Dpace. Octubre 16, 2012, from http://www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456789/2342/1/4626.pdf Clark, J. (2012, Septiembre). Chemguide. Retrieved Septiembre 26, 2012, from http://www.chemguide.co.uk/atoms/bonding/vdw.html Clean Up Australia Ltd. (2009 йил Julio). Clean Up Australia. Retrieved 2012 йил 4Junio from http://www.cleanup.org.au Degradación de Polímeros. (2009, Abril 24). Scribd. Retrieved Ocubre 12, 2012, from http://es.scribd.com/doc/52910625/06-Cap-5-Degradacion-de-Plasticos Dirección de Investigación comercial e Inversiones. (2011). Proecuador. Retrieved 4 3, 2013, from http://www.proecuador.gob.ec/wp- content/uploads/downloads/2012/01/PROEC-AS2011-FLORES.pdf ECOPLAS. (2011, Mayo). Manual de Valoración de los Residuos Plásticos. Retrieved from Manual de Valoración de los Residuos Plásticos: http://www.cairplas.org.ar/Reciclado_Mecanico.pdf Espinoza, C., & Niño, Y. (2001). UBA. Retrieved from http://materias.fi.uba.ar/7538/material/Otros/Espinoza%26Ni%F1oMetodo%20de%20los%20Elementos%20Finitos.pdf Garavito, E. C. (2007, Febrero). Plásticos Protocolo. Retrieved from Plásticos Protocolo: http://www.escuelaing.edu.co/uploads/laboratorios/2734_plimeros.pdf M, B., & A, M. (2009). UA. Retrieved Febrero 24, 2012, from http://iq.ua.es/TPO/Tema5.pdf Muñoz, F. (2004, Diciembre). Retrieved from ULA: http://www.saber.ula.ve/bitstream/123456789/16702/1/catalizadores.pdf Phillips, C. (2002, Septiembre). Toppolymers. Retrieved from http://a- toppolymers.com/wp-content/uploads/Engineering-Properties-of-MarlexResins.pdf Polymer Science Learning Center. (2005). Macrog. Retrieved Noviembre 07, 2012, from http://pslc.ws/macrog/tg.htm Polymer Science Learning Center. (2005). Macrog. Retrieved Agosto 21, 2012, from http://pslc.ws/macrog/cationic.htm 122 Polymer Solutions. (2013). Polymer Solutions. Retrieved Enero 20, 2013, from http://www.polymersolutions.com/capabilities/melt-flow-index-testing-mfi/ Polysmart. (2003). Polysmart. Retrieved Marzo 01, 2013, from Polysmart: http://www.polysmart.cl/index.php?option=com_content&view=category&layout =blog&id=1&Itemid=2&lang=es Ratzlaff, J. D. (2004). PalsticMoulding. Retrieved Septiembre 10, 2012, from http://www.plasticmoulding.ca/polymers/polyethylene.htm Roca Girón , I. E. (2005, Septiembre). Scribd. Retrieved Marzo 5, 2013, from Scribd: http://es.scribd.com/doc/58168104/41/Tabla-XVI-Caracteristicas-del-molde Scribd. (2009, Abril 24). Retrieved Scribd. Ocubre 12, 2012, from http://es.scribd.com/doc/52910625/06-Cap-5-Degradacion-de-Plasticos Taiwan Turnkey Project Association. (2010). Taiwantrade. Retrieved Octubre 8, 2012, from http://turnkey.taiwantrade.com.tw/showpage.asp?subid=205&fdname=RUBBE R+%26+PLASTICS&pagename=Planta+de+recuperacion+de+desechos+plast icos UDLAP. (2011, Marzo). UDLAP. Retrieved Noviembre 22, 2012, from http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/mepi/argueta_a_a/capitulo5. pdf Universidad Politécnica de Madrid. (2008). UPM. Retrieved Febrero 5, 2013, from http://ocw.upm.es/ingenieria-quimica/quimica-de-combustibles-ypolimeros/Contenidos/Material_de_clase/qcyp-b5.pdf UPC. (2008). Upcommouns. Retrieved Octubre 8, 2012, from http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/4536/3/Anexo%20%20B.pdf Upcommouns. (2008). Upcommouns. Retrieved Octubre 8, 2012, from http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/4536/3/Anexo%20%20B.pdf ANEXOS ANEXO 1. ILUSTRACIONES DE LOS PROCESOS. PROCESO DE AGLUTINADO. PEBD reciclado Unidad de carga Ilustración 1: Ingreso del PEBD PEBD reciclado Recolección del material aglutinado Ilustración 2: Ingreso del PEBD Ilustración 3: Muestra del PEBD aglutinado PEBD aglutinado Ilustración 4: Revisión del PEBD aglutinado PROCESO DE EXTRUSIÓN. Tolva de alimentación Zona de enfriamiento Extrusora Ilustración 5: Extrusora de polímeros Ventilador Peletizadora de polímeros Ilustración 6: Máquina peletizadora de polímeros y ventilador Ilustración 7: Colocación de la mezcla de polímeros en la extrusora Material polimérico extruido Zona de enfriamiento Ilustración 8: Salida del material polimérico en forma de espagueti Ilustración 9: Salida de la mezcla de PEAD y PEBD peletizada Ilustración 10: Muestra de la mezcla de PEAD y PEBD peletizada Peletizadora de polímeros Zona de enfriamiento Ventilador Ilustración 11: Extrusora de polímeros MEZCLA DE PEAD Y PEBD EN EL REÓMETRO. Rotores Ilustración 12: Reómetro de polímeros (Marca HAAKE) Tolva de alimentación Cámara de mezclado Ilustración 13: Cámara de mezclado Ilustración 14: Muestras de mezclas (PEAD con PEBD) Ilustración 15: Programa que utiliza el reómetro (POLYLAB SYSTEM) Mezcla obtenida del reómetro Ilustración 16: Salida de la mezcla MEDICIÓN DEL ÍNDICE DE FLUIDEZ. Pesa Cámara de calentamiento Panel de Plato para control muestra Ilustración 17: Medidor del índice de fluidez (MFI) Ilustración 18: Muestras de la mezcla, medido el MFI MEDICIÓN DE LA DENSIDAD. Plato para muestra Recipiente para fluido de referencia (etanol) Panel de medición Ilustración 19: Densitómetro. CIAP Plato para muestra Termómetro Soporte de compensación Ilustración 20: Medición de la densidad por empuje del fluido de las muestras PROCESO DE INYECCIÓN. · INYECCIÓN DE PROBETAS. Tolva de alimentación Cámara de calentamiento Ilustración 21: Inyectora de polímeros. Laboratorio de Nuevos Materiales Ilustración 22: Unidad de control de la inyectora Molde Ilustración 23: Unidad de cierre Ilustración 24: Datos de la Unidad de Control de la Inyectora Ilustración 25: Datos de la Unidad de Control de la Inyectora Ilustración 26: Probetas de la mezcla 90%PEAD-10%PEBD · INYECCIÓN DE OTROS ELEMENTOS Tolva de alimentación Tornillo Pistón de inyección Panel de control Ilustración 27: Inyectora de polímeros (MARCA SANDRETTO TORINO) Tornillo Boquilla Bandas calefactoras Ilustración 28: Unidad de inyección Molde Placas Porta Moldes Ilustración 29: Unidad de cierre Ilustración 30: Sistema de Control de la Inyectora Placa fija Placa móvil Molde Ilustración 31: Salida de los elementos inyectados Ilustración 32: Elementos inyectados Ilustración 33: Aditivo Masterbatch ENSAYOS A FLEXIÓN. Cabezal de ensayo a flexión Panel de control Ilustración 34: Máquina Universal de Ensayos Ilustración 35: Panel de Control Cabezal de apoyo Probeta de ensayo a Soportes flexión Ilustración 36: Ensayo a flexión Gráfico del ensayo Ilustración 37: Curva Esfuerzo vs Deformación del ensayo realizado ANEXO 2. CURVAS ESFUERZO VS. DEFORMACIÓN OBTENIDAS EN EL L.A.E.V. ANEXO 3. NORMA PARA MEDICION DEL ÍNDICE DE FLUIDEZ ASTM D-1238 ANEXO 4. NORMA PARA MEDICION DE DENSIDAD DE POLÍMEROS ASTM D-792 ANEXO 5. NORMA PARA ENSAYO A FLEXIÓN ASTM D-7264 BIBLIOGRAFÍA ANSYS. (2009). Introduction to Explicit Dymanics. In ANSYS Training Manual (pp. 16-19). Canonsburg: ANSYS. ASTM INTERNATIONAL. (2010). ASTM D-1238. EEUU. ASTM INTERNATIONAL. (2010). ASTM D-7264. EEUU. ASTM INTERNATIONAL. (2010). ASTM D-792. EEUU. Beer, F., & Russell Johnston, E. (1993). Mecánica de Materiales 4 Edición. In F. Beer, & E. Russell Johnston, Mecánica de Materiales (pp. 209-218). EEUU: Mc Graw Hill. Beltrán, M., & Marcilla, A. (2008). UA. Retrieved from http://iq.ua.es/TPO/Tema4.pdf Cadena, F., & Quiroz, F. (2000). Manual de Reciclaje de Plásticos. Quito: Oikos. Carnicero, A. (2011). Introducción al método de los elementos finitos. Retrieved from http://www.profesores.frc.utn.edu.ar/industrial/sistemasinteligentes/FFlexible/In troduccion_al_MEF.pdf Catrileo, L. (2008). TICS. Retrieved 4 3, 2013, from http://146.83.42.4/tics22010/161237027/rosas_Produccion%20de%20Rosas.p df Chapa Córdova, O. (2010). Dpace. Retrieved Octubre 16, 2012, from http://www.dspace.espol.edu.ec/bitstream/123456789/2342/1/4626.pdf Clark, J. (2012, Septiembre). Chemguide. Retrieved Septiembre 26, 2012, from http://www.chemguide.co.uk/atoms/bonding/vdw.html Clean Up Australia Ltd. (2009 йил Julio). Clean Up Australia. Retrieved 2012 йил 4Junio from http://www.cleanup.org.au Degradación de Polímeros. (2009, Abril 24). Scribd. Retrieved Ocubre 12, 2012, from http://es.scribd.com/doc/52910625/06-Cap-5-Degradacion-de-Plasticos Dirección de Investigación comercial e Inversiones. (2011). Proecuador. Retrieved 4 3, 2013, from http://www.proecuador.gob.ec/wp- content/uploads/downloads/2012/01/PROEC-AS2011-FLORES.pdf ECOPLAS. (2011, Mayo). Manual de Valoración de los Residuos Plásticos. Retrieved from Manual de Valoración de los http://www.cairplas.org.ar/Reciclado_Mecanico.pdf Residuos Plásticos: Elías, X. (2009). Los Plásticos residuales y sus posibilidades de valoración. In X. Elías, Reciclaje de Residuos Industriales (pp. 999-1001). Barcelona: Díaz de Santos. Espinoza, C., & Niño, Y. (2001). UBA. Retrieved from http://materias.fi.uba.ar/7538/material/Otros/Espinoza%26Ni%F1oMetodo%20de%20los%20Elementos%20Finitos.pdf Garavito, E. C. (2007, Febrero). Plásticos Protocolo. Retrieved from Plásticos Protocolo: http://www.escuelaing.edu.co/uploads/laboratorios/2734_plimeros.pdf GRANTA. (2006). Introduction to CES 2005. Cambridge, UK: GRANTA. Incropera, F. P. (1999). Ecuaciones Diferenciales Finitas. In F. P. Incropera, Fundamentos de Transferencia de Calor (p. 912). México: Prentice Hall. M, B., & A, M. (2009). UA. Retrieved Febrero 24, 2012, from http://iq.ua.es/TPO/Tema5.pdf Muñoz, F. (2004, Diciembre). Retrieved from ULA: http://www.saber.ula.ve/bitstream/123456789/16702/1/catalizadores.pdf Phillips, C. (2002, Septiembre). Toppolymers. Retrieved from http://a- toppolymers.com/wp-content/uploads/Engineering-Properties-of-MarlexResins.pdf Polymer Science Learning Center. (2005). Macrog. Retrieved Noviembre 07, 2012, from http://pslc.ws/macrog/tg.htm Polymer Science Learning Center. (2005). Macrog. Retrieved Agosto 21, 2012, from http://pslc.ws/macrog/cationic.htm Polymer Solutions. (2013). Polymer Solutions. Retrieved Enero 20, 2013, from http://www.polymersolutions.com/capabilities/melt-flow-index-testing-mfi/ Polysmart. (2003). Polysmart. Retrieved Marzo 01, 2013, from Polysmart: http://www.polysmart.cl/index.php?option=com_content&view=category&layout =blog&id=1&Itemid=2&lang=es Ratzlaff, J. D. (2004). PalsticMoulding. Retrieved Septiembre 10, 2012, from http://www.plasticmoulding.ca/polymers/polyethylene.htm Roca Girón , I. E. (2005, Septiembre). Scribd. Retrieved Marzo 5, 2013, from Scribd: http://es.scribd.com/doc/58168104/41/Tabla-XVI-Caracteristicas-del-molde Scribd. (2009, Abril 24). Retrieved Scribd. Ocubre 12, 2012, from http://es.scribd.com/doc/52910625/06-Cap-5-Degradacion-de-Plasticos Taiwan Turnkey Project Association. (2010). Taiwantrade. Retrieved Octubre 8, 2012, from http://turnkey.taiwantrade.com.tw/showpage.asp?subid=205&fdname=RUBBE R+%26+PLASTICS&pagename=Planta+de+recuperacion+de+desechos+plast icos UDLAP. (2011, Marzo). UDLAP. Retrieved Noviembre 22, 2012, from http://catarina.udlap.mx/u_dl_a/tales/documentos/mepi/argueta_a_a/capitulo5. pdf Universidad Politécnica de Madrid. (2008). UPM. Retrieved Febrero 5, 2013, from http://ocw.upm.es/ingenieria-quimica/quimica-de-combustibles-ypolimeros/Contenidos/Material_de_clase/qcyp-b5.pdf UPC. (2008). Upcommouns. Retrieved Octubre 8, 2012, from http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/4536/3/Anexo%20%20B.pdf Upcommouns. (2008). Upcommouns. Retrieved Octubre 8, 2012, from http://upcommons.upc.edu/pfc/bitstream/2099.1/4536/3/Anexo%20%20B.pdf Zambrano, M. (2008). Mezclas. In M. Zambrano, Estudio del comportamiento de Poliolefinas por Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC) (pp. 155-158). Quito.